基于TEM室的微波功率器件電磁兼容測(cè)試技術(shù)?

任 翔 馬帥帥 李 靜 肖苗苗 程婷婷

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854）

1 引言

隨著無線通信的高速發(fā)展，功率器件在無線通信發(fā)射系統(tǒng)中占據(jù)著極為重要的地位。如功率放大器在現(xiàn)代無線發(fā)射系統(tǒng)中已經(jīng)不再是單一地具有信號(hào)功率放大作用，它同時(shí)擔(dān)負(fù)多種控制、檢測(cè)和多重保護(hù)功能，因此，功率放大器等大功率器件的電磁兼容性設(shè)計(jì)成為無線發(fā)射系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的問題。

功率器件在工作時(shí)，會(huì)向周圍環(huán)境輻射電磁能量，可能對(duì)其他設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾，比如影響天線的接收等工作，造成電磁污染；同時(shí)器件本身也可能受到周圍電磁環(huán)境的干擾。電磁環(huán)境取決于該環(huán)境內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，由于周圍建筑物和鄰近其他設(shè)備的影響會(huì)使電磁波反射或失真，若沒有合適的方法，場(chǎng)強(qiáng)很難測(cè)量，也很難用經(jīng)典公式或方程式來計(jì)算。

電磁兼容測(cè)試是驗(yàn)證電磁兼容設(shè)計(jì)合理性及最終評(píng)價(jià)電子設(shè)備質(zhì)量的手段，測(cè)試的項(xiàng)目包括輻射測(cè)試和敏感度（或抗干擾）測(cè)試兩大類。測(cè)試必須在規(guī)定的場(chǎng)地進(jìn)行，一般要求在開闊場(chǎng)地或者屏蔽室中進(jìn)行。開闊場(chǎng)地對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)比較高，而屏蔽室內(nèi)干擾信號(hào)會(huì)經(jīng)過漫反射形成駐波，進(jìn)而產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。為了研究能夠取代開闊場(chǎng)地的電磁兼容測(cè)試方法，提出橫電磁波傳輸室（TEM室）測(cè)試。

本文將重點(diǎn)圍繞TEM室的設(shè)計(jì)方法、輻射發(fā)射測(cè)試方法和抗擾度測(cè)試方法等方面介紹基于TEM室的微波功率器件電磁兼容測(cè)試方法。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1974年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的專家M.L.Crawford首先系統(tǒng)地論述了橫電磁波傳輸室（TEM室），它的基本原理是在室內(nèi)的內(nèi)、外導(dǎo)體板間產(chǎn)生一橫向電磁波［1～2］。80年代國外出現(xiàn)了非對(duì)稱TEM室，它擴(kuò)大了放置被測(cè)件的空間。除可作為電磁場(chǎng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)外、還廣泛用于檢測(cè)各種電子設(shè)備（接收機(jī)、發(fā)射機(jī)，天線、計(jì)算機(jī)甚至家電產(chǎn)品等）的性能以及電磁干擾和電磁兼容測(cè)試設(shè)備。90年代國外出現(xiàn)了30cm尺寸的TEM小磁場(chǎng)室，專門用于移動(dòng)通訊設(shè)備的測(cè)試。同期我國自行開發(fā)了一種HTY型TEM屏蔽室，與國外同類產(chǎn)品相比具有很多改進(jìn)，如：加強(qiáng)外殼強(qiáng)度，內(nèi)導(dǎo)體板采用最佳尺寸并擴(kuò)大不對(duì)稱度（電場(chǎng)更接近理論值），改變頂蓋孔數(shù)目和尺寸（改善屏蔽度）等［3～7］。

