基于波導縫隙天線的TEM室頻率擴展方法

宋春江， 馮驍堯 ， 戴飛,*

(1. 清華大學 工程物理系， 北京 100084； 2. 北京系統工程研究所， 北京 100101；3. 北京航空航天大學 電子信息工程學院， 北京 100083)

橫電磁波傳輸(TEM)室是一種重要的電磁兼容測試設備，最初由Crawford于1974年提出[1]。TEM室基于變形的同軸線，內部可傳輸TEM波。TEM室由主傳輸段和過渡段兩部分組成，被試品置于主傳輸段可測得其電磁發射特性。按照電磁場理論，為避免出現高次模，同軸線上限使用頻率與其截面的最大尺寸成反比：截面尺寸越大，上限使用頻率越低。因此，TEM室的測試空間與頻率范圍是一對矛盾的指標，無法同時滿足。

國內外學者在擴展TEM室的測試空間和頻帶范圍方面開展了許多研究，進行了一些有益嘗試。Arezoomand等借助電磁場數值仿真工具CST和HFSS，針對標準TEM室提出了2種改進內導體結構以實現良好匹配的方法[2]。戴飛、宋春江等提出了利用對稱結構構建二元TEM室擴展測試空間的方法[3-4]。Wen等研究了帶狀線TEM室結構及其工作頻段的擴展方法[5]。

在不改變幾何尺寸的前提下，擴展使用頻段一直是TEM室的研究熱點，其核心是抑制小室產生高次模。TEM室前幾階高次模是TE模式，此模式嚴重影響了小室內部的場強分布，限制了小室的工作帶寬[6]。Walters和Leat提出了內導體開縫切斷高次模表面電流以抑制非對稱小室TE111諧振模式的方法[7]。Deng等提出了一系列擴展TEM室工作帶寬的方法，包括殼體和隔膜開縫(切斷高次模表面電流從而抑制高次模)、放置磁環或鐵氧體元件(在高次模頻率產生高阻抗抑制電流傳輸)以及敷設吸波材料(通過降低高次模品質因數抑制高次模)等[8-9]。

上述文獻也指出一些使用上的約束和待改進之處，如殼體開縫雖然擴展工作帶寬，但會對外產生輻射，影響小室的屏蔽性能，必須將小室置于內貼敷吸波材料的屏蔽箱中使用；在小室內壁敷設吸波材料壓縮了有效的測試空間，會削弱主模的場強等。雖然國內外學者通過實驗或者數值仿真針對殼體開縫的效果進行了研究，但未給出開縫的設計方法。為此，本文通過分析殼體表面電流的分布變化，根據波導縫隙天線理論，進一步解釋了開縫對高次模的抑制作用，并提出一種不同于文獻[8-9]的開縫方案。

1 殼體表面開縫擴展頻率范圍原理

首先通過HFSS電磁場數值仿真軟件建立TEM室模型，考察端口S參數、小室內電磁場的模式分布以及殼體電流的特點。建立的TEM室模型結構尺寸如圖1所示，總長度是l1=300 mm，主傳輸段的長寬高分別是l2=150 mm，a=150 mm和b=100 mm，內部隔板的寬度與厚度分別是w=114 mm與t=1 mm，坐標系為空間直角坐標系 ，其輸入輸出端口S參數仿真結果如圖2所示。在f=1.68 GHz之前的低頻段，小室的S11保持在-15 dB以下，說明輸入端口能量的反射很小，阻抗匹配情況良好；S21基本保持在-0.5 dB以上，說明輸入輸出端口之間能量的傳輸情況良好，損耗非常微小。也就是說，小室的工作帶寬是1.68 GHz。f=1.68 GHz處，TEM室的S11接近0，而S21很小，大部分能量都被反射回去，此處即為小室第一階高次模產生的頻點，由電場和磁場的仿真結果也驗證了第一階高次模是TE模式。

