王文锋　闻映红　孟东林

摘 要： 现有的可计算偶极子天线主要使用混合器式巴伦设计。虽然这种可计算天线的准确性很好，但是成本极高。通过设计宽带渐进巴伦，并且提出开路?短路?负载（OSL）的方式准确测试巴伦的S参数，并将测试的S参数用于可计算天线理论中，研制覆盖1～2 GHz频段的低成本可计算偶极子天线。在一定程度上降低了可计算天线的准确性，但是却以低成本获得了可以接受的可计算性。这种可计算偶极子天线的性价比较高。

关键词： 宽带渐进巴伦； 开路?短路?负载； 可计算偶极子天线； S参数

中图分类号： TN820.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）05?0068?03

Development of calculable dipole antenna covering the frequency of 1～2 GHz

WANG Wen?feng1， WEN Ying?hong1， MENG Dong?lin2

（1. EMC Laboratory of Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China； 2. National Institute of Metrology of China， Beijing 100029， China）

Abstraction： The calculable dipole antennas available designed with commingler Balun is very costly， although this kind of antenna is very accurate. By designing a broadband gradual Balun， proposing open circuit?short circuit?load （OSL） way to get accurate S parameters， and using tested S parameter in the calculable antenna theory， a low?cost calculable dipole antenna co?vering the frequency of 1～2 GHz was developed. An acceptable computability of the calculable antenna was obtain in low cost， though the accuracy of the calculable antenna was reduced to some extent. This kinds of calculable antenna has higher cost?performance ratio.

Keywords： broadband Balun； open circuit?short circuit?load； calculable dipole antenna； S parameter

0 概 述

天线系数是产品辐射发射测量中的重要转换参数，然而30 MHz以上的天线系数测量时需要昂贵的测量装置——计量级开阔试验场（OATS）。CISPR 16?1?5提供了利用可计算偶极子天线来确认OATS性能的方法仅覆盖30～1 000 MHz。然而，目前很多复合天线的频率范围都覆盖了30～3 000 MHz。这导致1～3 GHz频段的开阔试验场性能确认和天线校准成为一个问题。

2004年英国的M.J. Alexander等人通过将天线测试系统等效为微波网络级联的理论，研制出了850 MHz～2.2 GHz的可计算偶极子天线，在全电波暗室内测试获得了±0.3 dB的精确度[1]。在2012年，韩国的Ki?Chai Kim等人研制出了1～3 GHz的可计算偶极子天线，天线系数获得了±0.11 dB的精确度[2]。研制可计算天线的理论基础都是一样的[3]，其难点在于如何保证巴伦的性能（平衡性、隔离度、插入损耗等）[4]良好和精确测试其S参数。前面介绍的可计算天线使用的都是高成本（1万元左右）高精度的混合器式巴伦。混合器式巴伦确保性能很难，但其S参数测试很容易，只需矢量网络分析仪三端口测试，然后转换为二端口的S参数即可。2005年法国的ALIREZA KAZEMIPOUR使用低成本（100元左右）的微带渐进巴伦设计了一套可计算偶极子天线，但是其天线系数的理论值与实测值相差±0.8 dB，差值较大[5]。这种微带渐进巴伦从结构上保证了巴伦较好的性能，然而其S参数测试较难。本文针对这种成本较低的微带巴伦，提出开路?短路?负载的方法精确测试其全S参数，然后应用于可计算偶极子天线，提高可计算天线的精度。

1 巴伦的设计原理

可计算天线的高成本，主要在于其巴伦的成本较高，为此选择成本低的微带巴伦，同时为了进一步降低成本，微带巴伦需要具有宽带特性，使其可以给多个谐振频点阵子馈电。利用天线领域中常用的软件NEC2计算半波偶极子天线的输入阻抗，当[dλ>0.005]时，在100 Ω左右（[d]为阵子直径，[λ]为波长）[5]。

图1所示的微带渐进巴伦是一种宽带巴伦。这种巴伦从非平衡端的微带线结构，到平衡的平行双导线结构，采用渐变线，使得阻抗可以渐变，减小反射信号。此巴伦带宽大，可以很容易地设计参数，使得对任意阻抗匹配。这种结构的巴伦从其结构上就可以保证其具有较好的性能。

