基于平行雙線結(jié)構(gòu)的低頻場發(fā)生器設(shè)計(jì)

陳亮凡 吳鐘杰，3 趙李剛 王正斌*

（1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子學(xué)院, 南京 210023；2.南京洛侖電磁科技有限公司, 南京 211106；3.中國電信股份有限公司海南分公司, ?？?570105）

0 引 言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備會(huì)處在同一空間，引發(fā)各種電磁輻射和電磁干擾問題，電子設(shè)備的電磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）特性受到學(xué)界越來越多的關(guān)注[1-4]。射頻電磁場輻射抗擾度測試用來評價(jià)電氣、電子產(chǎn)品或系統(tǒng)抗電磁干擾的能力[5]，測試中需要根據(jù)頻率和場強(qiáng)要求使用不同場發(fā)生器天線，主要有對數(shù)周期天線、雙錐天線、棒狀天線或電場發(fā)生器來產(chǎn)生所需的電場強(qiáng)度[6-13]。

由于低頻段（10 kHz~200 MHz）時(shí)天線的輻射效率低、電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)較高，因此低頻測試時(shí)大部分使用的是電場發(fā)生器。目前，電場發(fā)生器主要有電容式場發(fā)生器與傳輸線式場發(fā)生器。電容式場發(fā)生器一般為平行雙桿末端開路的結(jié)構(gòu)，當(dāng)平行導(dǎo)體的長度等于測試頻率對應(yīng)波長的四分之一時(shí)會(huì)發(fā)生諧振，因此電容式場發(fā)生器工作帶寬受限。文獻(xiàn)[14]中的電容式場發(fā)生器可以在10 kHz~30 MHz的頻段產(chǎn)生50 V/m的場強(qiáng)，但由于尺寸原因，難以將其應(yīng)用于大型電子產(chǎn)品的輻射抗擾度測試，且其覆蓋頻譜較窄，場強(qiáng)也較小。

傳輸線式電場發(fā)生器一般采用平行雙線傳輸線結(jié)構(gòu)，末端的負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗匹配，其工作頻率與場發(fā)生器天線的長度無關(guān)。本文基于平行雙線結(jié)構(gòu)與傳輸線變壓器巴倫設(shè)計(jì)了一款傳輸線式電場發(fā)生器。電路負(fù)載選擇了耐高溫和耐高功率的無感陶瓷電阻，功率容量高達(dá)2 500 W。該場發(fā)生器能在10 kHz~100 MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)200 V/m的電場強(qiáng)度，且場強(qiáng)分布均勻， 在其輸入端所測得的VSWR在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)均小于1.9，可產(chǎn)生符合GJB 151B-2013標(biāo)準(zhǔn)[15]中RS103測試所需的電場強(qiáng)度，適用于大部分電子設(shè)備的輻射抗擾度試驗(yàn)。

1 場發(fā)生器電路原理分析

本文設(shè)計(jì)中的電場發(fā)生器以平行雙線結(jié)構(gòu)為主，電場主要分布在平行雙線之間，其等效電路如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的寬帶阻抗匹配，平行雙線的特性阻抗要與負(fù)載匹配，同時(shí)也要與信號(hào)源輸入端口阻抗匹配。

圖1 電場發(fā)生器的電路原理圖Fig.1 Schematic of the electric field generator circuit

本文設(shè)計(jì)中的負(fù)載采用377 Ω的大功率陶磁電阻，因此，平行雙線的特性阻抗也應(yīng)設(shè)計(jì)為377 Ω。對于均勻無耗平行雙線傳輸線，其特性阻抗可表示為[16]

式中：ε，μ 分別為傳輸線周圍媒質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；D為雙線之間的距離；d為傳輸線單線的直徑。通過選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斁€結(jié)構(gòu)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)平行雙線的特性阻抗為377 Ω，此時(shí)傳輸線之間的電磁波處于行波狀態(tài)，且有

2 傳輸線變壓器電路原理分析

由于場發(fā)生器的輸入端口阻抗一般為50 Ω，因此，在輸入端與平行雙線傳輸線之間需要一個(gè)50∶377的寬頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，考慮到輸入端口一般為非平衡同軸線，而平行雙線為平衡電路，因此，匹配網(wǎng)絡(luò)還需要實(shí)現(xiàn)非平衡電路到平衡電路的轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)采用傳輸線變壓器巴倫來實(shí)現(xiàn)上述功能，為便于制備，這里選擇阻抗比為1∶4的傳輸線變壓器巴倫。

