周毅，溫志英，王霄天，陳華平，徐蓓蓓，謝晉雄

（1.深圳海關(guān)工業(yè)品檢測(cè)技術(shù)中心，深圳 518067； 2.深圳市檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院，深圳 518045）

引言

理想的自由空間并不存在，全電波暗室能提供一種可控的測(cè)試環(huán)境，以模擬自由空間測(cè)試環(huán)境。全電波暗室是一種封閉的空間，空間中的地板、墻壁和天花板都用特殊的材料覆蓋，通過(guò)屏蔽殼和吸波材料協(xié)同工作，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的處理[1]。屏蔽殼將外部干擾信號(hào)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境隔離，可以輕易將外部干擾信號(hào)衰減掉80~140 dB。吸波材料則將來(lái)自地板、墻壁和天花板的無(wú)用反射信號(hào)進(jìn)行吸收和衰減，但沒(méi)有一種吸波材料可以將所有的反射信號(hào)處理掉，其效率會(huì)隨著反射信號(hào)的頻率、強(qiáng)度和角度而改變。

影響暗室中輻射測(cè)試的因素很多，包括屏蔽殼的屏蔽效能[2]、吸波材料的吸波效果、天線之間的互耦、線纜的布置，以及天線塔和轉(zhuǎn)臺(tái)的夾具設(shè)置等等。這里主要研究暗室中收發(fā)天線之間的互耦效應(yīng)對(duì)輻射測(cè)試不確定度的影響。

1 互耦的原理

互耦是這樣一種機(jī)制，當(dāng)被測(cè)設(shè)備與其他導(dǎo)電表面或接收天線相隔很近時(shí)，兩者之間會(huì)產(chǎn)生一種效應(yīng)，這種效應(yīng)使得被測(cè)設(shè)備或發(fā)射天線的電氣特性產(chǎn)生變化，主要包括天線輸入阻抗的變化、頻率的失諧、增益的變化和輻射圖樣的畸變[3]。

互耦現(xiàn)象發(fā)生在暗室的多種元素之間，比如被測(cè)設(shè)備與其吸波材料中的鏡像之間，天線與其吸波材料中的鏡像之間， 被測(cè)設(shè)備與測(cè)試天線之間等。圖1是全電波暗室中的互耦現(xiàn)象示意圖，它表示了暗室中復(fù)雜的互耦現(xiàn)象。

從圖1可以看到，電波暗室中的互耦現(xiàn)象廣泛存在且相當(dāng)復(fù)雜，發(fā)生互耦的元素眾多，各元素之間的互耦縱橫交錯(cuò)。全電波暗室中，地面也敷設(shè)了吸波材料，故互耦情況相對(duì)來(lái)說(shuō)更容易分析。在半電波暗室中，由于地面為金屬導(dǎo)電平面，互耦情況會(huì)更加復(fù)雜。為了研究的方便，被測(cè)設(shè)備和測(cè)試天線均選擇偶極子天線，從一對(duì)偶極子天線之間的互耦效應(yīng)入手，研究其對(duì)輻射測(cè)試不確定度產(chǎn)生的影響。

圖1 全電波暗室中互耦效應(yīng)示意圖

圖2是偶極子天線之間的互耦示意圖。由圖可見(jiàn)，信號(hào)除了可以從發(fā)射偶極子天線直接傳輸?shù)浇邮张紭O子天線之外，兩個(gè)偶極子天線之間還通過(guò)互耦機(jī)制對(duì)對(duì)方的電特性產(chǎn)生影響，最終影響輻射測(cè)試的不確定度。

圖2 偶極子天線之間的互耦示意圖

2 天線之間互耦與天線間距的關(guān)系

為了研究的方便，用一對(duì)偶極子天線來(lái)研究全電波暗室中天線之間的互耦效應(yīng)。有結(jié)果表明，兩個(gè)偶極子天線間距不超過(guò)10個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，偶極子天線輸入阻抗會(huì)隨著天線間距而產(chǎn)生顯著的變化[4]。偶極子的輸入阻抗（Zin1）可以用其自阻抗（Z11）和另一個(gè)偶極子的自阻抗（Z22），以及兩個(gè)偶極子之間相互作用時(shí)的互阻抗來(lái)表示?；プ杩拱娮璺至浚≧12）和電感分量（X12），其關(guān)系可以表示為：

互耦的阻性分量和感性分量與偶極子天線間距的關(guān)系如圖3所示。

圖3 偶極子天線間互阻抗與天線間距的關(guān)系圖

從圖3中可以看出，當(dāng)天線的間距在半個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)時(shí)，互耦效應(yīng)特別顯著，阻抗大小變化劇烈，電阻分量占主導(dǎo)。隨著天線間距的增加，互耦效應(yīng)逐漸減弱，阻性分量和感性分量交替占據(jù)主導(dǎo)，幅度大小的差距逐漸減小。在天線間距到達(dá)十個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，阻性分量和感性分量幅度非常接近，在0附近趨于穩(wěn)定。

由于互耦現(xiàn)象的存在，偶極子天線的輸入阻抗會(huì)發(fā)生變化，天線和線纜之間的阻抗會(huì)隨之產(chǎn)生失配，從而引起信號(hào)傳輸?shù)膿p失。實(shí)際上，互耦現(xiàn)象不僅導(dǎo)致偶極子天線的輸入阻抗發(fā)生變化，天線的輻射方向圖、天線增益（或天線因數(shù)）都會(huì)產(chǎn)生變化。不管怎樣變化，天線增益（G）與輻射阻抗（R）的乘積始終為一個(gè)常數(shù)[5]，其關(guān)系如公式所示：

