高剛，朱宜生（中國(guó)船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

基于SAE-ARP958環(huán)天線校準(zhǔn)技術(shù)研究

高剛，朱宜生
（中國(guó)船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

目的 介紹基于SAE-ARP958環(huán)天線校準(zhǔn)技術(shù)，研究提高該校準(zhǔn)精確性的方法，為精確監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境提供保障。方法 研制一套基于SAE-ARP958環(huán)天線的校準(zhǔn)裝置，提出采用直徑分別為30，10，4 cm的三個(gè)發(fā)射環(huán)天線作為磁場(chǎng)發(fā)生裝置的校準(zhǔn)方案，并利用對(duì)比測(cè)試的方法對(duì)校準(zhǔn)方案進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果 優(yōu)化后的校準(zhǔn)方案能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)天線的精確校準(zhǔn)。結(jié)論 基于SAE-ARP958環(huán)天線校準(zhǔn)方法具有不受待校環(huán)尺寸限制的優(yōu)點(diǎn)，而且精確性高，值得向具有較多不同尺寸的環(huán)天線用戶推廣。

校準(zhǔn)裝置；SAE-ARP958；電磁環(huán)境

隨著科技的不斷進(jìn)步和電子裝備的投入使用，電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，已經(jīng)逐漸成為制約武器裝備發(fā)揮作戰(zhàn)效能的重要因素之一[1]，因此，電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)方法[2]以及電磁環(huán)境適應(yīng)性越來(lái)越受到重視。環(huán)天線廣泛用于對(duì)電磁環(huán)境尤其是磁場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)[3]。在GJB 151B《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》中明確要求使用環(huán)天線來(lái)進(jìn)行低頻傳導(dǎo)發(fā)射（CE101）、輻射發(fā)射（RE101）和輻射敏感性（RS101）的測(cè)量和測(cè)試，它的校準(zhǔn)精確性對(duì)一個(gè)裝備或分系統(tǒng)的合格性具有重要的影響。ANSI C63-4[4]和CISPR 16-1-4[5]均要求使用環(huán)天線來(lái)進(jìn)行30 Hz到100 kHz之間的磁場(chǎng)發(fā)射測(cè)量。MIL-STD 461E/F[6—7]作為一個(gè)非常重要的軍用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，也要求使用環(huán)天線進(jìn)行多個(gè)測(cè)試。此外，環(huán)天線在電力環(huán)境監(jiān)測(cè)方面也具有廣泛的應(yīng)用[8]。

天線系數(shù)作為環(huán)天線的一項(xiàng)重要參數(shù)，它的校準(zhǔn)是電磁兼容工程師們極其關(guān)注的問(wèn)題[9]。商用環(huán)天線由于長(zhǎng)期使用、磨損等原因[10]，商家提供的天線系數(shù)難以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的精確度。因此，環(huán)天線在用于測(cè)量之前，必須對(duì)其天線系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，最好是每次測(cè)試前都進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，非常有必要開(kāi)展環(huán)天線現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的研究。

1　基于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)環(huán)天線校準(zhǔn)方法

1.1方法介紹

目前常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)環(huán)天線校準(zhǔn)方法主要是通過(guò)橫電磁波傳輸室（TEM cell）和亥姆霍茲線圈[11]產(chǎn)生量值可確定的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，橫電磁波傳輸室法要滿足“1/3”原則，因此，被校環(huán)天線尺寸受限于橫電磁波傳輸室的尺寸，對(duì)于直徑30 cm以上的待校環(huán)，TEM cell的尺寸會(huì)非常大且造價(jià)不菲，同時(shí)還應(yīng)充分考慮電場(chǎng)的影響。亥姆霍茲線圈在其公共軸線中點(diǎn)附近可產(chǎn)生較廣的軸向均勻磁場(chǎng)區(qū)[12]，該方法適用頻率范圍和場(chǎng)均勻性區(qū)域之間相互制約，無(wú)法兼顧，因此在實(shí)際應(yīng)用中其使用頻率上限很難達(dá)到30 MHz，尤其是對(duì)于尺寸較大的待校環(huán)。文中介紹的基于SAE-ARP 958[13]的校準(zhǔn)方法，該方法不受待校環(huán)天線尺寸的影響，能夠快速搭建校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)并且實(shí)現(xiàn)環(huán)天線頻率10 kHz～30 MHz的精確校準(zhǔn)。

