整车辐射抗扰度发射天线分析 本文关键词：整车，天线，发射，辐射，分析
整车辐射抗扰度发射天线分析 本文简介：摘要：介绍了整车辐射抗扰度的测试方法，从对数周期天线的结构、整车辐射抗扰实际测试结果等领域分析了对数周期天线的优缺点，并引入了新型的双锥天线，探讨一种更节省射频功放功率的天线结构。关键词：辐射抗扰度；对数周期天线；双锥天线随着新能源电动汽车的高速发展，电动汽车智能驾驶、无人驾驶正逐步从实验室走向路面
整车辐射抗扰度发射天线分析 本文内容：
摘要：介绍了整车辐射抗扰度的测试方法，从对数周期天线的结构、整车辐射抗扰实际测试结果等领域分析了对数周期天线的优缺点，并引入了新型的双锥天线，探讨一种更节省射频功放功率的天线结构。
关键词：辐射抗扰度；对数周期天线；双锥天线
随着新能源电动汽车的高速发展，电动汽车智能驾驶、无人驾驶正逐步从实验室走向路面，整车电磁兼容问题越来越严重，特别是整车的辐射抗扰度测试，如车辆从某电视塔路面经过时，受到电视塔电磁辐射的影响，车辆自动熄火，类似事故时有发生。本文结合整车辐射抗扰度的测试标准要求，介绍辐射抗扰度场地标定方法，讨论辐射抗扰度测试应用对数周期天线的优缺点，从测试原理上探讨一种新型的双锥天线设计及应用。
1、测试标准
整车辐射抗扰度场地的校准应符合ISO11451-2-2015《道路车辆由窄带辐射电磁能产生的电气骚扰的车辆试验方法第2部分：车外辐射源》要求，对应的国标是GB/T33012.2-2016《道路车辆车辆对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法第2部分：车外辐射源法》，测试前需依据标准进行场地校准，以确定场强满足标准要求。进行场地标定时试验场地没有被测车辆，采用未经调制的正弦波进行标定，标定时记录每个试验频率下产生规定场强所需要的前向功率，分别在垂直极化及水平极化条件下标定场强。场强探头放置于参考点位置，或者4个场强探头放置于垂直参考线上，频率在200MHz以上时，场均匀性测试应满足参考点两边0.5m处位置的场强至少80%试验频点位于参考点场强-6~0dB范围内，场地标定时需满足射频功率放大器应工作在线性范围。10kHz~20MHz和2~18GHz频率范围内标定使用单个场强探头，20MHz~2GHz频率范围内标定使用4个场强探头，4个场强探头读数平均值作为标定值。车辆参考点或参考线位于车辆的中心线上。应用单个场强探头测试工况：车顶高度不超过3m时，相对于暗室地板的高度为（1±0.05）m；车顶高度超过3m时相对于暗室地板的高度为（2±0.05）m；对于应用四个场强探头测试工况：车顶高度不超过3m时，相对于暗室地板的高度为0.5m、0.8m、1m和1.2m；车顶高度超过3m时，相对于暗室地板的高度为1.2m、1.5m、1.8m、2.1m。在车辆的长度方向，车轴参考点可以是前轴后（0.2±0.2）m处，也可以是前挡风玻璃和前舱盖交界处向车内平移（1±0.2）m处，取两者距离天线较近的点作为参考点。单个场强探头及四个场强探头的位置布局图见图1和图2。标准规定，辐射发射天线的全部距车体表面不应小于0.5m，天线的相位中心与参考点的水平距离不应小于2m，天线辐射单元的全部距地板不应小于0.25m，天线和被测样品之间的直射路径不得有吸波材料。同时，标准规定，测量电场范围25~100V/m时，以下对场强100V/m的测试需求使用对数周期天线及双锥天线的情况进行分析。
2、20~220MHz使用对数周期天线分析
对数周期天线是一种宽频天线，天线的阻抗、方向图、增益、驻波比等电参数随频率的对数周期性变化，对数周期天线有多种型式，其中1960年提出对数周期振子阵天线，具有频带特性极高，而且结构简单，在电磁兼容领域有广泛的应用。实际应用的情况是从对数周期天线信号端口输入经射频功率放大器放大后的信号，信号在各个振子依次激励产生电磁波。振子长度接近谐振长度（λ/4）会被激励产生较大的电磁波，向空间形成有效的电磁辐射，谐振振子辐射的区域称为有效辐射区。