天线系数可计算的标准环天线、系统及天线系数确定方法

摘要

本发明涉及天线系数可计算的标准环天线、系统及天线系数确定方法，包括一个单匝的金属环和一个巴伦；所述巴伦包括三个端口，非平衡端口α，两个平衡端口β和γ；所述巴伦包括平衡到不平衡的变换器和过渡段两部分，该过渡段为两个表皮焊接在一起的半钢电缆，长度小于等于1m；两个半钢电缆芯线的上端为巴伦平衡端口β和γ，分别与金属环的两端连接，两个半钢电缆芯线的下端分别连接变换器平衡端的两个平衡端口，两个半钢电缆下端接地面与变换器的接地端口连接；变换器的非平衡端为巴伦的非平衡端口α。克服了实际校准测量中的环境影响问题，可以作为自带准确天线系数的标准环天线使用，无需校准，简单便利，具有很好的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及天线测量技术领域，尤其涉及天线系数可计算的标准环天线、系统及天线系数确定方法。

背景技术

环天线(loop antenna)广泛用于30MHz以下频段的电磁兼容(EMC)领域和广播信号测量中，其基本结构是单匝或多匝的金属环，代表形状为圆形，也可以是其他诸如方形、三角形、菱形等形状，如图1所示。根据是否具有放大器，分为有源环天线和无源环天线两大类。

环天线作为一个自由空间电磁场和导波系统中电磁场的转换器，可以用来进行空间中某一位置的电场强度E和磁场强度H的测量。此时需要已知环天线的天线系数F_aH，利用公式H＝F_aHV和E＝Hη，其中η为自由空间波阻抗，可以将测量的端口电压V转换为该位置出的电磁场强度。

在环天线使用时，采用出厂的天线系数F_aH，对一些精确测量来说，出厂的天线系数准确度是否满足是需要考虑的问题。要获取准确的环天线天线系数，通常需要将其送到具有资质的校准实验室测量，其校准结果的不确定度一般在1dB左右，这样的校准不确定度受方法所限，无法大幅度降低，有些情况下无法满足高精确度测量的要求。

同时，对于30MHz以上频段，电场占主导，天线类型也多为偶极子等电场天线，尺寸通常为半个波长，和波长可比拟；而在30MHz以下频段，磁场占主导，因此多使用环天线这类磁场天线。由于频率低，波长大，该频段的环天线通常都是电小尺寸天线，即尺寸远小于波长。天线要通过测量得到准确的天线系数难度大，使得现有技术中存在电小尺寸的天线仿真难度远高于电大尺寸天线；表面电流抑制问题；对测量仪器要求更高等难以克服的技术问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供天线系数可计算的标准环天线、系统及天线系数确定方法，用以解决现有技术中无法得到准确的天线系数满足高准确度测量要求等诸多问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

在基于本发明实施例的一个方面，提供了一种天线系数可计算的标准环天线，包括一个单匝的金属环和一个巴伦；所述巴伦包括三个端口，非平衡端口α，两个平衡端口β和γ；所述巴伦包括平衡到不平衡的变换器和过渡段两部分，该过渡段为两个表皮焊接在一起的半钢电缆，长度小于等于1m；两个半钢电缆芯线的上端为巴伦平衡端口β和γ，分别与金属环的两端连接，两个半钢电缆芯线的下端分别连接变换器平衡端的两个平衡端口，两个半钢电缆下端接地面与变换器的接地端口连接；变换器的非平衡端为巴伦的非平衡端口α。

在基于本发明天线的另一个实施例中，金属环为圆形，环半径为r。

在基于本发明实施例的另一个方面，提供了一种标准环天线的标准环天线系统，包括两个相同的标准环天线，两个标准环天线轴心相对放置，间距为d。

在基于本发明天线系统的另一个实施例中，工作时，定义一侧环天线为发射环天线，其巴伦称为第一巴伦，另一侧环天线为接收环天线，其巴伦称为第二巴伦；两个标准环和距离d上的空间衰减组成一个二端口的网络T，网络T的第一端口为第一巴伦的非平衡端α，第二端口为第二巴伦非平衡端α。

