CN104701596B - 一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法，该方法包括以下步骤，在棱锥状倾斜外导体腔的棱锥顶点处设置圆形馈点，棱锥的底面为终端平面，将该终端平面设置为矩形。内导体板的顶点设置于圆形馈点处、内导体板的底面设置于终端平面上，内导体板的厚度不变。计算在圆形馈点与终端平面之间的同轴传输线结构的各个横截面均设置为50Ω的特性阻抗时，横截面长度渐变的内导体板的各个横截面长度。本发明产生的有益效果是：本发明设计方法操作简洁，可保证低驻波比吉赫兹横电磁波小室的实现，使吉赫兹横电磁波小室发射的电磁波达到标准规定的驻波比要求。

Description

一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法

技术领域

本发明属于电磁兼容测试设备设计领域，尤其涉及一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法。

背景技术

吉赫兹横电磁波小室(gigahertz transverse electromagnetic cell，GTEM)是一种产生频率达GHz横电磁波的场发生装置，工作频率频率最高可达18GHz，最低频率通常为10MHz。GTEM产生均匀、横向的电磁波，可用于电子设备的电磁敏感性测试(该指标可反映设备的抗干扰能力)，已为CNAS(中国合格评定国家认可委员会)推荐为敏感性测试装置；还可作为场强计(用于测试电磁场强)的标定装置。驻波比为GTEM的主要技术指标之一。国际组织规定的驻波比为小于1.43。对一个纵向尺寸达5-10米的测试装置，这是非常高的指标，技术实现非常具挑战性。

GTEM本质上是一个同轴传输线结构，包括内导体芯板和外导体腔体构成。能量的馈端为圆形的N型同轴结构，主体为方形的同轴结构。现有GTEM设计过程复杂，难以实现电磁性能的低驻波比。

发明内容

本发明针对现有技术中GTEM设计过程复杂，难以实现低驻波比的电磁性能问题，提供一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法，可保证低驻波比比GTEM的实现，使吉赫兹横电磁波小室发射的电磁波达到标准规定的驻波比要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法，该方法包括以下步骤，1)在棱锥状倾斜外导体腔的棱锥顶点处设置圆形馈点，棱锥的底面为终端平面，将该终端平面设置为矩形；2)内导体板的顶点设置于圆形馈点处、内导体板的底面设置于终端平面上，内导体板的厚度不变，从内导体板的顶点到底面之间的各个横截面上，内导体板的横截面宽度渐变，内导体板的底面为条形，内导体板的底面的长边与终端平面的上边平行，内导体板的底面的长边两端点距离终端平面的中心点距离相等；3)预设终端平面的上边的长度为a，终端平面的侧边的长度为b，内导体板的厚度为h，内导体板的底面的下长边与终端平面的下边的距离为d，棱锥状倾斜外导体腔的圆形馈点到终端平面之间的距离L；4)计算在圆形馈点与终端平面之间的同轴传输线结构的各个横截面均设置为50Ω的特性阻抗时，内导体板的各个横截面宽度。

按上述技术方案，所述步骤4)具体包括，将圆形馈点与终端平面之间划分为3段，具体为段1、段2、段3，分别计算内导体板在段1、段2、段3中的各个横截面宽度；段1长度为2cm到7cm，段1的前端面上内导体板的横截面为圆形，段1的后端面上内导体板的横截面为矩形，通过几何放样方法实现段1的前端面到段1的后端面的渐变，所述段2的长度小于1m，段2与段3的分界点通过电磁计算获得。

按上述技术方案，所述计算内导体板在段1中的各个横截面宽度，具体为将内导体板的段1等分若干段，在横截面上分别截取内轮廓线、外轮廓线，所述内轮廓线、外轮廓线分别为内导体板的轮廓线、棱锥状倾斜外导体腔的轮廓线，外轮廓线形状保持不变，以内轮廓线的中心为原点，等比缩放内轮廓线，使内轮廓线、外轮廓线形成的同轴传输线结构的横截面的特性阻抗调整为50Ω，再用放样操作连接内轮廓线，获得段1的内导体板的几何形状。

