新型寬帶橫電磁波小室的設(shè)計

陳　軍,　萬發(fā)雨,　范　盼

(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京　210044)

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新型寬帶橫電磁波小室的設(shè)計

陳軍,萬發(fā)雨,范盼

(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京210044)

文章參照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61967-2設(shè)計了一個橫電磁波(transverse electric and magnetic field,TEM)小室,介紹了TEM小室的整體設(shè)計方法,實(shí)現(xiàn)了TEM小室良好的阻抗匹配特性，并研究了2種改進(jìn)方法用于抑制TEM小室高次模和諧振的產(chǎn)生;在三維電磁仿真軟件中建立了新型TEM小室的三維仿真模型,并計算了新型TEM小室的S參數(shù)和電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)。計算結(jié)果表明,2種新型TEM小室的上限可用頻率可提高到3 GHz。

TEM小室;高次模;開縫;上限可用頻率

0　引　　言

采用橫電磁波(transverse electric and magnetic field,TEM)小室進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)具有結(jié)構(gòu)封閉、成本低廉及操作方便等優(yōu)點(diǎn),因而TEM小室被廣泛地應(yīng)用于輻射敏感度試驗(yàn)、電磁波生物效應(yīng)測試和電磁反射試驗(yàn)等領(lǐng)域。TEM小室本質(zhì)上是變異的同軸線,主傳輸段為矩形,兩端為錐形過渡段,通過同軸接頭與同軸電纜相連。在TEM小室的測試頻率范圍內(nèi),電磁能量以TEM模從小室的一端傳播到另一端。然而受兩端錐形結(jié)構(gòu)的影響,當(dāng)工作頻率高于第1高次模截止頻率時,高次模開始在小室中傳播,而且小室錐形漸變段會引起高次模的反射。因此,當(dāng)頻率高于可用頻率時,由于反射現(xiàn)象從而形成駐波和諧振。反射的高次模影響了TEM模的正常傳播,從而破壞了TEM小室場分布的均勻性,影響了測量結(jié)果的可靠性[1]。國內(nèi)外傳統(tǒng)的TEM小室?guī)挒? GHz,而集成電路的工作頻率卻越來越高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 GHz,這限制了TEM小室的適用范圍。因此,提高TEM小室的上限可用頻率是國內(nèi)外研究的重要課題。

多年來,國內(nèi)外學(xué)者對TEM小室的高次模、諧振特性和擴(kuò)展TEM小室?guī)挼拇胧┻M(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2]提出了TEM小室外導(dǎo)體開縱向縫隙以抑制諧振現(xiàn)象的方法;文獻(xiàn)[3-4]研究了在TEM小室中加載吸波材料以抑制高次模和諧振的方法,但是這種方法減少了TEM小室可用的測試空間和TEM模的場均勻性;文獻(xiàn)[5]為了抑制高次模對TEM小室性能的影響,提出了TEM小室內(nèi)導(dǎo)體采用金屬線列結(jié)構(gòu)的方法;文獻(xiàn)[6]為了抵消GTEM小室的縱向磁場分量Hz,采用磁環(huán)對GTEM小室橫向電流進(jìn)行“削峰”(在外導(dǎo)體的4個棱角附近平行放置磁環(huán)),為了吸收與高次模相關(guān)的磁場能量,將鐵氧體片放置于GTEM小室的外導(dǎo)體附近。為了提高TEM小室的上限可用頻率,必須在確保TEM模正常傳播并且不影響小室的屏蔽性能的情況下,使高次TE模和TM模引起的的諧振得以抑制。文獻(xiàn)[1-6]提供的這種方法能夠有效地抑制TEM小室的高階模諧振,但是只能在大型TEM小室中實(shí)現(xiàn),上限頻率只能提高到1.5 GHz,而且有些方法干擾了TEM模的正常傳播并影響了小室的屏蔽性能。

本文參照文獻(xiàn)[7]中規(guī)定的TEM小室的標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計了一個TEM小室,通過2種改進(jìn)方法來抑制TEM小室高次模和諧振的產(chǎn)生,將TEM小室的上限可用頻率擴(kuò)展到3 GHz，達(dá)到了改善工作區(qū)場分布的均勻性、降低高次模的影響及擴(kuò)大工作頻段等效果。

1　TEM小室的工作原理

TEM小室是美國國家標(biāo)準(zhǔn)局于1974年首先研制成功并用作電場標(biāo)準(zhǔn),由于其性能和功能遠(yuǎn)優(yōu)于一般屏蔽室,因此在國外得到了廣泛的應(yīng)用。TEM小室與同軸線的等效圖如圖1所示。TEM小室是一個變形的同軸線,其基本原理是在小室內(nèi)的內(nèi)、外導(dǎo)體板(做成2塊平行板)間產(chǎn)生一橫向電磁波，與一般同軸電纜中電磁場分布一樣,既很均勻又可以準(zhǔn)確計算出場強(qiáng),因此可以方便地用于計量、測試、檢測等場合[8]。

