新型宽带横电磁波小室的设计

陈　军,　万发雨,　范　盼

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京　210044)



新型宽带横电磁波小室的设计

陈军,万发雨,范盼

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京210044)

文章参照标准IEC 61967-2设计了一个横电磁波(transverse electric and magnetic field,TEM)小室,介绍了TEM小室的整体设计方法,实现了TEM小室良好的阻抗匹配特性，并研究了2种改进方法用于抑制TEM小室高次模和谐振的产生;在三维电磁仿真软件中建立了新型TEM小室的三维仿真模型,并计算了新型TEM小室的S参数和电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)。计算结果表明,2种新型TEM小室的上限可用频率可提高到3 GHz。

TEM小室;高次模;开缝;上限可用频率

0　引　　言

采用横电磁波(transverse electric and magnetic field,TEM)小室进行电磁兼容试验具有结构封闭、成本低廉及操作方便等优点,因而TEM小室被广泛地应用于辐射敏感度试验、电磁波生物效应测试和电磁反射试验等领域。TEM小室本质上是变异的同轴线,主传输段为矩形,两端为锥形过渡段,通过同轴接头与同轴电缆相连。在TEM小室的测试频率范围内,电磁能量以TEM模从小室的一端传播到另一端。然而受两端锥形结构的影响,当工作频率高于第1高次模截止频率时,高次模开始在小室中传播,而且小室锥形渐变段会引起高次模的反射。因此,当频率高于可用频率时,由于反射现象从而形成驻波和谐振。反射的高次模影响了TEM模的正常传播,从而破坏了TEM小室场分布的均匀性,影响了测量结果的可靠性[1]。国内外传统的TEM小室带宽为1 GHz,而集成电路的工作频率却越来越高,远远大于1 GHz,这限制了TEM小室的适用范围。因此,提高TEM小室的上限可用频率是国内外研究的重要课题。

多年来,国内外学者对TEM小室的高次模、谐振特性和扩展TEM小室带宽的措施进行了大量研究。文献[2]提出了TEM小室外导体开纵向缝隙以抑制谐振现象的方法;文献[3-4]研究了在TEM小室中加载吸波材料以抑制高次模和谐振的方法,但是这种方法减少了TEM小室可用的测试空间和TEM模的场均匀性;文献[5]为了抑制高次模对TEM小室性能的影响,提出了TEM小室内导体采用金属线列结构的方法;文献[6]为了抵消GTEM小室的纵向磁场分量Hz,采用磁环对GTEM小室横向电流进行“削峰”(在外导体的4个棱角附近平行放置磁环),为了吸收与高次模相关的磁场能量,将铁氧体片放置于GTEM小室的外导体附近。为了提高TEM小室的上限可用频率,必须在确保TEM模正常传播并且不影响小室的屏蔽性能的情况下,使高次TE模和TM模引起的的谐振得以抑制。文献[1-6]提供的这种方法能够有效地抑制TEM小室的高阶模谐振,但是只能在大型TEM小室中实现,上限频率只能提高到1.5 GHz,而且有些方法干扰了TEM模的正常传播并影响了小室的屏蔽性能。

本文参照文献[7]中规定的TEM小室的标准尺寸设计了一个TEM小室,通过2种改进方法来抑制TEM小室高次模和谐振的产生,将TEM小室的上限可用频率扩展到3 GHz，达到了改善工作区场分布的均匀性、降低高次模的影响及扩大工作频段等效果。

1　TEM小室的工作原理

TEM小室是美国国家标准局于1974年首先研制成功并用作电场标准,由于其性能和功能远优于一般屏蔽室,因此在国外得到了广泛的应用。TEM小室与同轴线的等效图如图1所示。TEM小室是一个变形的同轴线,其基本原理是在小室内的内、外导体板(做成2块平行板)间产生一横向电磁波，与一般同轴电缆中电磁场分布一样,既很均匀又可以准确计算出场强,因此可以方便地用于计量、测试、检测等场合[8]。

图1　TEM小室与同轴线的等效图

TEM小室内部场强值的大小可以按平行板标准场强公式来计算。设中心导体与外导体之间的距离为d,内、外导体之间的电位差为U,则在内外导体之间形成的电磁场强为：

(1)

则磁场强度为:

(2)

