CN115343665A - 一种同心锥型tem室的内外导体设计方法及同心锥型tem室 - Google Patents

一种同心锥型tem室的内外导体设计方法及同心锥型tem室 Download PDF

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代明珍
齐万泉
成永杰
靳刚
穆晨晨
王硕
范伯昊
崔腾林
白伟
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Abstract

本发明提供一种同心锥型TEM室的内外导体设计方法及同心锥型TEM室，该设计方法包括S1、根据方程一计算得到不同高度处的外导体半径：Y_out＝0.176x+1.46方程一；其中，x为高度，Y_out为在x高度处的外导体半径；S2、根据方程二计算得到不同高度处的内导体半径：

Description

一种同心锥型TEM室的内外导体设计方法及同心锥型TEM室
技术领域
本发明涉及无线电测量技术领域。更具体地，涉及一种同心锥型TEM室的内外导体设计方法及同心锥型TEM室。
背景技术
TEM室就是一种基于标准场法的场强产生装置，其工作频率与尺寸相关，比如3米长的TEM室工作频段DC-150MHz，1米长的TEM室工作频段DC-500MHz，GTEM室最高工作频率也就只是DC-18GHz，因此单一的TEM室不能满足DC-40GHz的宽带场强探头计量需求。同心锥形TEM室可产生DC～40GHz宽频带的电磁场，可用于建立宽带场强校准系统，满足场强探头的全频段、宽带扫频校准需求。同心锥TEM室，与同轴传输线类似，是一种双导体传输线，采用轴对称结构，由同轴馈电、阻抗匹配段、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，同轴馈电为同心锥形TEM室提供输入功率，阻抗匹配段将同轴导线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。
同心锥TEM室宽带场强校准装置主要由同心锥形TEM室、射频功率信号产生及监测系统、自动控制系统等部分构成。信号源产生DC～40GHz频段的射频信号，经功率放大器放大注入到同心锥TEM室中，信号监测部分用于监控注入功率的大小，包括矩阵开关、定向耦合器、功率计及功率探头等设备；自动控制系统完成仪器及场强探头校准的自动控制。系统工作时，由主控计算机控制信号产生系统生成信号并注入同心锥形TEM室，并在同心锥形TEM室内产生所需标准场，被校探头通过场强指示器连至主控计算机，由计算机根据功率计读数自动对探头进行校准。在同心锥宽带场强校准系统中，同心锥TEM室设计是关键核心技术。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种同心锥型TEM室的内外导体设计方法及同心锥型TEM室，通过设计同心锥形TEM室传输段的内外导体，有效地减少了高阶模的数量且提高了高阶模截止频率，提高同心锥形TEM室腔体标准场性能。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种同心锥型TEM室的内外导体设计方法，包括：
S1、根据方程一计算得到不同高度处的外导体半径：
Y_out＝0.176x+1.46 方程一；
其中，x为高度，Y_out为在x高度处的外导体半径；
S2、根据方程二计算得到不同高度处的内导体半径：
Figure BDA0003743825940000021
其中，x为高度，Y_in为在x高度处的内导体半径。
此外，优选地方案是，所述方程一和方程二根据对方程三和方程四进行仿真实验得到，其中，方程三为Y_out＝tanθ*x+r02，方程四为
Figure BDA0003743825940000022
其中，θ为外导体半角度；x为外导体高度；r02为同轴接头外导体半径；Y_out为外导体x高度处的半径；Y_in为内导体x高度处的外半径；k为母线方程的指数项系数；z0为匹配段初始阻抗。
此外，优选地方案是，仿真实验条件设定为同心锥匹配段内外导体的材料为铝，背景材料为空气；外导体半角度，同轴接头外导体半径，母线方程的指数项系数，匹配段初始阻抗均设为变量。
此外，优选地方案是，仿真频段设置为工作频段的1.2倍；同心锥传输段工作频率为10MHz～40GHz，频率设置为0Hz～48GHz。
此外，优选地方案是，设置边界条件为开放边界。
此外，优选地方案是，同心锥型TEM室两端口均设置为波导端口，第一端口为同心锥同轴线50欧姆输入端口，第二端口为匹配段75欧姆端口。
此外，优选地方案是，同心锥匹配段中最小结构尺寸为2.92mm的50欧姆同轴内芯0.635mm，最小网格数设置小于同心锥匹配段中最小尺寸，最小网格设为0.5。
此外，优选地方案是，在仿真实验中优化参数k，根据结构的匹配段的电性能仿真结果，分别得到方程一和方程二。
本发明还提供一种同心锥型TEM室，其特征在于，该同心锥型TEM室的外导体半径设计为Y_out＝0.176x+1.46；
其中，x为高度，Y_out为在x高度处的外导体半径；
且该同心锥型TEM室的内导体半径设计为
Figure BDA0003743825940000031
