IEC 61000-4-3的天線選擇

      這里有許多不同類(lèi)型的用于EMC / EMI測(cè)試，并且與每一種類(lèi)型的天線，則對(duì)性能和使用的變化。您如何確定哪些是正確的，哪個(gè)最適合應(yīng)用程序？有什么妥協(xié)？

 

      一根天線可以覆蓋整個(gè)頻率范圍嗎？對(duì)于排放和免疫？這些都是很好的問(wèn)題，我希望在本文中回答它們與IEC 61000-4-3輻射抗擾度測(cè)試有關(guān)。您會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多類(lèi)型的天線可以完成這項(xiàng)工作。通過(guò)了解所有要求，您可以做出更明智的決策，以縮小您的選擇范圍。

 

天線要求

      IEC 61000-4-3中的附錄B涉及可用于評(píng)估符合標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率的各種類(lèi)型的天線和天線系統(tǒng)。附件給出了共用天線的四個(gè)例子，并使選擇對(duì)任何“線性極化天線系統(tǒng)”開(kāi)放，天線類(lèi)型或數(shù)量不僅限于整個(gè)頻率范圍的一個(gè)，并且可以使用多個(gè)天線，從這個(gè)要求來(lái)看，似乎幾乎可以使用任何天線，但標(biāo)準(zhǔn)中還有其他要求以及在天線選擇中需要考慮的可能的設(shè)置約束。

 

以下是需要調(diào)查的一般問(wèn)題列表：

需要涵蓋頻率范圍，這個(gè)范圍是多少？

天線必須產(chǎn)生RF場(chǎng)，需要什么級(jí)別（V / m）字段？

必須照亮測(cè)試區(qū)域，什么是照明區(qū)域和要求？

天線需要與測(cè)試保持一定距離，那距離是多少？

天線必須處理來(lái)自高功率放大器源的輸入信號(hào)，這是什么力量？

天線必須安裝在測(cè)試區(qū)域或腔室內(nèi)，有哪些區(qū)域限制？

 

    有了這個(gè)參考，重要的是要始終牢記，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，這些問(wèn)題可能有不同的答案，并且可能需要不同的天線或設(shè)置。讓我們?yōu)镮EC 61000-4-3要求打破這個(gè)問(wèn)題。其他標(biāo)準(zhǔn)可能有自己的特定要求，但應(yīng)用程序?qū)⒆裱?lèi)似的邏輯。

 

頻率范圍

天線需要在80 MHz至6 GHz的頻率范圍內(nèi)工作，以便正確評(píng)估通用設(shè)備和數(shù)字無(wú)線電話。當(dāng)我們知道所有其他參數(shù)時(shí)，我們將更好地了解是否需要一個(gè)或多個(gè)天線。

 

 

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別

表1來(lái)自基本標(biāo)準(zhǔn)，CW校準(zhǔn)水平用于理解需要從80％幅度調(diào)制信號(hào)傳遞的最大功率/場(chǎng)。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步將其定義為水平和頻率范圍。它們并不總是在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有相同的測(cè)試水平。

 

表2提供了不同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)字段級(jí)別要求的一些示例。

 

了解您的要求和所需的水平和頻率范圍，由于它們對(duì)于所有頻率都不相同，因此最好根據(jù)您的要求制作表格，該字段級(jí)別將在文章后面用于估計(jì)所需的功率。天線將具有功率處理規(guī)范。

 

包括80%AM

水平	場(chǎng)強(qiáng)	校正CW電平
	v/m	v/m*
1	1	1.8
2	3	5.4
3	10	18
4	30	54
x	特制	1.8 x特別

表1：iec 61000-4-3測(cè)試電平(包括調(diào)制)

 

 

調(diào)制是脈沖調(diào)制和調(diào)頻調(diào)制，因此不需要使用1.8x系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

iec 61000-6-1	iec 61000-6-2	iec 61000-6-5	iec 61000-6-7	iec 61326-1		iec 60601-1-2
工業(yè)與住宅	重工業(yè)	發(fā)電站	安全設(shè)備	Lt. Ind	工業(yè)	醫(yī)療醫(yī)院	醫(yī)療之家
80-1000兆赫	3V/m	10V/m	10V/m	20V/m	3V/m	10V/m	3V/m	10V/m
1.4-6千兆赫	3V/m	3V/m
1-2.7千兆赫			3V/m				3V/m	10V/m
1-2.0 GHz				10V/m	3V/m	3V/m
2.7-6千兆赫			1V/m
2.0-6 GHz				3V/m	1V/m	1V/m
發(fā)送器變態(tài)。								最高28伏/米*

