互耦對全電波暗室輻射測試的不確定度影響分析

周毅，溫志英，王霄天，陳華平，徐蓓蓓，謝晉雄

（1.深圳海關工業品檢測技術中心，深圳 518067； 2.深圳市檢驗檢疫科學研究院，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試環境，以模擬自由空間測試環境。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，通過屏蔽殼和吸波材料協同工作，來實現對干擾信號的處理[1]。屏蔽殼將外部干擾信號與實驗環境隔離，可以輕易將外部干擾信號衰減掉80~140 dB。吸波材料則將來自地板、墻壁和天花板的無用反射信號進行吸收和衰減，但沒有一種吸波材料可以將所有的反射信號處理掉，其效率會隨著反射信號的頻率、強度和角度而改變。

影響暗室中輻射測試的因素很多，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，以及天線塔和轉臺的夾具設置等等。這里主要研究暗室中收發天線之間的互耦效應對輻射測試不確定度的影響。

1 互耦的原理

互耦是這樣一種機制，當被測設備與其他導電表面或接收天線相隔很近時，兩者之間會產生一種效應，這種效應使得被測設備或發射天線的電氣特性產生變化，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]。

互耦現象發生在暗室的多種元素之間，比如被測設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， 被測設備與測試天線之間等。圖1是全電波暗室中的互耦現象示意圖，它表示了暗室中復雜的互耦現象。

從圖1可以看到，電波暗室中的互耦現象廣泛存在且相當復雜，發生互耦的元素眾多，各元素之間的互耦縱橫交錯。全電波暗室中，地面也敷設了吸波材料，故互耦情況相對來說更容易分析。在半電波暗室中，由于地面為金屬導電平面，互耦情況會更加復雜。為了研究的方便，被測設備和測試天線均選擇偶極子天線，從一對偶極子天線之間的互耦效應入手，研究其對輻射測試不確定度產生的影響。

圖1 全電波暗室中互耦效應示意圖

圖2是偶極子天線之間的互耦示意圖。由圖可見，信號除了可以從發射偶極子天線直接傳輸到接收偶極子天線之外，兩個偶極子天線之間還通過互耦機制對對方的電特性產生影響，最終影響輻射測試的不確定度。

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系

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

互耦的阻性分量和感性分量與偶極子天線間距的關系如圖3所示。

圖3 偶極子天線間互阻抗與天線間距的關系圖

從圖3中可以看出，當天線的間距在半個波長以內時，互耦效應特別顯著，阻抗大小變化劇烈，電阻分量占主導。隨著天線間距的增加，互耦效應逐漸減弱，阻性分量和感性分量交替占據主導，幅度大小的差距逐漸減小。在天線間距到達十個波長時，阻性分量和感性分量幅度非常接近，在0附近趨于穩定。

由于互耦現象的存在，偶極子天線的輸入阻抗會發生變化，天線和線纜之間的阻抗會隨之產生失配，從而引起信號傳輸的損失。實際上，互耦現象不僅導致偶極子天線的輸入阻抗發生變化，天線的輻射方向圖、天線增益（或天線因數）都會產生變化。不管怎樣變化，天線增益（G）與輻射阻抗（R）的乘積始終為一個常數[5]，其關系如公式所示：

G×R=120 （2）

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

圖4 天線增益與輻射阻抗的關系

3 輻射測試的遠場條件

這個區域內的輻射可能是電場為主，也可能是磁場占主導，這取決于發射源本身的性質和距離發射源的位置。輻射測試應當在遠場條件下進行[6]，也就是說收發天線必須距離足夠大才行。這個距離就是遠場距離，其大小可以用如下方式計算出來。

從圖5可看到，電波暗室中，當發射天線可看做一個點源時，信號從發射天線到達接收天線，點A和點A′之間有λ/16的傳輸路徑差，相當于22.5 °的相位滯后，待測點A′的輻射實際測得的是點A的輻射，這樣就產生了測量誤差。設定d為天線之間的距離，r為發射天線的輻射半徑，λ為波長，d1和d2分別是收發天線的最大尺寸。用公式表示如下：

圖5 信號傳輸相位滯后示意圖

當收發天線都是偶極子天線時，上述公式演變為

如圖6，經過計算簡化得到暗室中的遠場條件：

圖6 暗室中收發天線之間最大路徑長度示意圖

4 天線之間互耦對輻射測試不確定度的影響

天線之間的互耦只是全電波暗室中互耦效應的一種典型情況。實際上暗室中多種因素之間都會發生互耦[8]。經分析，天線之間互耦對暗室中輻射測試的不確定度貢獻主要包括以下幾個方面。

4.1 U1

該項不確定度表示互耦對幅度產生的影響。由于收發天線之間距離太近，天線之間互耦引起輸入阻抗變化，阻抗失配導致信號幅度產生損失。當天線之間主要是近場耦合，此時U1=0.5 dB[9]。當?時，天線之間主要是遠場耦合，互耦對測試的不確定度影響忽略不計，此時U1=0。

4.2 U2

該項不確定度表示互耦對頻率失諧的影響。由于在電波暗室中進行輻射測試時，收發天線之間互耦引起輻射頻率的變化。當天線之間距離U2=5 Hz。當?時，U2忽略不計，記做U2=0。

4.3 U3

該項不確定度表示互耦對暗室場地驗證產生的影響。使用電波暗室進行輻射前，要對測試場地的有效性進行驗證。該項不確定度的大小可能對暗室場地驗證的結果產生影響。

4.4 U4

該項不確定度表示測試中替代天線或測量天線與測試天線之間互耦產生的影響。其不確定度值同表1所示。

表1 互耦對暗室場地驗證的不確定度

5 結語

互耦現象產生的不確定度分量有很多，作為互耦效應中重要的一環，天線之間的互耦主要貢獻了U1~ U4四個分量[10]。除此之外，被測設備與吸波材料中鏡像之間，替代天線或測量天線與吸波材料中鏡像之間，收發天線與吸波材料中鏡像之間，被測設備與地面中鏡像之間，替代天線或測量天線與地面中鏡像之間，收發天線與地面中鏡像之間等還存在多個不確定度因素。

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與天線間距的關系，計算得出了暗室中輻射測試的遠場條件，分析了各種不確定度對電波暗室中輻射測試及場地驗證的影響，得到了不確定度與天線間距或頻率的關系，對全電波暗室中輻射測試不確定度的研究具有重要意義。