圖1　TEM小室與同軸線的等效圖

TEM小室內(nèi)部場強(qiáng)值的大小可以按平行板標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)公式來計算。設(shè)中心導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間的距離為d,內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電位差為U,則在內(nèi)外導(dǎo)體之間形成的電磁場強(qiáng)為：

(1)

則磁場強(qiáng)度為:

(2)

其中,η為媒質(zhì)的特征阻抗,在自由空間中,η=377 Ω。

2　TEM小室的設(shè)計

TEM小室的結(jié)構(gòu)[7]如圖2所示。TEM小室的上方開一方形孔,用于安裝100 mm×100 mm的PCB板,受試IC放在PCB板上[9]。

圖2　TEM小室的結(jié)構(gòu)圖

TEM小室由一塊扁平的芯板作為內(nèi)導(dǎo)體,外導(dǎo)體為方形,兩端呈錐形向通用的同軸器件過渡,TEM小室可分為中間段和左右2個漸變段,中間段為矩形,兩端為錐形過渡段。TEM小室的三視圖如圖3所示,其中a和b分別為TEM小室中間段外導(dǎo)體的寬度和高度,w和t分別為TEM小室中間段內(nèi)導(dǎo)體的寬度和厚度。

圖3　TEM小室的三視圖

特征阻抗是小室的主要性能參數(shù)之一,設(shè)計中應(yīng)保證良好的阻抗匹配,TEM小室特征阻抗理論上應(yīng)保持50 Ω,阻抗不匹配會產(chǎn)生反射現(xiàn)象,從而形成駐波和諧振。利用特征阻抗的表達(dá)式來設(shè)計小室較為簡單,但由于小室結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,其特征阻抗很難正確地描述。按照文獻(xiàn)[10],矩形同軸傳輸線的特征阻抗(即TEM小室中間段特征阻抗)近似為:

(3)

其中,μ0和ε0分別為真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù);η0為自由空間的特征阻抗,值為120π Ω;C0為單位分布電容,單位為F/m。C0的近似表達(dá)式[11]在a≥b和w≥b/2時才有效,則有:

(4)

由(3)式和(4)式可得：

(5)

參照文獻(xiàn)[7]的規(guī)定，TEM小室橫截面尺寸為152 mm×99 mm,縱向長度為338 mm,選取TEM小室尺寸a=152 mm、b=99 mm、t=1.0 mm,中間段長度L0=152 mm,漸變段的長度L1=93 mm。因?yàn)門EM小室漸變段為均勻過渡,漸變段末端截面和中間段截面的尺寸決定了過渡段的總體幾何尺寸,所以中間段內(nèi)導(dǎo)體寬度w、漸變段外導(dǎo)體末端的寬度a1、漸變段外導(dǎo)體末端的高度b1和漸變段內(nèi)導(dǎo)體末端的寬度v是需要設(shè)計的尺寸。

將a=152 mm、b=99 mm、Z1=50 Ω代入(5)式,可以得出w≈114 mm。為了實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配,需要求出w的精確值。因此,在三維電磁仿真軟件中建立TEM小室中間段的模型,從而得出中間段特征阻抗Z1隨w的變化曲線,如圖4所示。當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體寬度w為114.6 mm時,中間段特征阻抗Z1達(dá)到理想的50 Ω。

圖4　Z1隨w的變化曲線

在TEM小室中間段滿足50 Ω阻抗匹配后,需要對左、右2個漸變段進(jìn)行設(shè)計,從而確保TEM小室整體的阻抗匹配。在TEM小室加工和仿真中,令漸變段外導(dǎo)體末端的高度b1=19.8 mm,易于準(zhǔn)確計算其他參數(shù)尺寸,而且比較接近實(shí)際外接N型頭的尺寸,便于實(shí)物的加工。由設(shè)計經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)a/b=a1/b1時,TEM小室的性能最佳,此時a1=ab1/b=30.4 mm。當(dāng)v/w≈a1/a時,TEM小室可以達(dá)到更好的阻抗匹配,所以當(dāng)w=114.6 mm時,v≈wa1/a≈22.92 mm。因此,在三維電磁仿真軟件中建立TEM小室的整體模型,如圖5所示,從而得出特征阻抗Z0隨v的變化曲線,如圖6所示。當(dāng)漸變段內(nèi)導(dǎo)體末端的寬度v=21.35 mm時,TEM小室整體特征阻抗Z0=50 Ω。

TEM小室的設(shè)計完成后,求出其S參數(shù),如圖7所示。在DC-1.6 GHz范圍內(nèi),S11低于-20 dB,S21大于-1 dB。當(dāng)頻率高于1.6 GHz時,有3個主要的諧振頻率點(diǎn)分別為1.67、2.40、2.77 GHz。

圖5　TEM小室的三維仿真模型

圖6　Z0隨v的變化曲線

圖7　S參數(shù)的曲線

3　新型TEM小室的設(shè)計

TEM小室的上限可用頻率為1 GHz、電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)不大于1.5,對插入損耗S21沒有規(guī)定[7]。

