天线高度扫描与频率扫描方法

在电磁兼容（EMC）辐射发射测试中，被测设备（EUT）的辐射场强会随观察角度和天线高度发生显著变化。为了准确评估EUT的最大辐射水平，必须进行天线高度扫描与频率扫描。天线高度扫描是指在一定高度范围内（通常为1m至4m）连续或步进改变接收天线

在电磁兼容（EMC）辐射发射测试中，被测设备（EUT）的辐射场强会随观察角度和天线高度发生显著变化。为了准确评估EUT的最大辐射水平，必须进行天线高度扫描与频率扫描。天线高度扫描是指在一定高度范围内（通常为1m至4m）连续或步进改变接收天线的高度，以捕捉因地面反射和EUT方向图共同作用形成的最大场强点。频率扫描则是在规定的频率范围内，以一定的步长和检波方式测量各频点的发射幅度，从而识别所有可能超标的频率分量。

这两个过程通常结合转台旋转（0°360°）共同完成，但本文聚焦于高度与频率两个维度的扫描方法。依据CISPR 16-2-3、ANSI C63.4等标准，辐射发射测试在30MHz1GHz频段通常采用双锥天线或对数周期天线，天线高度在1m~4m内变化，并分别进行水平极化和垂直极化测量。

天线高度扫描的实施方法

天线高度扫描的核心目的是找到EUT辐射的最大值。由于地面反射的存在，直射波与反射波会在空间形成干涉，导致不同高度上的场强出现极大值和极小值。因此，固定高度测量可能遗漏最大发射。

扫描步骤

  1. 预扫描定位：先使用峰值检波器在固定高度（如1m）和转台连续旋转下进行快速频率扫描，记录所有可疑频点。
  2. 选择扫描频点：对预扫描中接近或超过限值的频点，逐一进行详细测量。
  3. 高度步进：在选定的频点上，保持转台角度不变，将天线从1m开始，以0.5m或更小步进升高至4m（或标准规定范围）。每个高度记录接收机读数。
  4. 记录最大值：找出该频点在该转台角度下的最大读数及其对应高度。
  5. 转台配合：改变转台角度（如每30°或连续旋转），重复步骤3~4，最终获得该频点在所有角度和高度组合下的全局最大值。
  6. 极化切换：分别对水平极化和垂直极化执行上述过程。

注意事项

  • 高度扫描应使用自动天线塔，确保位置重复性。
  • 扫描过程中，接收机应使用准峰值检波器（或峰值检波器用于预扫描），分辨率带宽按标准设置（如120kHz）。
  • 若EUT较大或测试场地有限，可适当减小高度范围，但需在报告中说明。
  • 对于1GHz以上频段，通常固定天线高度，仅进行转台旋转和频率扫描。

频率扫描的实施方法

频率扫描用于在宽频带内快速发现所有发射频率。根据测试阶段不同，可分为峰值预扫描和准峰值终测。

峰值预扫描

  • 目的：快速识别潜在超标频点，节省测试时间。
  • 设置：接收机或频谱分析仪使用峰值检波器，分辨率带宽通常为120kHz（30MHz~1GHz）或1MHz（1GHz以上），扫描步长可设为带宽的一半或更小。
  • 过程：在转台连续旋转、天线高度固定（或缓慢变化）的条件下，对整个频段进行扫描，记录所有超过限值线一定余量（如6dB）的频点。
  • 输出：生成频率-幅度列表，标记可疑频率。

准峰值终测

  • 目的：获得符合标准要求的最终测量结果。
  • 设置：对预扫描选出的每个可疑频点，使用准峰值检波器，分辨率带宽和驻留时间按标准执行（如CISPR 16规定准峰值检波器的充电时间常数1ms，放电时间常数550ms）。
  • 过程：在每个频点上，结合天线高度扫描和转台旋转，找到最大准峰值读数。
  • 注意：准峰值测量耗时较长，因此只对预扫描中超过限值或接近限值的频点进行。

频率扫描的步长选择

  • 对于峰值扫描，步长可等于或小于分辨率带宽，以避免遗漏窄带发射。
  • 对于准峰值测量，步长应不大于分辨率带宽的一半，确保覆盖所有频率分量。
  • 在30MHz~1GHz，常用步长为50kHz或100kHz；在1GHz以上，常用步长为500kHz或1MHz。

联合扫描与优化策略

实际测试中，高度扫描与频率扫描并非孤立进行，而是相互配合。一种高效策略是：

  1. 先进行全频段峰值预扫描，转台连续旋转，天线高度固定为1m，记录所有可疑频点。
  2. 对每个可疑频点，在转台旋转一周的过程中，同步进行天线高度扫描（如每旋转15°改变一次高度），记录每个角度-高度组合的峰值。
  3. 找出每个频点的最大峰值及其对应的转台角度和天线高度。
  4. 在该最佳角度和高度下，使用准峰值检波器进行终测。
  5. 若准峰值仍超标，则需进一步优化EUT或采取整改措施。

这种联合扫描可显著减少测试时间，同时保证找到真正的最大发射。

示例：开关电源辐射发射测试

假设某开关电源在30MHz~1GHz进行辐射发射测试，限值采用EN 55032 Class B。

  • 预扫描：天线高度1m，水平极化，转台连续旋转，峰值检波，步长50kHz。发现150MHz、300MHz、450MHz处有峰值，其中150MHz读数为40dBμV/m，限值为30dBμV/m，超标10dB。
  • 高度扫描：固定转台角度为90°，在150MHz频点，天线从1m升至4m，步进0.5m。记录读数：1m=40dBμV/m，1.5m=42dBμV/m，2m=38dBμV/m，2.5m=44dBμV/m，3m=41dBμV/m，3.5m=39dBμV/m，4m=37dBμV/m。最大值为44dBμV/m（2.5m）。
  • 转台旋转：在2.5m高度下，转台从0°旋转至360°，每30°记录一次。发现180°时读数为46dBμV/m，为全局最大。
  • 准峰值终测：在180°、2.5m高度下，使用准峰值检波器测量150MHz，读数为45dBμV/m，仍超标15dB。需对电源进行滤波整改。

通过上述高度与频率扫描，准确找到了最大发射点，为后续整改提供了可靠依据。

总结

天线高度扫描与频率扫描是EMC辐射发射测试中不可或缺的步骤。高度扫描用于克服地面反射引起的场强起伏，频率扫描用于全面捕捉发射频谱。两者结合转台旋转和极化切换，才能获得符合标准的最大发射值。工程师应熟悉标准要求，合理设置步长、检波器和驻留时间，并利用预扫描与终测的分层策略提高效率。在实际操作中，自动天线塔和转台控制器可大幅提升测试的一致性和可重复性。