圖1 TEM室結構尺寸Fig.1 Structure size of TEM cell

圖2 TEM室S參數仿真結果Fig.2 Simulation results of S parameter of TEM cell

TEM室主模傳輸的是橫電磁波，其電場和磁場方向均垂直于電磁波的傳輸方向(z軸)，而電流和磁場方向遵循右手螺旋定則，因此殼體表面電流沿z軸方向流動(如圖3所示)[10]。TEM室的第一階高次模是TE模式，其電場方向仍然垂直于z軸；磁場含有垂直于z軸方向的分量，但主要分量沿著z軸的縱向(如圖4所示)；殼體表面電流方向(如圖5所示)與磁場方向垂直，其主要分量垂直于z軸[11]，符合麥克斯韋方程組。E、H、J分別為電場強度、磁場強度和電流密度。

根據微波理論[11]，沿著表面電流方向開縫，不會破壞波導內部的傳播模式；而垂直表面電流方向開縫，會破壞傳播模式。擴展工作頻帶的首要目標是抑制第一階高次模，而第一階高次模與主模在殼體表面電流方向不一致(如圖3和圖5所示)，因此在殼體表面沿z軸平行方向開縫，只會切斷高次模的電流，不會影響TEM模電流。這種開縫方式破壞了高次模的邊界條件，但對主模的影響可以忽略，能夠對高次模起到很好的抑制作用。

圖3 主模電磁場和電流分布Fig.3 Electromagnetic field and current distribution of main mode

圖4 第一階高次模電磁場分布Fig.4 Electromagnetic field distribution of first-order higher order mode

圖5 第一階高次模電流分布Fig.5 Current distribution of first-order higher order mode

開縫后表面電流變化情況如圖6所示，橫向表面電流被切斷后明顯減弱，進而抑制了高次模。

如圖6所示，本文設計了與文獻[8-9]不同的開縫方案，即僅在主傳輸段表面部分開縫。文獻[8-9]的方案沿著傳輸方向在整個TEM室殼體表面開縫，而且開縫數量也明顯多于本文方案。

圖6 TEM室開縫后1.68 GHz電流分布Fig.6 1.68 GHz current distribution of slotted TEM cell

2 TEM室殼體表面的開縫設計

文獻[8-9]的開縫方案是以切斷高次模的表面電流抑制高次模傳輸。根據微波理論，金屬表面電流被切割將形成電磁輻射。因此，在TEM室主傳輸段的殼體上開縫將形成類似波導縫隙天線的結構。可根據波導縫隙天線理論[12-13]，優化開縫方式以提高輻射效率，從而在切斷高次模電流的基礎上，通過增強高次模的輻射，進一步抑制TEM室高次模的傳輸。

傳統矩形波導縫隙天線內的主模是TE10模式，其開縫方式如圖7所示[14]。其中，方式1在波導寬邊縱向開縫，稱之為寬邊并聯縫隙，與本文的開縫方式類似；且當并聯縫隙的長度取工作波長的一半時，輻射效率較高。因此，為使開縫抑制高次模的效果最好，應使TEM室縫隙天線的效果最強，開縫長度應為第一階高次模截止波長的一半左右，縫隙寬度應遠小于縫隙的長度，使其不超過縫隙長度的1/10。

圖7 波導縫隙天線的形式[14]Fig.7 Types of slotted waveguide antenna[14]

考慮到TEM室主傳輸段外殼整體的立體結構與矩形波導頗為相似，參考矩形波導的基本原理，將主傳輸段視為矩形波導與內導體隔板的組合體。參考黃志洵對小室內前幾階高次模變化規律的總結[15]，小室內部場分布將是TEM模式與多個TE模式的混合，如圖4所示的仿真結果。

從仿真結果可以看出，TEM室第一階高次模的結構與矩形波導TE11模式具有很高的相似性，因此可以依據矩形波導高次模頻率計算公式對小室主要高次模產生頻率fc進行估計：

(1)

