CN105572484A - 一种横电磁波室阻抗匹配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TEM室阻抗匹配方法和装置，能够实现在TEM室工作频段范围内，全频段内驻波小的要求。本发明所述装置包含内导体和外导体，其中，所述内导体的母线形状和/或所述外导体的母线形状为带斜率的指数渐变线。本发明所述方法包含以下步骤：建立阻抗匹配装置结构参数化模型；设置阻抗匹配装置的边界条件和材料参数，调整内、外导体斜率和指数项系数，内、外导体不连续面之间的距离，对电磁场进行仿真计算，以S参数为优化目标，直至得出最佳系数和最佳距离。本发明使得电磁波在TEM室里传输过程中回波少，能量损失少，驻波在工作频段内小于1.2。

Description

一种横电磁波室阻抗匹配方法和装置

技术领域

本发明涉及一种电磁场测试领域，特别涉及一种用于同心锥形横电磁波(TEM)室的阻抗匹配方法和装置。

背景技术

同心锥形TEM室，是一种基于标准场法的场强产生装置，具有很宽的工作频带。同心锥形TEM室的阻抗匹配装置是将馈电处的同轴线50Ω阻抗匹配到同心锥形TEM传输段的特性阻抗，目前将同轴结构与锥形结构相连的阻抗匹配装置通常采用多节阻抗渐变，此种多节阻抗变换方式通常只能用于较窄工作带宽的阻抗匹配设计，尽管节数越多能匹配的带宽越宽,但是同时能量损失越大。虽然K渐变能使阻抗匹配装置长度最短，但仍由于存在物理不连续面，严重影响高频性能。对于宽带TEM室工作频段200MHz～40GHz范围的阻抗匹配性能不能满足全频段内驻波小于1.2的要求。

发明内容

本发明提出一种TEM室阻抗匹配方法和装置，解决传统阻抗匹配方法不能在全频段实现阻抗匹配的不足，能够实现在TEM室工作频段范围内，全频段内驻波小于1.2的要求。

本发明提出的TEM室阻抗匹配装置，细部连接于同轴段，宽部连接于TEM室传输段，包含内导体和外导体，所述内导体和所述外导体与同轴段相连接的部位为不连续面，其中，所述内导体的母线和/或所述外导体的母线为带斜率的指数渐变线。

作为本发明进一步优化的方案，所述内、外导体的不连续面之间存在距离。

作为本发明的最佳实施例，所述内导体在其不连续面处半径r₀₁＝0.635，所述外导体在其不连续面处半径r₀₂＝1.46mm，所述内导体母线的指数项系数k₁＝-0.015、所述内导体母线的斜率b₁＝0.054、所述外导体母线的指数项系数k₂＝-0.038、所述外导体母线的斜率b₂＝0.142、所述内、外导体的不连续面之间的距离x₀＝0.707mm。

本发明的TEM室的阻抗匹配方法，包含以下步骤：

建立阻抗匹配装置结构参数化模型，包含同轴段内、外导体半径r₀₁、r₀₂，长度L₀，阻抗匹配装置长度L，传输段内导体半角度θ₁，外导体半角度θ₂，传输段长度L₁。

设置阻抗匹配装置的边界条件和材料参数，内、外导体的材料为铝，背景材料为空气，两端口均设置为波导端口，设置边界条件为开放边界。

用带斜率的指数渐变线作为内导体和/或外导体母线形状，通过调整内、外导体斜率和指数项系数(k₁、b₁、k₂、b₂)改变内、外导体母线形状，对电磁场进行仿真计算，以S参数为优化目标，直至得出最佳系数。

作为本发明进一步优化的实施例，调整内、外导体不连续面之间的距离x₀，以S参数为优化目标，直至得出最佳距离。

本发明有益效果如下：

本发明与现有的匹配装置相比主要创新在于，本发明实施例采用带斜率的指数渐变线方式实现阻抗渐变结构的匹配方法连接不同阻抗的部件，能提高匹配的电性能。本发明还提出一种阻抗匹配方法，使工作频段内的驻波减小。避免采用多节阻抗变换的方式带宽较窄的缺陷。虽然K渐变能使阻抗匹配装置长度最短，但存在物理不连续面，如果不加阻抗补偿措施，将严重影响高频性能，因此指数渐变也克服了K渐变的缺陷。内外导体的不连续面之间存在距离，也有利于降低同心锥的驻波性能。在本发明的最佳实施例中，所述阻抗匹配装置用于连接50Ω阻抗的同轴和具有75Ω或100Ω特性阻抗的锥形TEM室，使得电磁波传输过程中回波少，能量损失少，驻波在工作频段内小于1.2。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是同心锥形TEM室结构示意图；

