论文总字数：19506字
摘 要
本文根据前人的研究经验，自主设计一款用于实验室进行磁场测试的环形天线。
环形天线根据直径大小、形状、工作范围以及有无放大器可以进行很多分类。本文根据设计的具体要求，对环天线的形状、结构组成进行了确定，对积分电路进行了具体的设计，详细介绍了积分电路的电阻、电容和运放的选择原则并进行了确认。然后对天线实物的制作过程进行了介绍。
完成了天线的实物制作之后，在电磁兼容实验室用GTEM小室对天线的性能进行检测，确定了天线的测量误差，也对积分电路进行了测试，确认了积分电路的设计可以达到预期的效果。最后，对设计的过程进行了总结，并对天线的优化方案做了分析和介绍。
关键词：环形天线，积分电路，电磁兼容，磁场测试
Abstract
Based on previous research experience, this paper designs a loop antenna for magnetic field testing in laboratory. Loop antennas can be classified into many categories according to their diameter, shape, operating range, and presence or absence of amplifiers. According to the specific requirements of the design, the shape and structure of the loop antenna are determined, and the integration circuit is specifically designed. The selection principles of resistance, capacitance and operational amplifier of the integration circuit are introduced and confirmed in detail. Then the manufacturing process of the antenna is introduced. After completing the physical fabrication of the antenna, the performance of the antenna was tested in a GTEM cell in emc lab to determine the measurement error of the antenna, and the integration circuit was also tested to confirm that the design of the integration circuit can achieve the expected effect. Finally, the design process is summarized, and the antenna optimization scheme is analyzed and introduced.
Key words: loop antenna, integration circuit, electromagnetic compatibility, magnetic field test
目 录
摘要I
Abstract Ⅰ
第一章 绪论1
1.1论文研究背景1
1.2国内外研究现状1
1.3本论文的主要工作3
第二章 磁场测量的基本方法4
第三章 环天线原理和结构7
3.1环天线介绍7
3.2环天线的测量原理8
3.3环天线的结构 8
3.4本章小结9
第四章 天线的设计10
4.1天线尺寸大小设计10
4.2天线的结构设计11
4.3天线积分电路设计12
4.4天线性能的初步分析14
4.5本章小结15
第四章 天线的实物制作和性能检测16
4.1环天线的实物制作过程16
4.2环天线的性能检测17
4.2.1环天线积分电路的检测17
4.2.2环天线积分电路的检测17
4.2.3不接积分电路对环天线的测试18
4.2.4接入积分电路对环天线的测试20
4.3本章小结 21
第五章 总结23
参考文献24
致谢25
第一章 绪论
1.1论文研究背景
变化的电场会产生变化的磁场，相对应地变化的磁场周围又会产生变化的电场，这样就产生了电磁波，我们把这个过程叫做电磁辐射．随着新的频段的广泛应用和技术革命的发展,导致电磁辐射的暴露一天天的增加,也正因为如此，我们生活中的每个人都处在一个复合电磁场暴露中。电磁辐射对于人类的生活和生存存在着很大的危害，测量低中频交变磁场的大小是一个非常重要的课题。1976年，Paul Brodeur在名为New Yorker杂志上发表的论文[[1]]将人们的视线聚焦在了电磁福射的安全线上来。
1.2国内外研究现状
