劉 釗 黃建領(lǐng) 吳紅森 馬蔚宇

(北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所,北京100039)

雙測(cè)試區(qū)GTEM室設(shè)計(jì)

劉 釗 黃建領(lǐng) 吳紅森 馬蔚宇

(北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所,北京100039)

吉赫茲?rùn)M電波室(GTEM室)是一種重要的電磁兼容試驗(yàn)設(shè)備,與傳統(tǒng)的開闊場(chǎng)及微波暗室相比, GTEM室具有場(chǎng)強(qiáng)大、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于電磁輻射敏感度測(cè)試的GTEM室,有主、副兩個(gè)測(cè)試區(qū)域,其工作頻率為DC-4GHz,可產(chǎn)生超過400V/m的場(chǎng)強(qiáng)。

GTEM室 高場(chǎng)強(qiáng) 電磁兼容敏感度測(cè)試

1 引 言

GTEM室(Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell)是用于電磁輻射敏感度試驗(yàn)的設(shè)備,相較于開闊場(chǎng)和微波暗室,它具有占地面積小、建設(shè)成本低、電場(chǎng)分布均勻、場(chǎng)強(qiáng)大、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率為DC-4GHz的GTEM室,長(zhǎng)寬高尺寸為2 000mm×1 116mm×763mm,并對(duì)其電性能進(jìn)行檢測(cè),驗(yàn)證其能夠滿足電磁輻射敏感度試驗(yàn)的要求。

2 電氣設(shè)計(jì)

為了滿足不同產(chǎn)品的試驗(yàn)需求,本文設(shè)計(jì)的GTEM室有主副兩個(gè)測(cè)試區(qū)域。主測(cè)試區(qū)域位于芯板下方以及末端吸波材料前方,該區(qū)域空間較大,為200mm×280mm×160mm,用于常規(guī)待測(cè)產(chǎn)品試驗(yàn)。副測(cè)試區(qū)域位于芯板上方,且位置較主測(cè)試區(qū)域靠前,該區(qū)域空間較小,為150mm×150mm×50mm,用于小型電子電路、芯片等產(chǎn)品試驗(yàn),該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度可以輕易達(dá)到很高的幅值,如圖1所示。

2.1 駐波比

GTEM室的結(jié)構(gòu)特性決定了場(chǎng)的主模為TEM模,對(duì)TEM波來說,GTEM室的駐波比取決于其特性阻抗。因?yàn)殡娦盘?hào)由阻抗為50Ω的同軸電纜輸入、經(jīng)過渡段進(jìn)入GTEM室,所以精確地設(shè)計(jì)過渡段的特性阻擾,使之與同軸電纜相匹配,對(duì)提高GTEM室的駐波性能有重要的意義,否則會(huì)導(dǎo)致能量利用率低下。

為了計(jì)算GTEM室過渡段的特性阻抗,需要計(jì)算總電容C。根據(jù)對(duì)偶能量法[2,3],將GTEM過渡段的橫截面分為四部分,每個(gè)部分又分為A、B兩部分,如圖2所示。

其中,A部分的分布電容為CA=(CA++CA-)/2,式中:

同理,B部分的電容為CB=(CB++CB-)/2,式中

所以總電容為:

特性阻抗為:

根據(jù)上述公式,可以確定圖2中m,n,w,t等參數(shù)的值,也就確定了GTEM室過渡段的結(jié)構(gòu)尺寸。

考慮到實(shí)際加工的情況,過渡段前端的同軸芯線到芯板的連接處需要做加固處理,我們對(duì)此處做了兩種過渡設(shè)計(jì),如圖3所示。

與(a)方案相比,(b)方案大大減小了連接處的橫截面積,并且在前者的基礎(chǔ)上做了平滑處理。在組裝調(diào)試的過程中,驗(yàn)證了后者能夠有效地提升駐波性能。

2.2 場(chǎng)分布均勻性

場(chǎng)分布均勻性是檢驗(yàn)GTEM室是否滿足電磁兼容敏感度試驗(yàn)要求的重要指標(biāo),這要求它內(nèi)部測(cè)試區(qū)的場(chǎng)分布必須保持一定的均勻性,在通常情況下,其容差應(yīng)不超過±3dB,即容差=20lg(最大場(chǎng)強(qiáng)/最小場(chǎng)強(qiáng))＜6dB。

以1GHz為例,給出輸入功率為1W時(shí)GTEM室主測(cè)試區(qū)域中心橫向截面的電場(chǎng)分布如圖4所示,圖中的虛線方框?yàn)橹鳒y(cè)試區(qū)域的空間位置。

根據(jù)仿真結(jié)果,上圖方框標(biāo)注的區(qū)域中最大場(chǎng)強(qiáng)為33.6dBV/m,最小場(chǎng)強(qiáng)為27.9dBV/m,滿足場(chǎng)分布均勻性小于6dB的要求。

同理,我們給出GTEM室縱向場(chǎng)分布圖,并用方框標(biāo)出主測(cè)試區(qū)域如下所示。該區(qū)域最大場(chǎng)強(qiáng)為32.2dBV/m,最小場(chǎng)強(qiáng)為29.3dBV/m,滿足場(chǎng)分布均勻性小于6dB的要求。

