电磁兼容EMC测试整改技术工程篇：关于发射天线3dB波瓣宽度的影响

摘要：分析了发射天线3dB波瓣宽度在辐射敏感度试验中的影响，若忽视波瓣宽度的影响，不能有效考核试验对象。基于发射天线3dB波瓣宽度在辐射敏感度测试中的重要性，CNAS-CL01-A008:2018对RS103项目中发射天线3dB波瓣宽度提出了计量需求。

国家军用标准GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》RS103(10kHz～40GHz电场辐射敏感度)针对200MHz以上的测试，标准进行了说明，测试中可能需要较多的天线位置数，如图1所示。按如下确定天线位置数（N）：

1)  对200MHz～1GHz，应以足够数量的位置放置天线，以使每个EUT分机壳体的整个宽度和靠近EUT端接的350mm的电缆和电线在天线3dB波束宽度以内；

2)  对1GHz以上，应以足够数量的位置放置天线，以使每个EUT分体壳体的整个宽度和靠近EUT端接的70mm的电缆和电线在天线3dB波束宽度以内。

图1  多天线布置（频率＞200MHz）

GJB8848-2016《系统电磁环境效应试验方法》中对发射天线的辐射覆盖范围也做了规定：发射天线波束覆盖范围来选取照射位置，确保场强变化在3dB以内，以保证被测系统各部位均被充分照射。

天线3dB波瓣宽度（也称3dB波束宽度）指的是在天线*大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两个方向的夹角，如图2所示。

图2  3dB波瓣宽度

功率相差3dB，其场强也是相差3dB，以上两个标准的描述是一样的效果。分析如下：

场强和功率的公式：

对数公式：

20lgE=10lgP+10lg(30G)-20lgr

对于零度角的功率P1和E1：

20lgE1=10lgP1+10lg(30G)-20lgr

对于3dB波束宽度角度处的功率P2和E2：

20lgE2=10lgP2+10lg(30G)-20lgr

由3dB波束宽度的定义可知：10lgP1-10lgP2=3dB，那么可得20lgE1-20lgE2=3dB，即功率相差3dB，其场强也是相差3dB。

图3所示喇叭天线的3dB波瓣宽度如图4所示，有些频点的波瓣宽度很小，不到10度，该天线的1米远处3dB波瓣宽度的覆盖宽度如表1所示，15GHz频率点，1米远处3dB波瓣宽度的覆盖宽度只有0.127米，如果忽视3dB波瓣宽度，只进行一个位置的测试，那么EUT在15GHz频率点的考核就严重缺失。对1GHz以上，标准规定应以足够数量的位置放置天线，以使每个EUT分体壳体的整个宽度和靠近EUT端接的70mm的电缆和电线在天线3dB波束宽度以内。那么以一个0.5米宽的EUT为例，则对于图3所示的喇叭天线15GHz频率点处需要移动的天线位置处N：N=(0.5+0.07)/0.127=4.49，取整后N等于5，即在实际的测试中天线需要移动5次。表2是一些典型发射天线平均波瓣宽度，从表可知，平均波瓣宽度在15°～27.5°，也都不大。另外一个容易被忽视的问题是在水平方向上（这里不是指天线的水平极化）移动天线位置的同时，也需要在垂直方向上（这里不是指天线的垂直极化）按上述的计算方法计算垂直方向上的天线辐射位置数，尤其是对于机柜等高度比较高的被测对象。

图3  双脊喇叭天线

图4  双脊喇叭天线3dB波瓣宽度

表1  发射天线覆盖宽度

表2  典型发射天线波瓣宽度

表3为GJB1389A典型频段外部射频电磁环境限值，有些频段要求场强特别大，例如2.7GHz～3.6GHz频段，要求峰值场强达到27460V/m。受功率放大器、微波器件等的限制，对于特大场强的测试需求，通常的做法是在低频段通过偶极子天线阵及反射板、高频段通过空间合成及相位调制等技术手段来实现特大的场强，该方法是通过牺牲辐射面积实现能量的聚焦而实现，这样其有效的辐射面积往往不大。一个案例中计算的3dB场强测试范围如表4所示，3dB场强的覆盖范围很小，只有知道了3dB场强的覆盖范围，具体的测试中才能有效考核试验对象。

表3  GJB1389A典型频段外部射频电磁环境限值

表4  3dB场强测试范围

基于发射天线3dB波瓣宽度在辐射敏感度测试中的重要性，CNAS-CL01-A008:2018 《检测和校准实验室能力认可准则在电磁兼容检测领域的应用说明》对RS103项目中发射天线3dB波瓣宽度提出了计量需求，如表5所示  。

表5  CNAS-CL01-A008:2018发射天线3dB波瓣宽度的计量要求