小环形天线：现场测试

确定天线特性的唯一方法是测量其性能，因为仅靠理论无法预测实际结果。天线产生的场非常复杂，因为它们与环境中的一切相互作用。鉴于这种复杂性，如果您使用经验丰富且经过认证的天线实验室来处理测试、标准及其细微差别，天线测量和分析将更加成功。

本文是对遥控无钥匙进入（RKE）应用的天线理论和设计进行两部分分析的第二部分。本文的第一部分“小环形天线：第 1 部分 — 仿真和应用理论”解释了天线分析的复杂性，介绍了几个仿真测试，讨论了测试结果，并比较了短环或开环天线设计的优势和局限性。本文是我们讨论的第二部分，重点介绍实际的天线现场测试，其中包含 FCC 为设备认证所需的一些技术和测试参数。使用第一部分中介绍的Maxim天线板，进行了室外“真实世界”现场测试。将第1部分中介绍的理论结果与实际现场测试数据进行比较。

本文不介绍如何执行实际的 FCC 测试;这远远超出了讨论的范围。相反，我们的目标是帮助读者了解在测试设备时会出现哪些设计和环境问题。简而言之，本文旨在帮助促进成功的 FCC 认证。

1. 现场测试方法

1.1 测试范围

用于测试Maxim天线的方法（图1）不是深入的FCC认证测试。相反，我们的方法旨在根据第一部分中的模拟结果验证天线性能，而无需使用消声室。虽然我们在专业天线范围内进行测试，但可以使用商用木材和常用的射频实验室设备在空旷的场地中重复测试环境和设置测量。为了确保这些测量结果非常实用，我们希望DUT能够“看到”它在实际使用中遇到的相同地面反射。我们还模拟了 FCC 对测试站点的要求，特别是具有地面反射、不同天线高度以及 DUT 和接收天线之间水平距离为 3m 的开放区域。

图1.3m参考测量。

FCC 合规性测试旨在确保设备散热器的任何发射的场强在给定距离处不超过指定的场强。辐射可能来自有意（发射器）和无意（杂散、谐波、数字噪声）辐射器，这些辐射的限值因应用和设备类型而异。我们的实验方法只测量了天线特性，而不是无意的辐射器。

如上所述，FCC 合规性测试侧重于距离设备3m处的峰值排放。在某些情况下，排放测试是从10米开始参考的;其他排放测试测量功率与场强的关系。附录 A 描述了其中的一些关系。发射参考、距离或场强都可以在一个参考处测量，然后计算到另一个参考。为简单起见，我们所有的测量都是在 3m 处进行的。

测量 DUT 时涉及两个天线：一个来自 DUT，另一个来自传感天线。我们测试中的传感天线是一种宽带、UHF 对数周期天线，占用面向辐射 （RKE） 设备的空间。因此，设备和接收（传感）天线之间的3m距离不是绝对精确的。此外，检测天线是具有参考增益和物理参考点的校准参考。天线实际上有两个明确标记的参考点，一个靠近物理中心，另一个在天线的末端。测试的参考点因合规性测试的类型而异。图2显示，对于这些场强测量，参考值靠近天线中心。参考电压源通常位于天线末端，用于抗噪测试。

图2.感应天线示意图。

对于测试设置（图 3a 和 3b），DUT 物理固定在旋转平台上以表示其实际应用。天线范围是在室外完成的，不使用消声材料。钣金覆盖了整个旋转平台和外部地面区域，以提供远远超出测试区域的近乎完美的地面。旋转平台直径约3米，每隔20度包含刷子，以确保它与外部地面连续接地，面积约为400平方米。

图 3a 和 3b。测试范围设置条件。

传感天线安装在沿Z轴移动的支架上，并在测试室进行远程控制。这个支架上的一切都由非导电电介质（玻璃纤维型材料）制成，包括螺钉，因此没有任何东西干扰现场测量。检测天线还可以旋转垂直（如图4所示）或水平极化。

