CN105652122B - 一种3GHz横电磁波小室的设计方法 - Google Patents
一种3GHz横电磁波小室的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种新型3GHz横电磁波小室，包括内导体、外导体，所述内导体设置有外导体内；所述内导体包括中间段内导体、渐变段内导体；所述中间段内导体设置为长方形结构，所述渐变段内导体设置为等腰梯形结构，中间段内导体两端连接有渐变段内导体；所述外导体包括中间段外导体、渐变段外导体；所述中间段外导体设置为长方体结构，所述渐变段外导体设置为四棱台结构，所述中间段外导体两端连接有渐变段外导体。本发明提供的一种新型3GHz横电磁波小室，达到了改善工作区场分布均匀性、降低高次模影响及扩大工作频段等目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型3GHz横电磁波小室，属于电子器件电磁兼容特性测试技术领域。
背景技术
随着电子技术的高速发展，电子设备的运行速度越来越快，这意味着集成电路的工作频率也在不断提高。此外，通讯系统使用的频率也不断提高，这样电磁干扰和电磁兼容的问题显得尤为突出，电子设备不仅要考虑和其他电子器件间的电磁兼容，还要考虑电子设备内部电子元件之间的电磁兼容问题。因此，电磁兼容测试是电子产品投入市场前必须经过的基本检测项目。
横电磁波小室不仅可以用于辐射敏感度的试验，而且可以用于测量来自被测件EUT或集成电路PCB的辐射发射。FCC-TEM-JM1系列标准的横电磁波小室可用频率从DC至1GHz，被测物最大尺寸为6cm× 6cm×1cm，驻波比小于1.25。横电磁波小室本质上是变异的同轴线，主传输段为矩形，两端锥形过渡，通过同轴接头与同轴电缆相连。然而受两端锥形结构影响，当工作频率高于高次模最低模式的截止频率时，小室内会产生高次模。高次模存在纵向场分量，破坏了TEM小室场分布的均匀性，影响了测量结果的可靠性。国内外传统的横电磁波小室带宽为1GHz，而集成电路的工作频率却越来越高，远远大于1GHz，这限制了横电磁波小室的适用范围。因此，提高横电磁波小室的上限可用频率是国内外研究的重要课题。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型 3GHz横电磁波小室。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种新型3GHz横电磁波小室，包括内导体、外导体，所述内导体设置在外导体内；所述内导体包括中间段内导体、渐变段内导体；所述中间段内导体设置为长方形结构，所述渐变段内导体设置为等腰梯形结构，中间段内导体两端连接有渐变段内导体；所述外导体包括中间段外导体、渐变段外导体；所述中间段外导体设置为长方体结构，所述渐变段外导体设置为四棱台结构，所述中间段外导体两端连接有渐变段外导体。
所述中间段内导体长度设置为152mm、宽度设置为82mm；所述渐变段内导体上边长设置为25.6mm，下边长设置为82mm，高度设置为 93mm。
所述中间段外导体长度设置为152mm、宽度设置为152mm、高度设置为60mm；所述渐变段外导体顶面长度设置为50.7mm、宽度设置为20mm，底面长度设置为152mm、宽度设置为60mm，高度设置为93mm。
作为优选方案，所述内导体材质采用厚度1mm的铜。
作为优选方案，所述外导体材质采用厚度0.6mm的铝。
有益效果：本发明提供的一种新型3GHz横电磁波小室，外导体尺寸为338mm×152mm×60mm，被测物最大尺寸为60mm×60m×10mm，驻波比小于1.25，场均匀度小于2dB，S11小于-10dB，S21大于-1dB。达到了改善工作区场分布均匀性、降低高次模影响及扩大工作频段等目的。本设计在确保上限工作频率扩展到3GHz的基础上，不仅能够兼容FCC-TEM-JM1系列标准的100mm×100mm测试板，而且能够使用更小的功率实现更大的场强，扩展了横电磁波小室的应用范围，提高了测试效率，有效降低了测试成本和生产成本。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明的正视图；