式中：c為真空中的光速。

代入m=n=1計算后可得fc=1.8 GHz，與仿真結果的1.68 GHz較為吻合。仿真結果略低的原因是，雖然TEM室的內導體隔板寬度一般略小于主傳輸段寬邊的長度，難以形成TE10模式，但是仍然可能存在TE02與TE20模式。TE11、TE02、TE20模式對場的貢獻度受到內導體隔板寬度的影響，其規律如圖8所示。

在TEM室殼體上下面(寬邊)各開2條縫隙，每一邊的2條縫隙沿各自面的中軸線對稱分布，并沿電磁波傳輸方向(z軸)位于小室的正中。根據TE11模的截止頻率為1.8 GHz，選擇TEM室殼體表面開縫長度為83 mm，約為半個截止波長(如圖9所示)；取縫隙寬度為1 mm；縫隙與殼體寬邊中軸線的距離(即圖7中的d)取41 mm，約為1/4個截止波長。

圖8 第一階高次模頻率隨隔板寬度變化規律Fig.8 Variation of first-order higher order mode frequency with width of septum

對于TE11模式，殼體上下左右表面中軸線上的電流沿中軸線(z軸)方向傳輸，根據波導縫隙天線理論[11]，在中軸線上縱向開縫不會切斷電流，也不會形成輻射。為比較垂直和沿著高次模電流方向開縫對高次模的影響，分別建立了左右側面(短邊)中間縱向不開縫(見圖9)和開縫的模型。仿真結果顯示左右側面中軸線上是否開縫對高次模的影響不大，與理論相符。

仿真分析的結果如圖10所示，本文的TEM室殼體表面開縫方案對第一階高次模具有良好的抑制作用，使得小室的上限頻率由1.68 GHz擴展到了約2 GHz。

圖9 抑制高次模的開縫方式Fig.9 Slotting method to suppress higher order mode

3 實物測試與驗證

根據仿真模型設計加工的TEM室實物如圖11所示，小室主體結構框架選用不銹鋼材料，整體直接焊接成型，殼體表面選取鋁合金材料制作成薄板，有利于拆卸以及高次模開縫研究，兩頭選取N型射頻連接器與外界實現電連接/饋電。實物測試如圖12所示。

圖11 TEM室實物圖Fig.11 Photos of TEM cell

圖12 TEM室實物測試圖Fig.12 Testing photo of TEM cell

TEM室輸入與輸出端口之間的S參數實物測試結果如圖13所示，實測結果與仿真結果趨勢一致，第一階高次模的頻率實測值與仿真結果吻合。

對比圖13全開縫與上下表面開縫、左右側面開縫與未開縫的測試結果表明，只有切割電流才能抑制高次模。采用本文提出的殼體表面開縫新方法，TEM室的工作帶寬實測達2.4 GHz，優于仿真結果，比未開縫的TEM室提升42.9%。

本文方法在擴展頻段的效果上略優于文獻[8-9]綜合采用多種處理方法后的結果，但方案簡單且開縫數量遠少于文獻[8-9]中的方案，機械結構更穩定，更易加工。

圖13 實物測試S參數結果Fig.13 S parameter results of real cell test

4 結 論

通過分析TEM室殼體表面電流分布的變化規律，根據波導縫隙天線理論，重新解釋了開縫對高次模的抑制作用，進而提出一種新的殼體表面開縫抑制高次模、擴展TEM室測試頻率范圍的方法：

1) 第一階高次模以TE11為主，可以TEM室主傳輸段的結構尺寸確定TE11模式的截止頻率。

2) 在主傳輸段上下表面縱向開縫，縫隙長度選取為TE11模式截止波長的一半左右，縫隙寬度應遠小于縫隙長度，縫隙間距約半個截止波長。

3) 應避免在上下左右表面的中間開縫。

采用本文方法，僅在主傳輸段上下表面縱向開4條縫隙時，以TEM室端口的S11參數小于-10 dB為基準，上限測試頻率提高了42.9%。同時，本文方法在結構和加工上更具優勢。后續，將進一步研究縫隙的各種阻抗加載方式，以減小開縫造成的電磁泄漏。

致謝感謝劉偉博士在TEM室實測過程中的大力支持與幫助。

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