电磁兼容(EMC)IEC 61000-4-3的天线选择

IEC 61000-4-3的天线选择

      这里有许多不同类型的用于EMC / EMI测试，并且与每一种类型的天线，则对性能和使用的变化。您如何确定哪些是正确的，哪个最适合应用程序？有什么妥协？

 

      一根天线可以覆盖整个频率范围吗？对于排放和免疫？这些都是很好的问题，我希望在本文中回答它们与IEC 61000-4-3辐射抗扰度测试有关。您会发现有很多类型的天线可以完成这项工作。通过了解所有要求，您可以做出更明智的决策，以缩小您的选择范围。

 

天线要求

      IEC 61000-4-3中的附录B涉及可用于评估符合标准要求的频率的各种类型的天线和天线系统。附件给出了共用天线的四个例子，并使选择对任何“线性极化天线系统”开放，天线类型或数量不仅限于整个频率范围的一个，并且可以使用多个天线，从这个要求来看，似乎几乎可以使用任何天线，但标准中还有其他要求以及在天线选择中需要考虑的可能的设置约束。

 

以下是需要调查的一般问题列表：

需要涵盖频率范围，这个范围是多少？

天线必须产生RF场，需要什么级别（V / m）字段？

必须照亮测试区域，什么是照明区域和要求？

天线需要与测试保持一定距离，那距离是多少？

天线必须处理来自高功率放大器源的输入信号，这是什么力量？

天线必须安装在测试区域或腔室内，有哪些区域限制？

 

    有了这个参考，重要的是要始终牢记，在整个频率范围内，这些问题可能有不同的答案，并且可能需要不同的天线或设置。让我们为IEC 61000-4-3要求打破这个问题。其他标准可能有自己的特定要求，但应用程序将遵循类似的逻辑。

 

频率范围

天线需要在80 MHz至6 GHz的频率范围内工作，以便正确评估通用设备和数字无线电话。当我们知道所有其他参数时，我们将更好地了解是否需要一个或多个天线。

 

 

现场级别

表1来自基本标准，CW校准水平用于理解需要从80％幅度调制信号传递的最大功率/场。产品标准进一步将其定义为水平和频率范围。它们并不总是在整个频率范围内具有相同的测试水平。

 

表2提供了不同产品标准字段级别要求的一些示例。

 

了解您的要求和所需的水平和频率范围，由于它们对于所有频率都不相同，因此最好根据您的要求制作表格，该字段级别将在文章后面用于估计所需的功率。天线将具有功率处理规范。

 

包括80%AM

水平	场强	校正CW电平
	v/m	v/m*
1	1	1.8
2	3	5.4
3	10	18
4	30	54
x	特制	1.8 x特别

表1：iec 61000-4-3测试电平(包括调制)

 

 

调制是脉冲调制和调频调制，因此不需要使用1.8x系数进行校准。

iec 61000-6-1	iec 61000-6-2	iec 61000-6-5	iec 61000-6-7	iec 61326-1		iec 60601-1-2
工业与住宅	重工业	发电站	安全设备	Lt. Ind	工业	医疗医院	医疗之家
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
发送器变态。								最高28伏/米*

表2：来自不同产品标准的实地级别示例

 

 

试验区/照明区

      在IEC 61000-4-3中，这被称为均匀场区(UFA)，它被定义为只要整个被测设备(Eut)和电缆能够在UFA内安装，最小尺寸为0.5m×0.5m。Ufa可以在0.5m的增量中增加。最佳UFA尺寸为1.5m×1.5m。这涵盖了一个16点区域，如图1所示。要求面积大于1.5m×1.5m的EUT可以通过部分照明的方法进行测试，如果无法实现完全照明。

这允许通过移动天线(或移动eut)到多个位置来覆盖eut区域，从而增加测试时间。当测试频率高于1 GHz时，这种方法也被允许用于较小的EUT。表3概述了UFA的需求。

图1：16点的总图，1.5米x 1.5米，UFA

	小EUT<1.5mx1.5m	大型EUT>1.5m
<1 GHz	欧特+电缆适合于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	必须增加0.5m的增量
	不允许部分照明	或者允许部分照明。1.5米x 1.5米窗口大小
	1.5米x 1.5米大小优先	全照明为佳。
>1 GHz	欧特+电缆适合于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	必须增加0.5m的增量
	或者允许部分照明。0.5m×0.5m窗口大小	或者允许部分照明。1.5米x 1.5米窗口大小
	全照明为佳。	全照明为佳。

