輻射測試時為什么垂直方向都比水平高？

經(jīng)常會有工程師、客戶、以及同事聊到測試輻射時，為什么大部分都是接收天線在垂直方向比較差，水平方向卻很好呢？很多客戶在測試時特別是開關(guān)電源客戶看一下水平方向的數(shù)據(jù)確認(rèn)沒有問題后，直接無視水平測試數(shù)據(jù)，只測試雙錐對數(shù)周期天線垂直極化方向的數(shù)據(jù)就好。

先就輻射測試的基本情況簡述一下，在測試輻射時被測產(chǎn)品，放在一個屏蔽的暗室里面的轉(zhuǎn)臺上面的0.8m高絕緣桌子上面，此桌子可以360°旋轉(zhuǎn)。另外，在其待測試產(chǎn)品的另外一端3m或者10m處有一個可以上下1m~4m高度自由移動并且可以在水平與垂直兩個方向自由切換天線極性的天線塔，接收對面轉(zhuǎn)臺上面的產(chǎn)品正常工作時產(chǎn)生的以電磁波形式通過空間發(fā)射的場強(qiáng)，再連接到外部的接收機(jī)進(jìn)行測量。詳細(xì)如下圖所示：

依據(jù)上述所述，天線是要在垂直于水平兩個方向接收被測產(chǎn)品發(fā)射的電磁波，先就天線垂直極化與水平極化的概念、原理做下闡述：

（1）波是什么

在數(shù)學(xué)上，任何一個沿某一方向運(yùn)動的函數(shù)形狀都可以認(rèn)為是一個波，簡單的講就是振動的傳播。每種波有相應(yīng)的量子，電磁波──光子、引力波──引力子。有些波的傳播需要介質(zhì)，比如聲波等機(jī)械波。有些則不需要介質(zhì)，在真空中也能傳播，如電磁波。除了電磁波和引力波能夠在真空中傳播外，大部分波如機(jī)械波只能在介質(zhì)中傳播。

波在均勻、無向性的介質(zhì)中傳遞時，依介質(zhì)的振動方向分可以分為兩種形式：

縱波：縱波的特點(diǎn)是介質(zhì)的振動方向與傳播方向相同，在縱波中波長是指相鄰兩個密部或疏部之間的距離。比如空氣中的聲波、地震波中的P波。

橫波：橫波的特點(diǎn)是介質(zhì)的振動方向與傳播方向垂直，橫波也稱“凹凸波”，如：電磁波、光波、地震波中的S波。橫波的特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向相互垂直。在橫波中突起的部分為波峰，凹下部分叫波谷。其波長通常是指相鄰兩個波峰或波谷之間的距離。

（2）波極化（偏振）

人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向，一般使用的天線為單極化的，其中水平極化和垂直極化為兩種基本的單極化。電磁波與縱波如常見的聲波不同，電磁波是三維的橫波，正是由于其矢量特性，從而產(chǎn)生出極化這一現(xiàn)象。

振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做極化（偏振），其中當(dāng)震動方向與傳播方向相互垂直時，極化值最大。它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個最明顯的標(biāo)志，只有橫波才有極化（偏振）現(xiàn)象。光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動矢量E和磁振動矢量H都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性。具有偏振性的光稱為為偏振光。極化光是一種比較特殊的電磁波，他的電磁振蕩只發(fā)生在一個方向上，其他方向的振動為0，偏振光分多種，有：圓偏光、橢圓偏振光等。

所有電磁平面波，一般分為直線，圓弧 和橢圓極化波。

（3）天線的極化（偏振）

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。

極化損失：垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)用+45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失--只能接收到來波的一半能量。

極化完全隔離：當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為10mW。

綜上所述，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)歸納：

首先，因?yàn)槲覀儨y試輻射時主要考慮的是測試電場波，也只考慮接收天線在水平與垂直極化兩種方向的極化測試最大值，即主要考慮測試的是線極化波。而輻射測試時，被測樣品電源線、信號線、控制線、殼體、PCB trace、器件本身……都可等效為相應(yīng)的發(fā)射天線，產(chǎn)生不同的極化波，其中一部分主要以線極化波的方式朝向天線塔上面的接收天線。

其次，天線塔上面可垂直與水平方向轉(zhuǎn)換的接收天線，接收EUT被測產(chǎn)品方向的發(fā)射的線極化波，這里接收天線考量垂直與水平極化方向的最大場強(qiáng)極化值。

所以，其垂直與水平極化兩個方向測試數(shù)據(jù)較大的原因如下：

1、EUT本體結(jié)構(gòu)、線纜、端口、PCB、信號類型等的影響，就導(dǎo)致產(chǎn)生出不同的類型極化的波，其中不乏分垂直與水平極化方向的波，其中的能量大小異同。而在接收天線上產(chǎn)生的極化損失也就不同，測試結(jié)果在水平與垂直的測試數(shù)據(jù)當(dāng)然就不同了。而又因?yàn)?，大部分產(chǎn)品都有AC電源線、控制線纜、外設(shè)等線纜在測試時擺放方式、以及結(jié)構(gòu)縫隙，都是垂直于參考地，這樣的極化損失為最小，天線的垂直極化方向測試值當(dāng)然比較大了。另外，從簡單的電磁感應(yīng)角度來想的話，測試垂直擺放的電線與垂直接收天線的耦合系數(shù)是不是為最大呢？這樣，同樣能證明天線在垂直極化大部分時候都是比天線在水平極化方向的測試值要大了。

2、我看過一份ETS的3142D雙錐周期對數(shù)天線的校準(zhǔn)證書，里面的天線Factor只有水平極化方向的數(shù)據(jù)，卻沒有垂直極化方向的數(shù)據(jù)。我也問過校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的人，他們的回答是垂直校準(zhǔn)天線誤差比較大。因?yàn)榇?，我翻看ETS出廠校準(zhǔn)證書，上面卻有水平與垂直兩種極化方向的Factor。

鑒于此，比較好奇為什會是這樣呢？他說的誤差大，應(yīng)該就是天線水平時，其每根振子都平行于參考地，其中高頻等效分布電容也較天線垂直時要大了，這樣等效分布電容的增大是不是就會減小整個天線對參考地的阻抗呢？然而，這個阻抗的減小，從電氣參數(shù)計算上來講，即使是在水平與垂直方向相同的場強(qiáng)其電磁感應(yīng)，即天線的極化時所產(chǎn)生的電壓會降低？從而使天線在水平極化方向肯定是要比垂直極化方向的測試值要低了? 正如，在做RS輻射抗饒度測試時，若要使EUT待測產(chǎn)品在水平與垂直方向產(chǎn)生相同3V/m的場強(qiáng)，PA功功率放大器在水平方向設(shè)置的功率要大一些，這樣就更近一步證實(shí)這個論據(jù)。

3、前面在波的極化說了，其中不止有線極化波，還有圓弧和橢圓極化波，在半電波暗室里面，五面雖然有高性能鐵氧體、吸波材料對此類電磁波的吸收更或者此類極化波的極化損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線極化波對于接收天線在水平與垂直極化方向的極化效率，但是也不能完全忽略不計。再次，不同頻率的電磁波對于即使是相同的測試距離R，其中的波阻抗也是不一樣的。

所以，測試輻射時大部分LED Driver都是垂直高水平低了！