1～2 GHz可計算偶極子天線的研制

王文鋒，聞映紅，孟東林

（1.北京交通大學(xué)電磁兼容實驗室，北京100044；2.中國計量科學(xué)研究院，北京100029）

1～2 GHz可計算偶極子天線的研制

王文鋒1，聞映紅1，孟東林2

（1.北京交通大學(xué)電磁兼容實驗室，北京100044；2.中國計量科學(xué)研究院，北京100029）

現(xiàn)有的可計算偶極子天線主要使用混合器式巴倫設(shè)計。雖然這種可計算天線的準(zhǔn)確性很好，但是成本極高。通過設(shè)計寬帶漸進(jìn)巴倫，并且提出開路?短路?負(fù)載（OSL）的方式準(zhǔn)確測試巴倫的S參數(shù)，并將測試的S參數(shù)用于可計算天線理論中，研制覆蓋1～2 GHz頻段的低成本可計算偶極子天線。在一定程度上降低了可計算天線的準(zhǔn)確性，但是卻以低成本獲得了可以接受的可計算性。這種可計算偶極子天線的性價比較高。

寬帶漸進(jìn)巴倫；開路?短路?負(fù)載；可計算偶極子天線；S參數(shù)

0 概述

天線系數(shù)是產(chǎn)品輻射發(fā)射測量中的重要轉(zhuǎn)換參數(shù)，然而30 MHz以上的天線系數(shù)測量時需要昂貴的測量裝置——計量級開闊試驗場（OATS）。CISPR 16?1?5提供了利用可計算偶極子天線來確認(rèn)OATS性能的方法僅覆蓋30～1 000 MHz。然而，目前很多復(fù)合天線的頻率范圍都覆蓋了30～3 000 MHz。這導(dǎo)致1～3 GHz頻段的開闊試驗場性能確認(rèn)和天線校準(zhǔn)成為一個問題。

2004年英國的M.J.Alexander等人通過將天線測試系統(tǒng)等效為微波網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的理論，研制出了850 MHz～2.2 GHz的可計算偶極子天線，在全電波暗室內(nèi)測試獲得了±0.3 dB的精確度[1]。在2012年，韓國的Ki?Chai Kim等人研制出了1～3 GHz的可計算偶極子天線，天線系數(shù)獲得了±0.11 dB的精確度[2]。研制可計算天線的理論基礎(chǔ)都是一樣的[3]，其難點在于如何保證巴倫的性能（平衡性、隔離度、插入損耗等）[4]良好和精確測試其S參數(shù)。前面介紹的可計算天線使用的都是高成本（1萬元左右）高精度的混合器式巴倫?；旌掀魇桨蛡惔_保性能很難，但其S參數(shù)測試很容易，只需矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀三端口測試，然后轉(zhuǎn)換為二端口的S參數(shù)即可。2005年法國的ALIREZA KAZEMIPOUR使用低成本（100元左右）的微帶漸進(jìn)巴倫設(shè)計了一套可計算偶極子天線，但是其天線系數(shù)的理論值與實測值相差±0.8 dB，差值較大[5]。這種微帶漸進(jìn)巴倫從結(jié)構(gòu)上保證了巴倫較好的性能，然而其S參數(shù)測試較難。本文針對這種成本較低的微帶巴倫，提出開路?短路?負(fù)載的方法精確測試其全S參數(shù)，然后應(yīng)用于可計算偶極子天線，提高可計算天線的精度。

1 巴倫的設(shè)計原理

可計算天線的高成本，主要在于其巴倫的成本較高，為此選擇成本低的微帶巴倫，同時為了進(jìn)一步降低成本，微帶巴倫需要具有寬帶特性，使其可以給多個諧振頻點陣子饋電。利用天線領(lǐng)域中常用的軟件NEC2計算半波偶極子天線的輸入阻抗，當(dāng)d/λ＞0.005時，在100 Ω左右（d為陣子直徑，λ為波長）[5]。

圖1所示的微帶漸進(jìn)巴倫是一種寬帶巴倫。這種巴倫從非平衡端的微帶線結(jié)構(gòu)，到平衡的平行雙導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，采用漸變線，使得阻抗可以漸變，減小反射信號。此巴倫帶寬大，可以很容易地設(shè)計參數(shù)，使得對任意阻抗匹配。這種結(jié)構(gòu)的巴倫從其結(jié)構(gòu)上就可以保證其具有較好的性能。

圖1 微帶漸進(jìn)巴倫側(cè)視圖

利用微波理論，設(shè)計一款輸入阻抗50 Ω，輸出阻抗100 Ω的微帶漸進(jìn)巴倫（輸出端和天線陣子匹配連接）。巴倫的輸入端至輸出端的長度應(yīng)該大于最低頻率對應(yīng)波長的1/2。由于微波理論無法準(zhǔn)確計算地面有限寬的微帶線的特征阻抗，對與中間阻抗變換的一段使用HFSS軟件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，最終得到如圖1所示的結(jié)構(gòu)圖。為了使得特征阻抗變換更見平滑，還應(yīng)用了倒角技術(shù)。

2 巴倫S參數(shù)測試原理

微帶漸進(jìn)巴倫在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)可以保證較好的巴倫性能。然而這種巴倫的輸入端為非平衡的SMA接頭可以直接和矢網(wǎng)連接，而輸出端為平衡的平行雙導(dǎo)線結(jié)構(gòu)無法和矢網(wǎng)連接，也就是無法直接測試出其S參數(shù)。文獻(xiàn)[5]中將兩個巴倫背靠背連接，這種方法測試出的S參數(shù)用于可計算偶極子天線得到天線系數(shù)的差距較大。