表3：iec 61000-4-3对ufa的要求

 

 

选择的UFA将需要找到天线的最小波束宽度.光束宽度通常表示为每个方向E(极性方向)和H(垂直于极性方向)的角度，如图2所示。然而，要在每个方向上找到宽度，仍然缺少一个项，即测试距离。

 

图2：UFA为1.5m x 1.5m时，所需最小天线3dB波束宽度

 

 

测试距离

      IEC61000-44-3允许任何大于1米(大于1m)的测试距离，只要符合UFA要求。该标准还规定，3米的距离为首选。所选择的测试距离对测试结果有很大的影响。关于距离和对UFA的影响的一些关键论点包括：

1.较长的距离需要更多的功率才能到达所需的电场(例如，用相同的天线从1米移动到3米需要大约9倍的功率)；

以及

移动更近一点可以减小窗口的大小；参见图3。

2.一些天线有非常宽的波束宽度，这意味着更近的测试可能满足UFA。这也意味着天线的增益较低；参见图4。

3.天线波束宽度直接关系到天线的效率(或增益).宽波束宽度天线增益较小，窄波束天线增益较高；

4.天线的波束宽度可能太小，无法满足要求.将天线移到更远的地方可能有助于补偿这一点；

5.天线波束宽度与频率有关.检查天线可用的频率和频率范围。另外，请记住，使用具有可接受频率范围的天线并不能保证它可以通过该范围用于每个应用程序。

6.利用三角学与我们已知的UFA和测试距离，可以确定合适的光束宽度，其最佳尺寸为1.5m×1.5m，测试距离为3m。在E&H平面上，光束宽度必须大于30°.

图3：天线波束宽度较窄，距离较近

图4：较远距离天线波束宽度较宽的天线

 

所需功率

      很多事情都是为了弄清楚需要什么能量才能到达预定的能量场，你需要知道的第一件事是使用什么天线。但是，由于我们还不知道天线的使用，我们如何选择正确的功率水平？在这里，最好根据经验做出一些假设，让我们接近正确的答案。表4根据我们自己的经验给出了不同距离和不同场级的功率范围。

 

      表4可作为搜索天线的起点。在选择了一个天线并运行了所有所需的计算之后，您可能需要返回并找到一个与您的需要更接近的不同的天线(希望您第一次估计的是正确的！)计算功率是另一个更大的话题，不在这里讨论。

	80-1000兆赫		1-6 GHz
	对数周期(Lp)或叠加lp		叠层Lp或双脊喇叭
	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：达到iec 610000-4-3所需功率范围的示例

 

天线尺寸

      IEC61000-4-3没有指定天线的实际大小，尽管有一些需要考虑的事情是与安装相关的。一旦天线就位，它就不应该“接近”任何其他物体。关闭是一个相对项，但一个好的规则是从吸收器>0.5m的间隙。但重要的是要满足UFA的要求，更多的间距更好。你也希望能够很容易地旋转天线的极性变化，这可能是一个问题，在一些较小的房间。在80兆赫的测试中，天线尺寸是一个因素，而较大的天线通常比较小的天线性能要好。尺寸很重要！

 

 

所需经费汇总表

 

为了满足首选的要求，需要天线测试1.5m平方UFA在3米的测试距离。理想情况下，它也应尽可能小，以便于使用，并提供一个高增益，以减少所需的功率从射频功率放大器。但是，小规模和高收益是矛盾的要求，因此需要妥协来协调这些目标。让我们看一下应用程序可用的天线。

 

 

表5：iec 61000-4-3的要求和首选要求摘要

 

 

天线类型

      双锥天线将覆盖范围较低的80兆赫至约200兆赫。因为这个频率范围不是测试的很大一部分，它不是最有效的天线使用，但你可能已经有一个可用的，这是足够的理由来考虑使用它。在此范围内，双锥天线可能比组合天线具有更好的增益性能。该天线覆盖30 MHz，可用于发射测试，但在某些情况下，大功率双锥天线不能用于发射测试，因为它们不符合CISPR所要求的平衡。