1.2基于SAE-ARP 958校準(zhǔn)方法

SAE-ARP 958環(huán)天線校準(zhǔn)是通過(guò)發(fā)射環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)場(chǎng)的一種方法，其校準(zhǔn)距離通常為1 m，發(fā)射環(huán)產(chǎn)生的平均磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)是通過(guò)表達(dá)式（1）來(lái)計(jì)算：

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；dxmt和drcv分別是發(fā)射環(huán)和接收環(huán)的直徑，m；L接收環(huán)與發(fā)射環(huán)之間的中心距離，m；I發(fā)射環(huán)上的注入電流，A；nxmt發(fā)射環(huán)的匝數(shù)；f校準(zhǔn)頻率，Hz；c為光速，m/s。

式中：AF為待校環(huán)天線的磁場(chǎng)天線系數(shù)，dBS/m；H為待校環(huán)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；U為待校環(huán)天線的感應(yīng)電壓，V。

2　校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)

文中提出了采用直徑分別為30，10，4 cm的三個(gè)發(fā)射環(huán)天線作為磁場(chǎng)發(fā)生裝置，分段實(shí)現(xiàn)環(huán)天線10 kHz～ 30 MHz天線系數(shù)校準(zhǔn)的方案，自主研制一套可自由拆卸組裝的專用校準(zhǔn)裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射環(huán)和待校環(huán)兩環(huán)同心同軸，提高天線系數(shù)校準(zhǔn)的精確性。

2.1發(fā)射環(huán)天線尺寸

作為磁場(chǎng)發(fā)生源的發(fā)射環(huán)需要滿足多個(gè)條件：發(fā)射環(huán)各個(gè)位置上的電流相必須高度一致性，即環(huán)天線的周長(zhǎng)必須小于自由空間波長(zhǎng)的1/8[14]；發(fā)射環(huán)天線的適用頻率要遠(yuǎn)小于其諧振頻率（工程上一般取小于諧振頻率的1/10）；發(fā)射環(huán)需具備較高的輻射效率。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮到發(fā)射環(huán)與信號(hào)源、電纜之間的阻抗匹配，采用三個(gè)發(fā)射環(huán)分段匹配，分段實(shí)現(xiàn)環(huán)天線校準(zhǔn)正是基于此。

利用Agilent E5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)直徑分別為4，10，30 cm的發(fā)射環(huán)天線阻抗特性進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1　環(huán)天線阻抗諧振特性Fig.1 Impedance resonant characteristics of loop antenna

由圖1可知，直徑分別為4，10，30 cm的三個(gè)發(fā)射環(huán)天線的諧振頻率[15]依次為328，163，70.2 MHz。根據(jù)1.1節(jié)中發(fā)射環(huán)尺寸需滿足的條件，同時(shí)也為方便設(shè)計(jì)環(huán)天線匹配電路，提高天線輻射效率，文中采用分段進(jìn)行發(fā)射環(huán)天線設(shè)計(jì)，在頻段0.15～6.0 MHz，6.0～15.0 MHz，15.0～30.0 MHz所使用的環(huán)天線尺寸分別為30，10，4 cm。

2.2匹配電路

為了能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射環(huán)與信號(hào)源、電纜之間的阻抗匹配，專門(mén)對(duì)三個(gè)發(fā)射環(huán)分別設(shè)計(jì)了匹配電路。匹配電路主要包含以下組成部分：發(fā)射環(huán)天線（等效為一個(gè)電感）、1 Ω精密電阻（串聯(lián)在環(huán)天線上用來(lái)獲得環(huán)上電流）、電路網(wǎng)絡(luò)等。發(fā)射環(huán)匹配電路采用線路板設(shè)計(jì)，直接安裝在發(fā)射環(huán)底座中。經(jīng)測(cè)試，文中使用的4，10，30 cm的發(fā)射環(huán)在相應(yīng)頻段內(nèi)的電壓駐波比均小于1.5。設(shè)計(jì)的三個(gè)發(fā)射環(huán)如圖2所示。

