环形天线的电流馈入点对天线校准结果的影响研究

论文总字数：27294字

摘 要

关键词：环形天线；电波暗室；相关场地法（RSM）；校准；

THE THEORY OF SPACE CONFORMITY ASSESSMENT AND  SIMULATION OF EMC TEST BELOW 30MHz

Name：QIAN Cheng

Supervised by JING Shen- hui

Abstract: This paper mainly studies the loop antenna calibration of standard field method and reference site method (RSM)in calibrating anechoic chamber( frequency range is 9kHz~30MHz).This paper introduces the theoretical calculation method of the loop antenna coefficient in accordance with the standard field method ,meanwhile ,calculation process and the requirements and process of the experiment of normalized site attenuation (NSA) in CISPR22.By the existing calculation methods of calculating Loop antenna radiation field intensity ,we can calculate the antenna factor of the loop antenna which is calibrated in the transverse electromagnetic cell(TEM cell).And,we introduce the process of calibrating antenna factor of the loop antenna in transverse electromagnetic cell(TEM cell),also,we use the transverse electromagnetic cell(TEM cell) performing a experiment of calibrating antenna factor of the loop antenna ,which is now available in our laboratory.These loop antennas are model 6507 active receiving loop antenna and model 6509 passive transfer loop antenna that are Produced by ETS-Lindgren company.Through this experiment of calibrating antenna factor of the loop antenna,we can obtain relevant experimental data and prove the usability of loop antenna at the same time.In addition,this paper compares reference site method (RSM) with normalized site attenuation (NSA) in calibrating site,and point the advantages and disadvantages of them.This paper also apply some existing calculation of magnetic field for receiving loop antenna,combining with site attenuation and ground reflection to deduce the theoretical calculate formula of magnetic field for receiving loop antenna in ideal open fields of reference site method (RSM).Also,this paper introduces the requirements and process of the experiment of reference site method (RSM) in ideal open fields and anechoic chamber. Finally,this paper makes the simulation of the calibration of loop antenna and the measurement of reference site method,and Some simulated results are obtained.Finally,this paper compares simulated results and calculated results,and pick them up for analysis.

Key words： loop antenna；anechoic chamber；reference site method (RSM)；calibration；

目录

第一章 绪论 6

1.1 引言 6

1.2 电波暗室简介及研究现状 6

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 7

第二章 环天线的校准 8

2.1环天线的简介 8

2.2 环天线校准原理 8

2.3横电磁波传输室(TEM cell)法 8

2.4 环天线校准实验 9

2.4.1 6509型无源环天线 9

2.4.2 6507型有源环天线 11

第三章 归一化场地衰减( NSA) 14

3.1 归一化场地衰减( NSA)理论计算 14

3.2 归一化场地衰减( NSA)的测量方法 15

第四章 相关场地法（RSM） 17

4.1相关场地法（RSM）理论计算 17

4.1.1环形天线同轴放置 17

4.1.2环形天线共面放置 21

4.2 相关场地法（RSM）软件仿真 24

4.2.1 软件介绍 24

4.2.2 环天线校准仿真展示 24

4.3 相关场地法（RSM）实验 33

4.3.1开阔场地实验步骤： 33

4.3.2校准电波暗室实验步骤： 34

第五章 总结 35

致谢 36

参考文献 37

第一章 绪论

1.1 引言

在如今的信息时代，随着信息科技的飞速发展，人们生活中的网络技术、广播、电视、通信等电子技术设备的使用正在以爆炸性的速度增长，而这就使得电磁辐射的大量增加，进一步导致了与日俱增的电磁污染和电磁干扰[1] 。目前，许多国家和组织都颁布了相关的法令、管理规范以及电磁兼容（EMC）标准，来减少电磁干扰的危害。电磁兼容是指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力，同时不能产生过量的电磁辐射。这些法令以及相关的规范使得 EMC 已经成为电工、电子设备市场流通的一个关键性因素，只有符合 EMC 标准指标要求的电子和电气产品才具有市场准入资格。而要判断某电子产品是否存在电磁干扰超标问题，就需要依据相关标准对该产品进行电磁抗扰度及敏感度测试。

目前，无论是辐射类的 EMI 测试还是EMS 测试中都使用天线作为测试仪器，所以天线系数的校准至关重要。另外，电磁兼容的各个测试项目都要求有特定的测试场地，最理想的的测试场地应为开阔测试场( OATS)。开阔测试场( OATS)具有良好的的全反射地面，场地是全开放的。开阔场地至少应该在椭圆范围内没有任何可能发射电磁波的物体，将待测设备（EUT）和测试天线分别放置在椭圆的两个焦点上，骚扰测量仪放在椭圆外。ANS IC63.4标准和CISPR22标准中都规定辐射发射与接收的测试应在开阔测试场(OATS)上进行。但是，不同于以前电磁初步发展的时候，现在已经难找到理想开阔试验场地。所以，在实际测试中，人们常用电波暗室来作为开阔测试场（OATS）的替换试验场地。电波暗室作为开阔测试场（OATS）的替换试验场地时，我们需要对该电波暗室进行校准，而衡量其是否合格的 EMC 测试的关键指标是归一化场地衰减( NSA)法。