按上述技术方案，所述计算内导体板在段2中的各个横截面宽度，具体包括，将段2等分，获得不同位置处的横截面，计算不同位置处的横截面的特性阻抗均为50Ω时，不同位置处的横截面的内导体板的各个横截面宽度，通过几何放样方法将不同位置处的内导体板的各个横截面连接起来，获得段2的内导体板的几何形状。

按上述技术方案，所述终端平面处设置匹配电阻和吸波材料。

按上述技术方案，所述棱锥状倾斜外导体腔的圆形馈点到终端平面之间的距离L＝6m，横截面参数中a/b＝3/2,d/b＝3/4。

本发明产生的有益效果是：本发明设计方法操作简单，可保证低驻波比吉赫兹横电磁波小室的实现，使GTEM小室发射的电磁波达到标准规定的驻波比要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是吉赫兹横电磁波小室的主视图；

图2是吉赫兹横电磁波小室的侧视图；

图3是吉赫兹横电磁波小室的俯视图；

图4是吉赫兹横电磁波小室的终端平面示意图；

图5是吉赫兹横电磁波小室的分段图；

图6是段1的前端面的示意图；

图7是段1的后端面的示意图；

图8是横截面长度渐变的内导体板的立体示意图；

图9是棱锥状倾斜外导体腔的立体示意图；

图10是段1的内导体板的立体示意图；

图11是段1的棱锥状倾斜外导体腔的立体示意图；

图12是吉赫兹横电磁波小室的立体示意图；

图13是段1的驻波系数图；

图14是段1+段2的的驻波系数图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中提供一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法，该方法包括以下步骤，1)在棱锥状倾斜外导体腔的棱锥顶点处设置圆形馈点，棱锥的底面为终端平面，将该终端平面设置为矩形；2)内导体板的顶点设置于圆形馈点处、内导体板的底面设置于终端平面上，内导体板的厚度不变，从内导体板的顶点到底面之间的各个横截面上，内导体板的横截面宽度渐变，内导体板的底面为条形，内导体板的底面的长边与终端平面的上边平行，内导体板的底面的长边两端点距离终端平面的中心点距离相等。如图1所示，为吉赫兹横电磁波小室的正视图，图中O点为N型连接器的接入点(馈点)，Π为终端平面。图2为吉赫兹横电磁波小室的侧视图，图3为吉赫兹横电磁波小室的俯视图。3)如图4所示，预设终端平面的上边的长度为a，终端平面的侧边的长度为b，内导体板的厚度为h，内导体板的底面的下长边与终端平面的下边的距离为d，棱锥状倾斜外导体腔的圆形馈点到终端平面之间的距离L；4)计算在圆形馈点与终端平面之间的同轴传输线结构的各个横截面均设置为50Ω的特性阻抗时，内导体板的各个横截面宽度。如图8所示是横截面长度渐变的内导体板的立体示意图。如图9所示是棱锥状倾斜外导体腔的立体示意图。

其中，所述步骤5)具体可以包括，将圆形馈点与终端平面之间划分为3段，如图5所示，具体为段1、段2、段3，分别计算内导体板在段1、段2、段3中的各个横截面宽度；段1长度为2cm到7cm，如图6所示，段1的前端面上内导体板的横截面为圆形，如图7所示，段1的后端面上内导体板的横截面为矩形，通过几何放样方法实现段1的前端面到段1的后端面的渐变，所述段2的长度小于1m，段2与段3的分界点通过电磁计算获得。

进一步地，所述计算内导体板在段1中的各个横截面宽度，具体为将内导体板的段1等分若干段，在横截面上分别截取内轮廓线、外轮廓线，所述内轮廓线、外轮廓线分别为内导体板的轮廓线、棱锥状倾斜外导体腔的轮廓线，外轮廓线形状保持不变，以内轮廓线的中心为原点，等比缩放内轮廓线，使内轮廓线、外轮廓线形成的同轴传输线结构的横截面的特性阻抗调整为50Ω，再用放样操作连接内轮廓线，获得段1的内导体板的几何形状。

