同心锥形TEM室结构设计及性能研究

黄承祖 齐万泉 刘星汛 彭 博

(北京无线电计量测试研究所，北京 100039)

1 引 言

场强是无线电的基本参数之一，场强探头是测量场强的常用设备，广泛应用于电磁辐射危害测量、电磁兼容试验、电磁测量场地性能评估等领域。场强探头校准的精度直接影响场强测量结果的准确性，目前10kHz～40GHz的场强探头校准采用的标准场产生装置主要包括TEM小室(10kHz～1 000MHz)、GTEM小室(200MHz～1GHz，工作标准)和标准增益喇叭(1～40)GHz。不同的标准场产生装置各有特点，适用于不同尺寸、不同频段场强探头的校准。

为了满足应用需求，国内外主要计量技术机构投入了大量资金建立校准系统，形成了场强的校准能力，但是依然还存在很多问题尚待研究，其中一个关键方向就是场强探头的宽带校准技术。为满足场强探头宽带校准的需求，美国NIST研制了同心锥形TEM室用于探头校准，可以解决DC～40GHz宽频带扫频场强校准的问题，是NIST开发的一项世界领先技术，到目前为止国际上其它校准机构还没有类似的校准装置，直接相关的技术资料相对较少，但可以获得锥形结构腔体或波导的电磁波传输理论方面的研究情况。

锥形结构传输线或波导设计的理论基础是美国S.A.schelkunoff[1-3]的球面波传输理论，文中在球坐标系条件下，分析了TM，TE，TEM球面波在锥形波导或传输线中的传输特性。采用此种结构的还有双锥天线[4,5]，其区别在于双锥天线的内导体与外导体夹角差较大，而锥形传输线内外导体夹角差较小，其理论分析方法类似，除此以外，球面波传输理论还常常被用于分析锥形波导的模式传输[6-8]并为设计提供理论基础。

2001年，美国NIST的Claude M.Weil等人研究了锥形和柱形同轴传输线截止模，在S.A.schelkunoff球面波传输理论基础上，分别给出了传输线外锥半角度分别为10°，22.5°时，内外锥夹角比与高阶模归一化截止波长的关系曲线[9]。当内外锥夹角比一定，随着腔体空间变大高阶模的截止频率逐渐变低，可以发现锥形传输线的截止模是逐渐出现的。

通过对锥形TEM室理论的深入研究，我们设计了一种用于宽带场强校准的同心锥形TEM室[10]，该系统可实现200MHz～40GHz频段内(1～200)V/m场强范围的场强探头频率响应、线性响应、场强幅度范围等参数的校准能力。

2 同心锥形TEM室宽带场强校准系统组成

同心锥TEM室宽带场强校准系统的工作原理如图1所示。信号源产生激励信号通过功率放大器注入到同心锥形TEM室，并在同心锥形TEM室中形成稳定的场强，连接到定向耦合器的功率计监测注入信号的功率。内部场强大小根据注入信号的功率和同心锥TEM室校准区域的结构尺寸可以精确计算，将探头放入已知场强中，与探头相连接的场强监视器检测到此时的场强值，根据实测值与理论计算值的差别，计算探头的修正系数。同心锥形TEM室是整个系统的关键部分。

图1 同心锥TEM室场强自动校准系统工作原理框图Fig.1 Block diagram of co-conical TEM cell field strength calibration system

3 同心锥形TEM室的结构设计

3.1 同心锥形TEM室组成及功能

同心锥传输线类似于同轴传输线，是采用轴对称结构的双导体传输线，它由同轴馈电、阻抗匹配段、传输段、终端负载和吸波材料组成。同轴馈电为同心锥形TEM室提供输入功率，阻抗匹配段将同轴导线50Ω特性阻抗变换到传输段特性阻抗，根据探头校准区域，设计传输段合适的内外导体夹角及特性阻抗，终端负载及吸波材料用于吸收电磁波，降低整个系统的驻波损耗，最终在两个同心导体之间的空腔内产生均匀的TEM波，形成可计算的标准场强。本文重点对阻抗匹配段以及屏蔽门两个方面进行了研究。

3.2 阻抗匹配段设计

为兼顾宽频带和尽量大的校准测试区域，根据仿真分析，锥形传输段的特性阻抗设计为75Ω，为解决信号源50Ω和同心锥形TEM室之间的阻抗失配问题，需要进行阻抗匹配设计。

从机械加工角度来看，外表面加工难度低于内表面加工难度，同时由于内外锥起始段的尺寸非常小，这对外锥内表面的机械加工提出了更高的要求，选择内锥角度渐变外锥角度不变是阻抗匹配设计方法中最容易实现的。

通过仿真分析，基于保证内锥外表面和外锥内表面精度的前提，对内外锥以及两者之间的支撑连接进行了分段设计。阻抗匹配段主要由外锥、内锥、PMI介质支撑以及PEI介质支撑组成。主要设计要点如下。

1)表面精度的保证

同心锥形TEM室的主要馈电表面为内锥外表面和外锥内表面，所以本文所设计的表面精度指的就是内锥外表面和外锥内表面的加工精度。理想条件下的内外锥应该整体加工，但受限于内外锥起始段的毫米级尺寸和机械加工能力，采取了分段设计方法。这对加工精度和装配精度都提出了较高要求。通过选择合适的加工和装配方法，可使内锥体外表面表面粗糙度达到0.8μm，外锥体内表面表面粗糙度达到1.6μm，内外锥体段间配合精度达到0.01mm;