图2是现有技术50Ω同轴线匹配到5Ω锥形线的匹配方式；

图3是内、外导体母线轮廓图；

图4是CST仿真模型图；

图5是内、外导体母线轮廓图的最佳实施例；

图6是连接效果图；

图7是匹配较差的腔体内电磁场分布图(频率15GHz)；

图8是本发明阻抗匹配装置腔体内电磁场云图(频率15GHz)；

图9是阻抗匹配装置200MHz-40GHz驻波比曲线。

具体实施方式

为了实现本发明的目的，本发明实施例中提供了一种TEM室的阻抗匹配方法和装置，目的在于满足TEM室工作频段范围内，全频段内驻波较小的要求。下面结合说明书附图对本发明各个实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是同心锥形TEM室结构示意图。同心锥形TEM室与同轴传输线类似，是一种特殊的双导体传输线，采用轴对称结构，由同轴段、阻抗匹配装置、传输段、终端负载及吸波材料等几部分组成，其结构示意图如图1所示，TEM室阻抗匹配装置，细部连接于同轴段，宽部连接于TEM室传输段，包含内导体和外导体，所述内导体和所述外导体与同轴段相连接的部位为不连续面。同轴段为同心锥形TEM室提供输入功率，阻抗匹配装置将同轴导线50Ω特性阻抗变换到传输段特性阻抗，终端负载及吸波材料用于吸收电磁波，降低整个系统的驻波损耗，最终在两个金属同心锥体之间的空腔内产生均匀的TEM波，形成可计算的标准场强。由于其特征阻抗只与自身结构系数相关，与传输电磁波的频率无关，因此能实现宽频带的场强校准。

图2是现有技术50Ω同轴线匹配到5Ω锥形线的匹配方式，作为阻抗匹配的一种常用设计方法，50Ω同轴线通过两段长度分别为l₁，l₂，芯线半径分别为a₁，a₂的阻抗匹配节，将阻抗变换到锥形线的特性阻抗5Ω。

本发明实施例提出的TEM室阻抗匹配方法，是特别针对同心锥形TEM室提出的。原理是通过新的阻抗渐变方式，使得将具有不同阻抗的同轴和锥形TEM室两部分连接后的系统电磁波传输反射小，能量损失小，电性能较好。包含以下步骤：

第一步：建立阻抗匹配装置结构参数化模型。

图3是内、外导体母线轮廓图。所述母线，是指内、外导体在阻抗匹配装置纵向剖面图中所显示的轮廓线。阻抗匹配装置连接同轴段与传输段，同轴段内、外导体半径为r₀₁、r₀₂，长度为L₀，阻抗匹配装置的长度为L，传输段内导体半角度为θ₁，外导体半角度θ₂。传输段可以用相同阻抗的同轴代替，假设长度为L₁。模型系数如下表1所示：

表1传输段设计仿真模型系数表

第二步：设置阻抗匹配装置的边界条件和材料参数。其仿真模型如图4所示，同心锥内外导体的材料为铝，背景材料为空气，两端口均设置为波导端口，设置边界条件为开放边界。

第三步：通过计算S参数，优化阻抗匹配装置的形状。

用带斜率的指数渐变线作为内外导体母线形状(例如公式1～2的方程所表示)。由于斜率和指数项系数可以加速阻抗变化，起调节的作用。通过调整内外导体斜率和指数项系数(k₁、b₁、k₂、b₂)改变内外导体母线形状，对电磁场进行仿真计算，以S参数为优化目标，直至得出最佳系数。

作为本发明进一步优化的实施例，进一步地，调整内、外导体不连续面之间的距离x₀，以S参数为优化目标，直至得出最佳距离。

由于仿真主要关心阻抗匹配装置的S参数性能，可以采用CST-MWS软件进行计算。

进一步地，通过建立阻抗匹配装置的仿真模型，能够比较计算指数渐变、三角渐变、和k渐变等各种阻抗渐变方式的S参数。

图5是内、外导体母线轮廓图的最佳实施例，其中表示本发明提出的TEM室阻抗匹配装置包含内导体和外导体，其中，内、外导体母线方程为带斜率的指数渐变线，内、外导体的不连续面之间存在距离(图5中c、d两点之间的水平距离)。

内导体的母线方程为：

$y_1=r_{01}\·e^{k_1(x_1-x_0)}+b_1(x_1-x_0)$ (公式1)

其中：

x₁为内导体高度；

y₁为内导体x₁高度处的半径；

r₀₁为同轴段内导体半径；

x₀为内、外导体不连续面之间的距离；

k₁为母线方程的指数项系数；

b₁为母线方程的斜率；

外导体的母线方程为：

$y_2=r_{02}\·e^{k_2{x}_2}+b_2{x}_2$ (公式2)