近年来，低频电磁波被越来越多的使用。但是，大量调查表明，低频磁场不仅会干扰电工、电子设备的正常工作，更会对人体造成较大的危害。 它会使人体的中枢神经系统紊乱、心血管系统和内分泌系统失调, 并危害生殖系统和产生疾病遗传效应，增加脑瘤等疾病的发病率。 由于低频磁场会对电子设备产生严重影响，并严重危及人体的健康安全，对低频磁场的辐射采取预防与治理措施就迫在眉睫了。相比较高频磁场而言，低频磁场干扰更加难以屏蔽。上文中提到的归一化场地衰减( NSA)法已经较早的形成了理论计算方法、测试方法、和用NSA校准电波暗室的方法，但其适用校准频率均为30MHz以上。在CISPR标准2012年会议上，相关场地法（RSM）被提出来代替归一化场地衰减法( NSA)来校准9kHz~30MHz的电波暗室校准，这一方法虽然早已被提出，但是直到才被列入CISPR标准，这一标准的提出填补了30MHz以下场地校准的空白，对低频电子设备的管理具有重要的意义。

1.2 电波暗室简介及研究现状

电磁屏蔽吸波暗室是用来代替开阔场地来测试各种电子电气设备的电磁辐射特性和电磁敏感度特性的场地。标准电磁兼容所用的电波暗室按其大小可分为3米法、5米法和10米法三种。3米法暗室的典型尺寸是9*6*6米，5米法暗室的典型尺寸是11*7*9米，10米法暗室的典型尺寸是19*12*9米。暗室在结构上是由屏蔽室和吸波材料两部分组成。屏蔽室周围的墙壁和天花板均覆盖吸波材料，吸波材料能效降低屏蔽室内的驻波和减少屏蔽室表面的电磁反射，这样屏蔽室既可以隔离外界的电磁干扰信号，又能阻止室内测试信号向外泄漏，起到了双向屏蔽的作用。

电波暗室分为全波暗室和半波暗室两种。全波暗室是模拟的自由空间，其地面也覆盖吸波材料，吸收辐射的电磁波。而半波暗室则是模拟开阔测试场，其地面没有覆盖吸波材料，而是使用导电地板，使地面具有良好的全反射效果。

影响半波暗室中NSA和场均匀度的因素主要有两个，即暗室的屏蔽性能和测量天线处的近场特性。由于吸波材料的低频吸收性能一般都比较差，所以低频时NSA的偏差更为明显。背景噪声电平是评判半波暗室性能的一项重要指标。如果背景噪声电平过高甚至超过限值要求，就会严重影响对辐射干扰程度的评估。目前，电波暗室已经形成归一化场地衰减( NSA)和相关场地法（RSM）两种校准方法。其中归一化场地衰减( NSA)用于30MHz以上的电波暗室校准已经成熟，并很早形成标准，而相关场地法（RSM）则是近年形成的标准。

1.3 本文的研究目的和主要研究内容

EMC认证对国际通行的电子电气类产品而言，具有十分重要的意义，为了保证EMC测试结果具有高的可重复性和准确性，电波暗室的校准标准一直都是十分重要的研究课题。因此，本文的研究目的是研究近几年提出的相关场地法（RSM）校准电波暗室的一些步骤及可行性。

主要研究内容为：

1. 研究基于标准场法的环天线校准原理，并进行校准环天线的实验和相关CST软件仿真。
2. 研究30MHz以上的归一化场地衰减( NSA)法校准暗室的理论计算及实验要求和步骤。
3. 对相关场地法（RSM）校准电波暗室法进行CST软件建模仿真。
4. 对相关场地法（RSM）校准暗室法在理想开阔场地时接收环磁场强度进行理论计算。
5. 分析比较理论值计算结果和仿真结果。
6. 环天线的校准

2.1环天线的简介

圆环天线，即馈电的的金属导体圆环，为了测量30MHz以下的磁场，圆环天线在军事和民用测试中被广泛应用。ANSI C63-4和CISPR16-1-4标准指定环形天线用于30Hz到100kHz的磁场发射测量。MIL-STD 461E/F是一个要求用环形天线做一些军事电磁兼容测试的标准。环天线按其周长和波长的大小分为小环天线和大环天线，小环天线在实际中应用较多，如收音机中的天线、无线电导航定位天线、场强计的探头天线等。大环天线主要用作定向阵列天线的单元。小环天线的尺寸远小于电磁波波长（一般认为），此时，可以认为整个环上的电流处处幅值相同，相位相同（等效于磁基本振子）。另外，小环天线的辐射场与环的形状无关而只与环的面积有关。大环天线与小环天线相反，沿环的不同点上电流振幅和相位都不相同，所以天线的性能随着其尺寸的变化而变化。

2.2 环天线校准原理

环天线校准的方法主要分为 “标准场法”和“标准天线法”。在本次研究中，是通过标准场法来实现对环天线的校准。 标准场法的原理是将待校环天线放置在一个电磁场的强度和空间分布是可以准确计算的磁场中，此时天线系数的理论计算公式如下所示：

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