G×R=120 （2）

由圖4可知，天線增益與輻射阻抗是一個(gè)反比例關(guān)系。天線增益變大時(shí)輻射阻抗會(huì)變小，天線增益變小時(shí)輻射阻抗會(huì)變大。反之亦然。增加偶極子天線的間距可以減小互耦的影響，但是這對(duì)接收機(jī)的靈敏度提出了更高的要求，接收機(jī)需要提供足夠的靈敏度以彌補(bǔ)傳輸路徑增加引起的信號(hào)損失。

圖4 天線增益與輻射阻抗的關(guān)系

3 輻射測(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)條件

這個(gè)區(qū)域內(nèi)的輻射可能是電場(chǎng)為主，也可能是磁場(chǎng)占主導(dǎo)，這取決于發(fā)射源本身的性質(zhì)和距離發(fā)射源的位置。輻射測(cè)試應(yīng)當(dāng)在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行[6]，也就是說(shuō)收發(fā)天線必須距離足夠大才行。這個(gè)距離就是遠(yuǎn)場(chǎng)距離，其大小可以用如下方式計(jì)算出來(lái)。

從圖5可看到，電波暗室中，當(dāng)發(fā)射天線可看做一個(gè)點(diǎn)源時(shí)，信號(hào)從發(fā)射天線到達(dá)接收天線，點(diǎn)A和點(diǎn)A′之間有λ/16的傳輸路徑差，相當(dāng)于22.5 °的相位滯后，待測(cè)點(diǎn)A′的輻射實(shí)際測(cè)得的是點(diǎn)A的輻射，這樣就產(chǎn)生了測(cè)量誤差。設(shè)定d為天線之間的距離，r為發(fā)射天線的輻射半徑，λ為波長(zhǎng)，d1和d2分別是收發(fā)天線的最大尺寸。用公式表示如下：

圖5 信號(hào)傳輸相位滯后示意圖

當(dāng)收發(fā)天線都是偶極子天線時(shí)，上述公式演變?yōu)?/p>

如圖6，經(jīng)過(guò)計(jì)算簡(jiǎn)化得到暗室中的遠(yuǎn)場(chǎng)條件：

圖6 暗室中收發(fā)天線之間最大路徑長(zhǎng)度示意圖

4 天線之間互耦對(duì)輻射測(cè)試不確定度的影響

天線之間的互耦只是全電波暗室中互耦效應(yīng)的一種典型情況。實(shí)際上暗室中多種因素之間都會(huì)發(fā)生互耦[8]。經(jīng)分析，天線之間互耦對(duì)暗室中輻射測(cè)試的不確定度貢獻(xiàn)主要包括以下幾個(gè)方面。

4.1 U1

該項(xiàng)不確定度表示互耦對(duì)幅度產(chǎn)生的影響。由于收發(fā)天線之間距離太近，天線之間互耦引起輸入阻抗變化，阻抗失配導(dǎo)致信號(hào)幅度產(chǎn)生損失。當(dāng)天線之間主要是近場(chǎng)耦合，此時(shí)U1=0.5 dB[9]。當(dāng)?時(shí)，天線之間主要是遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，互耦對(duì)測(cè)試的不確定度影響忽略不計(jì)，此時(shí)U1=0。

4.2 U2

該項(xiàng)不確定度表示互耦對(duì)頻率失諧的影響。由于在電波暗室中進(jìn)行輻射測(cè)試時(shí)，收發(fā)天線之間互耦引起輻射頻率的變化。當(dāng)天線之間距離U2=5 Hz。當(dāng)?時(shí)，U2忽略不計(jì)，記做U2=0。

4.3 U3

該項(xiàng)不確定度表示互耦對(duì)暗室場(chǎng)地驗(yàn)證產(chǎn)生的影響。使用電波暗室進(jìn)行輻射前，要對(duì)測(cè)試場(chǎng)地的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。該項(xiàng)不確定度的大小可能對(duì)暗室場(chǎng)地驗(yàn)證的結(jié)果產(chǎn)生影響。

4.4 U4

該項(xiàng)不確定度表示測(cè)試中替代天線或測(cè)量天線與測(cè)試天線之間互耦產(chǎn)生的影響。其不確定度值同表1所示。

表1 互耦對(duì)暗室場(chǎng)地驗(yàn)證的不確定度

5 結(jié)語(yǔ)

互耦現(xiàn)象產(chǎn)生的不確定度分量有很多，作為互耦效應(yīng)中重要的一環(huán)，天線之間的互耦主要貢獻(xiàn)了U1~ U4四個(gè)分量[10]。除此之外，被測(cè)設(shè)備與吸波材料中鏡像之間，替代天線或測(cè)量天線與吸波材料中鏡像之間，收發(fā)天線與吸波材料中鏡像之間，被測(cè)設(shè)備與地面中鏡像之間，替代天線或測(cè)量天線與地面中鏡像之間，收發(fā)天線與地面中鏡像之間等還存在多個(gè)不確定度因素。

本文從典型的偶極子天線入手，深入研究了天線之間互耦效應(yīng)與天線間距的關(guān)系，計(jì)算得出了暗室中輻射測(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，分析了各種不確定度對(duì)電波暗室中輻射測(cè)試及場(chǎng)地驗(yàn)證的影響，得到了不確定度與天線間距或頻率的關(guān)系，對(duì)全電波暗室中輻射測(cè)試不確定度的研究具有重要意義。