劉 釗 黃建領(lǐng) 吳紅森 馬蔚宇

(北京無線電計量測試研究所,北京100039)

雙測試區(qū)GTEM室設(shè)計

劉 釗 黃建領(lǐng) 吳紅森 馬蔚宇

(北京無線電計量測試研究所,北京100039)

吉赫茲橫電波室(GTEM室)是一種重要的電磁兼容試驗設(shè)備,與傳統(tǒng)的開闊場及微波暗室相比, GTEM室具有場強大、能量利用率高等優(yōu)點。本文設(shè)計了一個用于電磁輻射敏感度測試的GTEM室,有主、副兩個測試區(qū)域,其工作頻率為DC-4GHz,可產(chǎn)生超過400V/m的場強。

GTEM室 高場強 電磁兼容敏感度測試

1 引 言

GTEM室(Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell)是用于電磁輻射敏感度試驗的設(shè)備,相較于開闊場和微波暗室,它具有占地面積小、建設(shè)成本低、電場分布均勻、場強大、能量利用率高等優(yōu)點[1]。本文設(shè)計了一個工作頻率為DC-4GHz的GTEM室,長寬高尺寸為2 000mm×1 116mm×763mm,并對其電性能進行檢測,驗證其能夠滿足電磁輻射敏感度試驗的要求。

2 電氣設(shè)計

為了滿足不同產(chǎn)品的試驗需求,本文設(shè)計的GTEM室有主副兩個測試區(qū)域。主測試區(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)待測產(chǎn)品試驗。副測試區(qū)域位于芯板上方,且位置較主測試區(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,該區(qū)域的電場強度可以輕易達到很高的幅值,如圖1所示。

2.1 駐波比

GTEM室的結(jié)構(gòu)特性決定了場的主模為TEM模,對TEM波來說,GTEM室的駐波比取決于其特性阻抗。因為電信號由阻抗為50Ω的同軸電纜輸入、經(jīng)過渡段進入GTEM室,所以精確地設(shè)計過渡段的特性阻擾,使之與同軸電纜相匹配,對提高GTEM室的駐波性能有重要的意義,否則會導(dǎo)致能量利用率低下。

為了計算GTEM室過渡段的特性阻抗,需要計算總電容C。根據(jù)對偶能量法[2,3],將GTEM過渡段的橫截面分為四部分,每個部分又分為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,我們對此處做了兩種過渡設(shè)計,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,驗證了后者能夠有效地提升駐波性能。

2.2 場分布均勻性

場分布均勻性是檢驗GTEM室是否滿足電磁兼容敏感度試驗要求的重要指標,這要求它內(nèi)部測試區(qū)的場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(最大場強/最小場強)＜6dB。

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

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

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

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

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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GTEM室性能的影響,我們使用7根尼龍細繩將芯板吊裝固定在GTEM室內(nèi)。為了方便安裝匹配負載,芯板后端設(shè)計為四個尖齒,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個阻值為100Ω、額定功率為250W的碳膜無感電阻(如下圖所示),每兩個串聯(lián)在一起,然后焊接在每個尖齒的末端,一來實現(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。

為了保障主測試區(qū)的空間,末端選用長度為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室實物如圖9所示。

4 性能測試

4.1 駐波比測試

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230A(10MHz～20GHz),單端口校準后連接GTEM室的饋電口,測得駐波比曲線如圖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。如果使用更長的吸波材料,該頻段的駐波會得到改善。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,實測駐波比高于仿真結(jié)果,但仍小于1.7。這是在實際生產(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頻段的試驗需求,但200MHz以下頻段的駐波性能有待進一步優(yōu)化。

4.2 場分布均勻性測試

場分布均勻性測試示意圖如圖11所示。

根據(jù)IEC 61000-4-20標準[4],在GTEM室主測試區(qū)域中心的豎直截面上選取5個點測量場強值。

依然以1GHz為例,保持輸入功率為1W,使用電場探頭(型號HI-6122)測量上圖中標注出五點的場強值,見表1。

表1 主測試區(qū)場強測試數(shù)據(jù)

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

繼續(xù)增大信號的輸入功率至196W時,主測試區(qū)中心位置處的場強可達到400V/m。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個具有主副雙測試區(qū)的GTEM室,首先采用對偶能量法計算過渡段的阻抗,實現(xiàn)了良好的匹配效果;然后對主測試區(qū)進行場分布均勻性檢測,測試數(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的要求。

[1] 王學(xué)科.GTEM小室傳輸特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[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,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[J].中北大學(xué)學(xué)報(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)計技術(shù)。