CN101216516A - 三极化横电磁波小室场强试验装置 - Google Patents

Abstract

三极化横电磁波小室场强试验装置是一种能够产生三极化效应的电磁兼容试验装置，频率覆盖范围优于10kHz～1GHz，可用于电子设备的辐射敏感度和电磁辐射试验。该装置的锥顶部分(7)的外壳扩展为喇叭口(19)，并逐渐变为棱锥形腔体，终端被铝板(23)封闭；装置采用双端口输入，即锥顶有两个同轴插座(17)，它们的内导体各自依次扩展为圆锥形匹配调节芯块(18)和斧形过渡块(20)，再分别与两块梯形的、彼此隔离但又互相正交的水平芯板(1)和垂直芯板(2)连接构成两个板状内导体；内导体终端采用无感电阻面阵(8)和角锥型吸波材料(9)匹配；采用连杆和摆动式搭接板实现水平和垂直芯板之间的大面积接地切换，保障高频接地性能。

Description

三极化横电磁波小室场强试验装置

技术领域

本发明为一种能够产生三极化效应的高场强电磁场的电磁兼容性试验装置，频率覆盖范围优于10kHz～1GHz。可用于电子设备的电磁辐射敏感度试验。属横电磁波场强装置及电磁兼容性测试的技术领域。

背景技术

横电磁波传输室(Transverse Electromagnetic Cell，简称TEM Cell)作为一种重要的电磁敏感度测试设备，已在电磁兼容测试中有广泛应用。它是一种特殊结构的同轴线：同轴线外导体为尺寸渐变的橄榄形腔体，内导体为宽度渐变的芯板。GTEM(GHz TEM Cell)小室相对于普通的TEM小室，结构进一步得到改进，外导体为逐渐扩展的喇叭形腔体，其最高工作频率可扩展至数吉赫，具有工作频带宽、试验容积大的特点。次外，横电磁波室是封闭的导波型场强装置，能够以较小的馈入功率产生相对较大的场强，弥补80MHz以下天线辐射能力严重不足的缺陷，在军事方面有重要应用意义。

但无论是TEM Cell还是GTEM Cell，都只能产生单一的极化波。而电磁兼容技术标准规定：受试设备在进行电磁辐射敏感度试验时需在三个互相正交的极化方式下进行，为此在TEM小室或GTEM小室中都需要将受试设备(EUT)进行空间翻转，过程繁琐、试验复现性差。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有三极化功能的、频率范围可以工作到吉赫的三极化横电磁波小室场强试验装置，简称TTEM小室(Triple-Transverse Electromagnetic Cell)。该装置内部有两块互相正交的芯板，在进行电磁辐射敏感度试验时，受试设备无需作空间翻转，只需改变两块芯板的激励加载和接地状况，并在水平面内旋转受试设备的承载转台，受试设备就可经受空间三个不同极化方向的电磁波的照射。

技术方案：本发明即是在该技术背景下产生的。TTEM小室隶属于吉赫兹横电磁波传输室类型，其区别于GTEM小室的最显著的特征是其内部有两块相互正交的芯板，通过改变芯板的加载激励情况可以在小室内部获得不同极化方向的电磁场，从而无需在空间翻转受试设备的情况下使其受到不同极化方向电磁波的照射，大大简化了测试过程。

