双测试区GTEM室设计

刘 钊 黄建领 吴红森 马蔚宇

(北京无线电计量测试研究所,北京100039)

双测试区GTEM室设计

刘 钊 黄建领 吴红森 马蔚宇

(北京无线电计量测试研究所,北京100039)

吉赫兹横电波室(GTEM室)是一种重要的电磁兼容试验设备,与传统的开阔场及微波暗室相比, GTEM室具有场强大、能量利用率高等优点。本文设计了一个用于电磁辐射敏感度测试的GTEM室,有主、副两个测试区域,其工作频率为DC-4GHz,可产生超过400V/m的场强。

GTEM室 高场强 电磁兼容敏感度测试

1 引 言

GTEM室(Gigahertz Transverse Electromagnetic Cell)是用于电磁辐射敏感度试验的设备,相较于开阔场和微波暗室,它具有占地面积小、建设成本低、电场分布均匀、场强大、能量利用率高等优点[1]。本文设计了一个工作频率为DC-4GHz的GTEM室,长宽高尺寸为2 000mm×1 116mm×763mm,并对其电性能进行检测,验证其能够满足电磁辐射敏感度试验的要求。

2 电气设计

为了满足不同产品的试验需求,本文设计的GTEM室有主副两个测试区域。主测试区域位于芯板下方以及末端吸波材料前方,该区域空间较大,为200mm×280mm×160mm,用于常规待测产品试验。副测试区域位于芯板上方,且位置较主测试区域靠前,该区域空间较小,为150mm×150mm×50mm,用于小型电子电路、芯片等产品试验,该区域的电场强度可以轻易达到很高的幅值,如图1所示。

2.1 驻波比

GTEM室的结构特性决定了场的主模为TEM模,对TEM波来说,GTEM室的驻波比取决于其特性阻抗。因为电信号由阻抗为50Ω的同轴电缆输入、经过渡段进入GTEM室,所以精确地设计过渡段的特性阻扰,使之与同轴电缆相匹配,对提高GTEM室的驻波性能有重要的意义,否则会导致能量利用率低下。

为了计算GTEM室过渡段的特性阻抗,需要计算总电容C。根据对偶能量法[2,3],将GTEM过渡段的横截面分为四部分,每个部分又分为A、B两部分,如图2所示。

其中,A部分的分布电容为CA=(CA++CA-)/2,式中:

同理,B部分的电容为CB=(CB++CB-)/2,式中

所以总电容为:

特性阻抗为:

根据上述公式,可以确定图2中m,n,w,t等参数的值,也就确定了GTEM室过渡段的结构尺寸。

考虑到实际加工的情况,过渡段前端的同轴芯线到芯板的连接处需要做加固处理,我们对此处做了两种过渡设计,如图3所示。

与(a)方案相比,(b)方案大大减小了连接处的横截面积,并且在前者的基础上做了平滑处理。在组装调试的过程中,验证了后者能够有效地提升驻波性能。

2.2 场分布均匀性

场分布均匀性是检验GTEM室是否满足电磁兼容敏感度试验要求的重要指标,这要求它内部测试区的场分布必须保持一定的均匀性,在通常情况下,其容差应不超过±3dB,即容差=20lg(最大场强/最小场强)＜6dB。

以1GHz为例,给出输入功率为1W时GTEM室主测试区域中心横向截面的电场分布如图4所示,图中的虚线方框为主测试区域的空间位置。

根据仿真结果,上图方框标注的区域中最大场强为33.6dBV/m,最小场强为27.9dBV/m,满足场分布均匀性小于6dB的要求。

同理,我们给出GTEM室纵向场分布图,并用方框标出主测试区域如下所示。该区域最大场强为32.2dBV/m,最小场强为29.3dBV/m,满足场分布均匀性小于6dB的要求。

对于副测试区域,由于空间较小,因此与主测试区域相比,该区域场强高出大约8dB,且场分布的均匀性更优。仿真结果表明,副测试区域的最大场强为40.1dBV/m,最小场强为37.8dBV/m,场分布均匀性小于3dB,满足测试要求。

3 结构设计

从前向后,GTEM室从结构上分为馈电口、过渡段、主体和匹配负载四部分组成。过渡段和主体部分均由芯板和棱锥形壳体组成,如下图所示。过渡段为一体加工,主体部分由四块侧板和一块底板组装而成,如图6所示。

为了方便加工,过渡段和主体部分的芯板侧边均为直线。为了便于安装,过渡段和主体部分的芯板采用一体化成型加工完成。为了尽量减小芯板支撑结构对GTEM室性能的影响,我们使用7根尼龙细绳将芯板吊装固定在GTEM室内。为了方便安装匹配负载,芯板后端设计为四个尖齿,如图7所示。

根据串并联电路的基本原理,只要每个尖齿末端连接一路阻值为200Ω的电阻,就能够匹配同轴电缆50Ω的阻抗。我们选用了8个阻值为100Ω、额定功率为250W的碳膜无感电阻(如下图所示),每两个串联在一起,然后焊接在每个尖齿的末端,一来实现GTEM室和同轴线缆之间50Ω的阻抗匹配,二来保证GTEM室可承受较大的输入功率。

为了保障主测试区的空间,末端选用长度为600mm的吸波材料来吸收频率高于200MHz的电磁波。

最终组装完成的GTEM室实物如图9所示。

4 性能测试

4.1 驻波比测试

使用矢量网络分析仪Agilent N5230A(10MHz～20GHz),单端口校准后连接GTEM室的馈电口,测得驻波比曲线如图10所示。

这表明:(10～180)MHz频段,驻波性能较差,最高为2.1,这是由于末端电阻作用的频段较低,而吸波材料作用的频段较高,二者未能完美地覆盖工作频段造成的。如果使用更长的吸波材料,该频段的驻波会得到改善。180MHz～1.4GHz频段驻波性能较理想,与仿真结果吻合。高于1.4GHz的频段,实测驻波比高于仿真结果,但仍小于1.7。这是在实际生产、装配过程中,芯板受到加工应力、重力、尼龙绳拉力影响产生形变导致失配造成的。但总的来说,GTEM室能够满足常用的200MHz～4GHz频段的试验需求,但200MHz以下频段的驻波性能有待进一步优化。

4.2 场分布均匀性测试

场分布均匀性测试示意图如图11所示。

根据IEC 61000-4-20标准[4],在GTEM室主测试区域中心的竖直截面上选取5个点测量场强值。

依然以1GHz为例,保持输入功率为1W,使用电场探头(型号HI-6122)测量上图中标注出五点的场强值,见表1。

表1 主测试区场强测试数据

最大容差为31.83-28.28=3.55dB＜6dB,满足场分布均匀性的要求。

继续增大信号的输入功率至196W时,主测试区中心位置处的场强可达到400V/m。

5 结束语

本文设计了一个具有主副双测试区的GTEM室,首先采用对偶能量法计算过渡段的阻抗,实现了良好的匹配效果;然后对主测试区进行场分布均匀性检测,测试数据表明容差小于6dB,能够满足超过400V/m的电磁兼容敏感度试验的要求。

[1] 王学科.GTEM小室传输特性及结构设计研究[D].西安:西安电子科技大学硕士论文,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,顾卫标,倪红军等.高频传输室过渡接头内导体的形状优化设计[J].中北大学学报(自然科学版),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

刘钊(1990-),男,助理工程师,主要研究方向:微波仿真、天线设计技术。