从上面分析的情况可知，对数周期天线工作频率范围与其振子尺寸密切相关，若对数周期天线的工作频率范围20MHz~1GHz，即可知最长（对应频率20MHz）的振子长度为：dCfMAX=λ/=/4=300/(20×4)=.4375m（1）最短（对应频率1GHz）的振子长度为：dCfMIN=λ/=/4=300/(1m000×4)=.40075（2）式中：λ为波长；C为电磁波在真空中传播速度，即3×108m/s。符合整车辐射抗扰度的对数周期天线市面上有FSA12014-5，该天线的尺寸见图3所示。该款天线的频率范围是20~220MHz，从图3可知，最长的振子长度为:d=2×4030−2336)=3388≈339(.mmmmmmm（3）该款天线的相位中心在天线的前端，从图3可知，该款天线的长度为:L=3860−332=3528≈353mmmmmmm.（4）从图4可知，该款天线电压驻波比最大值为3.5:1，典型值为2.5:1。在20MHz频率情况下可知，天线的谐振振子距场强校准参考点的水平距离大于5.53m。使用对数周期天线FSA12014-5及输出功率大于10kW的射频功率放大器，实测天线的注入功率与场强的关系如图5。由图5测试结果可以发现，频率点（20MHz）达到垂直极化场强100V/m至少需要注入10kW的功率，同时，由于地面反影的影响，该频点水平极化场强只能达到50V/m，不符合ISO11451-2Class4的100V/m的场强要求，若需要满足水平极化100V/m的场强要求，需要天线注入40kW的功率，而市面上40kW功率的射频功率放大器限于军方使用，各检测机构及车企不配置同类型的射频功率放大器，不具备实验条件。由测试原理可知，电波的极化特性取决于发射天线馈电系统的特性，当发射天线与被测车辆的敏感部件走线平行时，耦合程度最严重，被测车辆的敏感部件最易受干扰。实验室试验时可以调整敏感部件的相对位置达到测试目标。这其实也是整车辐射抗扰对低频电磁场水平极化测试等级要求较低的原因。为了满足辐射抗扰度的场强要求，降低天线的注入功率，降低测试系统的成本，很有必要探讨一种新的天线类型满足上述要求。
3、20~200MHz使用双锥天线分析
双锥天线是由谢昆诺夫提出的研究天线辐射特性的模型，具有良好的宽频特性。依据整车辐射抗扰度的测试需求，对双锥天线原理进行分析，满足辐射最强的振子需要尽量靠近场强校准参考点，同时，双锥天线的相位中心在天线的中心，因此，双锥天线是一种合适的天线结构形式。从上述分析可知，对应20MHz的信号，天线振子的长度dMAX为3.75m，即天线的最小尺寸为3.75×2=7.5（m），同时考虑整车辐射抗扰度标准ISO11451-2标准中对于均匀性的要求，双锥天线的振子部分需平行于均匀域测试平面。双锥天线的基本结构是，金属导线与Z轴之间夹角θh绕Z轴旋转一周形成图6所示的金属双圆锥，两个顶点间的间距为h，顶点与双圆锥互相绝缘，信号馈于两顶点间，在金属圆锥面上产生电流，同时向空间辐射电磁波，该结构看成长圆锥传输线，传输的主模是TEM球面波，空间中存在Hφ和Eθ两个场分量，其中最终设计的双锥天线结构简图如图7所示，实际完成的双锥天线如图8所示。从图8中可知，该款双锥天线的电压驻波比最大值3.5:1，典型值2.4:1；在天线相位中心距场强校准参考点2m时，水平极化实测结果如图9所示。从图10中测试结果可以得到，整车辐射抗扰度使用双锥天线，仅需要7kW的注入功率，可以实现100V/m的场强测试，相对于使用对数周期天线，可以节省射频功放的需求，节省测试成本。
4、结语
整车辐射抗扰度项目有逐步变成强制检定的趋势，随之而来的是各大检验机构为了满足该需求，面临更换更大功率的射频功率放大器，导致实验室设备投入大，项目难以实施。本文从测试原理出发，引入一种新型的双锥天线，在不增加功率需求的情况下满足辐射抗扰度场强需求，探讨一种解决方案。从测试结果可知，该款新型的双锥天线在20MHz频率点仅需要7kW的射频功率，就可以产生符合ISO11451-2Class4要求的水平极化100V/m的场强，但该款天线振子长，不适合垂直极化测试，尚需与应用对数周期天线的测试效果数据验证，该方案可以作为解决低频辐射抗扰度的水平极化的有效补充措施。
作者：何志辉 尹建文 黄涛 梁观胜 单位：广东省珠海市质量计量监督检测所
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