本发明的三极化横电磁波小室场强试验装置的整体外形为逐渐扩展的棱锥形腔体，终端被铝板封闭；该试验装置输入端即锥顶部分具有两个输入同轴插座，该装置锥顶部分外壳扩展为喇叭口，内部从两个输入同轴插座到终端分别由两块三角形的彼此隔离但又互相正交的水平芯板和垂直芯板构成两个板状内导体；在锥顶部的两个输入同轴插座的内导体各自先扩展为圆锥形匹配调节芯块，再扩展为斧形过渡块；其中水平和垂直斧形过渡块分别与小室的水平芯板和垂直芯板相连，而喇叭口则与外导体主体铝板相接；水平芯板窄端通过芯板微调杆悬挂在主体顶部铝板上，水平芯板窄端的张角可以通过芯板微调杆进行调整；水平芯板宽端由若干个中空的玻璃钢桁条加以固定；这些中空的玻璃钢桁条固定在三极化横电磁波小室的主体前后壁面的铝板上；与此相仿的是，垂直芯板窄端通过芯板微调杆附挂在主体背部的铝板上，垂直芯板窄端的张角也可以通过芯板微调杆进行调整；垂直芯板宽端由若干个中空的玻璃钢桁条加以固定；这些中空的玻璃钢桁条固定在三极化横电磁波小室的主体顶部和底部壁面的铝板上；在水平芯板和垂直芯板终端各自通过一组电阻面阵与三极化横电磁波小室终端的封口底板相连接；在电阻面阵周围，小室终端封口底板的内表面粘贴满聚胺脂角锥型阻燃式吸波材料；沿三极化横电磁波小室的后上方棱边安装有呈狭长梯形的接地搭接板；切换水平芯板和垂直芯板的加载和接地方式，可以在小室内部有效试验区获得两种不同极化方向的试验电磁场，或在不同的极化方向上对受试设备的电磁辐射能量进行耦合测试。

水平芯板、垂直芯板的接地借助可摆动的接地搭接板实现切换；接地搭接板的外缘通过铜箔与横电磁波小室的主体铝板作柔性搭接，内缘装有梳形簧片；接地搭接板摆动时，借助梳形簧片分别将水平芯板或垂直芯板与小室外导体实现面接触。三极化横电磁波小室外导体在电磁波传播方向上采取变张角和终端截角的形式：在顶板折弯线处、后壁板折弯线处，小室外导体的壁面向内偏弯，对小室输入端口的喇叭张角而言实现变张角；在小室终端封口底板的终端封口底板折弯线以下，小室外导体的下部壁面折弯为垂直于地面，对小室终端实施截角，缩减无效长度。

接地搭接板的摆动由连杆机构驱动，为应顺小室变张角，三极化横电磁波小室内的梯形接地搭接板沿锥棱方向分为两节，各由一个连杆机构驱动，其中连杆用绝缘材料制作。

横电磁波小室输入端采用独立的双端口输入，即两个独立的输入插座，借助两套独立的圆锥型匹配调节芯块和偏弯、非对称斧形过渡块的可调整性，保障水平和垂直芯板切换过程中的的电特性一致。

水平芯板、垂直芯板终端的阻抗匹配方式为无感电阻面阵和吸波材料的组合，电阻面阵的电阻单体间采用网格结构形式，以减小电阻面阵自身装连采用附加介电材料所带来的负面影响。

TTEM小室采用双芯板结构后，相对于传统的TEM小室和GTEM小室简化了试验过程，提高了测试效率，增强了测试结果的复现性。

TTEM小室的工作原理如图1所示：当TTEM Cell的水平芯板1加激励信号，垂直芯板借助接地搭接板与小室外导体相连实现良好接地时，TTEM Cell有效试验区内将产生y方向极化的电场，即垂直极化场；而当垂直芯板加激励信号，水平芯板与外导体相连并良好接地时，TTEM Cell将产生x方向极化的电场，即水平极化场；若再将受试设备(EUT)的承载转台在水平面内旋转90°，EUT的z方向也可受到x方向极化电磁场的照射，最终实现对EUT的三极化敏感度试验。此处承载转台，包括受试设备与转台之间的垫衬均用绝缘材料制作。TTEM在方便测试人员操作的同时还大大提高了三极化测试结果的复现性。

此外，根据互易性原理，TTEM Cell还可用于电子设备的辐射发射试验：把需要进行辐射发射试验的受试设备置于TTEM Cell的内、外导体间的有效试验区域内，受试设备待测的辐射场能量即可通过小室内部的水平芯板、垂直芯板耦合至小室的接头端。TTEM Cell用于电子设备的辐射发射试验，同样具有多极化方式耦合的优点，即可在不同极化方向上进行电磁能量的耦合响应测试。

