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嘉峪檢測網 2025-04-01 08:47
通常產品在電波暗室測試輻射時，發現大部分都是接收天線在垂直極化數據比較差，水平方向卻通過測試了。很多客戶在測試時特別是開關電源客戶看一下水平方向的數據確認沒有問題后，直接無視水平測試數據，只測試雙錐對數周期天線垂直極化方向的數據就可以了。
輻射測試的基本情況簡述一下，在測試輻射時被測產品，放在一個屏蔽的暗室里面的轉臺上面的0.8m高絕緣桌子上面，此桌子可以360°旋轉。另外，在其待測試產品的另外一端3m或者10m處有一個可以上下1m~4m高度自由移動并且可以在水平與垂直兩個方向自由切換天線極性的天線塔，接收對面轉臺上面的產品正常工作時產生的以電磁波形式通過空間發射的場強，再連接到外部的接收機進行測量；測試機理及方法如下：
天線是要在垂直于水平兩個方向接收被測產品發射的電磁波，先就天線垂直極化與水平極化的概念、原理做下闡述：
波是什么
在數學上，任何一個沿某一方向運動的函數形狀都可以認為是一個波，簡單的講就是振動的傳播。每種波有相應的量子，電磁波──光子、引力波──引力子。有些波的傳播需要介質，比如聲波等機械波。有些則不需要介質，在真空中也能傳播，如電磁波。除了電磁波和引力波能夠在真空中傳播外，大部分波如機械波只能在介質中傳播。
波在均勻、無向性的介質中傳遞時，依介質的振動方向分可以分為兩種形式：
縱波：縱波的特點是介質的振動方向與傳播方向相同，在縱波中波長是指相鄰兩個密部或疏部之間的距離。比如空氣中的聲波、地震波中的P波。
橫波：橫波的特點是介質的振動方向與傳播方向垂直，橫波也稱“凹凸波”，如：電磁波、光波、地震波中的S波。橫波的特點是質點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。在橫波中突起的部分為波峰，凹下部分叫波谷。其波長通常是指相鄰兩個波峰或波谷之間的距離。
波極化（偏振）
人們規定：電場的方向就是天線極化方向，一般使用的天線為單極化的，其中水平極化和垂直極化為兩種基本的單極化。
電磁波與縱波如常見的聲波不同，電磁波是三維的橫波，正是由于其矢量特性，從而產生出極化這一現象。
振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做極化（偏振），其中當震動方向與傳播方向相互垂直時，極化值最大。它是橫波區別于其他縱波的一個最明顯的標志，只有橫波才有極化（偏振）現象。光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動矢量E和磁振動矢量H都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性。具有偏振性的光稱為為偏振光。極化光是一種比較特殊的電磁波，他的電磁振蕩只發生在一個方向上，其他方向的振動為0，偏振光分多種，有：圓偏光、橢圓偏振光等。
對于電磁平面波，一般分為直線，圓弧 和橢圓極化波，如下圖示所示：
天線的極化（偏振）
天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構成。人們規定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：水平極化 與 垂直極化
極化損失：垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。
當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發生極化損失。
例如：當用+45°極化天線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時，等等情況下，都要產生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發生極化損失--只能接收到來波的一半能量。
極化完全隔離：當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。
理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點點在另外一種極化的天線中出現。
將理論運用的實踐中來，產品中電磁能量是要與測試相關聯的；電磁場的傳播速度由媒體決定，在自由空間等于光速 （3×108ｍ／ｓ）。在靠近輻射源時， 電磁場的幾何分布和強度由干擾源的特性決定，僅在遠處是正交的電磁場。產生電磁（ＥＭ）波，Ｅ場和Ｈ場互為正交同時傳播如下圖所示：
將電磁波理論與測試相關聯：
通常在測試輻射時主要考慮的是測試電場波，也只考慮接收天線在水平與垂直極化兩種方向的極化測試最大值，即主要考慮測試的是線極化波。而輻射測試時，被測樣品電源線、信號線、控制線、殼體、PCB走線、器件本身……都可等效為相應的發射天線，產生不同的極化波，其中一部分主要以線極化波的方式朝向天線塔上面的接收天線。