利用微波理论，设计一款输入阻抗50 Ω，输出阻抗100 Ω的微带渐进巴伦（输出端和天线阵子匹配连接）。巴伦的输入端至输出端的长度应该大于最低频率对应波长的[12。]由于微波理论无法准确计算地面有限宽的微带线的特征阻抗，对与中间阻抗变换的一段使用HFSS软件进行尺寸优化，最终得到如图1所示的结构图。为了使得特征阻抗变换更见平滑，还应用了倒角技术。

2 巴伦S参数测试原理

微带渐进巴伦在结构上已经可以保证较好的巴伦性能。然而这种巴伦的输入端为非平衡的SMA接头可以直接和矢网连接，而输出端为平衡的平行双导线结构无法和矢网连接，也就是无法直接测试出其S参数。文献[5]中将两个巴伦背靠背连接，这种方法测试出的S参数用于可计算偶极子天线得到天线系数的差距较大。

为了精确测试这种微带渐进巴伦的S参数提出了开路?短路?负载（Open?Short?Load，OSL）的方法。巴伦的S参数结构图如图2所示。

同时当1端口归一化为50 Ω，2端口归一化为100 Ω时[2S12=S21。]由此可以得到微带巴伦的全部表征的S参数。

3 实验验证

最终设计的偶极子天线示意图如图4所示。

该天线的测试在开阔试验场地上，场地布置如图5所示。在频率点比较实际测试值和理论值的差别。这里的理论值为通过矩量法仿真天线的测试环境得到的值。

由于在开阔试验场地上测试，电磁信号会通过直射和钢板的反射两条路径到达接收天线，为了保证接收到的信号不为两条路径信号叠加的最小值，不同谐振频率的天线测试布置如表1所示。

由表2可见，整体来说在1～1.6 GHz的范围内SIL的测量值和理论值的差别小于0.7 dB，达到了较好的可计算的性能；而在1.8 GHz和2 GHz的频点，由于天线阵子的长度较短，相对来说不容易对准，同时由于实际测试时存在天线塔等障碍物存在（仿真的时候就是天线阵子本身悬浮在空中）使得测试值中存在障碍物的反射信号，使得两者的差值较大，但差别也在1 dB左右。而这些差别为场地插入损耗的差别，若按照文献[3]转换为天线系数的精度，可得在1～1.6 GHz的范围内达到±0.34 dB的精度，在1.8 GHz和2 GHz的频点天线系数的精度为 ±0.51 dB。总体来说达到了一定的可计算性。

由上可见，本文设计的可计算偶极子天线的精确度与文献[5]比较提高到±0.34 dB，其精确度与文献[1]使用高成本混合器式巴伦设计的可计算偶极子天线精确度相当，但是天线整体的成本却只有其[110，]批量生产后甚至可以更低，达到了以较低成本获得较高精确度的可计算天线的目标。

4 结 论

针对可计算天线精度高但成本亦高的现状，设计了一款成本极低，但可以保证较高精度的可计算天线，从而得到性能有所降低但是成本极低，可以供大多数客户使用的高性价比的可计算偶极子天线。且由于设计的为宽带渐进巴伦，因此可以为以后的宽带可计算天线提供一定的研究基础。

参考文献

[1] LOADER B G， ALEXANDER M J. A calculable dipole antenna to cover the frequency range 850 MHz to 2.2 GHz [C]// Digest of 2004 Conference on Precision Electromagnetic Measurements.[S.l.]： [s.n.]， 2004： 194?195.

[2] KIM Ki?Chai， KIM Sang?Myeong， KWON Jae?Yong， et al. The design of calculable standard dipole antennas in the frequency range of 1～3 GHz [J]. Journal of electromagnetic engineering and science， 2012， 12（1）： 63?69.

[3] LOADER B G， ALEXANDER M J， SALTER M J. Reduced measurement uncertainty in the frequency range 500 MHz to 1 GHz using a calculable standard dipole antenna [C]// 1997 10th International Conference on Electromagnetic Compatibility.[S.l.]： [s.n.]， 1997： 175?180.

[4] 张啸天.30～75 MHz电小天线设计与测量[D].北京：北京交通大学，2013.

[5] KAZEMIPOUR A， BEGAUD X. Calculable dipole antenna for EMC measurements with low?loses wide?band Balun from 30 MHz to 2 GHz [J]. Electromagnetics， 2005， 25（3）： 187?202.

[6] 王万良.自动控制原理[M].北京：高等教育出版社，2008.