图4.传感天线（垂直极化）安装在可变 Z 轴桅杆上。

位于大约40米外的测试室远程控制天线并测量感应天线接收的内容。在我们的案例中，我们仅使用安捷伦频谱分析仪作为接收器（图 5）。软件驱动一个自动化系统，该系统在旋转平台转动时记录来自传感天线的功率。由于我们的 DUT 只是一个天线，信号发生器提供了足够的功率来确保接收器具有良好的信噪比。实际输出并不重要，因为一切都是相对于偶极子的;在我们的例子中，我们将发生器设置为 16dBm。实际上，DUT可能包含发射器，因此同轴电缆干扰测量不存在问题。在我们的例子中，我们使用了同轴电缆，其效果在天线图上可以看到，看起来很像第一部分中的模拟。

图5.测试范围和测量系统。

1.2. 校准

由于不存在各向同性辐射器，因此类似于各向同性天线的最接近和最简单的形式是偶极子。偶极子易于构建且易于理解，包括其与各向同性源的理论差异。天线书中通常描述的偶极子有两种类型：理想偶极子和半波偶极子。理想的偶极子远场在数学上表示为完美的无孔甜甜圈，它没有考虑沿偶极子元素的实际电流分布。由于偶极子是无孔甜甜圈，因此它在元件轴上没有场或垂直于天线的最大场。

如果我们向偶极子和各向同性辐射器提供相等的能量，则更多的能量将垂直于偶极子，因为两端不存在能量。由于场是从完美球体修改而来的，因此偶极子将具有方向性，并且据说在各向同性源上具有增益。理想偶极子的理论增益在各向同性上为 1.76dB¹。理想的偶极子是另一种数学模型，与半波偶极子不同。半波偶极子是实际物理偶极子天线的更真实的表示形式（见图6），因为它是根据元件的电流而不是理想的数学偶极子模型建模的。理论上，半波偶极子的校准标准在各向同性辐射器上具有2.15dB²的增益。我们将使用此测量值作为参考。

图6.比较半波与各向同性远场模式。

半波偶极子参考具有伸缩元件，其两端调整为1/4λ。将偶极子安装在与检测天线相同的极化中时，测量偶极子参考天线，为测量DUT提供参考基础。参见图 7。

图7.UHF 高波段和低频段参考偶极子。

用DUT代替参考偶极子，使被测场相对于半波偶极子具有增益或损耗。为了确定测量场相对于各向同性源的测量场，从作为偶极子参考的测量值中删除了2.15dB：

功率 （dBd） 半波偶极子 - 2.15dB = 功率各向同性源 （dBi）

1.3. 峰场校准

天线旁瓣和地面反弹是进行天线校准和测试时必须考虑的两个主要因素。通过将检测天线延伸到空间并记下峰值，从参考偶极子的峰值测量开始校准（图 8）。通过这样校准，消除了系统中的所有损耗和检测天线的任何增益，因为场测量都相对于半波偶极子的峰值场。

图8.校准参考偶极子的干涉。

校准必须在垂直和水平极化下进行，因为导电接地会以不同的方式反射场。

下一个问题是传感天线的辐射方向图。虽然主瓣是宽铅笔波束，但可以有与任何定向天线相关的重要旁瓣。

图9.Horz LP在地面上的谐波性能。

图9显示了当相对于阵列的短波长驱动时，对地上等效对数周期的检测天线仿真。随着波长的延长，旁瓣变得不那么尖锐和变弱。图9中的仿真仅说明了检测和基准之间的旁瓣;它不是对实际使用的日志周期的模拟。F是基波，2F和3F分别是LP设计上方的二次和三次谐波，大约高于地面一个波长。Z轴上的场再次是地球接地的影响。

图 10.查找峰值场强。

图10比较了从偶极子测量峰值场时LP检测天线的垂直位置相对于仿真和实际测量;它说明了旁瓣和地面效应的影响。当最大天线增益的直接路径组合相互优化时，将出现两个天线之间的峰值。请注意，在照片中，偶极子是垂直极化的，感觉是水平的。实际上，两个天线将处于相同的极化状态。出于校准目的，除了找到峰值外，高度并不重要。但是，重要的是要注意，感测力可能远高于参考或DUT值。确定峰后，将参比偶极子在平台上旋转360度以获得参考值（表1）。传感天线保持固定在图10所示的高处。