其中：

x₂为外导体高度；

y₂为内导体x₂高度处的半径；

r₀₂为同轴段外导体半径；

k₂为母线方程的指数项系数；

b₂为母线方程的斜率。

当同轴段和阻抗匹配装置的内外导体相连接时，所述同轴段外导体半径等同于所述阻抗匹配装置外导体在其不连续面处(如图5所示d点坐在的垂直平面)的半径；所述同轴段内导体半径等同于所述阻抗匹配装置内导体在其不连续面处(如图5所示c点所在的垂直平面)的半径。

作为本发明的最佳实施例，为了满足工作频率段200MHz～40GHz的需求，同轴段采用2.92射频同轴连接器，尺寸为r₀₁＝0.635mm，r₀₂＝1.46mm，仿真优化后系数k₁、b₁、k₂、b₂分别为-0.015、0.054、-0.038、0.142,内、外导体的不连续面之间的距离x₀为0.707mm。

此时，阻抗匹配装置的内、外导体母线方程分别为：

其中内导体母线方程：

y₁＝0.635·e^{-0.015(x-0.707)}+0.054(x-0.707)(公式3)

外导体母线方程为：

y₂＝1.46·e^-0.038x+0.142x(公式4)

其中：x为导体高度；

y₁为内导体x高度处的半径；

y₂为外导体x高度处的半径。

图6是连接效果图。阻抗匹配装置的主要作用是将阻抗不同的两部分连接起来，使得阻抗逐步渐变，以减少电磁波传输过程中的回波损耗，从而减少能量损失。本发明所述TEM室阻抗匹配装置，细部连接于同轴段，宽部连接于TEM室传输段。所述细部与同轴段连接处制成同轴接头的形式，能够用于连接同轴电缆。

图7是匹配较差的腔体内电磁场分布图(频率15GHz)。当阻抗匹配装置设计得不合理时，在电磁波传输过程中容易激起高阶模，使得电磁场方向不再垂直传播方向，而是在纵向产生分量，导致腔体内电磁场不均匀，出现相互干扰，而这种现象在高频时更加明显。

图8是本发明阻抗匹配装置腔体内电磁场云图(频率15GHz)。采用本设计的阻抗匹配装置，其腔体内电磁场分布：电磁场方向与传播方向垂直，且在纵向没有分量，因此电磁场分布非常均匀，能清楚看到电磁波传播过程中的波峰波谷，此结构的阻抗匹配装置具有较好的电性能。

图9是阻抗匹配装置200MHz-40GHz驻波比曲线。衡量其匹配能力的指标是在工作频段内的电压驻波比。如图9所示，本发明的阻抗匹配装置能使得同心锥TEM室在200MHz-40GHz的工作频段内，驻波小于1.2。

本领域的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程中的每一步骤的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现方法各个步骤中指定的功能的装置。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种横电磁波室阻抗匹配装置，细部连接于同轴段，宽部连接于TEM室传输段，其特征在于：包含内导体和外导体，所述内导体和所述外导体与同轴段相连接的部位为不连续面，所述内导体的母线和/或所述外导体母线为带斜率的指数渐变线。

2.如权利要求1所述横电磁波室阻抗匹配装置，其特征在于，所述内、外导体的不连续面之间存在距离。

3.如权利要求2所述横电磁波室阻抗匹配装置，其特征在于，所述内导体在其不连续面处半径为0.635mm，所述外导体在其不连续面处半径为1.46mm，所述内导体母线的指数项系数为-0.015、所述内导体母线的斜率为0.054、所述外导体母线的指数项系数为-0.038、所述外导体母线的斜率为0.142、所述内、外导体的不连续面之间的距离为0.707mm。

4.如权利要求1～3任一所述横电磁波室阻抗匹配装置，其特征在于，所述细部与同轴段连接处制成同轴接头的形式。

5.一种横电磁波室阻抗匹配方法，其特征在于，包含以下步骤：

建立阻抗匹配装置结构参数化模型，包含同轴段内、外导体半径、长度，阻抗匹配装置长度，传输段内导体半角度、外导体半角度，传输段长度；

设置阻抗匹配装置的边界条件和材料参数，内外导体的材料为铝，背景材料为空气，两端口均设置为波导端口，设置边界条件为开放边界；

用带斜率的指数渐变线作为内导体和/或外导体母线形状，通过调整内、外导体斜率和指数项系数改变内、外导体母线形状，对电磁场进行仿真计算，以S参数为优化目标，直至得出最佳系数。

6.如权利要求5所述的横电磁波室阻抗匹配方法，其特征在于，进一步包含以下步骤：

调整内、外导体不连续面之间的距离，以S参数为优化目标，直至得出最佳距离。