表2：來(lái)自不同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)地級(jí)別示例

 

 

試驗(yàn)區(qū)/照明區(qū)

      在IEC 61000-4-3中，這被稱為均勻場(chǎng)區(qū)(UFA)，它被定義為只要整個(gè)被測(cè)設(shè)備(Eut)和電纜能夠在UFA內(nèi)安裝，最小尺寸為0.5m×0.5m。Ufa可以在0.5m的增量中增加。最佳UFA尺寸為1.5m×1.5m。這涵蓋了一個(gè)16點(diǎn)區(qū)域，如圖1所示。要求面積大于1.5m×1.5m的EUT可以通過(guò)部分照明的方法進(jìn)行測(cè)試，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全照明。

這允許通過(guò)移動(dòng)天線(或移動(dòng)eut)到多個(gè)位置來(lái)覆蓋eut區(qū)域，從而增加測(cè)試時(shí)間。當(dāng)測(cè)試頻率高于1 GHz時(shí)，這種方法也被允許用于較小的EUT。表3概述了UFA的需求。

圖1：16點(diǎn)的總圖，1.5米x 1.5米，UFA

	小EUT<1.5mx1.5m	大型EUT>1.5m
<1 GHz	歐特+電纜適合于UFA，全照明	ufa可以增加到eut大小，完全照明。
	Ufa可以是任意大小的0.5m增量	必須增加0.5m的增量
	不允許部分照明	或者允許部分照明。1.5米x 1.5米窗口大小
	1.5米x 1.5米大小優(yōu)先	全照明為佳。
>1 GHz	歐特+電纜適合于UFA，全照明	ufa可以增加到eut大小，完全照明。
	Ufa可以是任意大小的0.5m增量	必須增加0.5m的增量
	或者允許部分照明。0.5m×0.5m窗口大小	或者允許部分照明。1.5米x 1.5米窗口大小
	全照明為佳。	全照明為佳。

表3：iec 61000-4-3對(duì)ufa的要求

 

 

選擇的UFA將需要找到天線的最小波束寬度.光束寬度通常表示為每個(gè)方向E(極性方向)和H(垂直于極性方向)的角度，如圖2所示。然而，要在每個(gè)方向上找到寬度，仍然缺少一個(gè)項(xiàng)，即測(cè)試距離。

 

圖2：UFA為1.5m x 1.5m時(shí)，所需最小天線3dB波束寬度

 

 

測(cè)試距離

      IEC61000-44-3允許任何大于1米(大于1m)的測(cè)試距離，只要符合UFA要求。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，3米的距離為首選。所選擇的測(cè)試距離對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大的影響。關(guān)于距離和對(duì)UFA的影響的一些關(guān)鍵論點(diǎn)包括：

1.較長(zhǎng)的距離需要更多的功率才能到達(dá)所需的電場(chǎng)(例如，用相同的天線從1米移動(dòng)到3米需要大約9倍的功率)；

以及

移動(dòng)更近一點(diǎn)可以減小窗口的大??；參見(jiàn)圖3。

2.一些天線有非常寬的波束寬度，這意味著更近的測(cè)試可能滿足UFA。這也意味著天線的增益較低；參見(jiàn)圖4。

3.天線波束寬度直接關(guān)系到天線的效率(或增益).寬波束寬度天線增益較小，窄波束天線增益較高；

4.天線的波束寬度可能太小，無(wú)法滿足要求.將天線移到更遠(yuǎn)的地方可能有助于補(bǔ)償這一點(diǎn)；

5.天線波束寬度與頻率有關(guān).檢查天線可用的頻率和頻率范圍。另外，請(qǐng)記住，使用具有可接受頻率范圍的天線并不能保證它可以通過(guò)該范圍用于每個(gè)應(yīng)用程序。

6.利用三角學(xué)與我們已知的UFA和測(cè)試距離，可以確定合適的光束寬度，其最佳尺寸為1.5m×1.5m，測(cè)試距離為3m。在E&H平面上，光束寬度必須大于30°.