1993年在瑞士召開的第10次電磁兼容大會(huì)上，由Frank B.J.Ceferink提出了一種新型的電磁波傳輸室，稱之為三導(dǎo)體橫電磁波傳輸室（T-TEM室），這種新型的裝置較之傳統(tǒng)的TEM室，通過加裝一塊垂直芯板，修正測(cè)試臺(tái)實(shí)現(xiàn)受試設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠在橫截面上提供兩個(gè)方向的極化電磁場(chǎng)，克服了傳統(tǒng)的TEM室只能產(chǎn)生單個(gè)方向的極化電磁場(chǎng)的缺點(diǎn)。同年，Carbonini研究了為降低被測(cè)件（DUT）與內(nèi)導(dǎo)體耦合，減弱高次模影響的效果，TEM小室內(nèi)導(dǎo)體采用金屬線列結(jié)構(gòu)。1996年，R Lorch，GMonich提出在TEM小室兩楔型端加裝吸波材料以抑制諧振的方法。1998年，K.Ishihara和M.Tokuda等采用具有縱向走線的簡易印制電路板代替小室的芯板，抑制橫向電流，從而抑制縱向磁場(chǎng)分量［8～11］。

2007年四川大學(xué)的曾曉勇等設(shè)計(jì)了一種用于微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新型TEM室，新型TEM室外導(dǎo)體橫截面采用側(cè)邊向內(nèi)凹的矩形，內(nèi)導(dǎo)體為帶狀線，截止頻率為1GHz以上。有效工作區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)最大值是425.8V/m，最小值是373.5V/m，場(chǎng)強(qiáng)的峰值起伏在10%以內(nèi)。新型TEM室的截止頻率，以及截止頻率以下的均勻性都比常規(guī)TEM室要好，能夠滿足化學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)理研究的需要。

目前能查詢到的TEM指標(biāo)參數(shù)如下：

中國計(jì)量科學(xué)研究院 GTEM小室10MHz～1GHz

北京防化研究院 TEM小室10kHz～300MHz美國NISTTEM小室10kHz～300MHz

美國narda公司TEM小室10MHz～1000MHz英國NPL TEM小室50kHz～2.44GHz

意大利PMM公司 TEM小室100kHz～30MHz，TEM小室 30MHz～1000MHz

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

TEM小室本質(zhì)上是變異的同軸線，主傳輸線段為矩形，兩端錐形過渡，通過同軸接頭與同軸電纜相連接。TEM小室內(nèi)主要的高次模是TE模，存在著縱向場(chǎng)分量。受兩端錐形結(jié)構(gòu)影響，當(dāng)工作頻率高于高次模最低模式的截止頻率時(shí)，小室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高次模。高次模存在縱向場(chǎng)分量，破壞了TEM小室場(chǎng)分布的均勻性，影響了測(cè)量結(jié)果的可靠性。因此，提高高次模的截止頻率，對(duì)擴(kuò)寬小室的適用范圍有重大的意義［12～13］。

3 技術(shù)方法

微波功率器件電磁兼容測(cè)試主要包括輻射發(fā)射及抗擾度測(cè)試，下面將重點(diǎn)闡述TEM室的設(shè)計(jì)方法、輻射發(fā)射測(cè)試方法和抗擾度測(cè)試方法。

3.1 TEM室設(shè)計(jì)

TEM室的設(shè)計(jì)可以分為端口反射系數(shù)、TEM的特性阻抗和兩個(gè)端口的傳輸系數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1.1 端口反射系數(shù)

端口反射系數(shù)主要是由于同軸線線纜到TEM室的突變引起的，為了降低突變引起端口反射系數(shù)的增大，通常將TEM室漸變部分設(shè)計(jì)為如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

圖1 TEM室漸變部分示意圖

圖2 內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，利用HFSS仿真軟件優(yōu)化內(nèi)導(dǎo)體尺寸l1和l2（如圖2所示），便可以得到很好的端口反射系數(shù)。除此之外，為了在實(shí)際的加工裝配時(shí)使N型接頭和TEM室的內(nèi)導(dǎo)體接觸良好，將內(nèi)導(dǎo)體的區(qū)域1位置開一圓形凹槽便于N型接頭插入內(nèi)導(dǎo)體的內(nèi)部，如圖2右所示。

3.1.2 TEM室的特性阻抗

一般情況下使用的傳輸線的特性阻抗為50Ω，即N型接頭的特性阻抗為50Ω。阻抗匹配在微波領(lǐng)域具有重要的意義，因此也需要將TEM室的特性阻抗設(shè)計(jì)為50Ω。在仿真設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了使TEM室的阻抗也達(dá)到50Ω，需要優(yōu)化內(nèi)導(dǎo)體的寬度w，通過HFSS的仿真優(yōu)化，最終將特性阻抗優(yōu)化到50Ω附近。

