CN206292328U - 一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，属于电磁兼容领域，包含外导体和内导体，外导体包括方形结构的中间段外导体和呈锥形结构过渡的渐变段外导体，中间段外导体和渐变段外导体同轴，且围成一个小室；内导体为沿外导体轴向方向设置的一块扁平的芯板；中间段外导体上设有若干相互平行的纵向缝隙，缝隙延伸方向与外导体轴向方向平行，纵向缝隙长度与中间段外导体轴向长度相同，高度与外导体壁厚度相同，且纵向缝隙内填充有铁氧体条3。加载铁氧体的宽带横电磁波小室有效抑制了横电磁波小室的高次模和谐振的产生，将横电磁波小室将上限工作频率扩展到3.4GHz。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效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种横电磁波小室，尤其涉及一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，属于电磁兼容领域。
背景技术
随着电磁兼容性(EMC)工程的开展，人们对建立场强标准和EMC测量方法的研究越来越重视。最近十几年来，美国NBS首先研制了各种尺寸的横电磁波小室，简称TEM小室，它提供了一个与外界隔离极好的、而且不受低频限制的测量环境，其场强的大小能够准确地计算。它既可以用作EMC测量〔包括辐射敏感度测量和辐射发射测量)，也可以用作校准电磁场探头和天线因数的电磁场标准和用作生物学效应研究。
横电磁波(TEM)小室是两端带有锥形区域的封闭的矩形同轴传输线，在同轴线中部，由一块扁平的芯板作为内导体，外导体为方形，两端呈锥形向通用的同轴器件过渡，一头连接同轴线到测试接收机，另一当连接匹配负载。标准IEC61967-2描述了一种用于测试高达1GHz的集成电路(IC)的辐射发射和电磁抗扰度的TEM小室法。IEC61967-2规定的TEM小室，频率范围覆盖为150kHz-1GHz，外形尺寸为33.8cm×15.2cm×9.9cm,最大EUT尺寸为6cmx6cmx1cm，RF连接器为N型接头。然而，无线设备的IC的辐射发射测试通常要求测量频率范围高于1GHz，所以提高横电磁波小室的上限可用频率对EMC测量和电磁计量的研究具有重大的研究意义，最接近的现有技术中有提到通过在标准磁波小室的中间段外导体中开纵向缝隙，可将上限可用频率提高至3GHz。
发明内容
本发明为将其上限可用频率得到更大幅度的扩展，在不改变标准横电磁波小室外形尺寸下，提供一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，采用在横电磁波小室中间段外导体上等距离地开纵向缝隙，并添加铁氧体条来填补纵向缝隙的方法来设计新型横电磁波小室，从而抑制高次模的产生，将横电磁波小室的上限可用频率扩展到3.4GHz，被测物最大尺寸为60mm×60m×10mm，驻波比小于1.6，场均匀度小于0.5dB，S11小于-12dB，S21大于-1.5dB，同时可以达到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效果。
本实用新型为解决上述问题提供的技术方案是：一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，包含外导体和内导体，所述的外导体包括方形结构的中间段外导体和呈锥形结构过渡的渐变段外导体，中间段外导体和渐变段外导体同轴，且围成一个小室；所述的内导体为沿外导体轴向方向设置的一块扁平的芯板，分为中间段内导体和渐变段内导体，内导体长度与外导体长度相同；
所述的中间段外导体上设有若干相互平行的纵向缝隙，缝隙延伸方向与外导体轴向方向平行，纵向缝隙长度与中间段外导体轴向长度相同，高度与外导体壁厚度相同，且纵向缝隙内填充有铁氧体条。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的芯板是厚度为1mm的铜板。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的中间段外导体的上宽边和下宽边各开设有6-10条纵向缝隙，前窄边和后窄边各开设有3-7条纵向缝隙。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的上宽边和下宽边各开设有8条纵向缝隙，在前窄边和后窄边各开设有5条纵向缝隙。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的每条纵向缝隙内铁氧体条的长度为152mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的每条纵向缝隙内铁氧体条的长度为152mm，宽度为5mm,厚度为0.5mm。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的纵向缝隙均匀分布在中间段外导体上。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的中间段外导体长度L0＝152mm、宽度a＝152mm、高度b＝99mm、渐变段外导体的长度L1＝93mm、渐变段外导体末端的宽度a1＝30.4mm,渐变段外导体末端的高度为b1＝19.8mm。
进一步，作为一种具体的结构形式，所述的中间段内导体宽度w＝114.6mm，渐变段内导体末端的宽度为v＝21.35mm,左右两个渐变段内导体尺寸一样。
