需要测量GHz以上电磁辐射敏感度的产品即将出现

1、需要测量1GHz以上电磁辐射敏感度的产品即将出现，目前新的医学标准规定测量频率达到了 2.5GHz,这一频率将被新的火灾探测产品标准所采用。虽然还不是非常的确定，但是看起来6GHz的频率上限将很可能被用到消费者的产品上。对于用来测量采用新的 RF抗扰度标准产品的设备来讲，什么样的天线和放大器的组合才能保证最有效地产生新频段上所需的电场强度呢？哪里是最好的费用平衡点呢 ？本文说明了使用现有技术可实现的实用配置，并着重阐明了在选购组合配置过程中不可避免的权衡技术。目前的EMCf场上很容易获得各种频段和功率等级的天线和功率放大器。理想的情况下，你可以简单的选购一个 1GHz-6GHz勺天线,再配上一

2、个1GHz-6GHz勺功率放大器,然后, 技术解决了。众所周知，生活没有这么简单。覆盖这个频段(甚至更宽)并能承受必要输入功率的天线确实能够由很多不错的厂家生产。实际上，频率范围为25MHz-7GHz勺天线也已存在，而且可能允许旧频率到新频率的不间断扫 描。可不幸的是，目前并没有一个功率放大器既能覆盖1GHz-6GHz同时又能提供所需功率等级。由于这一频段需要至少两个功率放大器，因此在抗扰度测量中需要一个开关将天线连接到合适的功率放大器。或者更好的是使用两个天线和两个功率放大器。很明显，本文着眼于混合-匹配的排列选方式的建立。首要技术RF抗扰度测量是在自动测量系统(ATE)的控制下进行的。按一

3、个键，被测设备就将在一个固定的时间内处于一个特定的RF电磁场中，该电磁场为一系列的预先设定的频点组成。ATE软件控制系统频率进行测量 ，同时监测RF电磁场中的设备。图 1为在产生所需 RF场的这一平面的一个截面上天线和功放组合。在图中距离天线一固定距离的为一虚拟测量平面。各点的场强值会作为系统校准的一部分。天线和功放组合的选购将被作为ATE设计的一部分设计步骤如下：1 , 了解该部分ATE系统的设计规则2 .寻找可能的解决方案3,分析和比较解决方案4,找到最佳解决方案要重视干扰完成产品测量所需时间的各种因素，最佳的解决方案应该考虑到性能、 可能性和成本。*中率般太短441|1外界环境:*图1

4、RF电磁场示意图规则最基本的规则是天线和功放的组合能够在特定的频率范围内产生所需的RF场强。在本文中使用10V/m这一场强值（本例可以被套用到实际所需的各种场强值）。足够的功率余量必须考虑以解决：系统损耗系统损耗包括天线馈线热损耗 ，天线自身的热损耗，以及被天线发射回的功率。这些 损耗直接干扰到产生 RF场强的天线静功率。 RF信号调制测量信号为调制频率为1KHz,调制度为80%勺调幅信号。这种调制将导致达到信号峰值时所需功率是非调制时的3.3倍。而且，波形完整性必须被保持，因为波形峰值被功放的压缩可能干扰测量的准确性。在频域中，被平整的峰值会出现谐波。注：将来的标准很可能规则“调制”状态下校

5、准。场波动由于暗室的各种特点（例如不连续的反射信号阻尼特点，或者天线位置靠近暗室墙壁 ） 会干扰校准测量平面的各点场强值，所以需要设置一个补偿功率值。如果被测设备需要被放置在一个和天线规定距离的地方，由于天线必须放置在暗室中规定的地方，所以天线的尺寸有一个限制。幸运的是 ，在1GHz以上频段的天线的尺寸相对 于1GHz以下频段的宽带天线尺寸较小，所以基本上不会有技术。可能的解决方案一一天线在1G-6GHz频段,主要可以采用喇叭天线和对数周期天线,因为它们性能出色而且尺寸较小。所需要的参数有输入 VSWR辐射方向图，功率承受能力，以及在1米处产生10V/m电 场所需的输入功率。所需输入功率提供了

6、关于分析合适性的最有价值的信息，所以这些数据可以被经常的使用，其他数据可以在确认选购。图2是每类天线的图仞在本例中，微波喇叭天线（SAS-571）和对数周期天线（SAS-510-7）做比较。喇叭天线的尺寸（长宽高）为8.2' 5.6' 9.5英尺，对数周期天线 的尺寸为（长宽）24.9 ' 20.1英尺。图2天线型号表1和表2是各天线的功率预算表。“所需瓦特”列是天线在1米距离处产生10V/m电磁波所需功率的实测值。天线反射功率和天线热损耗已经被考虑，9英尺长的电缆损耗值是从制造商的网站上获得的。注意电缆损耗随频率升高而增加。“峰值调制功率”为乘以 3.3后(加5.2d

