一種天線近場測量磁場探頭天線設計

孫　鳴，周　勇

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

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一種天線近場測量磁場探頭天線設計

孫鳴，周勇

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

摘要：設計了一種共面波導形式的近場磁場探頭，用于天線近場測量。通過建立電磁仿真模型，計算了探頭的S21和S11參數，驗證了探頭在100～1 500 MHz頻段具有良好的頻率特性。實物加工與測量結果表明：探頭的實物與仿真結果相符，證明了所設計的共面波導形式的近場磁場探頭的有效性和高空間分辨率。

關鍵詞：天線近場測量；磁場探頭；共面波導形式

0引言

相較于遠場測量，天線近場測量成本低、測量精度高，并且可以在室內進行，從而避免了天氣等因素的影響，可以全天候工作，所以天線近場測量被廣泛應用。近場測量要求測量天線的探頭對空間電磁場的分辨率高，并且對待測天線的干擾小。

目前，大范圍使用的天線近場測量方法是模式展開法[1-2]，此方法雖然有效地減小了測量所需空間，但是對于頻率小于100 MHz的天線而言，采用此方法測量仍然需要至少9～15 m的空間距離，而大部分的近場測量實驗室是無法滿足這個測量距離的。針對這種情況，文獻[3-4]提出將惠更斯-基爾霍夫原理與等效原理作為天線近場測量的理論依據。這個理論與模式展開法相比，天線近場測量的空間距離得到了進一步減小。基于此理論，文獻[2,5]選擇近場測量探頭為磁場探頭[2,5]。組成磁場探頭的基本形式是導線繞制形成的小環，在磁場測量過程中，電場會對磁場測量帶來干擾。為了減小或消除電場的干擾，磁場探頭采用屏蔽環結構[6-7]。該結構的磁場探頭主要由半硬同軸電纜組成，將半硬同軸電纜彎成圓環狀，同軸電纜的一端與屏蔽層相連。屏蔽層一般為銅等良導體，一端與SMA接頭相連，在環的中心位置把外導體開一個縫，即把同軸電纜的內導體裸露出來。磁場探頭的對稱性越好，其抗干擾能力越強。當探頭環內的磁通量發生變化，環的縫隙處會產生電壓，電信號通過同軸電纜傳輸給SMA接頭另一端的儀器，從而測出磁場強度的變化[8-9]。然而，這種形式的磁場探頭受到同軸線外屏蔽層直徑寬度的限制，因為要把同軸型磁場探頭直徑做到毫米級比較困難，所以無法提高探頭的分辨率。

本文設計了一種共面波導(coplanar waveguide，CPW)形式的磁場探頭，利用矢量網絡分析儀對探頭的頻率響應特性進行了測量，完成了探頭從理論探究到試驗驗證的過程。共面波導結構磁場探頭直徑尺寸小，結構簡單，空間分辨率較好，可以用于天線近場測量。

1磁場探頭的工作原理與設計

使用環形探頭測量磁場的重要理論基礎為法拉第電磁感應定律[10-11]：

(1)

其中：右邊的第1項為磁場強度變化產生的感應電動勢；右邊第2項為環形探頭相對于磁場運動產生的感應電動勢。由于測量磁場的過程中，應該保持探頭的靜止，因此式(1)可以簡化為：

(2)

其中：U為探頭在磁場中感應產生的電壓；μ為真空磁導率；H為探頭導帶圓環中心處磁場強度；S為探頭圓環面積；f為磁場的頻率。通過測出電壓U，可以得到該處的磁場。

磁場探頭的靈敏度與空間分辨率主要由探頭的尺寸決定，兩者在一定程度上是相互矛盾的。探頭尺寸越大，其靈敏度越高，空間分辨率越低；探頭尺寸越小，其靈敏度越低，空間分辨率越高。所以在設計探頭時，需要根據實際情況權衡兩者，選擇合適的尺寸。

本文設計的探頭在天線近場測量中使用，由于近場區的電場與磁場隨著距離的增加而迅速減小，源的距離又很小，所以場的空間不均勻度很大，這就要求磁場探頭的空間分辨率比較大。同時由于是天線近場測量，磁場探頭對待測場的干擾越小越好，從而要求磁場探頭微型化。由于同軸線外屏蔽層直徑寬度的限制，很難使同軸型磁場探頭微型化，本文設計了高空間分辨率的共面波導(CPW)型磁場探頭，該探頭是同軸型磁場探頭的一種演變形式，其演變過程如圖1所示。

圖1　同軸型到共面波導型磁場探頭的演變

圖2　共面波導型磁場探頭結構示意圖

本文設計的磁場探頭結構示意圖如圖2所示。整個探頭呈對稱結構，以達到較好的屏蔽電場作用。在CPW的兩邊地都打上一個金屬孔，這樣有利于屏蔽電場。探頭采用SMA接頭進行饋電。探頭環的邊長L稍小于十分之一的波長。由于共面波導的饋線為50 Ω，而環天線的阻抗遠大于50 Ω，這時饋線與環天線使用漸變微帶線使阻抗匹配。