傳輸線變壓器巴倫主要有兩種類型：一種是由Guanella 于1944年提出，利用傳輸線繞組形成阻塞模式，以減少平衡到不平衡應(yīng)用中的干擾[17]；另一種是由Ruthoff于1959年提出，通過在傳輸線上形成正或負(fù)的電勢梯度來獲得寬帶變換[18]。Guanella式傳輸線變壓器結(jié)構(gòu)是對稱的，有較好的平衡性。本文設(shè)計(jì)了阻抗比為1∶4的Guanella式傳輸線變壓器巴倫，如圖2所示。由于電路的對稱性，我們只需對其中一對傳輸線進(jìn)行分析，其傳輸矩陣為

圖2 阻抗比為1∶4的Guanella式傳輸線變壓器巴倫電路模型Fig.2 Circuit model of Guanella-type 1∶4 impedance ratio transmission-line balun transformer

式中，Zc為磁芯繞組的特性阻抗?？傻脗鬏斁€變壓器輸入端輸入阻抗為

簡化得

當(dāng)Zc=Zin/2時(shí)，Zi′n=Zin/4。因此對于圖2所示的傳輸線變壓器模型，當(dāng)傳輸線的特性阻抗為負(fù)載的一半時(shí)，輸入端阻抗與負(fù)載阻抗之比為1∶4，且此時(shí)傳輸線變壓器中的傳輸線線長不會(huì)因頻率變化而影響阻抗比。

3 仿真分析

圖3所示為傳輸線式場發(fā)生器的三維模型圖，考慮到實(shí)際使用中大地對平行雙線的特性阻抗也有影響，在電場發(fā)生器的下方建立了無限大地的模型。實(shí)際使用中還有對電場極化方向不同的需求，所以該場發(fā)生器模型還仿真了天線旋轉(zhuǎn)支架對場分布的影響。三維模型中兩根黃色的平行線即為本文設(shè)計(jì)中的平行雙線傳輸線，材質(zhì)設(shè)置為銅，長度為2 030 mm，直徑為100 mm，平行雙線間距為1 000 mm，雙線中心距離地面高1 000 mm，傳輸線兩端的矩形立柱內(nèi)分別放置傳輸線變壓器巴倫和無感陶瓷電阻，整體呈矩形結(jié)構(gòu)。信源輸入端與傳輸線變壓器巴倫相連，大功率射頻信號(hào)從50 Ω同軸端口輸入，通過傳輸線變壓器巴倫進(jìn)行阻抗匹配和平衡轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過平行雙線傳輸?shù)侥┒素?fù)載之中。負(fù)載由8個(gè)無感陶瓷電阻串并聯(lián)而成，其總阻抗值約為377 Ω，可耐受連續(xù)波功率高達(dá)2 500 W。

圖3 傳輸線式電場發(fā)生器三維模型圖Fig.3 3D model of the transmission line E-field generator

為了簡便研究與分析傳輸線式電場發(fā)生器的電場分布特性，在全波電磁仿真軟件中對該場發(fā)生器進(jìn)行建模仿真，選取10 kHz、50 MHz、100 MHz作為仿真的測試頻率點(diǎn)。在距離傳輸線z= 1 m遠(yuǎn)處設(shè)xOy觀察平面，大小為3 m × 2.5 m，如圖4所示。可以看出，當(dāng)設(shè)置輸入功率為2 500 W時(shí)，在距離電場發(fā)生器設(shè)備中心1 m遠(yuǎn)處的平面內(nèi)，所有頻點(diǎn)均可以實(shí)現(xiàn)場強(qiáng)值超過50 V/m，且絕大部分區(qū)域甚至超過100 V/m。該傳輸線式電場發(fā)生器在大部分區(qū)域的電場分布較為均勻，且覆蓋區(qū)域較為廣闊，可以應(yīng)用于較大尺寸電子設(shè)備的輻射抗擾度測試。