為了精確測試這種微帶漸進(jìn)巴倫的S參數(shù)提出了開路?短路?負(fù)載（Open?Short?Load，OSL）的方法。巴倫的S參數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 巴倫S參數(shù)結(jié)構(gòu)圖

由于S參數(shù)的導(dǎo)出條件是假定任何給定的電路情況都是各種短路和開路情況的線性疊加，因此可以使用圖3的信號流圖來表示圖2的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 S參數(shù)信號流圖

由于此微帶漸進(jìn)巴倫的一端為平衡雙線結(jié)構(gòu)的平衡端，不能直接和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接測試其S參數(shù)。按照圖3所示將微帶巴倫內(nèi)部的信號流圖簡化，進(jìn)而由梅森公式[6]可得測試值：

同時當(dāng)1端口歸一化為50 Ω，2端口歸一化為100 Ω時2S12=S21。由此可以得到微帶巴倫的全部表征的S參數(shù)。

3 實驗驗證

最終設(shè)計的偶極子天線示意圖如圖4所示。

圖4 可計算偶極子天線示意圖

該天線的測試在開闊試驗場地上，場地布置如圖5所示。在頻率點比較實際測試值和理論值的差別。這里的理論值為通過矩量法仿真天線的測試環(huán)境得到的值。

由于在開闊試驗場地上測試，電磁信號會通過直射和鋼板的反射兩條路徑到達(dá)接收天線，為了保證接收到的信號不為兩條路徑信號疊加的最小值，不同諧振頻率的天線測試布置如表1所示。

圖5 可計算偶極子天線測試現(xiàn)場照片

表1 各個天線的布置

在多次測量取平均值后，測試結(jié)果在頻點的比較如表2所示。

表2 可計算偶極子天線驗證

由表2可見，整體來說在1～1.6 GHz的范圍內(nèi)SIL的測量值和理論值的差別小于0.7 dB，達(dá)到了較好的可計算的性能；而在1.8 GHz和2 GHz的頻點，由于天線陣子的長度較短，相對來說不容易對準(zhǔn)，同時由于實際測試時存在天線塔等障礙物存在（仿真的時候就是天線陣子本身懸浮在空中）使得測試值中存在障礙物的反射信號，使得兩者的差值較大，但差別也在1 dB左右。而這些差別為場地插入損耗的差別，若按照文獻(xiàn)[3]轉(zhuǎn)換為天線系數(shù)的精度，可得在1～1.6 GHz的范圍內(nèi)達(dá)到±0.34 dB的精度，在1.8 GHz和2 GHz的頻點天線系數(shù)的精度為±0.51 dB?？傮w來說達(dá)到了一定的可計算性。

由上可見，本文設(shè)計的可計算偶極子天線的精確度與文獻(xiàn)[5]比較提高到±0.34 dB，其精確度與文獻(xiàn)[1]使用高成本混合器式巴倫設(shè)計的可計算偶極子天線精確度相當(dāng)，但是天線整體的成本卻只有其1/10，批量生產(chǎn)后甚至可以更低，達(dá)到了以較低成本獲得較高精確度的可計算天線的目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對可計算天線精度高但成本亦高的現(xiàn)狀，設(shè)計了一款成本極低，但可以保證較高精度的可計算天線，從而得到性能有所降低但是成本極低，可以供大多數(shù)客戶使用的高性價比的可計算偶極子天線。且由于設(shè)計的為寬帶漸進(jìn)巴倫，因此可以為以后的寬帶可計算天線提供一定的研究基礎(chǔ)。

[1]LOADER B G，ALEXANDER M J.A calculable dipole anten?na to cover the frequency range 850 MHz to 2.2 GHz[C]//Di?gest of 2004 Conference on Precision Electromagnetic Measure?ments.[S.l.]：[s.n.]，2004：194?195.

[2]KIM Ki?Chai，KIM Sang?Myeong，KWON Jae?Yong，et al. The design of calculable standard dipole antennas in the fre?quency range of 1～3 GHz[J].Journal of electromagnetic engi?neering and science，2012，12（1）：63?69.

[3]LOADER B G，ALEXANDER M J，SALTER M J.Reduced mea?surement uncertainty in the frequency range 500 MHz to 1 GHz using a calculable standard dipole antenna[C]//1997 10th In?ternational Conference on Electromagnetic Compatibility.[S.l.]：[s.n.]，1997：175?180.

[4]張嘯天.30～75 MHz電小天線設(shè)計與測量[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[5]KAZEMIPOUR A，BEGAUD X.Calculable dipole antenna for EMC measurements with low?loses wide?band Balun from 30 MHz to 2 GHz[J].Electromagnetics，2005，25（3）：187?202.

[6]王萬良.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

Development of calculable dipole antenna covering the frequency of 1～2 GHz

WANG Wen?feng1，WEN Ying?hong1，MENG Dong?lin2
（1.EMC Laboratory of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.National Institute of Metrology of China，Beijing 100029，China）

ion：The calculable dipole antennas available designed with commingler Balun is very costly，although this kind of antenna is very accurate.By designing a broadband gradual Balun，proposing open circuit?short circuit?load（OSL）way to get accurate S parameters，and using tested S parameter in the calculable antenna theory，a low?cost calculable dipole antenna co?vering the frequency of 1～2 GHz was developed.An acceptable computability of the calculable antenna was obtain in low cost，though the accuracy of the calculable antenna was reduced to some extent.This kinds of calculable antenna has higher cost?per?formance ratio.

broadband Balun；open circuit?short circuit?load；calculable dipole antenna；S parameter

TN820.1?34

A

1004?373X（2015）05?0068?03

王文鋒（1989—），男，在讀碩士研究生。主要研究方向為天線的設(shè)計和校準(zhǔn)測試。

2014?09?15

鐵路總公司資助項目（2014X012?B）；科技部國家國際科技合作專項項目（2013DFA70570）