同心錐形TEM室結構設計及性能研究

黃承祖 齊萬泉 劉星汛 彭 博

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

場強是無線電的基本參數之一，場強探頭是測量場強的常用設備，廣泛應用于電磁輻射危害測量、電磁兼容試驗、電磁測量場地性能評估等領域。場強探頭校準的精度直接影響場強測量結果的準確性，目前10kHz～40GHz的場強探頭校準采用的標準場產生裝置主要包括TEM小室(10kHz～1 000MHz)、GTEM小室(200MHz～1GHz，工作標準)和標準增益喇叭(1～40)GHz。不同的標準場產生裝置各有特點，適用于不同尺寸、不同頻段場強探頭的校準。

為了滿足應用需求，國內外主要計量技術機構投入了大量資金建立校準系統，形成了場強的校準能力，但是依然還存在很多問題尚待研究，其中一個關鍵方向就是場強探頭的寬帶校準技術。為滿足場強探頭寬帶校準的需求，美國NIST研制了同心錐形TEM室用于探頭校準，可以解決DC～40GHz寬頻帶掃頻場強校準的問題，是NIST開發的一項世界領先技術，到目前為止國際上其它校準機構還沒有類似的校準裝置，直接相關的技術資料相對較少，但可以獲得錐形結構腔體或波導的電磁波傳輸理論方面的研究情況。

錐形結構傳輸線或波導設計的理論基礎是美國S.A.schelkunoff[1-3]的球面波傳輸理論，文中在球坐標系條件下，分析了TM，TE，TEM球面波在錐形波導或傳輸線中的傳輸特性。采用此種結構的還有雙錐天線[4,5]，其區別在于雙錐天線的內導體與外導體夾角差較大，而錐形傳輸線內外導體夾角差較小，其理論分析方法類似，除此以外，球面波傳輸理論還常常被用于分析錐形波導的模式傳輸[6-8]并為設計提供理論基礎。

2001年，美國NIST的Claude M.Weil等人研究了錐形和柱形同軸傳輸線截止模，在S.A.schelkunoff球面波傳輸理論基礎上，分別給出了傳輸線外錐半角度分別為10°，22.5°時，內外錐夾角比與高階模歸一化截止波長的關系曲線[9]。當內外錐夾角比一定，隨著腔體空間變大高階模的截止頻率逐漸變低，可以發現錐形傳輸線的截止模是逐漸出現的。

通過對錐形TEM室理論的深入研究，我們設計了一種用于寬帶場強校準的同心錐形TEM室[10]，該系統可實現200MHz～40GHz頻段內(1～200)V/m場強范圍的場強探頭頻率響應、線性響應、場強幅度范圍等參數的校準能力。

2 同心錐形TEM室寬帶場強校準系統組成

同心錐TEM室寬帶場強校準系統的工作原理如圖1所示。信號源產生激勵信號通過功率放大器注入到同心錐形TEM室，并在同心錐形TEM室中形成穩定的場強，連接到定向耦合器的功率計監測注入信號的功率。內部場強大小根據注入信號的功率和同心錐TEM室校準區域的結構尺寸可以精確計算，將探頭放入已知場強中，與探頭相連接的場強監視器檢測到此時的場強值，根據實測值與理論計算值的差別，計算探頭的修正系數。同心錐形TEM室是整個系統的關鍵部分。

圖1 同心錐TEM室場強自動校準系統工作原理框圖Fig.1 Block diagram of co-conical TEM cell field strength calibration system

3 同心錐形TEM室的結構設計

3.1 同心錐形TEM室組成及功能

同心錐傳輸線類似于同軸傳輸線，是采用軸對稱結構的雙導體傳輸線，它由同軸饋電、阻抗匹配段、傳輸段、終端負載和吸波材料組成。同軸饋電為同心錐形TEM室提供輸入功率，阻抗匹配段將同軸導線50Ω特性阻抗變換到傳輸段特性阻抗，根據探頭校準區域，設計傳輸段合適的內外導體夾角及特性阻抗，終端負載及吸波材料用于吸收電磁波，降低整個系統的駐波損耗，最終在兩個同心導體之間的空腔內產生均勻的TEM波，形成可計算的標準場強。本文重點對阻抗匹配段以及屏蔽門兩個方面進行了研究。