7、B)的计算值。“所需总功率”加上3dB (功率加倍)来补偿场强波动。喇叭天线可以承受300瓦输入功率，对数周期天线可以承受 1000瓦。所以所示功率等级处于天线 能力范围内。两种天线的尺寸都很小，所以和暗室的相互作用可以忽略。频率所需 瓦特电缆 损耗考虑电缆 损耗所需 功率(W)峰值 调制 功率 (W)所需 总功率 (W)I 1000 MHU0.T一N国 I0.4<j_52_,1B1。用S3KOH_U.4- CM -KEWn1 75da一 0" 一. 1足.Q扇 &rzi?,;332.adB2.35dB10鲍 -232.3:表1微波喇叭SAS-571,在1m处产生10V

8、/m所需总功率频率所霭 瓦特电缆 考虑电缆损耗 损耗所需 功率（W）嶂值 调制 功率 （W）所需 总功率 （W）Hk * 4 f 0 l* IlrB J卜，11. ri g.1二 . r 冲U1表2对数周期SAS-510-7,在1m处产生10V/m所需总功率可能的解决方案一一放大器放大器可选购的有固态（神化硅场效应管）和行波管（TWT）。如今，固态放大是4GHz 以下的首选技术，但是在 4G以上，它要超越高功率倍频行波管放大器的性价比还有很长的 路要走。一个倍频程是指频率的加倍。在这个实验中，双频段固态放大器中的4GHz到6GHz的功率模块是指一个倍频的一半。图3描述了三种覆盖1GHz到6GH

9、z范围规则的放大器频带排列。选项A和选项C采用的都是固态技术，而选项B则使用了固态和行波管的技术。由功率预算表可以看出，喇叭天线和周期对数天线所必需的线性功率分别是5.8W和12.8W。线性功率是用来防止调制波形的失真。出于本次实验的目的，选项A （全部为固态放大器）将和喇叭天线配合使用，选项B （采用固态和行波管技术的放大器）将和对数周期天线配合使用。经验告诉我们：从饱和功率到线性功率，对于神化硅场效应管放大器，应 该回退1dB;对行波管放大器应该回退3dB。这种调整对选项 A相当于7.3W的饱和功率，对固态/行波管组合的选项 B来说相当于16.2W/25.6W的饱和功率。不管采用哪个选项，

10、频段转换都是需要的。下一节将讨论它是怎么实现的。2G& 3GHi / 砒 KH: 7% KH:crrioN aoftioncOPTION A- 1000600CMKr40OC-iiOa0MH2BsM 2 4tX&BQ&QWHTBand 240(KF6(KWMHr(TYVT)图3功率放大器频带组合电源图4外部频带切换频段切换从馈源到天线的切换有两种基本方法。第说说是通过如图4所示的外部频段切换箱来实现。外部的电缆被用来连接放大器和频段切换箱。当两个继电器都在图示的位置上（常态），频段1为天线提供馈源；当两个开关同时改变方向时，频段2将为天线提供馈源。第二种方法是放大器的生

11、产商将两个放大器安放在同一个底盘上，在内部实现频段 切换。图5为该方法的示意图。 虽然它基本的操作原理和方法是一样的，但是因为其中许多关键部件是共享的， 从而节省了很多空间和费用。这些共享部件包括电源， 冷却系统，控制电路，当然还有底盘本身。因为任一时刻只有一个放大器在工作使元件共享成为可能。因此，电源只需要一个，冷却装置也只需同时对一个放大器进行散热。而且，内部所需的射频传输电缆跟外部传输电缆相比要短很多，降低了电缆损耗。从功率预算表可以看出， 电缆损耗对功率预算干扰很大， 尤其当频率在6GHz时。一旦一个双频带产品的主要底盘设计完成，用它代替不同频带或功 率电平的射频模块就相对容易了。不幸

12、的是，这种共享元件的方法不能在固态和行波管的组合上，其原因是两种放大器的电源和冷却设备是完全不同的。在测量运行时，ATE软件在合适的地方提供一个切换信号。开关切换的时间大约是 1/10秒，因此其对整个测量时间的干扰是可以忽略不计的。事实上，对射频抗扰度测量来 说，一个不需要转换的单频带方案的特点是没什么好处，只能恶化系统的谐波噪声性能。两种频带切换方案都应该采用冷转换，即切换顺序应该是：1 .关闭射频输入信号2 .切换频带3 .打开射频输入信号另外，对于内部切换的放大器来讲 ，用来在继电器切换期间关闭电源的冷却切换电路 很容易实现。本文所描述的双频带放大器就具有这个特点。适在频带转换的射频开关