图10说明了场瓣如何影响Tx和Rx。实际上，场瓣的影响要复杂得多，因为波不会在空间中折射，如图10所示，峰瓣接触。当 DTX 和 DRX 的增益组合得到优化时，最大的能量传输发生在 Tx 和 Rx 天线之间的直线路径上，从而在高度 h 处产生 3m 径向距离的峰值信号。此时，检测天线的峰值信号为天线实现，并且旋转参考或DUT以产生相对于图11中“绘图平面”的天线图。

图 11.两个天线之间产生的峰值场。

由于参考天线和偶极子的场方向图相对于频率的行为不同，因此也必须对谐波重复该过程。偶极子将具有杂散瓣和谐波处的额外增益。因此，必须重新调整偶极子，以便在所有测量频率下保持1/2 λ。使用的参考偶极子由伸缩元件制成，因此可以手动调整到测量的波长。如果波长超出其伸缩范围，则使用下一个尺寸的偶极子。请参见上面的图 7。

以下是用于天线测量的实际校准因子的图表。表1中的所有条目均为测试室的50Ω测量值。

表 1.校准因子的参考值

频率 （兆赫）	西格根 （分贝）	偶极子接收电平 （垂直偶极子）（ dBμV）	偶极子Rx电平 （水平偶极子）（ dbμV）	各向同性因子
				V	H
315	16	96.9	98.4	94.7	96.2
433	16	94.9	94.7	92.7	92.5
630	16	89.1	92.2	86.9	90.0
866	16	88.2	86.9	86.0	84.7

偶极子Rx电平是在频谱分析仪上从Tx参考偶极子测量的RF电压，单位为50Ω。从实际测量值中减去2.2dB，得到接收电平，就好像它是各向同性的Tx源一样。

各向同性因子 = Rx 电平偶极子 - 2.2dB 产生相对于各向同性天线的 Rx 电平。

为了得出场强值，还必须考虑天线系数、AF 和同轴电缆损耗，所有这些都将在后面解释。

1.4. 极化注意事项

水平 （H）、垂直 （V） 和圆形 （C） 偏振波都是椭圆偏振波的特殊情况，V 或 H 分量等于零，或者 V 和 H 分量彼此相等。然而，V、H 或 C 通常不被称为“椭圆形”;而是 V、H 或 C 以外的任何情况都被归类为椭圆形。

关于极化，在使用时不太完美的天线中有两个主要考虑因素。第一个考虑因素是，空间中任何占据三个维度且不完全对称的东西都会在其不对称处产生电压差。

图 12.激发略椭圆偏振场。

第二个考虑因素是，在沿一个轴查看对象时，也可以沿另一个轴从另一个视图看到该对象。一个例子是从图12的角度向下投影到线性极化参考偶极子的检测天线。偶极子元素具有水平和垂直分量。传感天线在 H 或 V 位置接收的能量不仅取决于天线的不对称性，还取决于传感天线相对于参考或 DUT 的“视角”。参见图 13。

图 13.将偏振感测为视角的函数。

幸运的是，我们只关注以偶极子标准为参考的峰场;DUT和偶极子常见的任何系统损耗或错误都将被取消。这使得测量变得更加简单，因为一切都以垂直或水平半波偶极子为参考。关键的一点是，尽管进行了H和V天线测量，但可能存在意想不到的交叉或相反极化场。

1.5. 估计 3m 处的场强

虽然估计场强对于参考偶极子并不重要，但当我们以每米μV为单位时，它确实有助于估计理论场。如果不完全了解DUT整个表面周围的场强，就不可能估计DUT的场强。对于偶极子示例来说，这很好理解，因为我们可以从假设各向同性源开始，然后在各向同性上增加 2.15dB 的方向性增益。