在基于本发明实施例的另一个方面，提供了一种确定标准环天线系数的方法，包括步骤：

S1、使用两个相同的待测标准环天线组成标准环天线系统，轴心相对放置；

S2、定义一侧的标准环天线为发射环天线，另一侧为接收标准环天线，组成一个二端口网络T；

S3、分别测量第一巴伦和第二巴伦的三端口散射参数；

S4、得到二端口网络P、R和Q的散射参数；

S5、根据步骤S4得到的数据得到二端口网络T的场地插入损耗SIL；

S6、根据步骤S5得到的SIL值确定标准环天线系统中任意一个标准环天线的天线系数。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤S2中二端口网络T由三个二端口网络P、Q和R级联组成，其中P是发射环天线第一巴伦的二端口网络；Q是由发射环天线的单匝环、距离d的空间衰减以及接收环天线的单匝环构成的二端口网络；R是接收环天线第二巴伦的二端口网络。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤S3具体为具体为使用两端口矢量网络分析仪或四端口矢量网络分析仪进行测量。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤S4具体包括：

S41、根据步骤S3测量的三端口散射参数，计算二端口网络P和R的散射参数；

S42、利用仿真方法得到二端口网络Q的散射参数。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤S5具体包括：

首先计算二端口网络T的传输系数t₂₁，其次根据公式计算场地插入损耗SIL：

在基于本发明方法的另一个实施例中，当金属环为圆环时，步骤S6具体包括：

标准环天线系统中发射环天线和接收环天线完全相同，则得到每个环天线的天线系数：

其中f为频率，K通过下式计算

其中波数k＝2π/λ，r为金属环半径。

本发明有益效果如下：

本发明实施例通过设计一种标准环天线及系统，使天线系数可以通过仿真等方法结合测量准确计算，并且可以通过试验方法验证，该环天线在250kHz～30MHz频段的天线系数不确定度优于0.255dB。用于30MHz以上的可计算偶极子天线都工作在单频点，无法实现宽带覆盖。而将该方法用于30MHz以下环天线的时候，可以实现250kHz-30MHz的宽频带覆盖，宽频带的原因是采用过渡段结合宽带巴伦实现宽带的良好阻抗匹配。环天线的天线系数计算不依赖于距离，克服了实际校准测量中的环境影响问题，可以作为自带准确天线系数的标准环天线使用，无需校准，简单便利，具有很好的实际应用价值。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为不同形状的天线环；

图2为可计算标准环天线结构示意图；

图3为标准环天线系统结构示意图；

图4为P、Q和R级联网络的信号流图；

图5为标准环天线系统中计算SIL和测量SIL的曲线图；

图6为标准环天线系统中计算SIL和测量SIL的差值曲线图；

图7为标准环天线的天线系数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

根据本发明的一个具体实施例，公开了一种标准环天线，包括一个单匝的金属环和一个巴伦，在本发明的一个实施例中，金属环为圆形，如图2所示，环半径为r，r的取值没有限制，通过设计优化仿真算法解决电小尺寸的天线仿真难以仿真的问题，优选5cm≤r≤30cm。环的两端分别与过渡段两个半钢电缆芯线连接，环两端的间距应尽量小，优选地，间距接近半钢线直径。

每个巴伦包括两个部分，平衡到不平衡的变换器和一个过渡段，该过渡段由两个半钢电缆表皮焊接在一起，长度小于等于最短波长的10分之一，并尽量短，焊接要保证两个半钢电缆的接地面全部充分连接，这种特殊设计可以实现表面电流的抑制，每个半钢电缆的芯线从电缆露出2mm，两个半钢电缆芯线的上端为巴伦平衡端口β和γ，分别与金属环的两端连接，两个半钢电缆芯线的下端分别连接变换器平衡端的两个平衡端口，两个半钢电缆下端接地面与变换器的接地端口连接；变换器的非平衡端为巴伦的非平衡端口α。过渡段和变换器组成巴伦，巴伦有三个端口，非平衡端口称为α，两个平衡端口分别是β和γ，β和γ分别接金属环的两端。优选地，过渡段长度为30cm，此时最短波长为10m。

采用巴伦作为转换器有利于实现金属环到矢量网络分析仪测量端口间的阻抗变换，在250kHz～30MHz频段确定环天线的天线系数，同时由于接地面的焊接，该巴伦的过渡段结构应可以抑制表面电流，保证可以对其进行三端口微波散射参数的测量，通过准确测量能够有效降低天线系数的不确定度。优选地，变换器采用North hill公司生产的WYS0010BB，但是并不仅限于这个型号的变换器。能实现50Ω平衡到50Ω非平衡端口变换，并且具有这个端口形式的变换器均可。