3.2 阻抗匹配段設計

為兼顧寬頻帶和盡量大的校準測試區域，根據仿真分析，錐形傳輸段的特性阻抗設計為75Ω，為解決信號源50Ω和同心錐形TEM室之間的阻抗失配問題，需要進行阻抗匹配設計。

從機械加工角度來看，外表面加工難度低于內表面加工難度，同時由于內外錐起始段的尺寸非常小，這對外錐內表面的機械加工提出了更高的要求，選擇內錐角度漸變外錐角度不變是阻抗匹配設計方法中最容易實現的。

通過仿真分析，基于保證內錐外表面和外錐內表面精度的前提，對內外錐以及兩者之間的支撐連接進行了分段設計。阻抗匹配段主要由外錐、內錐、PMI介質支撐以及PEI介質支撐組成。主要設計要點如下。

1)表面精度的保證

同心錐形TEM室的主要饋電表面為內錐外表面和外錐內表面，所以本文所設計的表面精度指的就是內錐外表面和外錐內表面的加工精度。理想條件下的內外錐應該整體加工，但受限于內外錐起始段的毫米級尺寸和機械加工能力，采取了分段設計方法。這對加工精度和裝配精度都提出了較高要求。通過選擇合適的加工和裝配方法，可使內錐體外表面表面粗糙度達到0.8μm，外錐體內表面表面粗糙度達到1.6μm，內外錐體段間配合精度達到0.01mm;

2)內外錐定位支撐

傳統同軸線的內導體和外導體之間的定位支撐通常采用開槽和加裝低介電常數介質支撐件的方式。同心錐形TEM室由于頻帶寬，開槽會對電場產生較大影響，所以采取了不開槽，利用介質支撐的方式來定位。具體實現方式是：內外錐通過PEI和PMI介質支撐來定位。其中PEI介質材料已廣泛應用于K型連接器，PMI介質材料是一種高性能聚甲基丙烯酰亞胺泡沫，其介電常數約為1.15，實測數據如圖2所示，密度為110kg/m3，力學性能以及機械加工性能均能滿足使用要求。不開槽設計和低介電常數介質支撐使得同心錐形TEM室實物性能與仿真結果能夠最大程度的吻合;

圖2 PMI介質相對介電常數實測數據曲線圖Fig.2 Relative permittivity test data of PMI

3)導電性能優化

為提高同心錐形TEM室的導電性能，對錐體的選材和表面涂覆進行了設計。已知銅的電阻率為1.75×10-8Ωm，僅次于銀。而其中鉛黃銅具有優良的切削性能、耐磨性能和高強度，所以選擇其作為同心錐形TEM室阻抗匹配段的制造材料，同時為了提高材料的耐候性，對內外錐進行了表面涂覆處理。

后面將通過4.1節駐波比測試驗證阻抗匹配段的設計及實物性能滿足使用要求。

3.3 屏蔽門設計

屏蔽門的作用是用于往腔體放置待測件以及取出待測件。傳統TEM室和GTEM室的腔體為平面結構，而同心錐形TEM室的腔體為弧面結構，所以傳統的屏蔽門無法緊密的安裝于同心錐形TEM室中，并且也無法貼合同心錐形TEM室的腔體內壁，所以需要結合同心錐形TEM室外錐內壁來設計合適的屏蔽門。