从上世纪 60 年代开始，国外就已经展开了对磁场测试技术的研究。那时主要是一些军工机构为了测量核爆炸之后产生的电磁脉冲而进行研究工作。最开始开发的那部分磁场测量探头时多间隙环，之后开始出现多匝的环形线圈、带有屏蔽的环形线圈、Moebius环、带屏蔽得半环形的磁场传感器、自积分式的传感器等等。到了上世纪的 80 年代，德国和法国研制出并开始使用用于测量交变磁场的磁场探头天线。德国的斯图加特大学研制出了工作频率范围为30Hz-300MHz的磁场测量探头天线 ，该探头可测磁场强度大小范围为 0.8A/m-1.5k A/m；法国的Thomson-csf 公司研制出了工作频率范围为15Hz-300MHz，可测磁场强度0.6A/m-31.6k A/m的电磁场[[2]]。经过不断地改进,90年代中期，该公司又研制并推出了三维电磁场测量探头天线,该探头的工作频率范围拓宽为20Hz一350MHz,同时磁场强度的测量范围也增加到了50v/m一3O0kv/m。之后在该基础之上，他们又开发出了瞬态磁场探头。
在上述时间段里国外很多人致力于磁场探头天线的设计。在1977年，H.Bassen等几个人研制出了低密度磁场探头天线[[3]]。这也算是最为原始的一种磁场探头天线。到了1983年，Gimpeson发明了一款改进型的电磁场天线[[4]]。不久之后，Marsbrun对这个天线的灵敏度和放大器做了详细地分析。到了1989年，Samuel S Osofsky和S. E. Schwan设计出一款频率范围在26GHz-40.5GHz的双环磁场天线[[5]]，虽然该天线有很宽的频宽，但是无法测量低频磁场，并不能很好地投入使用。1996年Yingjie Gao和Wolff设计出了平面结构的磁场探头天线[[6]]，实现了天线小型化，虽然此天线性能不错，但是制作较为困难。在这些基础之上，经过很多人对天线的不断改进，天线的带宽逐渐变宽，测量精度不断提高。并且随着技术的发展，天线的制作也越来越精细。2003年，Pochanin, G.P., P.V. Kholod 和 T.N. Ogurtsova在IEEE无线信息技术和系统国际会议上提出了一款超宽带天线[[7]]的设计,进一步加宽了天线的工作带宽。2013年，Ong, L.T. 和K.T. Peng在IEEE无线信息技术和系统国际会议论文上介绍了一种用于30 - 90兆赫的甚高频带环形天线设计，向我们提出了测向应用的有源接收环形天线的设计和开发，在论文中他们用基于实验室的一些简单测量技术验证了设计的性能。之后一年，Çetintaş, M.在精密电磁测量上发表的文章中介绍了天线方向图的测量方法，并举例进行了分析。随着磁场测量天线的不断发展，各种频段各种带宽的天线陆续被设计了出来，这些天线的精度如何，需要被校准，所以近年来越来越多的人致力于天线校准技术的研究。并且各种指标逐渐增加。
在国内，由于之前电磁辐射对人们的健康状况影响并不是特别明显，电磁兼容的矛盾也不突出，所以我们国家对这方面的研究比较晚。在上个世纪的80年代，我国的国家环境保护局标准处制定了GB8702-88（电磁辐射护标准），标准的第 1.3 条是这样规定的：防护限值适用频率的范围须在 100k Hz-300GHz之间；另外还有规定：处于频率在100MHz左右带有辐射设备（包括科学，医用和工业用设备）的附近时，工作者在小于 1.6A/m的磁场辐射下不能连续工作超过8h。从规定中可以看出，我们国家制定的很多电磁辐射防护的标准还是处于较为落后的位置，特别是其对在中低频段的电磁辐射防护标准中不但没有给出一些具体的说明，这也没有与时俱进近年来，电磁辐射的影响已经引起了大家的高度关注，国内的很多大学和科研单位都慢慢按照自己的需要开展了各自领域内的相关研究，南京航空航天大学开始研究比较早，该校自己研究发明出了自积分环磁场测量天线、微分环磁场测量天线两种天线，并就这两种天线展开了实验和分析。在此之后，上世纪90 年代，华北电力大学也开始了磁场测量天线的研究，该校的张卫东教师在2003 年研究开发了频率范围在40Hz-100MHz的光纤瞬态磁场传感器[[8]]，可以对场强范围为1A/m-1100A/m的电磁场进行测量。近几年来，国内很多环天线测量技术相关研究者都取得了不小的进展。2017年，杨明，周金芝提出了一款用于无线传感器的电小环磁场测量天线[[9]]，该天线已经非常小型化了。2018年12月，王伟，石跃武等五人在《高压电技术》上发表文章，研制出了用于快前沿磁场脉冲测量的电小环天线[[10]]。当月20日，他们五人又在《电波科学学报》上发表文章，研制出了高空核电磁脉冲磁场的电小环天线设计[[11]]。在环天线的校准领域，国内如今也涌入了大量的研究者，2007年胡白涛、洪力和李渤对环天线做出了简介，并对环天线的校准方法做了介绍，主要介绍了如何对环天线的天线系数进行校准[[12]]。2014年东南大学的高刚、周忠元和景莘慧提出了环天线的校准装置设计方案[[13]]，并进行研制，为环天线的校准提供了有力的技术手段。
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