在本发明的另一个实施例中，公开了一种标准环天线系统，该系统包括两个相同的标准环天线，如图3所示，两个标准环天线轴心相对放置，间距为d。每个标准环天线包含一个单匝的金属环和一个巴伦，在本发明的一个实施例中，金属环为圆形，如图2所示，环半径为r。每个巴伦包括两个部分，平衡到不平衡的变换器和一个过渡段，该过渡段由两个半钢电缆表皮焊接在一起，长度小于等于最短波长的10分之一，并尽量短，焊接要保证两个半钢电缆的接地面全部充分连接，这种特殊设计可以实现表面电流的抑制，每个半钢电缆的芯线从电缆露出2mm，两个半钢电缆芯线的上端为巴伦平衡端口β和γ，分别与金属环的两端连接，两个半钢电缆芯线的下端分别连接变换器平衡端的两个平衡端口，两个半钢电缆下端接地面与变换器的接地端口连接；变换器的非平衡端为巴伦的非平衡端口α。过渡段和变换器组成巴伦，巴伦有三个端口，非平衡端口称为α，两个平衡端口分别是β和γ，β和γ分别接金属环的两端。优选地，过渡段长度为30cm，最短波长为10m。

工作时，定义一侧环天线为发射环天线，其巴伦称为第一巴伦，另一侧环天线为接收环天线，其巴伦称为第二巴伦；两个标准环和距离d上的空间衰减组成一个二端口的网络T，网络T的第一端口为第一巴伦的非平衡端α，第二端口为第二巴伦非平衡端α。

根据微波网络级联的原理，二端口网络T可以由三个二端口网络P、Q和R级联组成。其中P是发射环天线第一巴伦的二端口网络；Q是由发射环天线的单匝环、距离d的空间衰减以及接收环天线的单匝环构成的二端口网络；R是接收环天线第二巴伦的二端口网络。

在本发明的另一个实施例中，公开了一种确定标准环天线系数的方法，包括步骤：

S1、使用两个相同的待测标准环天线组成标准环天线系统；

该系统包含两个相同的标准环天线，如图3所示，两个标准环天线轴心相对放置，间距是d。每个标准环天线包含一个单匝的金属环和一个巴伦，在本发明的一个实施例中，金属环为圆形，如图2所示，环半径为r。每个巴伦包括两个部分，平衡到不平衡的变换器和一个过渡段，该过渡段由两个半钢电缆表皮焊接在一起，长度应尽量短，远小于波长，巴伦有三个端口，非平衡端口称为α，两个平衡端口分别是β和γ，β和γ分别接金属环的两端。

S2、定义一侧的标准环天线为发射环天线，另一侧为接收标准环天线，组成一个二端口网络T；

一侧标准环天线作为发射环天线，其巴伦称为第一巴伦，另一侧标准环天线作为接收环天线，其巴伦称为第二巴伦；两个标准环天线和距离d上的空间衰减组成一个二端口的网络T，网络T的第一端口为第一巴伦的非平衡端α，第二端口为第二巴伦非平衡端α。

根据微波网络级联的原理，二端口网络T可以由三个二端口网络P、Q和R级联组成。其中P是发射环天线第一巴伦的二端口网络；Q是由发射环天线的单匝环、距离d的空间衰减以及接收环天线的单匝环构成的二端口网络；R是接收环天线第二巴伦的二端口网络。

S3、分别测量第一巴伦和第二巴伦的三端口散射参数；

每个二端口网络P、Q和R可以用二端口散射参数分别表示为：

其中p_ij、q_ij、r_ij(i、j的取值为1或2)为二端口散射参数，第一巴伦和第二巴伦都是三端口网络，三个端口分别为α、β和γ。二端口网络散射参数可以通过测量其三端口9个散射参数s_aa，s_αβ，s_αγ，s_βa，s_ββ，s_βγ，s_γa，s_γβ，s_γγ；