其中，x为高度，Y_in为在x高度处的内导体半径。
本发明的有益效果为：
同心锥形TEM室传输段的高阶模是影响TEM室场均匀性及重复性的重要指标，关系到场强校准结果的准确性及有效性。本发明所述技术方案通过理论计算与仿真分析，设计同心锥形TEM室传输段内外导体，有效地减少了高阶模的数量且提高了高阶模截止频率，提高同心锥形TEM室腔体标准场性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是同心锥形TEM室结构示意图。
图2是本发明的匹配段参数及模型图。
图3是本发明的外导体母线方程建模图。
图4是本发明的内导体母线方程建模图。
图5是本发明的频率设置示意图。
图6是本发明的边界设置示意图之一。
图7是本发明的边界设置示意图之二。
图8是本发明的激励端口设置示意图之一。
图9是本发明的激励端口设置示意图之二。
图10是本发明的端口2设置示意图。
图11是本发明的网格设置示意图。
图12是本发明的求解器选择示意图。
图13是本发明的匹配段10MHz-40GHz驻波比曲线图。
图14是本发明的匹配段腔体内电磁场云图(频率10GHz)。
图15是本发明的匹配段优化后驻波测试结果图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了有效地减少了高阶模的数量且提高了高阶模截止频率，提高同心锥形TEM室腔体标准场性能。本发明提供一种同心锥型TEM室的内外导体设计方法及同心锥型TEM室，结合图1至图15所示，具体地所述同心锥型TEM室的内外导体设计方法包括：
S1、根据方程一计算得到不同高度处的外导体半径：
Y_out＝0.176x+1.46 方程一；
其中，x为高度，Y_out为在x高度处的外导体半径；
S2、根据方程二计算得到不同高度处的内导体半径：
Figure BDA0003743825940000041
其中，x为高度，Y_in为在x高度处的内导体半径。
在上述实施例中，进一步的，所述方程一和方程二根据对方程三和方程四进行仿真实验得到，其中，方程三为Y_out＝tanθ*x+r02，方程四为
Figure BDA0003743825940000042
其中，θ为外导体半角度；x为外导体高度；r02为同轴接头外导体半径；Y_out为外导体x高度处的半径；Y_in为内导体x高度处的外半径；k为母线方程的指数项系数；z0为匹配段初始阻抗。
通过仿真设计经验可知，改变内导体的结构对整个匹配段的电性能参数影响较大，为了达到设计目标，考虑加工工艺等问题，优先采用结构变换简洁机械加工好实现的方式，外导体母线采用直线方程，内导体母线采用指数渐变，为使频率往低频扩展到10MHz，现对阻抗匹配段进行加长处理，重新优化导体结构母线方程的关键参数。不同匹配长度所对应的反射系数模值|Γ|。|Γ|第一个零点即驻波1.000，对应L长度只跟频率f有关，即半波长15m。理想情况下同心锥匹配段L取15m将会在全频带10MHz～40GHz取得良好的驻波接近1，但匹配段的长度15m不现实，在第一零点以内L＝c/2f内，长度L越长整个频带驻波比越低，且随着频率增大，驻波比可以很快降低。比较长度为10m、3m、1.5m、0.8m的驻波特性，0.8m长度的匹配段，零频处驻波最大为1.51第一零点频率0.25GHz且驻波在1.08，1.5m长度的匹配段，零频处驻波最大为1.49第一零点频率0.17GHz且驻波在1.07，3m长度的匹配段，零频处驻波最大为1.46第一零点频率0.15GHz且驻波在1.07，10m长度的匹配段，零频处驻波最大为1.2第一零点频率0.1GHz且驻波在1.03，综合考虑加工代价和实际情况，匹配段长度选为0.8m。
假设外导体的母线方程为：Y_out＝tanθ*x+r02，内导体母线方程为：
Figure BDA0003743825940000051
其中，θ为外导体半角度；x为外导体高度；r02为同轴接头外导体半径；Y_out为外导体x高度处的半径；Y_in为内导体x高度处的外半径；k为母线方程的指数项系数；z0为匹配段初始阻抗。
同轴段阻抗50Ω，传输段阻抗75Ω，匹配段长度L＝800mm，仿真模型如图2所示，仿真频带设置0Hz～48GHz。
(1)建模
在仿真软件中，同心锥匹配段内外导体的材料为铝，背景材料为空气，将所有参数全设为变量，见图2所示，方便调参优化。依据外、内导体母线方程公式画出外、内导体母线，旋转形成外、内导体，见图3、图4所示。
(2)频率范围设置
仿真频段设置需比工作频段更宽，通常为该频段的1.2倍。同心锥传输段工作频率为10MHz～40GHz，频率设置为0Hz～48GHz，见图5。
(3)边界设置
设置边界条件为开放边界，如图6、图7所示。
(4)端口设置
两端口均设置为波导端口，第一端口为同心锥同轴线50欧姆输入端口，第二端口为匹配段75欧姆端口，第一端口为端口1，第二端口为端口2，见图8、图9。端口参数设置如图10所示。
(5)网格剖分
同心锥匹配段中最小结构尺寸为2.92mm的50欧姆同轴内芯0.635mm，最小网格数设置小于同心锥匹配段中最小尺寸，最小网格设为0.5，具体见图11。
(6)求解器选择
时域求解器只需运行一次即可得到结构的宽带特。对于大多数带有激励源的问题以及开域问题和电大尺寸都非常有效。求解宽带问题时，时域算法优先，参照图12所示。