圖3 TEM室半截面結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.3 兩個(gè)端口的傳輸系數(shù)

對(duì)于一個(gè)傳輸系統(tǒng)來說，優(yōu)良的傳輸性能是系統(tǒng)有效工作的前提，對(duì)于TEM室來說，良好的端口傳輸系數(shù)S21顯得十分重要，在實(shí)際工程中通過優(yōu)化TEM室的傳輸長度l3（如圖4所示），得到良好的端口傳輸系數(shù)S21。

圖4 TEM室結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 輻射發(fā)射測(cè)試方法

圖5 微波功率器件輻射發(fā)射測(cè)試方法圖

電磁干擾輻射發(fā)射測(cè)試在TEM小室內(nèi)進(jìn)行，此時(shí)小室內(nèi)芯板和底板就代替暗室測(cè)試中的天線，接收待測(cè)件工作過程中產(chǎn)生的輻射干擾。TEM小室通過干擾接收機(jī)測(cè)試待測(cè)件工作過程中電磁干擾的輻射發(fā)射情況，再通過測(cè)試設(shè)備（頻譜分析儀、功率計(jì)）得到待測(cè)件輻射發(fā)射的測(cè)試結(jié)果。但存在一個(gè)在TEM小室中的測(cè)試結(jié)果和開闊場(chǎng)或電波暗室測(cè)試結(jié)果的比對(duì)問題，需要經(jīng)過多次的測(cè)試比對(duì)從中找出規(guī)律，進(jìn)行必要的修正。另外，待測(cè)件在TEM小室中擺放的位置不同，造成芯板與底板之間相對(duì)距離的不同，也是導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不同的關(guān)鍵因素。

3.3 抗擾度測(cè)試方法

在對(duì)微波功率器件進(jìn)行抗擾度參數(shù)的測(cè)試時(shí)，可以利用TEM室作為干擾源，用TEM室產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于普通天線產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，用比較小的功率放大器可以產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)信號(hào)源經(jīng)過放大后注入到TEM室的一端，就能在芯板和底板之間形成很強(qiáng)的均勻電磁場(chǎng)，放置在被測(cè)件附近的電場(chǎng)監(jiān)視探頭監(jiān)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)，通過控制信號(hào)源以一定的步長進(jìn)行輻射場(chǎng)的頻率掃描，利用測(cè)試設(shè)備觀測(cè)待測(cè)件在電磁場(chǎng)干擾下的工作情況。

圖6 微波功率器件抗擾度測(cè)試方法圖

4 結(jié)語

TEM室是一種能產(chǎn)生均勻、標(biāo)準(zhǔn)電磁場(chǎng)的電磁兼容試驗(yàn)設(shè)備，可用于電磁場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試和輻射敏感度測(cè)試。因?yàn)門EM室中傳播的電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間有著固定的比例，并且TEM室中產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度還與饋入傳輸室的微波功率或端電壓存在固定關(guān)系，很容易計(jì)算并控制輸入功率的大小。傳輸室中的能量受到外圍壁板的屏蔽作用，不會(huì)散失到TEM室的外部，從而避免了對(duì)外界空間產(chǎn)生電磁污染，同時(shí)降低了對(duì)信號(hào)源功率的要求。傳輸室內(nèi)沿電磁波傳播方向上的場(chǎng)強(qiáng)的均勻性比較好，利用不大的試驗(yàn)場(chǎng)地和少量的試驗(yàn)設(shè)備就能在傳輸室所覆蓋的寬頻率范圍內(nèi)對(duì)小的受試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。本文從TEM室的設(shè)計(jì)方法、輻射發(fā)射測(cè)試方法和抗擾度測(cè)試方法等方面介紹了基于TEM室的微波功率器件電磁兼容測(cè)試方法，該測(cè)試方法具有結(jié)構(gòu)封閉、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)微波功率器件的輻射發(fā)射及抗干擾度進(jìn)行表征。