圖2　發(fā)射環(huán)天線Fig.2 Launch loop antenna

2.3校準(zhǔn)裝置研制

為了實(shí)現(xiàn)SAE-ARP 958D環(huán)天線感應(yīng)場(chǎng)法校準(zhǔn)的精確性和減少校準(zhǔn)測(cè)試中的不確定度，根據(jù)發(fā)射環(huán)及待校環(huán)的尺寸，自主研制一套校準(zhǔn)裝置以保證兩環(huán)的同心共軸，其中心距離為1 m，校準(zhǔn)裝置如圖3所示。

圖3　環(huán)天線校準(zhǔn)裝置Fig.3 Loop antenna calibration device

3　提高校準(zhǔn)精確性方法研究

利用自主研制的校準(zhǔn)裝置，開(kāi)展以ETS-Lindgren公司的6507型有源環(huán)天線作為待校準(zhǔn)天線的校準(zhǔn)測(cè)試，通過(guò)將該測(cè)試得到的天線系數(shù)結(jié)果與ETS-Lindgren公司提供的磁場(chǎng)天線系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，不斷優(yōu)化校準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案，提高校準(zhǔn)精確性。

3.1影響校準(zhǔn)結(jié)果的因素分析

校準(zhǔn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，影響校準(zhǔn)結(jié)果精確性的因素除了文中專門(mén)研制的校準(zhǔn)裝置外，還有校準(zhǔn)裝置與電纜的擺放方向，當(dāng)校準(zhǔn)裝置擺放方向與電纜幾乎平行時(shí)，天線系數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)與ETS-Lindgren公司提供的磁場(chǎng)天線系數(shù)更符合一致，見(jiàn)表1。天線系數(shù)AF1為校準(zhǔn)裝置擺放方向與電纜幾乎平行狀態(tài)下的校準(zhǔn)結(jié)果；天線系數(shù)AF2為校準(zhǔn)裝置擺放方向與電纜幾乎垂直狀態(tài)下的校準(zhǔn)結(jié)果；天線系數(shù)AF0為ETS-Lindgren公司提供的磁場(chǎng)天線系數(shù)。根據(jù)這一現(xiàn)象，從理論上進(jìn)行了原因分析：頻率在3 MHz以下，AF1，AF2與AF0之間的差值較小，主要是由于在較低頻率雜散電容形成的通路阻抗遠(yuǎn)大于回線返回信號(hào)源通路的阻抗，因此，大部分電流都是沿著回線返回信號(hào)源，此時(shí)的共模電流就非常?。划?dāng)頻率較高時(shí)，雜散電容形成的通路阻抗已經(jīng)很小，就會(huì)存在一定比例的共模電流，共模電流導(dǎo)致共模輻射，直接影響到天線系數(shù)的校準(zhǔn)結(jié)果。發(fā)射環(huán)上共模電流產(chǎn)生的原理如圖4所示，共模電壓是導(dǎo)致共模電流的根本原因，發(fā)射環(huán)線路板上的地線電壓作為共模電壓，可以驅(qū)動(dòng)電纜上的共模電流，形成共模輻射?？紤]到導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因來(lái)自于發(fā)射環(huán)上及其電纜上的共模電流，因此，提高校準(zhǔn)精確性的方法關(guān)鍵在于有效控制環(huán)上及電纜上的共模電流。

表1　不同狀態(tài)下的環(huán)天線校準(zhǔn)結(jié)果Table 1 Calibration results of loop antenna under different states

圖4　電纜上的共模電流Fig.4 The common-mode current on the cable

3.2提高校準(zhǔn)精確性的方法

由表1可以看出，低頻段受共模電流影響較小，高頻段影響較大?？紤]到共模扼流圈有在低頻段的共模抑制效果小，在高頻段的共模抑制效果明顯的特點(diǎn)，文中采用了在發(fā)射環(huán)匹配電路端進(jìn)行1∶1巴倫[16]設(shè)計(jì)的方法，巴倫起著共模扼流圈和阻抗過(guò)渡的作用。該方法能夠有效抑制環(huán)上的共模電流，同時(shí)為了更好地抑制電纜上的共模電流，在校準(zhǔn)電纜上均勻加25個(gè)BF-100-B鐵氧體磁珠。通過(guò)上述兩個(gè)方法，可以明顯減小共模電流對(duì)環(huán)天線校準(zhǔn)的影響。