2磁場探頭的電磁仿真與試驗測量

2.1頻率響應特性

對于一般的天線而言，為發射或接受大部分電磁波，端口處的反射系數越小越好。本文設計的磁場探頭天線是近場測量天線，其作用是將空間待測點處的電磁場能量耦合，但不能有電磁能量從探頭輸入。為了減小對被測量場的擾動，需要減小天線環上的感應電流，要求探頭輸入端反射系數越大越好。

2.2線性度

線性度是指探頭測到的待測物體電磁場強度隨頻率變化的曲線。對于不同頻率的信號，理論上只要場強幅度相等，探頭輸出的數據應該是相等的。

2.3空間分辨率

空間分辨率是指探頭分辨空間磁場分布的能力。CPW磁場探頭使用HFSS軟件仿真。為了更好地驗證探頭的有效性，加工制作了共面波導結構磁場探頭的實物。磁場探頭采用FR4基板，其介電常數為4.6，物理尺寸為30.5 mm×11.6 mm,工作頻段為100～1 500 MHz。圖3是探頭的接受特性試驗測量方案示意圖，測量時可以使用橫向電磁場 (transverse electric and magnetic field，TEM)小室來測量探頭的特性。在不方便使用TEM小室時，可使用微帶線來代替TEM小室，由于微帶線傳輸的是準TEM波，因此確保了測量的有效性[12-13]。本文使用50 Ω微帶線作為場強發生裝置。將微帶線導帶與Y軸平行，微帶線一端加50 Ω匹配負載，另一端連接到網絡分析儀端口1，網絡分析儀輸出0 dB信號。探頭與YOZ面平行且置于導帶中心正上方以獲得磁場的最大值，其輸出端連接到網絡分析儀端口2。此時，網絡分析儀端口1作為發射端，端口2作為接收端，測出耦合S21參數(S21和S11均為微波領域的特定參數)曲線，即為探頭的線性度。

圖3　CPW探頭的接受特性試驗測量方案示意圖

對于空間分辨率試驗，將磁場探頭置于50 Ω微帶線導帶中心正上方，探頭環最底部距離微帶線5 mm，探頭沿著X方向(如圖3所示)移動，測量頻率為1 000 MHz，測量微帶線中心上方X方向不同位置的輸出值S21，以驗證該探頭的空間分辨率。

3結果與分析

圖4　探頭空間分辨率測試結果圖

圖4為探頭空間分辨率測試結果圖。由于磁場探頭的靈敏度不是一個絕對的指標，其關鍵在于磁場探頭及其配合使用的儀器是否容易地測量到待測場。磁場探頭的空間分辨率與其靈敏度是一對矛盾體，對于磁場探頭而言，探頭環尺寸越大，其靈敏度越高，空間分辨率越低。由圖4可知：當探頭距離微帶線中心2 mm時，探頭的輸出值S21較其在微帶線正上方時小了近10 dB，所以該磁場探頭的空間分辨率約為2 mm，表明該磁場探頭可以用在天線的近場測試中。

圖5為探頭線性度仿真結果與測量結果。由圖5可知：探頭線性度的仿真結果與測量結果的變化趨勢是一致的， S21曲線比較平坦，說明探頭的線性度比較好。S21參數的仿真結果和測量結果相差1.8 dB左右。其中， S21的實測結果在400～1 500 MHz頻段的起伏小于3 dB，具有很好的平坦度，該磁場頻率內S21數據的精確性與可信度更高。SMA接頭的損耗和加工誤差是導致仿真結果與實測結果產生誤差的主要原因。

圖6是探頭的頻率響應特性圖。從圖6中可以看出：該探頭的端口反射系數非常大，從而使其對天線近場的干擾特別小，能夠適用于天線近場測量。其測量結果與仿真結果比較吻合。

圖5 探頭線性度仿真結果與測量結果圖6 探頭頻率響應特性

該試驗使用E8363C型矢量網絡分析儀對探頭進行測量，由于該探頭的空間分辨率高，在仿真建模型時可以精確地定位探頭與微帶線的距離。而在現實測量時，由于沒有精確的定位儀器，只是用人工進行定位，因此測量距離與仿真時的測量距離存在誤差。另外，由于SMA接頭的損耗和加工的誤差等原因，在測量探頭線性度時仿真結果與測量結果相差大約3 dB。從圖4～6可以看出：該探頭能夠適用于100～1 500 MHz的天線近場測量。

4結束語

本文設計并制作了共面波導磁場探頭。該探頭頻段為100～1 500 MHz時，其線性度穩定，空間分辨率高，頻率響應特性好，對天線近場測量造成的干擾較小。本文設計的磁場探頭具有尺寸小、易加工、成本低和性能良好等特點，不僅適用于天線近場測量，還可以用于電磁兼容的試驗。

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基金項目：江蘇省自然科學基金項目(BK20140999);江蘇省氣象傳感網技術工程中心開放基金項目(KDXG1302)

作者簡介：孫鳴(1991-),男,江蘇南京人,碩士生;周勇(1982-),男，安徽天長人，講師，博士,碩士生導師,主要從事天線測量方面的研究.

收稿日期：2015-12-04

文章編號：1672-6871(2016)04-0046-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.010

中圖分類號：TM937.1

文獻標志碼：A