(7)仿真结果
在理论参数下，传输段端口2模式项数设置为50，仿真结果在35GHz～40GHz驻波上千，场不均匀，分析认为存在过多高阶模的原因。将传输段端口2模式项由50提高到100，仿真结果全频段驻波均在1.5以下。
仿真优化参数k，k＝0.52时仿真结果最优，使得同心锥TEM室在10MHz-40GHz的工作频段内，驻波小于1.5，如图13所示，满足设计要求，图14为电磁波在匹配段腔体内传输的仿真云图，可以看到电磁场方向与传播方向垂直，且在纵向没有分量，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，此结构的匹配段具有较好的电性能。此时同心锥匹配段的内外导体母线方程分别为：
Y_out＝tan(10*3.14/180)*x+1.46
Figure BDA0003743825940000061
将新设置的匹配段加工成实物，为初步验证匹配效果，现将样机模型的匹配段取下用新设计的匹配段替换装配，测量样机模型在10MHz～40GHz的驻波特性，其测试曲线图如图15所示，测试发现同心锥TEM室工作频段可以往低频扩展到10MHz，证明此设计可以使用，只是性能还不太理想，是因为低频终端负载阻抗控制不好导致阻抗匹配不理想，需要改进负载镀膜工艺以控制好终端负载阻抗达到75Ω，偏差控制在±5Ω以内。
本发明还提供一种同心锥型TEM室，其特征在于，该同心锥型TEM室外导体半径Y_out＝0.176x+1.46；
其中，x为高度，Y_out为在x高度处的外导体半径；
内导体半径
Figure BDA0003743825940000062
其中，x为高度，Y_in为在x高度处的内导体半径。
综上所述，同心锥形TEM室传输段的高阶模是影响TEM室场均匀性及重复性的重要指标，关系到场强校准结果的准确性及有效性。本发明所述技术方案通过理论计算与仿真分析，设计同心锥形TEM室传输段内外导体，有效地减少了高阶模的数量且提高了高阶模截止频率，提高同心锥形TEM室腔体标准场性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种同心锥型TEM室的内外导体设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据方程一计算得到不同高度处的外导体半径：
Y_out＝0.176x+1.46 方程一；
其中，x为高度，Y_out为在x高度处的外导体半径；
S2、根据方程二计算得到不同高度处的内导体半径：
Figure FDA0003743825930000011
其中，x为高度，Y_in为在x高度处的内导体半径。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述方程一和方程二根据对方程三和方程四进行仿真实验得到，其中，方程三为Y_out＝tanθ*x+r02，方程四为
Figure FDA0003743825930000012
其中，θ为外导体半角度；x为外导体高度；r02为同轴接头外导体半径；Y_out为外导体x高度处的半径；Y_in为内导体x高度处的外半径；k为母线方程的指数项系数；z0为匹配段初始阻抗。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，仿真实验条件设定为同心锥匹配段内外导体的材料为铝，背景材料为空气；外导体半角度，同轴接头外导体半径，母线方程的指数项系数，匹配段初始阻抗均设为变量。
4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，仿真频段设置为工作频段的1.2倍；同心锥传输段工作频率为10MHz～40GHz，频率设置为0Hz～48GHz。
5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，设置边界条件为开放边界。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，同心锥型TEM室两端口均设置为波导端口，第一端口为同心锥同轴线50欧姆输入端口，第二端口为匹配段75欧姆端口。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，同心锥匹配段中最小结构尺寸为2.92mm的50欧姆同轴内芯0.635mm，最小网格数设置小于同心锥匹配段中最小尺寸，最小网格设为0.5。
8.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，在仿真实验中优化参数k，根据结构的匹配段的电性能仿真结果，分别得到方程一和方程二。
9.一种同心锥型TEM室，其特征在于，该同心锥型TEM室的外导体半径设计为Y_out＝0.176x+1.46；
其中，x为高度，Y_out为在x高度处的外导体半径；
且该同心锥型TEM室的内导体半径设计为
Figure FDA0003743825930000021
其中，x为高度，Y_in为在x高度处的内导体半径。
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