2)内外锥定位支撑

传统同轴线的内导体和外导体之间的定位支撑通常采用开槽和加装低介电常数介质支撑件的方式。同心锥形TEM室由于频带宽，开槽会对电场产生较大影响，所以采取了不开槽，利用介质支撑的方式来定位。具体实现方式是：内外锥通过PEI和PMI介质支撑来定位。其中PEI介质材料已广泛应用于K型连接器，PMI介质材料是一种高性能聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，其介电常数约为1.15，实测数据如图2所示，密度为110kg/m3，力学性能以及机械加工性能均能满足使用要求。不开槽设计和低介电常数介质支撑使得同心锥形TEM室实物性能与仿真结果能够最大程度的吻合;

图2 PMI介质相对介电常数实测数据曲线图Fig.2 Relative permittivity test data of PMI

3)导电性能优化

为提高同心锥形TEM室的导电性能，对锥体的选材和表面涂覆进行了设计。已知铜的电阻率为1.75×10-8Ωm，仅次于银。而其中铅黄铜具有优良的切削性能、耐磨性能和高强度，所以选择其作为同心锥形TEM室阻抗匹配段的制造材料，同时为了提高材料的耐候性，对内外锥进行了表面涂覆处理。

后面将通过4.1节驻波比测试验证阻抗匹配段的设计及实物性能满足使用要求。

3.3 屏蔽门设计

屏蔽门的作用是用于往腔体放置待测件以及取出待测件。传统TEM室和GTEM室的腔体为平面结构，而同心锥形TEM室的腔体为弧面结构，所以传统的屏蔽门无法紧密的安装于同心锥形TEM室中，并且也无法贴合同心锥形TEM室的腔体内壁，所以需要结合同心锥形TEM室外锥内壁来设计合适的屏蔽门。

为满足同心锥形TEM室宽频段大动态的要求，屏蔽门需要满足屏蔽效能好和对同心锥形TEM室内的电场影响尽量小的要求。

针对上述要求，在结构上做了如下设计。

1)提高屏蔽效能

为提高屏蔽效能，从两个方面进行了设计。一、安装指形簧片，通过指形簧片的弹性可以使屏蔽门门芯和门框紧密贴合；二、通过控制加工误差，尽量减小屏蔽门和外锥开口的配合误差；

2)减小对同心锥内电场的影响

同心锥形TEM室要达到理想条件下的电场分布，需要内外锥表面光滑连续，理论可行，实际无法实现只能无限接近。为尽量接近理想状态，本文做了如下设计：一、减小屏蔽门的开口尺寸；二、设计屏蔽门芯的弧面，保证关门后同心锥的外锥内表面弧面连续；

3)便利性

为便于加工，摒弃了常规屏蔽门开方形口的设计，而选择在外锥上开圆口，并相应的设计了圆形屏蔽门芯(为方便装配，屏蔽门的外框架设计为方形)。同时将屏蔽门设计成插拔式结构，方便屏蔽门的开关。设计模型如图3所示。

图3 屏蔽门结构模型图Fig.3 Structural model of shield door

3.4 同心锥形TEM室实物

同心锥形TEM室的结构设计均是基于电磁仿真分析结果进行开展，同时对理想化的电磁仿真模型进行可实现化设计，并反馈给电磁仿真，如此反复、不断优化，最终建成实物如图4所示。

图4 同心锥形TEM室实物图Fig.4 Physical map of co-conical TEM cell

图5 驻波比测试图Fig.5 VSWR test chart

4 性能测试分析

4.1 驻波比测试

驻波比的产生，是由于入射波能量传输到同心锥TEM室输入端未被全部吸收、产生反射波，叠加而形成的，驻波比越大，反射越大，匹配越差。驻波比测试结果如图5所示，在200MHz～40GHz频段内驻波基本达到小于1.5的指标，表明96%的能量溃入同心锥形TEM室内，该项指标完全满足设计和使用要求。

4.2 场强探头动态范围测试

同心锥形TEM室可以对场强探头的动态范围进行测试。场强探头动态范围描述了场强探头从低场强测试到高场强测试的响应线性度，校准因子能直观反映线性度的好坏。动态范围测试结果如图6所示，满足200MHz～40GHz内(1～50)V/m，以及200MHz～18GHz和(18～40)GHz每频段至少1个频率点(1～200)V/m的要求，且动态范围测试不确定度在1dB以内。

图6 动态范围测试结果曲线图Fig.6 Dynamic range test result

4.3 场强探头频率响应测试

场强探头的频率响应测试要求在200MHz～40GHz区间内选择若干个点，且最低和最高工作频率点为必校准频率点，测试指示值与标准场值的偏差，并以校准因子反映场强探头频率响应的优劣。频率响应测试结果如图7所示，满足设计和使用要求。

图7 频率响应测试结果曲线图Fig.7 Frequency response test result

5 结束语

基于同心锥形TEM室宽带场强校准系统上，对同心锥形TEM室的驻波比、动态范围以及频率响应等性能进行了测试。结果表明同心锥形TEM室在宽频带、快速校准等方面可以替代目前场强探头校准所采取的在不同频段内分别采用TEM室法、GTEM室法、基于角锥喇叭天线的标准场法等成本高、效率低、周期长的方法，但在以下3个方面需要继续攻关。

1)同心锥形TEM室内探头测试区不够大，这给探头的定位造成了一定的难度，需要对探头测试区的大小以及位置进行进一步研究；

2)同心锥形TEM室内探头支撑方式简单，不利于不同类型探头的精确定位，需要对探头的定位支撑方式做进一步研究；

3)同心锥形TEM室内外锥的定位主要靠机械加工精度保证，这对机械加工提出了更高的要求，后续需要研究如何协调加工精度和电性能的关系。