天線塔上面可垂直與水平方向轉換的接收天線，接收EUT被測產品方向的發射的線極化波，這里接收天線考量垂直與水平極化方向的最大場強極化值。
對于電場波，其電場天線的形成原理如下：
電場天線可以與電容相關聯。如圖ａ所示為簡單的平行板電容器，當電荷堆積在板上時，板間就會產生電場。如果板被展開并置于同一個平面，板之間的電場就會伸展到空間中。相同的情形就發生在如圖ｂ所示的電場偶極子天線上。天線每部分的電荷在天線兩極之間會產生一個進入空間的場，偶極子天線的兩臂之間具有一個固有的電容，如圖ｃ所示。需要有電流來給偶極子臂充電，天線上每部分的電流朝相同的方向流動，這樣的電流被稱為天線模電流。這個條件很特殊，因為它導致了輻射的產生。
當應用到天線兩極的信號振蕩時，場保持不斷換向并將波發送到空間中。
對于電場天線其電磁波的輻射形成示意圖如下：
偶極子上的電荷和電流產生的場互相垂直。如圖ａ所示，在天線上施加電壓，電場Ｅ從正電荷方向指向負電荷方向。天線上的充電電流產生磁場Ｈ，方向為環繞著金屬線并滿足右手定則，如圖ｂ所示，根據右手法則 當電子沿著金屬線移動時，就會產生環繞著金屬線的磁力螺旋線。將右手拇指指向電流的方向，環繞在金屬線上的手指方向就是磁場方向。磁場的環繞導致了天線的電感特性。天線因此是一個既具有來自于電荷分布的電容，又具有來自于電流分布的電感特性的電抗性器件。如圖ｃ所示，Ｅ和Ｈ場是互相垂直的。它們以互相連接循環的方式從天線散布到空間中。
當天線上的信號振蕩時就形成了波。橫電磁（ＴＥＭ）波是在Ｅ和Ｈ的相互垂直的情況下產生的。天線也可以將一個ＴＥＭ波通過互易性的原理來轉換回電流和電壓，天線具有發射和接收的互補性。
天線測量輻射的能量轉換如下：
天線的輻射情況如圖所示。天線的電抗部分在天線周圍的電場和磁場中儲存能量。電抗性的功率在天線的電源和電抗性元件間進行后向和前向的交換。來自于天線的波并不是在空間中的所有點同時瞬時形成，而是以光速來傳播。在離天線的距離上，這個延時就導致了同相的Ｅ場和Ｈ場成分產生。
Ｅ場和Ｈ場具有不同的分量，包含了場的能量儲存（虛部）部分或輻射（實部）部分。
虛部部分由天線的電容和電感來決定，并主要存在于近場中。實部部分由稱為輻射電阻的東西來決定，它是由于傳輸延遲產生的，并存在于距離天線很遠的遠場中。在電磁兼容測試中所使用的測量天線，可以被放置在距離源很近的位置，這時它們的近場效應的影響就大于遠場輻射的影響。
在這種情況下，接收天線和發射天線間就通過電容和互感進行耦合，這樣接收天線就成了發射部分的負載。
根據實際產品及其結構特性，其垂直與水平極化兩個方向測試數據較大的原因如下：
A．EUT本體結構、線纜、端口、PCB、信號類型等的影響，就導致產生出不同的類型極化的波，其中不乏分垂直與水平極化方向的波，其中的能量大小異同。而在接收天線上產生的極化損失也就不同，測試結果在水平與垂直的測試數據當然就不同了。
注意：大部分產品都有AC電源線、控制線纜、外設等線纜在測試時擺放方式、以及結構縫隙，都是垂直于參考地，這樣的極化損失為最小，天線的垂直極化方向測試值當然比較大了。
另外，從簡單的電磁感應角度來看，測試垂直擺放的線纜與布線與垂直接收天線的耦合系數也是最大的。這樣也能證明天線在垂直極化大部分時候都是比天線在水平極化方向的測試值要大了。
B.在ETS的3142D雙錐周期對數天線的校準證書上有水平與垂直兩種極化方向的Factor。
在天線水平時，其每根振子都平行于參考地，其中高頻等效分布電容也較天線垂直時要大了，這樣等效分布電容的增大就會減小整個天線對參考地的阻抗；如果這個阻抗的減小，從電氣參數計算上來講，即使是在水平與垂直方向相同的場強：通過電磁感應，即天線的極化時所產生的電壓會降低，從而使天線在水平極化方向肯定是要比垂直極化方向的測試值要低了。
因此，在做RS輻射抗擾度測試時，若要使EUT待測產品在水平與垂直方向產生相同3V/m的場強，PA功功率放大器在水平方向設置的功率要大一些，這樣就更近一步證實這個結論。
天線阻抗是頻率的函數如下圖所示：
天線上電流和電荷的分布是隨著頻率的變化而變化的。偶極子上的電流一般是一個由頻率確定的關于天線位置的正弦函數。由于信號的波長依賴于頻率，在某個頻率上天線的長度等于一個波長的幾分之幾。偶極子上的電流對于不同的頻率分別為1／2和１倍的波長如圖ａ和圖ｂ所示。對于1／2波長的情況（單極天線為1／4波長），激勵源上的電流是最大的，因此在這個頻率上天線的輸入阻抗是最小的，等于天線的電阻值（實際電阻＋輻射電阻）。
C.在波的極化中，其中不止有線極化波，還有圓弧和橢圓極化波，在半電波暗室里面，五面雖然有高性能鐵氧體、吸波材料對此類電磁波的吸收更或者此類極化波的極化損失要遠遠大于線極化波對于接收天線在水平與垂直極化方向的極化效率，但是也不能完全忽略不計。
注意：不同頻率的電磁波對于即使是相同的測試距離R，其中的波阻抗也是不一樣的。測試輻射發射時大部分開關電源產品或家用電器產品都是垂直極化數據高，水平極化數據低。
這個結論對于我們產品的測試整改研究也是不錯的方向：關注大部分產品都有AC電源線、控制線纜、外設等線纜在測試時擺放方式、以及結構縫隙，都是垂直于參考接地板，這樣的極化損失為最小，天線的垂直極化方向測試值相對就比較大了。
來源：電子產品物聯戰略及電磁