图5：双锥天线

 

 

      对数周期天线覆盖从80兆赫到6千兆赫的频率范围。偶极子阵列具有良好的性能，远场增益约为6dB。它还可以处理高功率，使它涵盖整个频率范围。然而，达到80 MHz的低端频率，可以使元件变得更长和更笨重。天线的市场特征弯曲元素，这保持了良好的匹配，只有失去最小的增益，以实现一个更容易处理。在80 MHz，在3米距离测试，天线在近场，因此增益下降。这种天线也可以用于发射测试，但是由于它会变得非常大，可以覆盖到30 mhz，所以它通常与低功率双锥天线成对。

 

图6：对数周期天线

 

      叠层Lp天线是对数周期天线上的一种变化，其中两个LP天线被组合成一个阵列，导致比LP(增益约9dB)净提高3dB。该天线具有良好的UFA性能和高功率处理能力，已迅速成为测试iec 61000-4-3和其它标准要求的理想解决方案。但它的大小可能会使它变大，而且有点笨重。但是，如果它适合您的测试设置，则是最好的解决方案。一个天线可以覆盖整个频段(80 MHz-6 GHz)，也可以分为两个频段(80 MHz-1 GHz，1 GHz 6 GHz)。这种天线不是理想的发射测试，因为它不覆盖到30兆赫。

图7：叠层Lp天线

 

      组合天线通常以其专有名称命名，但本质上是双标准天线和日志周期天线的组合。当组合天线被引进时，它们迅速占领了市场，因为它大大减少了在发射测试中对天线变化的需求。一些版本有较高的功率处理，也可以用于免疫测试，提供了一个理想的解决方案。然而，新排放标准的发布意味着大功率组合天线不能满足所需的天线平衡，因此不能用于排放测试。然而，对于较低水平的测试(>3V/m)，这些天线仍可用于双重用途，从而在需要功率小于100瓦的情况下用于辐射抗扰性测试。

 

图8：组合天线

 

喇叭天线为更高频率的测试提供了一个很好的解决方案。他们有许多频率范围和功率水平，也提供了大量的增益提供。喇叭天线的一个缺点是，它们需要非常大才能在低频下进行测试，这使得它们在整个频段测试时都是一个糟糕的选择。然而，对于频率大于1千兆赫的测试，它们是非常有规律的使用。一些高增益喇叭天线效率过高，无法满足iec 61000-4-3(波束宽度太窄)的要求，在选择过程中必须牢记这一限制。标准的1-18 GHz双脊喇叭天线是常用的，在1-6 GHz范围内使用。

 

图9：喇叭天线

 

其他关切

      测试的一个关注点是设置时间、工作和频带间的转换时间。如果需要更换天线，需要花费多少精力和时间？如果一个天线可以完成整个测试，那么不同的放大器是否可以自动切换，或者必须通过移动射频同轴来手动切换？改变极性是很容易做到的，还是可以自动实现？这些考虑超出了本文的范围，但是它们需要包含在任何系统评估中。

 

 

结语

      理想情况下，最好的解决方案是最简单的解决方案，即单一天线覆盖整个范围。以最佳的表现，一个堆叠的LP是明确的赢家，以满足这一标准。具有增益大、场均匀性好、能处理高功率等优点。虽然可以对其进行校准并用于排放测试，但它不能覆盖30兆赫，也不能用于排放。这将是理想的一个发射天线和一个免疫天线在一个，但这不是今天提供更高的功率要求。因此，使用堆叠LP需要使用第二个发射天线，可能还可以覆盖整个发射范围。

 

 

表6：一些天线建议

 

      然而，如果你没有测试到高场水平，一个天线可以用来覆盖发射和免疫，组合天线将是一个很好的选择。虽然增益不如堆叠的LP，但在3V/m时所需的功率并不多，即使在性能较差的天线上也是如此。这使得设置更加简单，没有天线改变，以从发射切换到免疫。

 

      当然，如果您有现有的天线与您的功率，购买新的天线可能是不想要的。然而，一个单一的天线解决方案确实节省了安装时间和更改。较少的电缆和设备切换也意味着更少的磨损测试工程师和设备。在一段时间内，一个单一的天线解决方案很可能代表一个良好的投资。