13、可以在市场上买到，它在 6GHz的损耗小于0.1dB,所以其插入损耗在计算中不用考虑。解决反射功率功率计算中的系统损耗降低了功率放大器对发射功率的承受规则。降低馈入到放大 器的反射功率的因素有：1 .由于电缆损耗，功率放大器输出的功率分别在前向和反向被衰减，反向功率被两次衰减。1GHz时，仅在电缆中的总损耗至少为2dB。6GHz时，回路损耗为 5dB。2 .天线发出的并不是笔形波束 （不像?t光），相反，波束会发散开来充满整个测量平面及其 周围的标准区域。在测量中，即使暗室的吸波材料吸收了大部分的前向功率，还有大量由被测设备棱角反射的功率。即使在被测设备反射高功率的最坏状况下，也只有非常少部分

14、的前向功率会经过天线返回。行波管工作在说说不反射的条件下并释放一部分前向功率容量。加上先前讨论的系统损耗，意味着反射功率和前向功率的比值是很小的。同样，神化硅场效应管功率放大器使用内部功率合成方法可以使反射功率和输出晶体管隔离。总而言之，这些因素说明天线反射功率的干扰不是大技术。合适的功放型号选项A中可以使用一个双频带可内部切换的0.8 - 6 GHz功率放大器来满足其功率规则，例如BBS3Q9ACD它包括一个 0.8-4.2 GHz 的15瓦特功率放大器和一个 4-6 GHz的10 瓦特功率放大器，可以分别提供12瓦特和8瓦特的线性功率。BBS3Q9ACDfc图2 (a)所示。选项B功率规则

15、可以使用 BBS3Q7EEL它是一个0.8-4.2 GHz的25瓦特神化硅场效 应管功率放大器，在加上一个 TWTA-7A8GFE它是一个4.0-8.0GHz的30瓦特行波管功率放 大器。它们可以分别提供 20瓦特和15瓦特(4.2-6.0GHz )的线性功率。由于行波管放大器 会在频带外产生多余的功率，所以6GHz处的15瓦特线性功率是保守估计的值。这种情况下 外部频段切换应使用频段切换装置来实现。TWTA-7A8GFE口图2 ( b)所示。到目前为止，以上两种天线/功率放大器的组合看起来都非常适合产生新标准所需要 的场强，而且选项A看起来最合适。可是，选购标准中还有一个主要因素必须予以考虑

16、一一 和现有测量配置的集成。和现有测量配置的集成如果1GHz以下和1GHz以上的测量过程是分开进行的，那么技术仅仅是手工切换一 下彼此的测量配置。在这些情况下，微波喇叭天线/双频段放大器的组合就非常恰当，如果我们想要将两个测量合成在一起，可能的话还要共用测量元件，那就需要考虑其他的解决方案。包括： 使用单一天线扫描整个频段 并排的安装天线 在扫描过程中人工替换天线，更有效的利用现有天线特点优化系统性能。注：将暗室改造到适于进行1GHz以上的测量不在本文讨论范围之内。单一天线覆盖现有和将来的频带1994年，约克大学和 Chase EMC合作在宽频发射测量中使用一个双锥/对数周期混合天线。天线在1

17、00MHz以下性能较差，但使用低功率放大器推动信号可以相对简便的解决 这一技术。同样，低频时的 50欧姆阻抗匹配不好的技术也可以通过加入内嵌衰减器解决。 由于不是针对 RF抗扰度测量，天线需要一个非常昂贵的高功率放大器以产生100MHz以下的射频干扰场。至于抗扰度测量，双锥天线在100MHz以下非常有优势，因为它要产生在1米距 离处10V/m的场强仅需要大约 70瓦特的输入功率。而混合天线大约需要900瓦特功率来产生同样的电场。最近人们在尝试发明说说天线以监测低至80MHz以下又可高达数GHz频率的射频发射，但是这些天线的尺寸却非常的笨拙（10英尺宽6英尺长）而且在低频处和 50欧姆匹配很差。

18、这样的尺寸意味着它和暗室和被测设备之间的相互干扰会比较大（除非用更大的暗室）。另外，80MHz以下频率的驻波比仅为10: 1,这意味着需要更高的功率以产生规则的场强。而且，使用这些天线要比使用 20MHzto 300MHz锥天线（型号SAS-543）和290MHzto 7GHz 的对数周期天线（型号SAS-510-7）昂贵的多。另外，现在 1GHz以上的天线尺寸相对较小， 我们不应该抛弃这个优点。大尺寸的超宽带天线应该用在开阔场，那才是它们应被使用的地方。并排地摆放天线覆盖不同频段的天线可以共存且不会相互干扰。因此，可以将双锥天线和对数周期天线相邻摆放，然后在扫描测量中在合适的时间切换功率放大器到合适的天线。天线摆放以及操控垂直和水平极化是一个技术；但是只要每个天线都能充分照射校准平面，没有理由认为这是无法实现的。在本文提到的所有方法中，高频率天线的馈线都应该尽可能的短。大多数的功率放大器都可以远程控制和管理，并没有规定高频放大器不能靠近暗室安装以缩短电缆长度。图6为切换模式的示意图。扫描过程中的人工替换在本方法中，双锥天线在 20MHzU 300MHz然后手动替换到对数周期