在理论分析计算方面，本发明利用有限元法编写程序计算出TTEM Cell横截面内的特性阻抗，特别是输入双端口的阻抗元件匹配结构，进而计算出TTEM Cell的结构尺寸。整体结构参见附图2的TTEM Cell装配示意图。

根据TTEM Cell终端匹配的要求，在小室的终端安装有特定的匹配电阻面阵8和吸波材料9。终端负载电阻的主要功能是吸收100～200MHz以下的入射能量，最终选定为无感电阻构成的电阻面阵。整个电阻面阵的标称功率容量大于1kW，可以满足长时间工作的要求。终端吸波材料为聚胺脂角锥型阻燃式吸波材料。芯板借助透波的中空玻璃钢桁条与TTEM Cell外导体固定。为了充分利用场地、增加TTEMCell的有效试验空间，对TTEM Cell的整体设计在电磁波传播方向采取了变张角结构和终端截角形式：即在图2中顶板处和后壁板处TTEM Cell的外导体壁面向内偏弯(对TTEM Cell输入端口喇叭张角而言实现了变张角)；在图2中TTEM Cell的外导体终端封口底板，从横线以下偏弯为垂直于地面(对TTEM Cell终端实施截角)。

此外，小室的设计在通风、供电、照明、滤波及屏蔽和表面防护等方面均按照工作要求进行了统筹设计。

TTEM Cell内导体芯板的接地情况是按极化切换要求进行设计的，作用原理见示意图3。芯板接地方式先通过连杆机构推动接地搭接板，进而实现摆动式的切换。具体方法是：通过可以绕小室外导体后上方棱边摆动的长接地搭接板将水平芯板或垂直芯板之一与TTEM Cell的外导体即主体铝板作高频接地。接地搭接板的外缘通过铜箔与TTEM Cell的外导体即主体铝板的后上方棱边作柔性搭接；接地搭接板的内缘附有梳形簧片；接地板条摆动时，借助梳形簧片与水平芯板或垂直芯板、实现低阻抗的面接触。此处连杆机构采用绝缘材料制作。

有益效果：

(1)TTEM Cell的内部有两块互相正交的芯板，即小室为双内导体结构。而普通的TEM小室和GTEM小室内部都只有一块芯板。相对于普通的TEM小室和GTEM小室，TTEM Cell可以通过切换芯板的加载或接地方式，在小室内部获得两种不同极化方向的试验电磁场。

(2)内导体的接地方式采用连杆机构实现摆动式接地板条的切换，具体采用的方法是利用可摆动的接地搭接板实现水平芯板或垂直芯板与外导体的交替接地：转接板条的外缘通过铜箔与TTEM Cell的外导体的后上方棱边作柔性搭接，内缘装上梳形簧片。接地搭接板摆动时，借助梳形簧片与芯板实现面接触。这种大面积的接地方式不仅保障了高频接地性能，而且定位准确、冲击力小。

(3)两块芯板终端的阻抗匹配方式均采用无感电阻面阵和吸波材料的组合，兼顾了低频和高频不同特征的阻抗匹配要求，使小室表现出较好的整体性能，输入端电压驻波比优于1∶1.7。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明的结构原理示意图；其中图1a为立体视图，图1b为右端面视图。

图2为本发明的装配示意图；

图3为本发明的芯板接地切换示意图；

图4为本发明激励输入端的装配示意图。

以上图中有：水平芯板1、垂直芯板2、接地搭接板3、主体铝板4、受试设备(EUT)5、承载转台6、锥顶部分7、无感面电阻面阵8、吸波材料9、中空玻璃钢桁条10、顶板折弯线11、后壁板折弯线12、终端封口底板折弯线13、连杆机构14、铜箔15、梳形簧片16、输入同轴插座17、圆锥形匹配调节芯块18、喇叭口19、斧形过渡块20、喇叭连接口21、芯板微调杆22、小室终端封口底板23、侧门24。