新型TEM小室的設(shè)計指標(biāo)如下:上限可用頻率為3 GHz,VSWR不大于1.25,插入損耗S21大于-2 dB。

由文獻(xiàn)[7-8]可知,要提高TEM小室的工作帶寬,應(yīng)盡量增大a/b值,減少內(nèi)導(dǎo)電板寬度[4]。為了能夠兼容標(biāo)準(zhǔn)TEM小室中的10 cm×10 cm的PCB測試板,不能改變外導(dǎo)體的寬度a的大小,而且內(nèi)導(dǎo)體電板的寬度w需要根據(jù)50 Ω阻抗匹配來計算,因此可以考慮減小外導(dǎo)體的高度b的大小來提高TEM小室的工作帶寬。當(dāng)TEM小室外形尺寸(長×寬×高)為338 mm×152 mm×60 mm時,即a=152 mm,b=60 mm,中間段長度L0=152 mm,漸變段的長度L1=93 mm。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化(設(shè)計方法同文獻(xiàn)[7],可以得出:

t=1 mm,a1=20 mm,b1=50.67 mm,

w=82 mm,v=25.6 mm。

此時,VSWR和插入損耗S21的曲線如圖8所示。在DC-3 GHz范圍內(nèi),VSWR小于1.25,S21大于-1 dB。

圖8　新型TEM小室VSWR和S21設(shè)計值

對TEM小室場均勻性影響較大的高次模主要是TE模,即縱向磁場分量Hz的影響較大,而Hz與電流密度Js的關(guān)系為:

(6)

其中,Js為沿橫向方向的電流密度。

由(6)式可知,通過抑制橫向電流可以減少縱向磁場分量,從而抑制TE高次模的產(chǎn)生。

在不改變標(biāo)準(zhǔn)TEM小室整體和測試板尺寸的前提下,對TEM小室外導(dǎo)體進(jìn)行改進(jìn),如圖9所示。

該新型寬帶TEM小室的外導(dǎo)體是單層PCB板,材質(zhì)為FR4,介質(zhì)板厚度為1 mm,銅皮厚度為35 μm,內(nèi)導(dǎo)體仍為金屬板。

在外導(dǎo)體中間段PCB板的銅皮上等距離地開縱向縫隙,外導(dǎo)體上下寬邊開8條縫隙,前后兩側(cè)窄邊開5條縫隙,縫隙長度為152 mm,寬度為5 mm,厚度為35 μm,從而抑制橫向電流和高次模的產(chǎn)生。

在三維仿真軟件中對該新型TEM小室仿真,可得出VSWR的曲線和回波損耗S21的曲線,如圖10所示。

由圖10可以看出，在DC-3 GHz范圍內(nèi),VSWR小于1.25,S21大于-2 dB。

圖9　新型TEM小室

圖10　新型TEM小室的VSWR和S21仿真結(jié)果

4　結(jié)　論

由于高次模的產(chǎn)生限制了TEM小室的上限可用頻率，因此提高TEM小室的上限可用頻率是國內(nèi)外研究的重要課題。本文參照文獻(xiàn)[7]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計了一個TEM小室,提出了2種改進(jìn)方法來提高TEM小室的上限頻率。第1種方法改變了TEM小室的尺寸參數(shù),減少了TEM小室的高度,但會縮小TEM小室的可用空間,待測設(shè)備偏大會影響測試結(jié)果;第2種方法是在不改變TEM小室尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上,對外導(dǎo)體中間段的PCB板開縱向縫隙,從而隔斷橫向電流抑制高次模。仿真結(jié)果表明,這2種改進(jìn)方法能夠有效地抑制高次模和諧振的產(chǎn)生,將TEM小室的上限可用頻率提高至3 GHz。在0～3 GHz頻率范圍內(nèi),VSWR小于1.25,插入損耗S21大于-2 dB,滿足設(shè)計指標(biāo)。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)

Design of novel broadband TEM cell

CHEN Jun, WAN Fayu, FAN Pan

(College of Electronics and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

A transverse electric and magnetic field(TEM) cell was designed according to the dimension of the TEM cell specified in standard IEC 61967-2. The overall design of the TEM cell was introduced, which achieved good impedance matching of TEM cell. Two modified methods to suppress the high-order mode and resonance of TEM cell were studied. By using the three-dimensional electromagnetic simulation software， the three-dimensional simulation model of the TEM cell was established and the S parameters and voltage standing wave ratio(VSWR) of the modified TEM cells were calculated. The simulation results show that the usable frequencies of the upper limit of these two modified TEM cells increase to 3 GHz.

transverse electric and magnetic field(TEM) cell; high-order mode; slit; usable frequency of upper limit

2015-09-12；

2015-12-02

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20150918);江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項目(14KJB510017)和江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊人才計劃資助項目(SRCB201526)

陳軍(1992-),男,江蘇泰州人,南京信息工程大學(xué)碩士生;

萬發(fā)雨(1983-),男,安徽蕪湖人,博士,南京信息工程大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.015

TM937.1

A

1003-5060(2016)07-0938-05