基于波導(dǎo)縫隙天線的TEM室頻率擴(kuò)展方法

宋春江， 馮驍堯 ， 戴飛,*

(1. 清華大學(xué) 工程物理系， 北京 100084； 2. 北京系統(tǒng)工程研究所， 北京 100101；3. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)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(shè)備，最初由Crawford于1974年提出[1]。TEM室基于變形的同軸線，內(nèi)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(fā)射特性。按照電磁場理論，為避免出現(xiàn)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(duì)矛盾的指標(biāo)，無法同時(shí)滿足。

國內(nèi)外學(xué)者在擴(kuò)展TEM室的測試空間和頻帶范圍方面開展了許多研究，進(jìn)行了一些有益嘗試。Arezoomand等借助電磁場數(shù)值仿真工具CST和HFSS，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)TEM室提出了2種改進(jìn)內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)良好匹配的方法[2]。戴飛、宋春江等提出了利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)構(gòu)建二元TEM室擴(kuò)展測試空間的方法[3-4]。Wen等研究了帶狀線TEM室結(jié)構(gòu)及其工作頻段的擴(kuò)展方法[5]。

在不改變幾何尺寸的前提下，擴(kuò)展使用頻段一直是TEM室的研究熱點(diǎn)，其核心是抑制小室產(chǎn)生高次模。TEM室前幾階高次模是TE模式，此模式嚴(yán)重影響了小室內(nèi)部的場強(qiáng)分布，限制了小室的工作帶寬[6]。Walters和Leat提出了內(nèi)導(dǎo)體開縫切斷高次模表面電流以抑制非對(duì)稱小室TE111諧振模式的方法[7]。Deng等提出了一系列擴(kuò)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(huán)或鐵氧體元件(在高次模頻率產(chǎn)生高阻抗抑制電流傳輸)以及敷設(shè)吸波材料(通過降低高次模品質(zhì)因數(shù)抑制高次模)等[8-9]。

上述文獻(xiàn)也指出一些使用上的約束和待改進(jìn)之處，如殼體開縫雖然擴(kuò)展工作帶寬，但會(huì)對(duì)外產(chǎn)生輻射，影響小室的屏蔽性能，必須將小室置于內(nèi)貼敷吸波材料的屏蔽箱中使用；在小室內(nèi)壁敷設(shè)吸波材料壓縮了有效的測試空間，會(huì)削弱主模的場強(qiáng)等。雖然國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值仿真針對(duì)殼體開縫的效果進(jìn)行了研究，但未給出開縫的設(shè)計(jì)方法。為此，本文通過分析殼體表面電流的分布變化，根據(jù)波導(dǎo)縫隙天線理論，進(jìn)一步解釋了開縫對(duì)高次模的抑制作用，并提出一種不同于文獻(xiàn)[8-9]的開縫方案。

1 殼體表面開縫擴(kuò)展頻率范圍原理

首先通過HFSS電磁場數(shù)值仿真軟件建立TEM室模型，考察端口S參數(shù)、小室內(nèi)電磁場的模式分布以及殼體電流的特點(diǎn)。建立的TEM室模型結(jié)構(gòu)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(nèi)部隔板的寬度與厚度分別是w=114 mm與t=1 mm，坐標(biāo)系為空間直角坐標(biāo)系 ，其輸入輸出端口S參數(shù)仿真結(jié)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(chǎn)生的頻點(diǎn)，由電場和磁場的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了第一階高次模是TE模式。

圖1 TEM室結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Structure size of TEM cell

圖2 TEM室S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of S parameter of TEM cell

TEM室主模傳輸?shù)氖菣M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(dòng)(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(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和電流密度。

根據(jù)微波理論[11]，沿著表面電流方向開縫，不會(huì)破壞波導(dǎo)內(nèi)部的傳播模式；而垂直表面電流方向開縫，會(huì)破壞傳播模式。擴(kuò)展工作頻帶的首要目標(biāo)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(huì)切斷高次模的電流，不會(huì)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(duì)主模的影響可以忽略，能夠?qū)Ω叽文Ｆ鸬胶芎玫囊种谱饔谩?/p>

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(jìn)而抑制了高次模。

如圖6所示，本文設(shè)計(jì)了與文獻(xiàn)[8-9]不同的開縫方案，即僅在主傳輸段表面部分開縫。文獻(xiàn)[8-9]的方案沿著傳輸方向在整個(gè)TEM室殼體表面開縫，而且開縫數(shù)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(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[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(jù)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(dǎo)縫隙天線的結(jié)構(gòu)。可根據(jù)波導(dǎo)縫隙天線理論[12-13]，優(yōu)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(chǔ)上，通過增強(qiáng)高次模的輻射，進(jìn)一步抑制TEM室高次模的傳輸。

傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)縫隙天線內(nèi)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(dǎo)寬邊縱向開縫，稱之為寬邊并聯(lián)縫隙，與本文的開縫方式類似；且當(dāng)并聯(lián)縫隙的長度取工作波長的一半時(shí)，輻射效率較高。因此，為使開縫抑制高次模的效果最好，應(yīng)使TEM室縫隙天線的效果最強(qiáng)，開縫長度應(yīng)為第一階高次模截止波長的一半左右，縫隙寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于縫隙的長度，使其不超過縫隙長度的1/10。

圖7 波導(dǎo)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(jié)構(gòu)與矩形波導(dǎo)頗為相似，參考矩形波導(dǎo)的基本原理，將主傳輸段視為矩形波導(dǎo)與內(nèi)導(dǎo)體隔板的組合體。參考黃志洵對(duì)小室內(nèi)前幾階高次模變化規(guī)律的總結(jié)[15]，小室內(nèi)部場分布將是TEM模式與多個(gè)TE模式的混合，如圖4所示的仿真結(jié)果。

從仿真結(jié)果可以看出，TEM室第一階高次模的結(jié)構(gòu)與矩形波導(dǎo)TE11模式具有很高的相似性，因此可以依據(jù)矩形波導(dǎo)高次模頻率計(jì)算公式對(duì)小室主要高次模產(chǎn)生頻率fc進(jìn)行估計(jì)：

(1)

式中：c為真空中的光速。

代入m=n=1計(jì)算后可得fc=1.8 GHz，與仿真結(jié)果的1.68 GHz較為吻合。仿真結(jié)果略低的原因是，雖然TEM室的內(nèi)導(dǎo)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(duì)場的貢獻(xiàn)度受到內(nèi)導(dǎo)體隔板寬度的影響，其規(guī)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(duì)稱分布，并沿電磁波傳輸方向(z軸)位于小室的正中。根據(jù)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(gè)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(gè)截止波長。

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

對(duì)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(jù)波導(dǎo)縫隙天線理論[11]，在中軸線上縱向開縫不會(huì)切斷電流，也不會(huì)形成輻射。為比較垂直和沿著高次模電流方向開縫對(duì)高次模的影響，分別建立了左右側(cè)面(短邊)中間縱向不開縫(見圖9)和開縫的模型。仿真結(jié)果顯示左右側(cè)面中軸線上是否開縫對(duì)高次模的影響不大，與理論相符。

仿真分析的結(jié)果如圖10所示，本文的TEM室殼體表面開縫方案對(duì)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(kuò)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(shí)物測試與驗(yàn)證

根據(jù)仿真模型設(shè)計(jì)加工的TEM室實(shí)物如圖11所示，小室主體結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)電連接/饋電。實(shí)物測試如圖12所示。

圖11 TEM室實(shí)物圖Fig.11 Photos of TEM cell

圖12 TEM室實(shí)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(shù)實(shí)物測試結(jié)果如圖13所示，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢一致，第一階高次模的頻率實(shí)測值與仿真結(jié)果吻合。

對(duì)比圖13全開縫與上下表面開縫、左右側(cè)面開縫與未開縫的測試結(jié)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(shí)測達(dá)2.4 GHz，優(yōu)于仿真結(jié)果，比未開縫的TEM室提升42.9%。

本文方法在擴(kuò)展頻段的效果上略優(yōu)于文獻(xiàn)[8-9]綜合采用多種處理方法后的結(jié)果，但方案簡單且開縫數(shù)量遠(yuǎn)少于文獻(xiàn)[8-9]中的方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更易加工。

圖13 實(shí)物測試S參數(shù)結(jié)果Fig.13 S parameter results of real cell test

4 結(jié) 論

通過分析TEM室殼體表面電流分布的變化規(guī)律，根據(jù)波導(dǎo)縫隙天線理論，重新解釋了開縫對(duì)高次模的抑制作用，進(jìn)而提出一種新的殼體表面開縫抑制高次模、擴(kuò)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(jié)構(gòu)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(yīng)遠(yuǎn)小于縫隙長度，縫隙間距約半個(gè)截止波長。

3) 應(yīng)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(shí)，以TEM室端口的S11參數(shù)小于-10 dB為基準(zhǔn)，上限測試頻率提高了42.9%。同時(shí)，本文方法在結(jié)構(gòu)和加工上更具優(yōu)勢。后續(xù)，將進(jìn)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(shí)測過程中的大力支持與幫助。

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