電磁兼容(EMC)IEC 61000-4-3的天線選擇

IEC 61000-4-3的天線選擇

      這裏有許多不同類型的用於EMC / EMI測試，並且與每一種類型的天線，則對性能和使用的變化。您如何確定哪些是正確的，哪個最適合應用程序？有什麼妥協？

 

      一根天線可以覆蓋整個頻率範圍嗎？對於排放和免疫？這些都是很好的問題，我希望在本文中回答它們與IEC 61000-4-3輻射抗擾度測試有關。您會發現有很多類型的天線可以完成這項工作。通過了解所有要求，您可以做出更明智的決策，以縮小您的選擇範圍。

 

天線要求

      IEC 61000-4-3中的附錄B涉及可用於評估符合標準要求的頻率的各種類型的天線和天線係統。附件給出了共用天線的四個例子，並使選擇對任何“線性極化天線係統”開放，天線類型或數量不僅限於整個頻率範圍的一個，並且可以使用多個天線，從這個要求來看，似乎幾乎可以使用任何天線，但標準中還有其他要求以及在天線選擇中需要考慮的可能的設置約束。

 

以下是需要調查的一般問題列表：

需要涵蓋頻率範圍，這個範圍是多少？

天線必須產生RF場，需要什麼級別（V / m）字段？

必須照亮測試區域，什麼是照明區域和要求？

天線需要與測試保持一定距離，那距離是多少？

天線必須處理來自高功率放大器源的輸入信號，這是什麼力量？

天線必須安裝在測試區域或腔室內，有哪些區域限製？

 

    有了這個參考，重要的是要始終牢記，在整個頻率範圍內，這些問題可能有不同的答案，並且可能需要不同的天線或設置。讓我們為IEC 61000-4-3要求打破這個問題。其他標準可能有自己的特定要求，但應用程序將遵循類似的邏輯。

 

頻率範圍

天線需要在80 MHz至6 GHz的頻率範圍內工作，以便正確評估通用設備和數字無線電話。當我們知道所有其他參數時，我們將更好地了解是否需要一個或多個天線。

 

 

現場級別

表1來自基本標準，CW校準水平用於理解需要從80％幅度調製信號傳遞的最大功率/場。產品標準進一步將其定義為水平和頻率範圍。它們並不總是在整個頻率範圍內具有相同的測試水平。

 

表2提供了不同產品標準字段級別要求的一些示例。

 

了解您的要求和所需的水平和頻率範圍，由於它們對於所有頻率都不相同，因此最好根據您的要求製作表格，該字段級別將在文章後麵用於估計所需的功率。天線將具有功率處理規範。

 

包括80%AM

水平	場強	校正CW電平
	v/m	v/m*
1	1	1.8
2	3	5.4
3	10	18
4	30	54
x	特製	1.8 x特別

表1：iec 61000-4-3測試電平(包括調製)

 

 

調製是脈衝調製和調頻調製，因此不需要使用1.8x係數進行校準。

iec 61000-6-1	iec 61000-6-2	iec 61000-6-5	iec 61000-6-7	iec 61326-1		iec 60601-1-2
工業與住宅	重工業	發電站	安全設備	Lt. Ind	工業	醫療醫院	醫療之家
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
發送器變態。								最高28伏/米*

表2：來自不同產品標準的實地級別示例

 

 

試驗區/照明區

      在IEC 61000-4-3中，這被稱為均勻場區(UFA)，它被定義為隻要整個被測設備(Eut)和電纜能夠在UFA內安裝，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16點區域，如圖1所示。要求麵積大於1.5m×1.5m的EUT可以通過部分照明的方法進行測試，如果無法實現完全照明。

這允許通過移動天線(或移動eut)到多個位置來覆蓋eut區域，從而增加測試時間。當測試頻率高於1 GHz時，這種方法也被允許用於較小的EUT。表3概述了UFA的需求。