圖3：天線波束寬度較窄，距離較近

圖4：較遠(yuǎn)距離天線波束寬度較寬的天線

 

所需功率

      很多事情都是為了弄清楚需要什么能量才能到達(dá)預(yù)定的能量場(chǎng)，你需要知道的第一件事是使用什么天線。但是，由于我們還不知道天線的使用，我們?nèi)绾芜x擇正確的功率水平？在這里，最好根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出一些假設(shè)，讓我們接近正確的答案。表4根據(jù)我們自己的經(jīng)驗(yàn)給出了不同距離和不同場(chǎng)級(jí)的功率范圍。

 

      表4可作為搜索天線的起點(diǎn)。在選擇了一個(gè)天線并運(yùn)行了所有所需的計(jì)算之后，您可能需要返回并找到一個(gè)與您的需要更接近的不同的天線(希望您第一次估計(jì)的是正確的！)計(jì)算功率是另一個(gè)更大的話題，不在這里討論。

	80-1000兆赫		1-6 GHz
	對(duì)數(shù)周期(Lp)或疊加lp		疊層Lp或雙脊喇叭
	1米	3米	1米	3米
1 V/m(1.8 V/m)	<1 watt	<6 watts	<1 watt	<2 watts
3 V/m(5.4 V/m)	<5 watt	<20 watts	<2 watt	<10 watts
10 V/m(18 V/m)	<30 watts	~150-300瓦	<10 watts	~20-50瓦
20 V/m(36 V/m)	50-100瓦	~200-500瓦	10-70瓦	~50-100瓦
30 V/m(54 V/m)	~100-250瓦	~500-1200瓦	~60-120瓦	~150-300瓦

表4：達(dá)到iec 610000-4-3所需功率范圍的示例

 

天線尺寸

      IEC61000-4-3沒(méi)有指定天線的實(shí)際大小，盡管有一些需要考慮的事情是與安裝相關(guān)的。一旦天線就位，它就不應(yīng)該“接近”任何其他物體。關(guān)閉是一個(gè)相對(duì)項(xiàng)，但一個(gè)好的規(guī)則是從吸收器>0.5m的間隙。但重要的是要滿足UFA的要求，更多的間距更好。你也希望能夠很容易地旋轉(zhuǎn)天線的極性變化，這可能是一個(gè)問(wèn)題，在一些較小的房間。在80兆赫的測(cè)試中，天線尺寸是一個(gè)因素，而較大的天線通常比較小的天線性能要好。尺寸很重要！

 

 

所需經(jīng)費(fèi)匯總表

 

為了滿足首選的要求，需要天線測(cè)試1.5m平方UFA在3米的測(cè)試距離。理想情況下，它也應(yīng)盡可能小，以便于使用，并提供一個(gè)高增益，以減少所需的功率從射頻功率放大器。但是，小規(guī)模和高收益是矛盾的要求，因此需要妥協(xié)來(lái)協(xié)調(diào)這些目標(biāo)。讓我們看一下應(yīng)用程序可用的天線。

 

 

表5：iec 61000-4-3的要求和首選要求摘要

 

 

天線類(lèi)型

      雙錐天線將覆蓋范圍較低的80兆赫至約200兆赫。因?yàn)檫@個(gè)頻率范圍不是測(cè)試的很大一部分，它不是最有效的天線使用，但你可能已經(jīng)有一個(gè)可用的，這是足夠的理由來(lái)考慮使用它。在此范圍內(nèi)，雙錐天線可能比組合天線具有更好的增益性能。該天線覆蓋30 MHz，可用于發(fā)射測(cè)試，但在某些情況下，大功率雙錐天線不能用于發(fā)射測(cè)試，因?yàn)樗鼈儾环螩ISPR所要求的平衡。

圖5：雙錐天線

 

 

      對(duì)數(shù)周期天線覆蓋從80兆赫到6千兆赫的頻率范圍。偶極子陣列具有良好的性能，遠(yuǎn)場(chǎng)增益約為6dB。它還可以處理高功率，使它涵蓋整個(gè)頻率范圍。然而，達(dá)到80 MHz的低端頻率，可以使元件變得更長(zhǎng)和更笨重。天線的市場(chǎng)特征彎曲元素，這保持了良好的匹配，只有失去最小的增益，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)更容易處理。在80 MHz，在3米距離測(cè)試，天線在近場(chǎng)，因此增益下降。這種天線也可以用于發(fā)射測(cè)試，但是由于它會(huì)變得非常大，可以覆蓋到30 mhz，所以它通常與低功率雙錐天線成對(duì)。

 

圖6：對(duì)數(shù)周期天線

 