进一步地，所述计算内导体板在段2中的各个横截面宽度，具体包括，将段2等分，获得不同位置处的横截面，计算不同位置处的横截面的特性阻抗均为50Ω时，不同位置处的横截面的内导体板的各个横截面宽度，通过几何放样方法将不同位置处的内导体板的各个横截面连接起来，获得段2的内导体板的几何形状。

进一步地，所述终端平面处设置匹配电阻和吸波材料。

进一步地，在本发明的较优实施例中，设计了L＝6米的GTEM，横截面参数为a/b＝3/2,d/b＝3/4。圆形馈点与终端平面之间的同轴传输线结构的各个横截面的特性阻抗均设置为50Ω。采用基于电磁建模和电磁仿真的设计技术，本发明建立了低驻波比GTEM的设计原则：同轴传输线结构的各个横截面保持50Ω的相同特性阻抗；保持各个横截面的形状为渐变。形状渐变保证了阻抗的渐变，从而保证较低的反射，即可保证GTEM的低驻波比性能。设计GTEM时，首先根据已知几何参数，用电磁计算方法确定内导体板在终端平面上的截面的长度w。图4中a、b、d、h均为根据需要预先可给定的参数，w根据这些参数求解。用电磁计算软件计算终端平面的同轴传输线特性阻抗。调整宽度，改变特性阻抗，当特性阻抗为50Ω时，对应的w即为所要获取的宽度。这样就获得了终端平面Π的所有几何尺寸。终端平面的几何尺寸参数是获得GTEM其他各个横截面尺寸的参考，二者相差一个比例系数，只有内导体板厚度尺寸相同。然后根据已确定的终端平面尺寸，获得GTEM角度参数，如图1、图3所示。角度参数包括α、θ、γ₁、γ₂。根据上述步骤中获得的参数，当给定L时,即可确定角度参数。这样就构造了GTEM的主体结构。根据阻抗特性将GTEM纵向方向划分为3个分段。(a)根据各个横截面阻抗公式，厚度为0时，GTEM的主体结构的任意横截面特性阻抗为50欧姆。厚度不为0时，靠近馈点位置的横截面特性阻抗与50欧姆有偏差。根据偏差程度和横截面形状，将GTEM纵向方向划分为3个分段。(b)段1完成N型连接器接头的圆形到方形横截面内导体板的过渡，长度为几个厘米。段2(长度小于1m)部分，每个横截面阻特性抗均不同；段3为GTEM剩下的长度，因为横截面足够大，其特性阻抗不受内导体板的厚度影响。段2与段3的分界点通过电磁计算获得。段3部分的特性阻抗与厚度无关。段3部分的内导体板尺寸不需调整。为保证GTEM的低驻波系数，每一段的反射都应保持小值。以下给出段2和段1的设计方法。

在段2设计中，为实现原则：同轴传输线结构的各个横截面保持50Ω的相同特性阻抗，通过改变段2内导体板宽度来调整其特性阻抗。具体操作为：等分段2，获得几个不同位置处的横截面，分别求解每一横截面的特性阻抗；通过调整内导体板的宽度调整特性阻抗，直到为50Ω为止。再将各内导体板截面用几何放样操作连接起来，从而获得段2的内导体板几何形状。因为段2的每个横截面特性阻抗为50Ω，因此连接后的任一横截面特性阻抗非常接近于50欧姆，从而保证了段2的低反射。段1的横截面的内、外导体形状为从圆形(N型连接器)过渡为矩形。为实现原则保持各个横截面的形状为渐变，通过几何放样的操作，实现圆形到矩形的几何形状渐变，如图8、图9。因为形状为渐变，通过形状的渐变达到阻抗的渐变，从而降低反射。