圖1：16點的總圖，1.5米x 1.5米，UFA

	小EUT<1.5mx1.5m	大型EUT>1.5m
<1 GHz	歐特+電纜適合於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米大小優先	全照明為佳。
>1 GHz	歐特+電纜適合於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方向E(極性方向)和H(垂直於極性方向)的角度，如圖2所示。然而，要在每個方向上找到寬度，仍然缺少一個項，即測試距離。

 

圖2：UFA為1.5m x 1.5m時，所需最小天線3dB波束寬度

 

 

測試距離

      IEC61000-44-3允許任何大於1米(大於1m)的測試距離，隻要符合UFA要求。該標準還規定，3米的距離為首選。所選擇的測試距離對測試結果有很大的影響。關於距離和對UFA的影響的一些關鍵論點包括：

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

以及

移動更近一點可以減小窗口的大小；參見圖3。

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

3.天線波束寬度直接關係到天線的效率(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，無法滿足要求.將天線移到更遠的地方可能有助於補償這一點；

5.天線波束寬度與頻率有關.檢查天線可用的頻率和頻率範圍。另外，請記住，使用具有可接受頻率範圍的天線並不能保證它可以通過該範圍用於每個應用程序。

6.利用三角學與我們已知的UFA和測試距離，可以確定合適的光束寬度，其最佳尺寸為1.5m×1.5m，測試距離為3m。在E&H平麵上，光束寬度必須大於30°.

圖3：天線波束寬度較窄，距離較近

圖4：較遠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麼能量才能到達預定的能量場，你需要知道的第一件事是使用什麼天線。但是，由於我們還不知道天線的使用，我們如何選擇正確的功率水平？在這裏，最好根據經驗做出一些假設，讓我們接近正確的答案。表4根據我們自己的經驗給出了不同距離和不同場級的功率範圍。

 

      表4可作為搜索天線的起點。在選擇了一個天線並運行了所有所需的計算之後，您可能需要返回並找到一個與您的需要更接近的不同的天線(希望您第一次估計的是正確的！)計算功率是另一個更大的話題，不在這裏討論。

	80-1000兆赫		1-6 GHz
	對數周期(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：達到iec 610000-4-3所需功率範圍的示例

 

天線尺寸

      IEC61000-4-3沒有指定天線的實際大小，盡管有一些需要考慮的事情是與安裝相關的。一旦天線就位，它就不應該“接近”任何其他物體。關閉是一個相對項，但一個好的規則是從吸收器>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天線的極性變化，這可能是一個問題，在一些較小的房間。在80兆赫的測試中，天線尺寸是一個因素，而較大的天線通常比較小的天線性能要好。尺寸很重要！

 

 

所需經費彙總表

 

為了滿足首選的要求，需要天線測試1.5m平方UFA在3米的測試距離。理想情況下，它也應盡可能小，以便於使用，並提供一個高增益，以減少所需的功率從射頻功率放大器。但是，小規模和高收益是矛盾的要求，因此需要妥協來協調這些目標。讓我們看一下應用程序可用的天線。

 

 

表5：iec 61000-4-3的要求和首選要求摘要

 

 

天線類型

      雙錐天線將覆蓋範圍較低的80兆赫至約200兆赫。因為這個頻率範圍不是測試的很大一部分，它不是最有效的天線使用，但你可能已經有一個可用的，這是足夠的理由來考慮使用它。在此範圍內，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，可用於發射測試，但在某些情況下，大功率雙錐天線不能用於發射測試，因為它們不符合CISPR所要求的平衡。

圖5：雙錐天線

 

 

      對數周期天線覆蓋從80兆赫到6千兆赫的頻率範圍。偶極子陣列具有良好的性能，遠場增益約為6dB。它還可以處理高功率，使它涵蓋整個頻率範圍。然而，達到80 MHz的低端頻率，可以使元件變得更長和更笨重。天線的市場特征彎曲元素，這保持了良好的匹配，隻有失去最小的增益，以實現一個更容易處理。在80 MHz，在3米距離測試，天線在近場，因此增益下降。這種天線也可以用於發射測試，但是由於它會變得非常大，可以覆蓋到30 mhz，所以它通常與低功率雙錐天線成對。