考虑到附录A中的关系，3米的场强为：

表2描述了由设置为16dBm的信号发生器驱动的偶极子的上述计算场强。

表 2.在自由空间中，F和100F处2%高效半波偶极子的最大场强

1.6. H 和 V 极化之间的场变化

图 14.偶极子对H和V极化的接地方向性的影响。

垂直天线产生的E场将小于水平天线（H偶极子）产生的E场，因为能量辐射超过360度。由于能量完全围绕其垂直轴分散，因此地面反弹（V偶极子）的影响也减少了。使用水平天线时，峰场垂直于偶极子;部分峰值场指向地面并被地面反射。结果是方向性增益更高，地面反弹干扰更大。因此，可以同时进行V和H场测量（图14）。

1.7. 考虑近场（3m）的地面反弹

估计近（3m）场中的地面反弹有两个重要的考虑因素。首先，上表2中的场强来自各向同性源，因此偶极子也参考自由空间。地面通过反射能量影响场并使其更强，如图 10 所示。EZNEC软件可以估计近场和远场的场强，如下下图所示，模拟自由空间中完美偶极子和离地面1m的半波偶极子的近场强度为300MHz（图15和16）。另请注意，波瓣向天空的发射角度对天线离地面的高度非常敏感。

其次，0.4V/m 等于 400，000μV/m，这大大高于 FCC 在第 15.231 部分允许的，即使对于自由空间情况也是如此（见附录 B）。地面的反射只会让事情变得更糟。然而，常见的发射器部件在7dBm至13dBm之间，这些部件并不违反FCC规则，因为RKE设备上的天线效率约为5%，由于尺寸小，因此极差。效率低会导致 -13db 的功率损耗，从而使器件符合 FCC 标准。由于偶极效率非常好，甚至接近100%，它会产生高场强值。

为了考虑315MHz和433MHz（包括二次谐波）地面反弹对场强的理论影响，NEC估计近场为3m。分析考虑了表2中的实际RF电平，该电平被传递到离地面1m的参考偶极子。

图 15.EZNEC模拟了3m处的Horz偶极子场强与高度（Z）（315MHz和630MHz）的函数关系。

图 16.EZNEC模拟了3m处的Horz偶极子场强与高度（Z）（433MHz和866MHz）的函数关系。

从图15和图16中，我们看到自由空间中的理想偶极子与地面反弹产生的峰值场之间的差异为：

地面反弹的增益在整个频率上不会相同，因为它取决于两个正弦波前的总和。此外，随着天线离地面高度的增加，直射波和反射波减少1/r²，但它们在目标处的组合减少1/r。4.近场和远场之间的NEC仿真结果通常显示远场的增益比近场高约1dB。表3H和3V中的以下结果在近场（3m）中。

表 3H. 3m 偶极子 RMS 峰值场强 离地面 1m，由近场模拟的地面反弹产生（H— 极化）

表 3V. 3m 偶极子 RMS 峰值场强，中心距地面 1m，由近场模拟的地面反弹产生（V - 极化）

注：表3和本文档其他地方提供的场强数据仅供说明之用;数据不够准确或全面，无法确定潜在的危险电磁暴露。

1.8. 天线系统的伪一致性测试

如果我们要在315MHz和433MHz的天线测量中使用顺应性模板，则必须在附录B中插入最大场强。通过将频率代入公式，可以实现表4和表5中的以下等式。

表 4.第15.231部分 315MHz在3m处的插值场强

排放类型	基波μV/m和dBμV的场强	杂散μV/m和dBμV的场强
超过周期	EuV/m= 2417 E分贝（uV/m）= 67.7	EuV/m= 241 E分贝（uV/m）= 47.7
周期的	EuV/m= 6042.7 E分贝（uV/m）= 75.6	EuV/m= 604.2 E分贝（uV/m）= 55.6

表 5.第15.231部分 433MHz在3m处的插值场强

排放类型	基波μV/m和dBμV的场强	杂散μV/m和dBμV的场强
超过周期	EuV/m= 4384.8 E分贝9uV/m= 72.8	EuV/m= 438.5 E分贝（uV/m） = 52.8
周期的	EuV/m= 10960 E分贝（uV/m）= 80.8	EuV/m= 1096 E分贝（uV/m）= 60.8