對(duì)于副測(cè)試區(qū)域,由于空間較小,因此與主測(cè)試區(qū)域相比,該區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)高出大約8dB,且場(chǎng)分布的均勻性更優(yōu)。仿真結(jié)果表明,副測(cè)試區(qū)域的最大場(chǎng)強(qiáng)為40.1dBV/m,最小場(chǎng)強(qiáng)為37.8dBV/m,場(chǎng)分布均勻性小于3dB,滿足測(cè)試要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從前向后,GTEM室從結(jié)構(gòu)上分為饋電口、過渡段、主體和匹配負(fù)載四部分組成。過渡段和主體部分均由芯板和棱錐形殼體組成,如下圖所示。過渡段為一體加工,主體部分由四塊側(cè)板和一塊底板組裝而成,如圖6所示。

為了方便加工,過渡段和主體部分的芯板側(cè)邊均為直線。為了便于安裝,過渡段和主體部分的芯板采用一體化成型加工完成。為了盡量減小芯板支撐結(jié)構(gòu)對(duì)GTEM室性能的影響,我們使用7根尼龍細(xì)繩將芯板吊裝固定在GTEM室內(nèi)。為了方便安裝匹配負(fù)載,芯板后端設(shè)計(jì)為四個(gè)尖齒,如圖7所示。

根據(jù)串并聯(lián)電路的基本原理,只要每個(gè)尖齒末端連接一路阻值為200Ω的電阻,就能夠匹配同軸電纜50Ω的阻抗。我們選用了8個(gè)阻值為100Ω、額定功率為250W的碳膜無感電阻(如下圖所示),每?jī)蓚€(gè)串聯(lián)在一起,然后焊接在每個(gè)尖齒的末端,一來實(shí)現(xiàn)GTEM室和同軸線纜之間50Ω的阻抗匹配,二來保證GTEM室可承受較大的輸入功率。

為了保障主測(cè)試區(qū)的空間,末端選用長(zhǎng)度為600mm的吸波材料來吸收頻率高于200MHz的電磁波。

最終組裝完成的GTEM室實(shí)物如圖9所示。

4 性能測(cè)試

4.1 駐波比測(cè)試

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230A(10MHz～20GHz),單端口校準(zhǔn)后連接GTEM室的饋電口,測(cè)得駐波比曲線如圖10所示。

這表明:(10～180)MHz頻段,駐波性能較差,最高為2.1,這是由于末端電阻作用的頻段較低,而吸波材料作用的頻段較高,二者未能完美地覆蓋工作頻段造成的。如果使用更長(zhǎng)的吸波材料,該頻段的駐波會(huì)得到改善。180MHz～1.4GHz頻段駐波性能較理想,與仿真結(jié)果吻合。高于1.4GHz的頻段,實(shí)測(cè)駐波比高于仿真結(jié)果,但仍小于1.7。這是在實(shí)際生產(chǎn)、裝配過程中,芯板受到加工應(yīng)力、重力、尼龍繩拉力影響產(chǎn)生形變導(dǎo)致失配造成的。但總的來說,GTEM室能夠滿足常用的200MHz～4GHz頻段的試驗(yàn)需求,但200MHz以下頻段的駐波性能有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 場(chǎng)分布均勻性測(cè)試

場(chǎng)分布均勻性測(cè)試示意圖如圖11所示。

根據(jù)IEC 61000-4-20標(biāo)準(zhǔn)[4],在GTEM室主測(cè)試區(qū)域中心的豎直截面上選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)值。

依然以1GHz為例,保持輸入功率為1W,使用電場(chǎng)探頭(型號(hào)HI-6122)測(cè)量上圖中標(biāo)注出五點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值,見表1。

表1 主測(cè)試區(qū)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)

最大容差為31.83-28.28=3.55dB＜6dB,滿足場(chǎng)分布均勻性的要求。

繼續(xù)增大信號(hào)的輸入功率至196W時(shí),主測(cè)試區(qū)中心位置處的場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到400V/m。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有主副雙測(cè)試區(qū)的GTEM室,首先采用對(duì)偶能量法計(jì)算過渡段的阻抗,實(shí)現(xiàn)了良好的匹配效果;然后對(duì)主測(cè)試區(qū)進(jìn)行場(chǎng)分布均勻性檢測(cè),測(cè)試數(shù)據(jù)表明容差小于6dB,能夠滿足超過400V/m的電磁兼容敏感度試驗(yàn)的要求。

[1] 王學(xué)科.GTEM小室傳輸特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)碩士論文,2006.

[2] Junru Z,Wensi Z,Mengxia Y,et al.Design of ultra wide band transition connector for GTEM cell[C]//Electronics,Communications and Control(ICECC),2011 International Conference on IEEE,2011:3657～3660.

[3] 周旭,顧衛(wèi)標(biāo),倪紅軍等.高頻傳輸室過渡接頭內(nèi)導(dǎo)體的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,31(2):183～187.

[4] Heidemann M,Garbe H.Using TEM waveguides according to the new IEC 61000-4-20[C].//Electromagnetic Compatibility,EMC'03.2003 IEEE International Symposium,2003,1:457～460.

Design of a Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell with Two Test Zones

LIU Zhao HUANG Jian-ling WU Hong-sen MA Wei-yu
(Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement,Beijing 100039,China)

As a kind of important electromagnetic test sites,Gigahertz Transverse Electromagnetic (GTEM)Cell possesses the advantage of high field strength and high energy efficiency compared to traditional open test sites and microwave anechoic chamber.In this paper,a high performance GTEM Cell with two test zones used for electromagnetic susceptibility test is designed,which operates from DC to 4 GHz and the field strength can reach a level of more than 400 V/m.

GTEM Cell High field strength Electromagnetic susceptibility test

1000-7202(2017)01-0010-04

TN802

A

2016-07-25,

2017-01-06

劉釗(1990-),男,助理工程師,主要研究方向:微波仿真、天線設(shè)計(jì)技術(shù)。