      疊層Lp天線是對(duì)數(shù)周期天線上的一種變化，其中兩個(gè)LP天線被組合成一個(gè)陣列，導(dǎo)致比LP(增益約9dB)凈提高3dB。該天線具有良好的UFA性能和高功率處理能力，已迅速成為測(cè)試iec 61000-4-3和其它標(biāo)準(zhǔn)要求的理想解決方案。但它的大小可能會(huì)使它變大，而且有點(diǎn)笨重。但是，如果它適合您的測(cè)試設(shè)置，則是最好的解決方案。一個(gè)天線可以覆蓋整個(gè)頻段(80 MHz-6 GHz)，也可以分為兩個(gè)頻段(80 MHz-1 GHz，1 GHz 6 GHz)。這種天線不是理想的發(fā)射測(cè)試，因?yàn)樗桓采w到30兆赫。

圖7：疊層Lp天線

 

      組合天線通常以其專(zhuān)有名稱命名，但本質(zhì)上是雙標(biāo)準(zhǔn)天線和日志周期天線的組合。當(dāng)組合天線被引進(jìn)時(shí)，它們迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，因?yàn)樗蟠鬁p少了在發(fā)射測(cè)試中對(duì)天線變化的需求。一些版本有較高的功率處理，也可以用于免疫測(cè)試，提供了一個(gè)理想的解決方案。然而，新排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布意味著大功率組合天線不能滿足所需的天線平衡，因此不能用于排放測(cè)試。然而，對(duì)于較低水平的測(cè)試(>3V/m)，這些天線仍可用于雙重用途，從而在需要功率小于100瓦的情況下用于輻射抗擾性測(cè)試。

 

圖8：組合天線

 

喇叭天線為更高頻率的測(cè)試提供了一個(gè)很好的解決方案。他們有許多頻率范圍和功率水平，也提供了大量的增益提供。喇叭天線的一個(gè)缺點(diǎn)是，它們需要非常大才能在低頻下進(jìn)行測(cè)試，這使得它們?cè)谡麄€(gè)頻段測(cè)試時(shí)都是一個(gè)糟糕的選擇。然而，對(duì)于頻率大于1千兆赫的測(cè)試，它們是非常有規(guī)律的使用。一些高增益喇叭天線效率過(guò)高，無(wú)法滿足iec 61000-4-3(波束寬度太窄)的要求，在選擇過(guò)程中必須牢記這一限制。標(biāo)準(zhǔn)的1-18 GHz雙脊喇叭天線是常用的，在1-6 GHz范圍內(nèi)使用。

 

圖9：喇叭天線

 

其他關(guān)切

      測(cè)試的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是設(shè)置時(shí)間、工作和頻帶間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。如果需要更換天線，需要花費(fèi)多少精力和時(shí)間？如果一個(gè)天線可以完成整個(gè)測(cè)試，那么不同的放大器是否可以自動(dòng)切換，或者必須通過(guò)移動(dòng)射頻同軸來(lái)手動(dòng)切換？改變極性是很容易做到的，還是可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)？這些考慮超出了本文的范圍，但是它們需要包含在任何系統(tǒng)評(píng)估中。

 

 

結(jié)語(yǔ)

      理想情況下，最好的解決方案是最簡(jiǎn)單的解決方案，即單一天線覆蓋整個(gè)范圍。以最佳的表現(xiàn)，一個(gè)堆疊的LP是明確的贏家，以滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。具有增益大、場(chǎng)均勻性好、能處理高功率等優(yōu)點(diǎn)。雖然可以對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)并用于排放測(cè)試，但它不能覆蓋30兆赫，也不能用于排放。這將是理想的一個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)免疫天線在一個(gè)，但這不是今天提供更高的功率要求。因此，使用堆疊LP需要使用第二個(gè)發(fā)射天線，可能還可以覆蓋整個(gè)發(fā)射范圍。

 

 

表6：一些天線建議

 

      然而，如果你沒(méi)有測(cè)試到高場(chǎng)水平，一個(gè)天線可以用來(lái)覆蓋發(fā)射和免疫，組合天線將是一個(gè)很好的選擇。雖然增益不如堆疊的LP，但在3V/m時(shí)所需的功率并不多，即使在性能較差的天線上也是如此。這使得設(shè)置更加簡(jiǎn)單，沒(méi)有天線改變，以從發(fā)射切換到免疫。

 

      當(dāng)然，如果您有現(xiàn)有的天線與您的功率，購(gòu)買(mǎi)新的天線可能是不想要的。然而，一個(gè)單一的天線解決方案確實(shí)節(jié)省了安裝時(shí)間和更改。較少的電纜和設(shè)備切換也意味著更少的磨損測(cè)試工程師和設(shè)備。在一段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)單一的天線解決方案很可能代表一個(gè)良好的投資。