具体实施方式

本发明的一个实施例是利用N型射频同轴插座17将射频信号馈入TTEM Cell内，同轴连接器内外导体分别逐渐扩展为斧形过渡块20和喇叭口19。由于TTEM Cell接锥顶部分7是双端口结构，安装有两个N型射频同轴插座，因而在TTEM Cell内部也有两个圆锥形匹配调节芯块和两个斧形过渡块，它们分别与小室的水平芯板1或垂直芯板2相连，而喇叭口则与外导体的主体铝板4相接。该试验装置的整体外形为逐渐扩展的棱锥形腔体，终端被铝板23封闭；该试验装置输入端即锥顶部分7具有两个输入同轴插座17，该装置锥顶部分7外壳扩展为喇叭口19，内部从两个输入同轴插座17到终端分别由两块三角形的彼此隔离但又互相正交的水平芯板1和垂直芯板2构成两个板状内导体；在锥顶部的两个输入同轴插座17的内导体各自先扩展为圆锥形匹配调节芯块18，再扩展为斧形过渡块20；其中水平和垂直斧形过渡块分别与小室的水平芯板1和垂直芯板2相连，而喇叭口19再通过喇叭连接口21与外导体主体铝板4相接；水平芯板1窄端通过芯板微调杆22悬挂在主体铝板4顶部上，水平芯板1窄端的张角可以通过芯板微调杆22进行调整；水平芯板1宽端由若干个中空的玻璃钢桁条10加以固定；这些中空的玻璃钢桁条10固定在三极化横电磁波小室的主体前后壁面的主体铝板4上；与此相仿的是：垂直芯板2窄端通过芯板微调杆22附挂在主体铝板4背部，垂直芯板2窄端的张角也可以通过芯板微调杆22进行调整；垂直芯板2宽端由若干个中空的玻璃钢桁条10加以固定；这些中空的玻璃钢桁条10固定在三极化横电磁波小室的顶部和底部壁面的主体铝板4上；在水平芯板1和垂直芯板2终端各自通过一组电阻面阵8与三极化横电磁波小室终端的封口底板23相连接；在小室终端封口底板23内侧表面、电阻面阵8的周围全部粘贴聚胺脂角锥型阻燃式吸波材料9；沿三极化横电磁波小室的后上方棱边安装有呈狭长梯形的接地搭接板3，切换水平芯板1和垂直芯板2的加载和接地方式，可以在小室内部有效试验区获得两种不同极化方向的试验电磁场，或在不同的极化方向上进行电磁能量的耦合。水平芯板1、垂直芯板2的接地借助可摆动的接地搭接板3实现切换；接地搭接板3的外缘通过铜箔15与横电磁波小室的主体铝板4作柔性搭接，内缘装有梳形簧片16；接地搭接板3摆动时，借助梳形簧片16分别将水平芯板1或垂直芯板2之一与主体铝板4实现面接触。三极化横电磁波主体铝板4在电磁波传播方向上采取变张角和终端截角的形式：即在顶板折弯线11处、后壁板折弯线12处，主体铝板4壁面向内偏弯，对小室输入端口的喇叭张角而言实现变张角；在小室终端封口底板23的终端封口底板折弯线13以下，主体铝板4的下部壁面偏弯为垂直于地面，对小室终端实施截角，缩减无效长度。

接地搭接板3的摆动由连杆机构14驱动，为应顺小室变张角，三极化横电磁波小室内的梯形接地搭接板3沿锥棱方向分为两节，各由一个连杆机构驱动，其中连杆14用绝缘材料制作。横电磁波小室输入端采用双端口，即两个独立的输入插座17，借助两套独立的圆锥型匹配调节芯块18和偏弯、非对称斧形过渡块20的可调整性，保障水平和垂直芯板切换过程中的的电特性一致。水平芯板1、垂直芯板2终端的阻抗匹配方式为无感面电阻面阵8和吸波材料9的组合，电阻面阵8电阻单体间采用网格结构形式，以减小电阻面阵自身装连采用介电材料带来的负面影响。