对段1，为实现A中的原则同轴传输线结构的各个横截面保持50Ω的相同特性阻抗，具体操作为，将内导体板等分为几段，在横截面上分别截取内轮廓线、外轮廓线。外轮廓线形状保持不变，以内轮廓线中心为原点，等比缩放内轮廓线，使内轮廓线、外轮廓线形成传输线结构的特性阻抗调整为50Ω。再用放样操作连接内轮廓线，形成新的内导体。因为段1的每个横面特性阻抗为50Ω，因此连接后的任一截面特性阻抗非常接近于50Ω，从而保证了段1的低反射。如图10所示，是段1的内导体板的立体示意图，图11是段1的棱锥状倾斜外导体腔的立体示意图，图12是吉赫兹横电磁波小室的立体示意图。图13是段1的驻波系数图，图14是段1+段2的的驻波系数图，可见驻波系数远小于1.4。根据本发明设计的GTEM驻波比小于1.4，工作频率达到20GHz，能满足标准的要求。

本发明中GTEM本质上是一个50欧姆同轴传输线结构，由内导体板和棱锥状倾斜外导体腔构成。本发明要解决的技术问题是：设计GTEM结构，电磁波从圆形的N型馈点传播到终端平面时，实现在馈点低驻波比(即反射系数)的电磁性能。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种吉赫兹横电磁波小室的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，1)在棱锥状倾斜外导体腔的棱锥顶点处设置圆形馈点，棱锥的底面为终端平面，将该终端平面设置为矩形；2)内导体板的顶点设置于圆形馈点处、内导体板的底面设置于终端平面上，内导体板的厚度不变，从内导体板的顶点到底面之间的各个横截面上，内导体板的横截面宽度渐变，内导体板的底面为条形，内导体板的底面的长边与终端平面的上边平行，内导体板的底面的长边两端点距离终端平面的中心点距离相等；3)预设终端平面的上边的长度为a，终端平面的侧边的长度为b，内导体板的厚度为h，内导体板的底面的下长边与终端平面的下边的距离为d，棱锥状倾斜外导体腔的圆形馈点到终端平面之间的距离L；4)计算在圆形馈点与终端平面之间的同轴传输线结构的各个横截面均设置为50Ω的特性阻抗时，内导体板的各个横截面宽度，所述步骤4)具体包括，将圆形馈点与终端平面之间划分为3段，具体为段1、段2、段3，分别计算内导体板在段1、段2、段3中的各个横截面宽度；段1长度为2cm到7cm，段1的前端面上内导体板的横截面为圆形，段1的后端面上内导体板的横截面为矩形，通过几何放样方法实现段1的前端面到段1的后端面的渐变，所述段2的长度小于1m，段2与段3的分界点通过电磁计算获得。

2.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室的设计方法，其特征在于，所述计算内导体板在段1中的各个横截面宽度，具体为将内导体板的段1等分若干段，在横截面上分别截取内轮廓线、外轮廓线，所述内轮廓线、外轮廓线分别为内导体板的轮廓线、棱锥状倾斜外导体腔的轮廓线，外轮廓线形状保持不变，以内轮廓线的中心为原点，等比缩放内轮廓线，使内轮廓线、外轮廓线形成的同轴传输线结构的横截面的特性阻抗调整为50Ω，再用放样操作连接内轮廓线，获得段1的内导体板的几何形状。

3.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室的设计方法，其特征在于，所述计算内导体板在段2中的各个横截面宽度，具体包括，将段2等分，获得不同位置处的横截面，计算不同位置处的横截面的特性阻抗均为50Ω时，不同位置处的横截面的内导体板的各个横截面宽度，通过几何放样方法将不同位置处的内导体板的各个横截面连接起来，获得段2的内导体板的几何形状。

4.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室的设计方法，其特征在于，所述终端平面处设置匹配电阻和吸波材料。

5.根据以上任一项权利要求所述的吉赫兹横电磁波小室的设计方法，其特征在于，所述棱锥状倾斜外导体腔的圆形馈点到终端平面之间的距离L＝6m，横截面参数中a/b＝3/2,d/b＝3/4。