天线因子计算与偏差

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简介

近年来,在电磁兼容和频谱污染工作中使用“天线因子”一词已变得非常重要。对测量场强和/或功率密度有很大的需求,要尽可能准确和方便。


经典的RFI/EMI测量中,天线因子的使用非常普遍。根据定义,这些天线因子是两端接收器电压到场强的转换。这是一个非常方便的术语,特别是当用分贝表示时,接收器的测量单位是dB大于1毫伏。从历史上看,天线因子是由设备制造商提供的,或者在某些情况下,在军事规范中指定。在许多情况下,这些因子被错误地使用,因为用户没有充分理解天线因子的数学意义。本文的目的是建立天线因子与天线增益的关系。


天线增益是天线设计工程师和通信电子系统设计人员使用的一个通用术语。增益是天线在某一范围、某一方向产生的功率密度与该范围内的平均功率密度之比。


最近部署的具有分析能力的计算机控制接收系统增加了检查天线因素的新需要。这种系统输出的期望数据通常是电场强度,以每米伏特表示为频率的函数。从严格应用天线因子的角度来看,将天线因子作为“查表”存储在计算机核心存储器中似乎是一个简单的测试;然而,正如我们将看到的,它不一定是最具成本效益或对计算机内存的最佳利用。


天线因子计算

天线因子AF用于EMC/EMI测试,将接收电压VR为辐射场强度ED.根据测试类型,天线可能包括以下因素:
  • 由于天线输出连接器和传输线之间的阻抗不匹配造成的损耗。
  • 由于传输线衰减造成的损耗。
  • 由于天线和/或接收机的驻波比而造成的损失。
  • 由于位于天线上的前置放大器而产生的增益。
  • 由于接收器输入端阻抗不匹配而造成的损失。


虽然上述因素都是非常真实的接收信号损失,但它们可以单独处理。它们可以通过计算、测量或从已出版的图表中获得。如果天线因素包括上述任何因素,应加以说明,以免造成误解。


假设在天线设计的情况下,上述五个因素可以忽略不计,即天线输出/电缆/接收器匹配良好,短的低损耗电缆,无前置放大器增益,低驻波比。


从无线电工程师手册中,额定功率密度为:
天线因子方程1

1
地点:
PO=功率密度
PR=接收机功率
一个R=有效面积天线


然而,
天线因子方程2

2
地点:
G =天线增益(数值)
波长


结合方程式1和方程式2:
天线因子方程3

3.


同样,从无线电工程师手册中:
天线因子方程4

4
EO=电场强度
ZO=辐射介质阻抗
(空闲空间为120 π)


接收器的功率是
天线因子方程5

5
地点:
Vr=接收端的电压
Zr=接收器输入阻抗


用表达式替换PO和PR将式4、式5分别转化为式3的得率:
天线因子方程6

6


重新安排方面
天线因子方程7

7


转换成分贝:
天线因子方程8

8

天线因子方程9
9


根据定义,电场强度与接收电压的比值(以dB表示)是天线因子AF.因此,天线因子方程10

10


公式10是天线因子作为源、负载阻抗和天线增益函数的一般形式。


天线因子的许多实际应用都是在“自由空间”环境中。一般来说,对于外部使用的定向天线和不带低掠射角的天线来说是这样的。


当考虑到接地效应时,源阻抗Zo必须修改。


对于空闲空间(377欧姆)和50欧姆的接收系统,我们有以dB表示的阻抗比如下:
天线因子方程11

11


4π以分贝表示如下:
天线因子方程12

12


将方程11和12中得到的表达式代入方程10,得到
天线因子方程13

13

天线因子方程14
14


公式14是天线因子更有用的形式,它是天线增益和波长的函数。


许多EMC工程师喜欢使用频率而不是波长,因为测量仪器是按频率校准的。
天线因子方程15

15
在哪里
传播速度


把方程15的结果代入方程14
天线因子方程16

16

天线因子方程17
17


式17是理想天线的天线因子作为天线增益和频率的函数的简化形式。


计算机处理的应用
如果你想从实时数据收集系统中计算和显示场强,重要的是在计算机中有可用的天线因子值,用于场强计算。由于系统中的接收器是由计算机控制的,所以频率总是已知的。如果我们检查等式17,我们可以看到,如果接收天线被设计成在一个感兴趣的带宽上有恒定的增益,那么唯一的变量就是频率。因此,通过利用恒定增益天线,不需要查找表,计算机只需增加三个附加项来计算场强。结果是几乎不使用计算机核心,计算简单。


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