使用表3中的峰场并将其视为FCC合规性的示例，我们将表3和表4中的第5列转换为表6A和6B中的μV/m和dBμV。

表 6A.超过周期性伪顺应性的示例（H 和 V 极化）

表 6B.周期性伪顺应性示例（H 和 V 极化）

在考虑接地反弹的影响并确保符合FCC 15.231标准时，表6B显示，对于基波，高效半波偶极子的发射必须降低约33dB至49dB，对于谐波，必须降低约54dB至69dB。相同的调整适用于垂直极化的情况;由于垂直天线的360°全向模式的增益低于双向偶极子的增益，因此发射水平较低。

1.9. 检测天线因数和估计参考测量误差

频谱分析仪测量接收功率，并可以轻松计算测量电压，假设为50Ω，如表1所示。但是，表2中的发射功率或场有多少被接收天线捕获并不简单。为了将表1与表2相等，关系将是天线范围和天线系数AF的链路损耗E（每 V 1V/m 或 1/m）的 LP 检测天线。天线因数广泛用于EMC现场测量，作为通过将网络理论应用于场理论来测量物理设备的实用方法。

Gant = 感测 LP 天线的线性增益：

Aaperture = 天线的实际孔径考虑了失配和天线效率。

对于以 dB 为单位的项：

由于天线捕获E场并将其转换为在50Ω系统中测量的电压，因此使用以下通用表达式³。对于磁耦合或非50Ω环境，AF表达式不适用，并且与上述表达式有很大不同。最后，我们可以根据接收器上测量的电压确定E场电平。

事件 = VRX + AFE + CoazLoss

入射 （dbuV/m） = 来自测量值的天线处的 E 场。

VRX （dbuV） = 测量电压（来自 50Ω 中的 Rx 功率）表 1 中的“偶极子 RX 电平”。

AFE （dB1/m） = 天线系数，检测天线的校准数据（认证公差 = 1.5dB）。

同轴损耗 （dB） = 从传感天线到接收器的传输线损耗。

为了比较我们的NEC模拟值，并考虑地面反弹与测量值的影响，我们得出计算误差：

计算误差 （dB） = ETX - 事件

ETX （dBuV/m） = V 或 H 参考偶极子的模拟 E 场，包括地面反弹因子，表 6 中的“NEC 估计场附近峰值，H = 1m”

表 7H.求解测得的场强并与 H 偏振参考偶极子的模拟地面反弹 Tx 值进行比较

表 7V.求解测量的场强并与V极化参考偶极子的模拟地面反弹Tx值进行比较

2. 测量被测设备 （DUT）

2.1 失配问题

为了最大限度地减少租用范围内的测试时间，并避免通过重新定位天线和增加机械变化来引入错误，天线（DUT）不匹配。由于反射系数很大，因此与DUT相关的失配损耗很大。虽然失配损耗不会显著影响天线相对于偶极子的方向图，但它会显著影响场强。给定天线的测量反射系数，S11，我们可以通过不匹配天线来找到相关的失配损耗。该因子将包含在数据图中（表8）。

表 8.失配损耗校正

2.2. 输送到 DUT 的功率（P 天线）

当信号发生器设置为16dBm时，功率实际上是在失配损耗和同轴损耗后输送到DUT天线的。基波和二次谐波均在表9中提供：

输送到天线的功率 = P信号发生器， q电缆损耗， q失配损耗.