图5为本发明的左视图；
图6为中间段内导体宽度w与中间段特性阻抗Z1的关系图；
图7为渐变段内导体末端的宽度v与整体特性阻抗Z0的关系图；
图8为本发明仿真的回波损耗S11曲线图；
图9为本发明仿真的插入损耗损耗S21曲线图；
图10为本发明仿真的驻波比VSWR曲线图；
图11为本发明不同高度处电场垂直分量归一化曲线图；
图12为本发明不同宽度处电场垂直分量归一化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2所示，一种新型3GHz横电磁波小室，包括内导体1、外导体2，所述内导体1设置在外导体2内；所述内导体1包括中间段内导体11、渐变段内导体12；所述中间段内导体11设置为长方形结构，所述渐变段内导体12设置为等腰梯形结构，中间段内导体11 两端连接有渐变段内导体12；所述外导体2包括中间段外导体21、渐变段外导体22；所述中间段外导体21设置为长方体结构，所述渐变段外导体22设置为四棱台结构，所述中间段外导体21两端连接有渐变段外导体22。
如图3-5所示，中间段外导体长度L0＝152mm、宽度a＝152mm、高度b＝60mm，渐变段外导体的长度L1＝93mm、末端的宽度a1＝50.7mm、末端的高度为b1＝20mm。中间段内导体宽度w＝82mm，渐变段内导体末端的宽度为v＝25.6mm。
由于横电磁波小室的一端要连接50Ω的匹配负载，所以在设计时，要尽可能地使横电磁波小室的特性阻抗Z0接近50Ω，这样能实现较好的阻抗匹配，使整体性能达到最优。首先需要满足中间段的阻抗匹配，也就是使中间段的特性阻抗Z1＝50Ω，求出中间段内导体的宽度w。然后要满足横电磁波小室整体的阻抗匹配，也就是使横电磁波小室的特性阻抗Z0＝50Ω，从而求出渐变段外导体末端的宽度a1, 渐变段外导体末端的高度b1和渐变段内导体末端的宽度为v。
当中间段外导体的长、宽、高和厚度已确定，内导体的厚度t取 1mm，那么需要求出中间段阻抗匹配时，中间段内导体的宽度w。
横电磁波小室中间段的特征阻抗近似为
单位长度分布电容C0的近似表达式为
ε0：磁导率
μ0：介电常数
η0：自由空间的特征阻抗，其值为120πΩ
C0：以F/m为单位的单位长度分布电容
有公式(1)可知，当横电磁波小室中间段的特征阻抗Z1＝50Ω的特征阻抗，那么对应的已知a＝152mm,b＝60mm，根据公式(2)，可以得出则w≈81.5mm。
为了实现更好的阻抗匹配，需要求出w的精确值。因此，在三维电磁仿真软件(采用三维直角坐标系下时域有限差分(FDTD)方法) 中建立横电磁波小室中间段的模型，将中间段内导体宽度w设为变量，将w在80mm-85mm范围内扫频，可得出w与横电磁波小室中间段特性阻抗Z1的关系图。如图6所示，当w＝82mm时，特性阻抗Z1＝50Ω。
如图7所示，当横电磁波小室的性能最佳，当窄边b1＝20mm 时，比较接近实际，此时因为所以当 w＝82mm时，将渐变段内导体末端的宽度v设为变量，将v在27mm-30mm范围内扫频，可得出v与横电磁波小室特性阻抗Z的关系图，当v＝25.6mm时，特性阻抗Z0＝50Ω。
如图8所示，在三维电磁仿真软件(采用三维直角坐标系下时域有限差分(FDTD)方法)中建立横电磁波小室的仿真模型，利用三维电磁仿真软件计算其回波损耗S11，由S11曲线图可知，在0-3GHz 范围内，S11小于-20dB。
如图9所示，利用三维电磁仿真软件计算其插入损耗S21，由S21 曲线图可知，在0-3GHz范围内，S21大于于-1dB。