本实用新型的有益效果是：本专利加载铁氧体的宽带横电磁波小室有效抑制了横电磁波小室的高次模和谐振的产生；在维持IEC61967-2标准横电磁波小室大小和测试板尺寸的情况下，该新型外导体开缝型的横电磁波小室将上限工作频率扩展到3.4GHz。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效果。
附图说明
图1为IEC61967-2标准的横电磁波小室的立体图；
图2为本实用新型的立体图；
图3为本实用新型的拆分图；
图4为本实用新型的整体俯视图；
图5为本实用新型的内导体俯视图；
图6为本实用新型的主视图；
图7为本实用新型的左视图；
图8为本实用新型中间段内导体宽度w与中间段特性阻抗Z1的关系图
图9为本实用新型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10为本实用新型仿真的回波损耗S11曲线图；
图11为本实用新型仿真的插入损耗损耗S21曲线图；
图12为本实用新型仿真的驻波比VSWR曲线图；
图13为本实用新型在不同高度处电场垂直分量归一化曲线图；
图14为本实用新型在不同宽度处电场垂直分量归一化曲线图。
附图标注说明：1、内导体，2、外导体，11、中间段内导体，12、渐变段内导体，21、中间段外导体，22、渐变段外导体，3、铁氧体条。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明。但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
设计原理：
对横电磁波小室工作频率影响较大的高次模主要是TE模，即纵向磁场分量Hz的影响较大，而Hz与电流密度Js的关系为:其中，Js为沿横向方向的电流密度。因此，通过抑制横向电流可以减少纵向磁场分量，从而抑制TE高次模的产生。并在纵向缝隙上添加铁氧体条3以防止电磁波泄漏，实现了较好的屏蔽作用。
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)中建立该新型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、插入损耗S21和驻波比VSWR，最后对横电磁波小室的电场均匀性进行分析。
图1为IEC61967-2标准的横电磁波小室，包含外导体2和内导体1，外导体2包括方形结构的中间段外导体21和中间段两端呈锥形结构过渡的渐变段外导体22，中间段外导体21和渐变段外导体22同轴，且围成一个小室；内导体1为沿外导体2轴向方向设置的一块扁平的芯板，分为中间段内导体11和渐变段内导体12，内导体1长度与外导体2长度相同。IEC61967-2标准的横电磁波小室横截面尺寸为152mm×99mm，纵向长度为338mm，即中间段外导体21长度L0＝152mm、宽度a＝152mm、高度b＝99mm，渐变段外导体22的长度L1＝93mm，可用频率从DC至1GHz，被测物最大尺寸为6cm×6cm×1cm。
图2为本实用新型中的横电磁波小室的立体图，也是在三维电磁仿真软件中建立的横电磁波小室仿真模型，三维直角坐标系的原点在横电磁波小室中心对称点上,x方向为该模型横截面的水平方向，y方向为该模型横截面的垂直方向，z方向为该模型的水平方向。该横电磁波小室的外导体2和内导体1尺寸与图1中标准横电磁波小室的尺寸相同。内导体1厚度为t＝1mm，材质为铜；中间段外导体21四周设有相互平行的纵向缝隙，每条纵向缝隙上都填充有铁氧体条3。
图3为本实用新型的拆分图，横电磁波小室由中间段外导体21、渐变段外导体22、中间段内导体11、渐变段内导体12和铁氧体条3组成。
图4为本实用新型的整体俯视图；
图5为本实用新型的内导体1俯视图；
图6为本实用新型的主视图；
图7为本实用新型的左视图；
如图4-7所示，中间段外导体21长度L0＝152mm、宽度a＝152mm、高度b＝99mm、渐变段的长度L1＝93mm、中间段内导体11宽度w＝114.6mm；渐变段外导体22末端的宽度a1＝30.4mm,渐变段外导体22末端的高度为b1＝19.8mm,渐变段内导体12末端的宽度为v＝21.35mm,中间段外导体21上等距离地分布纵向缝隙，缝隙长度为152mm，宽度为5mm,厚度为1mm，中间段外导体21上下宽边开8条缝隙，前后两侧窄边开5条缝隙，并添加长度为152mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm的铁氧体条3来填补所有的纵向缝隙。左右两个渐变段尺寸一样。外导体2厚度为1mm,材质为铜，内导体1厚度为t＝1mm，材质为铜。
图8为横电磁波小室中间段内导体宽度w与中间段特性阻抗Z1的关系图，由于横电磁波小室的一端要连接50Ω的匹配负载，所以在设计横电磁波小室时，要尽可能地使横电磁波小室的特性阻抗Z0接近50Ω，这样才是实现较好的阻抗匹配，横电磁波小室的整体性能才能达到最优。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，中间段外导体的长、宽、高和厚度都已确定，而且内导体的厚度t取1mm比较接近实际情况，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为/单m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＝99mm，根据公式(2)，可以得出则w≈114mm。