 

圖6：對數周期天線

 

      疊層Lp天線是對數周期天線上的一種變化，其中兩個LP天線被組合成一個陣列，導致比LP(增益約9dB)淨提高3dB。該天線具有良好的UFA性能和高功率處理能力，已迅速成為測試iec 61000-4-3和其它標準要求的理想解決方案。但它的大小可能會使它變大，而且有點笨重。但是，如果它適合您的測試設置，則是最好的解決方案。一個天線可以覆蓋整個頻段(80 MHz-6 GHz)，也可以分為兩個頻段(80 MHz-1 GHz，1 GHz 6 GHz)。這種天線不是理想的發射測試，因為它不覆蓋到30兆赫。

圖7：疊層Lp天線

 

      組合天線通常以其專有名稱命名，但本質上是雙標準天線和日誌周期天線的組合。當組合天線被引進時，它們迅速占領了市場，因為它大大減少了在發射測試中對天線變化的需求。一些版本有較高的功率處理，也可以用於免疫測試，提供了一個理想的解決方案。然而，新排放標準的發布意味著大功率組合天線不能滿足所需的天線平衡，因此不能用於排放測試。然而，對於較低水平的測試(>3V/m)，這些天線仍可用於雙重用途，從而在需要功率小於100瓦的情況下用於輻射抗擾性測試。

 

圖8：組合天線

 

喇叭天線為更高頻率的測試提供了一個很好的解決方案。他們有許多頻率範圍和功率水平，也提供了大量的增益提供。喇叭天線的一個缺點是，它們需要非常大才能在低頻下進行測試，這使得它們在整個頻段測試時都是一個糟糕的選擇。然而，對於頻率大於1千兆赫的測試，它們是非常有規律的使用。一些高增益喇叭天線效率過高，無法滿足iec 61000-4-3(波束寬度太窄)的要求，在選擇過程中必須牢記這一限製。標準的1-18 GHz雙脊喇叭天線是常用的，在1-6 GHz範圍內使用。

 

圖9：喇叭天線

 

其他關切

      測試的一個關注點是設置時間、工作和頻帶間的轉換時間。如果需要更換天線，需要花費多少精力和時間？如果一個天線可以完成整個測試，那麼不同的放大器是否可以自動切換，或者必須通過移動射頻同軸來手動切換？改變極性是很容易做到的，還是可以自動實現？這些考慮超出了本文的範圍，但是它們需要包含在任何係統評估中。

 

 

結語

      理想情況下，最好的解決方案是最簡單的解決方案，即單一天線覆蓋整個範圍。以最佳的表現，一個堆疊的LP是明確的贏家，以滿足這一標準。具有增益大、場均勻性好、能處理高功率等優點。雖然可以對其進行校準並用於排放測試，但它不能覆蓋30兆赫，也不能用於排放。這將是理想的一個發射天線和一個免疫天線在一個，但這不是今天提供更高的功率要求。因此，使用堆疊LP需要使用第二個發射天線，可能還可以覆蓋整個發射範圍。

 

 

表6：一些天線建議

 

      然而，如果你沒有測試到高場水平，一個天線可以用來覆蓋發射和免疫，組合天線將是一個很好的選擇。雖然增益不如堆疊的LP，但在3V/m時所需的功率並不多，即使在性能較差的天線上也是如此。這使得設置更加簡單，沒有天線改變，以從發射切換到免疫。

 

      當然，如果您有現有的天線與您的功率，購買新的天線可能是不想要的。然而，一個單一的天線解決方案確實節省了安裝時間和更改。較少的電纜和設備切換也意味著更少的磨損測試工程師和設備。在一段時間內，一個單一的天線解決方案很可能代表一個良好的投資。