具体地，测量使用两端口矢量网络分析仪或者四端口矢量网络分析仪，解决了现有技术中对测量仪器要求高的技术问题。

测量步骤：

如果使用两端口矢量网络分析仪：

1.首先对矢量网络分析仪进行双端口全参数校准；

2.将矢量网络分析仪的两个端口分别接待测巴伦的三个端口中的两个，另一个端口接匹配负载，测量散射参数；

3.按照步骤2依次测量每两个端口，直至完成三端口网络的9个散射参数。

如果使用四端口矢量网络分析仪，

1.首先对矢量网络分析仪的三个端口进行全参数校准；

2.将矢量网络分析仪的三个端口分别接待测巴伦的三个端口，即可完成9个散射参数的测量。

在本发明的一个具体实施例中，矢量网络分析仪的型号为ZNB8。

S4、得到二端口网络P、R和Q的散射参数；

S41、根据步骤S3测量的三端口散射参数，计算二端口网络P和R的散射参数；

具体计算公式如下：

S42、利用仿真方法得到二端口网络Q的散射参数；

二端口网络参数Q可以通过矩量法(MoM)仿真得到，在仿真时，将阻抗归一到100Ω。

二端口网络参数Q可以通过矩量法(MoM)仿真得到。具体如下：

(1)根据现有技术的内容，在DOS环境下运行NEC2++软件，使用下述命令：C:NEC2++>nec2++-iloop.txt–oresult.txt。其中输入文件为loop.txt，输出文件为result.txt。

(2)在loop.txt文件中：

1.建模：建立两个金属环，环1和环2，每个环半径5cm，每个圆环由30段直线组成。线直径0.6mm。两个环间距18.7cm；

2.设置频率：范围为250kHz到950kHz，间隔50kHz，从1MHz到30MHz，间隔100kHz，共306个频点；

3.采用电压源激励，在环1的第15个直线段上加入激励；

4.在环2的第30个直线段上加入100欧姆的负载。

(3)在输出文件result.txt文件中，含天线输入阻抗Z_in，归一化到100欧姆上的负载电流I等参数。

根据公式(3)计算出二端口网络参数Q，

q₁₂＝q₂₁＝100I(1+q₁₁)

S5、根据步骤S4得到的数据得到二端口网络T的场地插入损耗SIL；

此时，基于P、Q和R级联网络的信号流图，见图4；

可以通过公式(4)计算出二端口网络T的传输系数t₂₁

场地插入损耗SIL可以表示为

S6、根据步骤S5得到的SIL值确定标准环天线系统中任意一个标准环天线的天线系数；

标准环天线系统中发射环天线和接收环天线完全相同，采用两相同天线法，即F_aH＝F_aH1＝F_aH2，得到每个环天线的天线系数：

其中f为频率，在本发明的一个具体实施例中，金属环为圆形，K通过下式计算

单位是dB(m^-3)，其中波数k＝2π/λ。K的计算公式可以根据金属环的形状调整。

在校准实验室中测量环天线系数，需要建立标准场，标准场通常具有一定不确定度。尤其是环天线系数较大的情况下，校准对仪器的动态范围提出了更高要求，仪器测量电平低会引入相对较大的不确定度，另外测量受环境等因素影响较大。而在标准环天线的天线系数计算过程中，不确定度主要由数值计算(MoM)和巴伦测量引入。采用合适的仪器如矢量网络分析仪可以大大降低巴伦测量的不确定度，而数值计算的不确定度优于测量一个数量级以上。因此本发明实施例中确定的标准环天线天线系数的准确度通常优于校准实验室给出的环天线天线系数。

在本发明的另一个实施例中，制作了单匝环半径r为5cm的两只标准环天线，环为铜制，实心，铜线半径0.6mm，巴伦中的变换器采用美国North hill公司生产的WYS0010BB，过渡段长度为30cm。采用距离d为18.7cm，在开阔试验场进行测量，天线高度183cm。一对天线计算的SIL和测量的SIL见图5，二者之差见图6。在250kHz～30MHz频段，最大SIL差值为0.51dB。可见，由于发射环天线和接收环天线完全相同，那么在该频段每个环天线的天线系数不确定度优于0.255dB，计算的环天线系数值如图7所示。

有益效果：本发明实施例通过设计一种标准环天线及系统，使天线系数可以通过仿真等方法结合测量准确计算，并且可以通过试验方法验证，该环天线在250kHz～30MHz频段的天线系数不确定度优于0.255dB。用于30MHz以上的可计算偶极子天线都工作在单频点，无法实现宽带覆盖。而将该方法用于30MHz以下环天线的时候，可以实现250kHz-30MHz的宽频带覆盖，宽频带的原因是采用过渡段结合宽带巴伦实现宽带的良好阻抗匹配。环天线的天线系数计算不依赖于距离，克服了实际校准测量中的环境影响问题，可以作为自带准确天线系数的标准环天线使用，无需校准，简单便利，具有很好的实际应用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。