圖5進(jìn)一步給出了當(dāng)輸入功率為2 500 W時(shí)，在距離該場發(fā)生器中心z= 0.5 m遠(yuǎn)處xOy觀察平面內(nèi)的場強(qiáng)分布圖?？梢钥闯?，該傳輸線式電場發(fā)生器在10 kHz、50 MHz、100 MHz等頻點(diǎn)均可產(chǎn)生高達(dá)200 V/m的電場強(qiáng)度，且在很大區(qū)域范圍內(nèi)場強(qiáng)分布均勻。該場強(qiáng)值能夠滿足絕大部分輻射抗擾度測試標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 距離場發(fā)生器中心0.5 m遠(yuǎn)處xOy平面內(nèi)場強(qiáng)仿真分布圖Fig.5 E-field simulation distributions in the xOy plane 0.5 m away from the center of the E-field generator

4 實(shí)測結(jié)果

圖6為傳輸線式場發(fā)生器在測試現(xiàn)場的實(shí)物照片。其背后的旋轉(zhuǎn)支架可調(diào)整場發(fā)生器距離地面的高度、俯仰角度，以及xOy平面內(nèi)的極化旋轉(zhuǎn)。圖7為該電場發(fā)生器在小信號(hào)輸入功率下的實(shí)測VSWR。可以看出，在10 kHz ~100 MHz的頻率范圍內(nèi)VSWR均在1.9以下，說明該場發(fā)生器反射功率較小。

圖6 傳輸線式電場發(fā)生器實(shí)物測試圖Fig.6 Picture of transmission line E-field generator

圖7 傳輸線式電場發(fā)生器實(shí)測VSWRFig.7 Measured VSWR of transmission line E-field generator

圖8所示為距離場發(fā)生器中心1 m遠(yuǎn)處場強(qiáng)探頭實(shí)際測量得到的電場強(qiáng)度隨頻率變化的曲線?？梢钥闯?，當(dāng)輸入功率一定時(shí)，除了20 MHz頻點(diǎn)處場強(qiáng)較弱之外，該電場發(fā)生器在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)均能產(chǎn)生較穩(wěn)定的場強(qiáng)，其主要原因可能是20 MHz時(shí)產(chǎn)生了諧振吸收。當(dāng)輸入功率大于1 000 W時(shí)，所有頻點(diǎn)都能產(chǎn)生大于50 V/m的場強(qiáng)；當(dāng)輸入功率為2 000 W時(shí)，20 MHz頻點(diǎn)附近場強(qiáng)為70.2 V/m，其他頻點(diǎn)處場強(qiáng)基本上都大于100 V/m。

圖8 距離場發(fā)生器1 m遠(yuǎn)處的場強(qiáng)測試曲線Fig.8 Measured E-field strength at a distance of 1 m from the center of distance generator

圖9進(jìn)一步給出了該場發(fā)生器天線在距離中心0.5 m遠(yuǎn)處的場強(qiáng)測量值?？梢钥闯?，要產(chǎn)生50 V/m的電場強(qiáng)度，輸入功率只需要在100 W左右；而當(dāng)要產(chǎn)生大于150 V/m的場強(qiáng)時(shí)，在10 kHz頻點(diǎn)處所需輸入的功率遠(yuǎn)大于其他頻點(diǎn)，這主要是因?yàn)樵诘皖l點(diǎn)處發(fā)生了磁飽和，等效電感值下降所引起。當(dāng)輸入功率接近2 500 W時(shí)，所有頻點(diǎn)處均可產(chǎn)生大于200 V/m的場強(qiáng)，能夠滿足國內(nèi)外電磁發(fā)射和敏感度測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 距離場發(fā)生器0.5 m遠(yuǎn)處的場強(qiáng)測試曲線Fig.9 Measured E field strength at a distance of 0.5 m from the center of distance generator

5 結(jié) 論

本文介紹了一種傳輸線式電場發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理。為了在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和非平衡轉(zhuǎn)平衡電路，采用了阻抗變換比為1∶4的Guanella型傳輸線變壓器巴倫，其結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的阻抗變換，使得場發(fā)生器天線的VSWR性能更優(yōu)。全波仿真分析了該場發(fā)生器的電場分布特性，然后設(shè)計(jì)與加工了一款低頻傳輸線式電場發(fā)生器，其在10 kHz~100 MHz的頻域范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)VSWR均小于1.9，在距其中心0.5 m遠(yuǎn)處可產(chǎn)生高達(dá)200 V/m的場強(qiáng)，而在1 m遠(yuǎn)處亦可產(chǎn)生大于50 V/m的場強(qiáng)，在較廣的區(qū)域內(nèi)場強(qiáng)分布均勻，能夠滿足許多大型電子設(shè)備輻射抗擾度試驗(yàn)的需求。