其中,η为媒质的特征阻抗,在自由空间中,η=377 Ω。

2　TEM小室的设计

TEM小室的结构[7]如图2所示。TEM小室的上方开一方形孔,用于安装100 mm×100 mm的PCB板,受试IC放在PCB板上[9]。

图2　TEM小室的结构图

TEM小室由一块扁平的芯板作为内导体,外导体为方形,两端呈锥形向通用的同轴器件过渡,TEM小室可分为中间段和左右2个渐变段,中间段为矩形,两端为锥形过渡段。TEM小室的三视图如图3所示,其中a和b分别为TEM小室中间段外导体的宽度和高度,w和t分别为TEM小室中间段内导体的宽度和厚度。

图3　TEM小室的三视图

特征阻抗是小室的主要性能参数之一,设计中应保证良好的阻抗匹配,TEM小室特征阻抗理论上应保持50 Ω,阻抗不匹配会产生反射现象,从而形成驻波和谐振。利用特征阻抗的表达式来设计小室较为简单,但由于小室结构形状复杂,其特征阻抗很难正确地描述。按照文献[10],矩形同轴传输线的特征阻抗(即TEM小室中间段特征阻抗)近似为:

(3)

其中,μ0和ε0分别为真空磁导率和真空介电常数;η0为自由空间的特征阻抗,值为120π Ω;C0为单位分布电容,单位为F/m。C0的近似表达式[11]在a≥b和w≥b/2时才有效,则有:

(4)

由(3)式和(4)式可得：

(5)

参照文献[7]的规定，TEM小室横截面尺寸为152 mm×99 mm,纵向长度为338 mm,选取TEM小室尺寸a=152 mm、b=99 mm、t=1.0 mm,中间段长度L0=152 mm,渐变段的长度L1=93 mm。因为TEM小室渐变段为均匀过渡,渐变段末端截面和中间段截面的尺寸决定了过渡段的总体几何尺寸,所以中间段内导体宽度w、渐变段外导体末端的宽度a1、渐变段外导体末端的高度b1和渐变段内导体末端的宽度v是需要设计的尺寸。

将a=152 mm、b=99 mm、Z1=50 Ω代入(5)式,可以得出w≈114 mm。为了实现更好的阻抗匹配,需要求出w的精确值。因此,在三维电磁仿真软件中建立TEM小室中间段的模型,从而得出中间段特征阻抗Z1随w的变化曲线,如图4所示。当内导体宽度w为114.6 mm时,中间段特征阻抗Z1达到理想的50 Ω。

图4　Z1随w的变化曲线

在TEM小室中间段满足50 Ω阻抗匹配后,需要对左、右2个渐变段进行设计,从而确保TEM小室整体的阻抗匹配。在TEM小室加工和仿真中,令渐变段外导体末端的高度b1=19.8 mm,易于准确计算其他参数尺寸,而且比较接近实际外接N型头的尺寸,便于实物的加工。由设计经验可知,当a/b=a1/b1时,TEM小室的性能最佳,此时a1=ab1/b=30.4 mm。当v/w≈a1/a时,TEM小室可以达到更好的阻抗匹配,所以当w=114.6 mm时,v≈wa1/a≈22.92 mm。因此,在三维电磁仿真软件中建立TEM小室的整体模型,如图5所示,从而得出特征阻抗Z0随v的变化曲线,如图6所示。当渐变段内导体末端的宽度v=21.35 mm时,TEM小室整体特征阻抗Z0=50 Ω。

TEM小室的设计完成后,求出其S参数,如图7所示。在DC-1.6 GHz范围内,S11低于-20 dB,S21大于-1 dB。当频率高于1.6 GHz时,有3个主要的谐振频率点分别为1.67、2.40、2.77 GHz。

图5　TEM小室的三维仿真模型

图6　Z0随v的变化曲线

图7　S参数的曲线

3　新型TEM小室的设计

TEM小室的上限可用频率为1 GHz、电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)不大于1.5,对插入损耗S21没有规定[7]。

新型TEM小室的设计指标如下:上限可用频率为3 GHz,VSWR不大于1.25,插入损耗S21大于-2 dB。

由文献[7-8]可知,要提高TEM小室的工作带宽,应尽量增大a/b值,减少内导电板宽度[4]。为了能够兼容标准TEM小室中的10 cm×10 cm的PCB测试板,不能改变外导体的宽度a的大小,而且内导体电板的宽度w需要根据50 Ω阻抗匹配来计算,因此可以考虑减小外导体的高度b的大小来提高TEM小室的工作带宽。当TEM小室外形尺寸(长×宽×高)为338 mm×152 mm×60 mm时,即a=152 mm,b=60 mm,中间段长度L0=152 mm,渐变段的长度L1=93 mm。

根据设计经验和参数优化(设计方法同文献[7],可以得出:

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

w=82 mm,v=25.6 mm。

此时,VSWR和插入损耗S21的曲线如图8所示。在DC-3 GHz范围内,VSWR小于1.25,S21大于-1 dB。

图8　新型TEM小室VSWR和S21设计值

对TEM小室场均匀性影响较大的高次模主要是TE模,即纵向磁场分量Hz的影响较大,而Hz与电流密度Js的关系为:

(6)

其中,Js为沿横向方向的电流密度。

由(6)式可知,通过抑制横向电流可以减少纵向磁场分量,从而抑制TE高次模的产生。

在不改变标准TEM小室整体和测试板尺寸的前提下,对TEM小室外导体进行改进,如图9所示。

该新型宽带TEM小室的外导体是单层PCB板,材质为FR4,介质板厚度为1 mm,铜皮厚度为35 μm,内导体仍为金属板。

在外导体中间段PCB板的铜皮上等距离地开纵向缝隙,外导体上下宽边开8条缝隙,前后两侧窄边开5条缝隙,缝隙长度为152 mm,宽度为5 mm,厚度为35 μm,从而抑制横向电流和高次模的产生。

在三维仿真软件中对该新型TEM小室仿真,可得出VSWR的曲线和回波损耗S21的曲线,如图10所示。

由图10可以看出，在DC-3 GHz范围内,VSWR小于1.25,S21大于-2 dB。

图9　新型TEM小室

图10　新型TEM小室的VSWR和S21仿真结果

4　结　论

由于高次模的产生限制了TEM小室的上限可用频率，因此提高TEM小室的上限可用频率是国内外研究的重要课题。本文参照文献[7]中规定的标准尺寸设计了一个TEM小室,提出了2种改进方法来提高TEM小室的上限频率。第1种方法改变了TEM小室的尺寸参数,减少了TEM小室的高度,但会缩小TEM小室的可用空间,待测设备偏大会影响测试结果;第2种方法是在不改变TEM小室尺寸参数的基础上,对外导体中间段的PCB板开纵向缝隙,从而隔断横向电流抑制高次模。仿真结果表明,这2种改进方法能够有效地抑制高次模和谐振的产生,将TEM小室的上限可用频率提高至3 GHz。在0～3 GHz频率范围内,VSWR小于1.25,插入损耗S21大于-2 dB,满足设计指标。

[1]HILL D A.Bandwidth limitations of TEM cells due to resonances[J].Journal of Microwave Power,1983,18(2):181-195.

[2]HILL D A,WALSH J A.Resonance suppression in a TEM cell[J].Journal of Microwave Power,1983,18(4):325-330.

[3]CRAWFORD M L,WORIKMAN J L,THOMAS C L.Expanding the bandwidth of TEM cells for EMC measurements[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1978,20(3):368-375.

[4]LORCH R,MONICH G.Mode suppression in TEM cells[C]//International Symposium on Electromagnetic Compatibility Symposium Record.IEEE,1996:40-42.

[5]CARBONINI L.Comparison of analysis of a WTEM cell with standard TEM cells for generating EM fields[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1993,35(2):255-263.

[6]GROH C,GARBE H,KOCH M.Higher order mode behavior in loaded and unloaded TEM cells[C]//IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.IEEE,1999:225-230.

[7]International Electrotechnical Commission.Integrated circuits-measurement of electromagnetic emissions,150 kHz to 1 GHz-Part 2: measurement of radiated emissions-TEM cell and wideband TEM cell method: IEC61967-2[S].International Electrotechnical Commission,2005.

[8]郭衍莹.TEM屏蔽小室的原理和应用[J].电子测试,1999(6):16-17.

[9]MA M T,KANDA M,CRAWFORD M L,et al.A review of electromagnetic compatibility/interference measurement methodologies[J].Proceedings of the IEEE,1985,73(3):388-411.

[10]CRAWFORD M L,WORKMAN J L.Using a TEM (Transverse Electromagnetic) cell for EMC measurements of electronic equipment[R].Nasa Sti/recon Technical Report N.Washington DC:National Bureau of Standards,1981.

[11]TIPPET J C,CHANG D C.A new approximation for the capacitance of a rectangular-coaxial-strip transmission line (short papers)[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1976,24(9):602-604.

(责任编辑胡亚敏)

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

江苏省自然科学基金资助项目(BK20150918);江苏省高校自然科学基金资助项目(14KJB510017)和江苏省双创团队人才计划资助项目(SRCB201526)

陈军(1992-),男,江苏泰州人,南京信息工程大学硕士生;

万发雨(1983-),男,安徽芜湖人,博士,南京信息工程大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.015

TM937.1

A

1003-5060(2016)07-0938-05