為滿足同心錐形TEM室寬頻段大動態的要求，屏蔽門需要滿足屏蔽效能好和對同心錐形TEM室內的電場影響盡量小的要求。

針對上述要求，在結構上做了如下設計。

1)提高屏蔽效能

為提高屏蔽效能，從兩個方面進行了設計。一、安裝指形簧片，通過指形簧片的彈性可以使屏蔽門門芯和門框緊密貼合；二、通過控制加工誤差，盡量減小屏蔽門和外錐開口的配合誤差；

2)減小對同心錐內電場的影響

同心錐形TEM室要達到理想條件下的電場分布，需要內外錐表面光滑連續，理論可行，實際無法實現只能無限接近。為盡量接近理想狀態，本文做了如下設計：一、減小屏蔽門的開口尺寸；二、設計屏蔽門芯的弧面，保證關門后同心錐的外錐內表面弧面連續；

3)便利性

為便于加工，摒棄了常規屏蔽門開方形口的設計，而選擇在外錐上開圓口，并相應的設計了圓形屏蔽門芯(為方便裝配，屏蔽門的外框架設計為方形)。同時將屏蔽門設計成插拔式結構，方便屏蔽門的開關。設計模型如圖3所示。

圖3 屏蔽門結構模型圖Fig.3 Structural model of shield door

3.4 同心錐形TEM室實物

同心錐形TEM室的結構設計均是基于電磁仿真分析結果進行開展，同時對理想化的電磁仿真模型進行可實現化設計，并反饋給電磁仿真，如此反復、不斷優化，最終建成實物如圖4所示。

圖4 同心錐形TEM室實物圖Fig.4 Physical map of co-conical TEM cell

圖5 駐波比測試圖Fig.5 VSWR test chart

4 性能測試分析

4.1 駐波比測試

駐波比的產生，是由于入射波能量傳輸到同心錐TEM室輸入端未被全部吸收、產生反射波，疊加而形成的，駐波比越大，反射越大，匹配越差。駐波比測試結果如圖5所示，在200MHz～40GHz頻段內駐波基本達到小于1.5的指標，表明96%的能量潰入同心錐形TEM室內，該項指標完全滿足設計和使用要求。

4.2 場強探頭動態范圍測試

同心錐形TEM室可以對場強探頭的動態范圍進行測試。場強探頭動態范圍描述了場強探頭從低場強測試到高場強測試的響應線性度，校準因子能直觀反映線性度的好壞。動態范圍測試結果如圖6所示，滿足200MHz～40GHz內(1～50)V/m，以及200MHz～18GHz和(18～40)GHz每頻段至少1個頻率點(1～200)V/m的要求，且動態范圍測試不確定度在1dB以內。

圖6 動態范圍測試結果曲線圖Fig.6 Dynamic range test result

4.3 場強探頭頻率響應測試

場強探頭的頻率響應測試要求在200MHz～40GHz區間內選擇若干個點，且最低和最高工作頻率點為必校準頻率點，測試指示值與標準場值的偏差，并以校準因子反映場強探頭頻率響應的優劣。頻率響應測試結果如圖7所示，滿足設計和使用要求。

圖7 頻率響應測試結果曲線圖Fig.7 Frequency response test result

5 結束語

基于同心錐形TEM室寬帶場強校準系統上，對同心錐形TEM室的駐波比、動態范圍以及頻率響應等性能進行了測試。結果表明同心錐形TEM室在寬頻帶、快速校準等方面可以替代目前場強探頭校準所采取的在不同頻段內分別采用TEM室法、GTEM室法、基于角錐喇叭天線的標準場法等成本高、效率低、周期長的方法，但在以下3個方面需要繼續攻關。

1)同心錐形TEM室內探頭測試區不夠大，這給探頭的定位造成了一定的難度，需要對探頭測試區的大小以及位置進行進一步研究；

2)同心錐形TEM室內探頭支撐方式簡單，不利于不同類型探頭的精確定位，需要對探頭的定位支撐方式做進一步研究；

3)同心錐形TEM室內外錐的定位主要靠機械加工精度保證，這對機械加工提出了更高的要求，后續需要研究如何協調加工精度和電性能的關系。