表 9.天线功率

2.3. DUT 测试夹具和测试矩阵

测量表1中的校准因子后，用DUT代替参考偶极子，并以与基准完全相同的方式测量。对V和H极化中的基波和二次谐波进行两组测量，以得出开路和短路情况下环形天线的场方向图。数据的组织方式如图 17 所示，并定义了以下每个图：

天线类型 |职位 |检测 LP 极化 |乐队

具体来说，SFV3 = 短路天线 |平仓 |垂直 LP |315兆赫

图 17.数据测试矩阵和平坦的天线位置。

示例圆和偶极子参考如图18所示。

原始数据（灰线）是通过天线范围测量的数据。

S11校正（黑线）是添加到原始数据的失配损失。

增益圆（外部）是3dBd增益基准与偶极子的关系。

偶极子参考（0dBd）圆被校准为偶极子基准的单位增益。任何低于0dBd（E场（dB）强度）的东西都低于偶极子，这可能是由于能量指向其他地方或效率低下;任何高于此值的值都是由DUT的天线方向性引起的偶极子增益。

图 18.测试情节和图例。

3. 峰场测量

3.1. 测量数据

4. 总结

4.1. 概述

在所有情况下，基波相对于偶极子都有相关的场强损失。这是由于效率差异和小孔径而意料之中的。基波的场方向图通常为360°，通常比偶极子小10dB至20dB，这对应于小环形天线的5%或-13dB预期效率。

一个案例，SFV3，一个平躺的短路环路在V极化中给出了非常好的结果-3dBd和非常完整的369°全向模式。这是幸运的，因为这通常是天线在遥控钥匙中的定位方式。然而，该字段是三维的;虽然测量了峰场，但这可能不是靶向Rx的所需波瓣。

在大多数情况下，谐波比基波具有可观的增益，并且固有的失配损耗较小。在一种情况下，二次谐波实际上相对于图OUV6中的参考偶极子具有增益。这应该不会太令人惊讶，因为随着谐波的环路变长，天线将开始具有方向性和更高的效率。与基波相比，谐波的场方向图也不那么均匀，更难预测，这表明随着波长变短，电路板上的所有东西都开始对天线产生影响。

在比较开环和短路环的仿真结果时，实测数据也证实了我们对开路天线的仿真;基波和谐波的场型比短路环路的场型稍微均匀一些。虽然这在实践中可能很有吸引力，但请记住，同轴屏蔽对天线的良好效率和平坦度起着重要作用，而不是天线本身更好。天线效率也随着波长的缩短而提高。433MHz场通常高于-10dBd，315MHz场约为-15dBd至-20dBd，但平均高于433MHz场强的谐波除外。

短路的情况更为复杂，正如我们在本文第一部分中通过模拟确定的那样。在大多数情况下，场模式在前视场后面有一个空值。第 1 部分中的仿真表明，同轴电缆、环路电流和接地都相互作用以产生最终结果。场强平均比开环情况低10dB。虽然较低，但在实践中可能更现实，因为大部分能量将在环路内，而不是同轴电缆的测量误差。峰值场强也与许多理论效率估计值（约5%）相匹配。

观察峰值场时，检测天线向下看环路。环路也由水平位置的同轴电缆馈送，然后垂直下降到信号发生器。这些因素的组合导致交叉极化场。实际上，发射器将包含在天线内，因此不存在同轴系数。

4.2. 结论

地面和测试夹具在天线测量中起着主要作用。考虑到所有因素，仍然很难使预测结果与实际测量结果相匹配。构建天线测试范围并不复杂，如果只需要设计或预一致性测试，就可以完成。一些天线现场测试使用懒惰的Suzan，绳索，滑轮和常见的实验室设备来实现这一点。但有一个警告。在不使用模拟器探索理论和预测结果的情况下解释这些现场测试结果可能会产生误导。最后，许多微妙的因素会影响测量，可靠的合规性测试必须留给合格且经验丰富的实验室。

天线模拟器是了解正在发生的事情的一般情况的宝贵工具。然而，在校准期间获取峰值读数只是在Z轴上获取切片。天线仿真不够准确，无法为小环路提供所有必要的信息。为了准确测量天线，您需要步入Z轴，切片X-Y场方向图，并考虑接地的影响。与峰值测试相比，这些任务手动完成将非常费力，但模拟起来非常简单。由于FCC只关注峰场，因此只需搜索最大场强以确保合规性，并将场优化为预期目标。仿真和测量协同工作以优化设计，并帮助工程师了解天线参数或找到适用于FCC法规的峰值场。

审核编辑：郭婷