水平芯板1与外导体顶部壁板的张角可以通过芯板微调杆22进行调整。垂直芯板也有相同的微调杆。芯板由若干个中空的玻璃钢桁条加以固定。射频信号由小室端口馈入后，可在内外导体间的有效试验区内激励均匀的横电磁波。通过改变芯板的加载方式，在小室内部有效试验区范围可以获得两种不同极化方向的试验电磁场，具体结合图1说明如下：当TTEM Cell的水平芯板1加激励信号，垂直芯板2与外导体实现良好的高频搭接时，TTEM Cell的有效试验区内可激励起y方向极化的电场；反之，当垂直芯板2加激励信号，水平芯板1与外导体高频搭接时，TTEM Cell内将产生x方向极化的电场；若再将放置EUT的、绝缘材料制作的承载转台6在水平面内旋转90°，EUT的z方向将经受到x方向极化的电磁场照射，获得三极化试验的效果。

工作原理和工作过程

本发明是一种特殊结构的双芯同轴线，同轴线的外导体为尺寸渐变的棱锥形腔体，同轴线的两根内导体为两块宽度渐变的芯板。在小室的接头处的双端口之一馈入激励信号，另一端口予以短路端接时，就能够在内、外导体间有效试验区内激励均匀的横电磁波场。将受试设备置于该有效试验区即可进行辐射敏感度试验。或者，将需要进行辐射发射试验的受试设备置于内、外导体间的有效试验区内，其待测辐射场能量即可通过小室内部的芯板耦合至小室的接头端，这时小室原来端口的输入功能就转化为输出功能，特别适合于对中小形电子产品的辐射发射作诊断测试。

由于本发明TTEM Cell内部有两块互相正交的芯板，通过切换两块芯板的加载和接地方式，在小室内部可以获得两种不同极化方向的试验电磁场。具体结合图1说明如下：当TTEM Cell的水平芯板1加激励信号，垂直芯板2与外导体相连并良好搭接时，TTEM Cell将产生y方向极化的电场；而当垂直芯板2加激励信号，水平芯板1与外导体相连并良好搭接时，TTEM Cell将产生x方向极化的电场；若再将放置EUT的承载转台6在水平面内旋转90°，EUT的z方向也可受到x方向极化电磁场的照射。向小室终端入射的电磁波最终可被终端电阻面阵和角锥型吸波材料加以吸收，小室内部模拟了无反射的横电磁波传播空间条件。

其工作过程如下：在进行辐射敏感度试验时，利用N型射频同轴插座将射频信号馈入TTEM Cell内，同轴插座的内外导体分别逐渐扩展为斧形过渡块20和喇叭口19。其中斧形过渡块与小室的芯板相连，而喇叭口则与外导体主体的铝板相接。芯板与小室外导体对应壁板即主体铝板4之间的张角可以通过芯板微调杆22进行调整，以改善小室的阻抗匹配。芯板在小室内的位置由若干个中空的玻璃钢桁条加以固定。射频信号由小室端口馈入后，在内外导体之间的有效试验区可产生均匀的横电磁波。将受试设备置于该封闭空间，即可根据不同的加载场强和受试设备性能的降级或损毁情况对受试设备进行敏感度指标分析。

本发明也可用于电子设备的电磁辐射发射试验：将受试设备置于内、外导体间的有效试验区域内，受试设备开机工作，其待测辐射场能量即将通过小室内部的芯板耦合向芯板两端传输。向小室终端传输的能量会被终端的电阻面阵和吸波材料吸收，基本无反射；向小室输入端口传输的能量，可被小室接头处端接的接收机或频谱分析仪接收，用于对受试设备的辐射频谱进行测量与分析。

受试设备通过侧门24进出小室，侧门设计在TTEM Cell的侧壁上，门框连接处使用簧片以减小缝隙处的电磁泄漏，确保小室内外场强屏蔽、隔离。

小室内部的通风、照明和其它供电均有相应的控制电路来实现。相应的电源线均经过滤波器后再连接到小室内部，滤波器和配电箱安装在小室的侧壁上。

Claims (6)