如图10所示，利用三维电磁仿真软件计算其驻波比VSWR，由S21 曲线图可知，在0-3GHz范围内，VSWR小于1.25。
如图11所示，由于横电磁波小室结构上下对称，只计算其上半腔的Ey。横电磁波小室可用侧试区是受“1/3准则”区(可用侧试区长度小于L/3、宽度小于a/3，高度小于h/3(h＝b/2))限制，水平场分量远远小于垂直场分量，故可以忽略不计。仅考察内导体芯板与上板间(即上半腔)垂直场分量Ey的分布情况,采用三维电磁仿真软件计算出Ey后,取z＝0mm，-a/6<x<a/6(a＝152mm)时，y＝5mm, y＝15mm,y＝25mm所对应的Ey，按以下公式对Ey归一化:其中E0是内导体芯板与底板之间中心点的垂直场分量。由归一化的曲线图可知，当-a/6<x<a/6(a＝152mm)时，本专利横电磁波小室的场均匀性小于2dB。
如图12所示，采用三维电磁仿真软件计算出Ey后,取y＝15mm， -L/6<z<L/6(L＝338mm)时，x＝0mm,x＝15mm,x＝30mm所对应的Ey，按以下公式对Ey归一化:其中E0是内导体芯板与底板之间中心点的垂直场分量。由归一化的曲线图可知，当-L/6<z<L/6 (L＝338mm)时，本专利横电磁波小室的场均匀性小于1dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种3GHz横电磁波小室的设计方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1:设置横电磁波小室的特性阻抗Z0为50Ω，横电磁波小室中间段特性阻抗Z1＝50Ω；
步骤2：设置中间段外导体宽度a＝152mm，外导体高度b＝60mm，求取中间段内导体宽度w；
横电磁波小室中间段的特征阻抗近似为
单位长度分布电容C0的近似表达式为
ε0：磁导率
μ0：介电常数
η0：自由空间的特征阻抗，其值为120πΩ
C0：以F/m为单位的单位长度分布电容
由公式(1)可知，当横电磁波小室中间段的特征阻抗Z1＝50Ω，那么对应的已知a＝152mm,b＝60mm，根据公式(2)，得出w≈81.5mm；
步骤3：设置中间段内导体厚度t＝1mm，中间段长度L0＝152mm，在三维电磁仿真软件中采用三维直角坐标系下时域有限差分方法建立横电磁波小室中间段的模型，将中间段内导体宽度w设为变量，将w在80mm-85mm范围内扫频，得出w与横电磁波小室中间段特性阻抗Z1的关系图，当w＝82mm时，横电磁波小室中间段特性阻抗Z1＝50Ω；
步骤4：设置渐变段外导体末端高度b1＝20mm，求取渐变段外导体末端宽度a1，令保留a11位小数a1＝50.7mm；
步骤5：根据w＝82mm，求取渐变段内导体末端宽度v，令
步骤6：设置渐变段外导体长度L1＝93mm，渐变段内导体厚度t′＝1mm，在三维电磁仿真软件中采用三维直角坐标系下时域有限差分方法建立横电磁波小室中间段的模型，将渐变段内导体末端宽度v设为变量，将v在27mm-30mm范围内扫频，得到v与横电磁波小室特性阻抗Z0的关系图，当v＝25.6mm时，横电磁波小室的特性阻抗Z0＝50Ω；
步骤7：根据步骤1-6，得到3GHz横电磁波小室具体结构：中间段内导体长度为152mm、宽度为82mm、厚度为1mm；渐变段内导体末端宽度为25.6mm，长度设置为93mm、厚度为1mm；
中间段外导体长度为152mm、宽度为152mm、高度设置为60mm；渐变段外导体末端宽度为50.7mm、末端高度设置为20mm，长度为93mm。
2.根据权利要求1所述的一种3GHz横电磁波小室的设计方法,其特征在于:所述内导体材质采用铜。
3.根据权利要求1所述的一种3GHz横电磁波小室的设计方法,其特征在于:所述外导体材质采用厚度0.6mm的铝。
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