4　方案優(yōu)化及校準(zhǔn)測(cè)試

4.1校準(zhǔn)方案優(yōu)化

校準(zhǔn)方案的優(yōu)化主要體現(xiàn)在發(fā)射環(huán)設(shè)計(jì)的優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試電纜的處理兩方面。優(yōu)化后的校準(zhǔn)方案采用的是經(jīng)過(guò)巴倫設(shè)計(jì)的直徑分別為30，10，4 cm的三個(gè)發(fā)射環(huán)作為磁場(chǎng)發(fā)生裝置。雖然共模扼流圈能夠抑制環(huán)上的大部分共模電流，但仍然有一小部分共模電流會(huì)存在于校準(zhǔn)電纜上。為了進(jìn)一步提高天線系數(shù)的校準(zhǔn)結(jié)果，在校準(zhǔn)測(cè)試中校準(zhǔn)裝置擺放方向與電纜盡量平行，同時(shí)在校準(zhǔn)電纜上均勻分布25個(gè)BF-100-B鐵氧體磁珠，該方法有助于減小電纜上的共模電流。

4.2校準(zhǔn)測(cè)試

環(huán)天線校準(zhǔn)測(cè)試在暗室中進(jìn)行，發(fā)射環(huán)和待校環(huán)分別位于校準(zhǔn)裝置的兩端，其中信號(hào)源SML03（9 kHz～ 3.3 GHz）通過(guò)電纜射頻輸出給發(fā)射環(huán)，待校準(zhǔn)環(huán)天線6507通過(guò)電纜與頻譜儀FSP30（9 kHz～30 GHz）相連，25個(gè)BF-100-B鐵氧體磁珠均勻分布在發(fā)射以及接收電纜上。

經(jīng)測(cè)試獲得待校環(huán)天線的磁場(chǎng)天線系數(shù)AF3，AF0為ETS-Lindgren公司提供的磁場(chǎng)天線系數(shù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后的校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，設(shè)計(jì)方案優(yōu)化后的校準(zhǔn)結(jié)果與ETS-Lindgren公司提供的磁場(chǎng)天線系數(shù)一致性非常高，進(jìn)一步表明了文中提出的校準(zhǔn)方案的合理性。

表2　優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后的校準(zhǔn)結(jié)果Table 2 Loop calibration results after optimized design

5　結(jié)語(yǔ)

文中提出的基于SAE-ARP 958的校準(zhǔn)方案，在自主研制的校準(zhǔn)裝置的輔助下，實(shí)現(xiàn)了環(huán)天線的精確校準(zhǔn)（最大誤差為1.4 dB）。由于受發(fā)射環(huán)底座大小的限制，文中采用的是共模扼流圈抑制環(huán)上共模電流的方法，具有較理想的抑制效果。如果在發(fā)射環(huán)空間允許的情況下，在發(fā)射環(huán)上安裝一個(gè)小型共模濾波器，可以獲得更精確的校準(zhǔn)結(jié)果。該方法突破了電磁波傳輸室法和亥姆霍茲線圈法等標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)法受待校環(huán)天線尺寸限制的禁錮，校準(zhǔn)裝置移動(dòng)方便，可以滿足快速搭建校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)的需求，特別適用于有大量不同尺寸環(huán)天線需要校準(zhǔn)的用戶。

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Loop Antenna Calibration Technology Based on SAE-ARP958

GAO Gang，ZHU Yi-sheng
（723 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Yangzhou 225001，China）

Objective To introduce the loop antenna calibration technology based on the SAE-ARP958 and investigate the method improving the accuracy of the calibration，which guarantees accurate monitoring in electromagnetic environment.Methods The design of a set of loop antenna calibration based on the SAE-ARP958 was proposed,the calibration scheme of using three launch loop antennas with the respective diameter of 30 cm,10 cm and 4 cm as the magnetic field generator was put forward，and the method of comparison test was used for optimization of the calibration scheme.Results The optimized calibration scheme can realize accurate loop antenna calibration. Conclusion Loop antenna calibration method based on the SAE-ARP958 has the advantage of not being restricted to loop antenna size,and the accuracy is high,which is worth to be prompted to the users with different loop antenna sizes. KEY WORDS：calibration device；SAE-ARP958；electromagnetic environment

2015-09-15；Revised：2015-09-21

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.023

TJ06；TN820

A

1672－9242（2016）01－0121-05

2015-09-15；

2015-09-21

高剛（1988—），碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒菪浴?/p>

Biography：GAO Gang（1988—），Master，Engineer，Research focus：electromagnetic compatibility.