1.一种三极化横电磁波小室场强试验装置，其特征在于该试验装置的整体外形为逐渐扩展的棱锥形腔体，终端被铝板(23)封闭；该试验装置输入端即锥顶部分(7)具有两个输入同轴插座(17)，该装置锥顶部分(7)外壳扩展为喇叭口(19)，内部从两个输入同轴插座(17)到终端分别由两块三角形的彼此隔离但又互相正交的水平芯板(1)和垂直芯板(2)构成两个板状内导体；在锥顶部的两个输入同轴插座(17)的内导体各自先扩展为圆锥形匹配调节芯块(18)，再扩展为斧形过渡块(20)；其中水平和垂直斧形过渡块(20)分别与小室的水平芯板(1)和垂直芯板(2)相连，而喇叭口(19)则通过喇叭连接口21与外导体主体铝板(4)相接；水平芯板(1)窄端通过芯板微调杆(22)悬挂在主体铝板(4)顶部上，水平芯板(1)窄端的张角可以通过芯板微调杆(22)进行调整；水平芯板(1)宽端由若干个中空的玻璃钢桁条(10)加以固定；这些中空的玻璃钢桁条(10)固定在三极化横电磁波小室的主体前后壁面的主体铝板(4)上；与此相仿的是：垂直芯板(2)窄端通过芯板微调杆(22)附挂在主体铝板(4)背部上，垂直芯板(2)窄端的张角也可以通过芯板微调杆(22)进行调整；垂直芯板(2)宽端由若干个中空的玻璃钢桁条(10)加以固定；这些中空的玻璃钢桁条(10)固定在三极化横电磁波小室的顶部和底部壁面的主体铝板(4)上；在水平芯板(1)和垂直芯板(2)终端各自通过一组电阻面阵(8)与三极化横电磁波小室终端的封口底板(23)相连接；在电阻面阵(8)周围，小室终端封口底板(23)的内侧表面粘贴满聚胺脂角锥型阻燃式吸波材料(9)；沿三极化横电磁波小室的后上方棱边安装有呈狭长梯形的接地搭接板(3)，切换水平芯板(1)和垂直芯板(2)的加载和接地方式，可以在小室内部有效试验区获得两种不同极化方向的试验电磁场，或在不同的极化方向上进行电磁能量的耦合。

2.根据权利要求1所述的三极化横电磁波小室场强试验装置，其特征在于水平芯板(1)、垂直芯板(2)的接地借助可摆动的接地搭接板(3)实现切换；接地搭接板(3)的外缘通过铜箔(15)与横电磁波小室的主体铝板(4)作柔性搭接，内缘装有梳形簧片(16)；接地搭接板(3)摆动时，借助梳形簧片(16)分别将水平芯板(1)或垂直芯板(2)与主体铝板(4)实现面接触搭接。

3.根据权利要求1所述的三极化横电磁波小室场强试验装置，其特征在于三极化横电磁波主体铝板(4)在电磁波传播方向上采取变张角和终端截角的形式：即在顶板折弯线(11)处、后壁板折弯线(12)处，主体铝板(4)壁面向内偏弯，对小室输入端口的喇叭张角而言实现变张角；在小室终端封口底板(23)的折弯线(13)以下，主体铝板(4)的下部壁面偏弯为垂直于地面，对小室终端实施截角，缩减无效长度。

4.根据权利要求1所述的三极化横电磁波小室场强试验装置，其特征在于接地搭接板(3)的摆动由连杆机构(14)驱动，为应顺小室变张角，三极化横电磁波小室内的梯形接地搭接板(3)沿锥棱方向分为两节，各由一个连杆机构驱动，其中连杆(14)用绝缘材料制作。

5.根据权利要求1所述的三极化横电磁波小室场强试验装置，其特征在于横电磁波小室输入端采用独立的双端口输入，即两个独立的输入插座(17)，借助两套独立的圆锥型匹配调节芯块(18)和偏弯、非对称斧形过渡块(20)的可调整性，保障水平和垂直芯板切换过程中的的电特性一致。

6.根据权利要求1所述的三极化横电磁波小室场强试验装置，其特征在于水平芯板(1)、垂直芯板(2)终端的阻抗匹配方式为无感面电阻面阵(8)和吸波材料(9)的组合，电阻面阵(8)电阻单体间采用网格结构形式，以减小电阻面阵自身装连采用附加介电材料所带来的负面影响。

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