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110mm-115mm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8所示，当w＝114.6mm时，特性阻抗Z1＝50Ω。
图9为横电磁波小室渐变段内导体末端的宽度v与整体特性阻抗Z0的关系图，当横电磁波小室的性能最佳，当窄边b1＝19.8mm时，比较接近实际，此时因为所以当w＝114.6mm时，将渐变段内导体末端的宽度v设为变量，将v在20mm-25mm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。如图9所示，当v＝21.35mm时，特性阻抗Z0＝50Ω。
图10为本实用新型仿真的S11曲线图，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0-3.4GHz范围内，S11小于-12dB。
图11为本实用新型仿真的S21曲线图，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0-3.4GHz范围内，S21大于-1.5dB。
图12为本实用新型仿真的VSWR曲线图，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0-3.3.8GHz范围内，VSWR小于1.5；在0-3.4GHz范围内，VSWR小于1.6。
图13为本实用新型不同高度的电场水平分量的曲线图，IEC61967-2规定的横电磁波小室磁波小室的被测物最大尺寸为60mm×60m×10mm，即可用测试试空间为-30mm<z<30mm，-30mm<x<30mm，20mm<y<30mm。因为横电磁波小室结构是上下对称的，电场分布也是上下对称的，而且水平场分量远远小于垂直场分量，故可以忽略不计，所以只需计算其内导体1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，-30mm<x<30mm时，y＝20mm,y＝25mm,y＝30mm所对应的Ey，按照公式对Ey(V/m)的值进行归一化，其中E0是内导体1芯板与底板之间中心点的垂直场分量。由图13可知，本专利横电磁波小室的场均匀性小于0.5dB。
图14为本实用新型不同宽度处电场垂直分量归一化曲线图，因为横电磁波小室结构是前后对称的，所以只需计算其前半腔垂直场分量Ey的分布情况。采用三维电磁仿真软件计算出Ey后，取y＝25mm，-30mm<z<30mm时，x＝0mm,x＝15mm,x＝30mm所对应的Ey，按照公式对Ey(V/m)的值进行归一化，其中E0是内导体1芯板与底板之间中心点的垂直场分量。由图14可知，本专利横电磁波小室的场均匀性小于0.5dB。
Claims (8)
1.一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：包含外导体(2)和内导体(1)，所述的外导体(2)包括方形结构的中间段外导体(21)和呈锥形结构过渡的渐变段外导体(22)，中间段外导体(21)和渐变段外导体(22)同轴，且围成一个小室；所述的内导体(1)为沿外导体(2)轴向方向设置的一块扁平的芯板，分为分为方形结构的中间段内导体 (11)和等腰梯形结构的渐变段内导体 (12)，内导体(1)长度与外导体(2)长度相同；
所述的中间段外导体(21)上设有若干相互平行的纵向缝隙，缝隙延伸方向与外导体(2)轴向方向平行，纵向缝隙长度与中间段外导体(21)轴向长度相同，高度与外导体壁厚度相同，且纵向缝隙内填充有铁氧体条(3)。
2.根据权利要求1所述的一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：所述的芯板是厚度为1mm的铜板。
3.根据权利要求1所述的一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：所述的中间段外导体 (21)的上宽边和下宽边各开设有6-10条纵向缝隙，前窄边和后窄边各开设有3- 7条纵向缝隙。
4.根据权利要求3所述的一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：所述的上宽边和下宽边各开设有8条纵向缝隙，在前窄边和后窄边各开设有5条纵向缝隙。
5.根据权利要求1所述的一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：所述的每条纵向缝隙内铁氧体条(3)的长度为152mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：所述的纵向缝隙均匀分布在中间段外导体(21)上。
7.根据权利要求1所述的一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：所述的中间段外导体（21）长度L0=152mm、宽度a=152mm、高度b=99mm、渐变段外导体（22）的长度L1=93mm、渐变段外导体(22)末端的宽度a1=30.4mm,渐变段外导体(22)末端的高度为b1=19.8mm。
8.根据权利要求1所述的一种加载铁氧体的宽带横电磁波小室，其特征在于：所述的中间段内导体(11)宽度w=114.6mm，渐变段内导体(12)末端的宽度为v=21.35mm,左右两个渐变段内导体（12）尺寸一样。
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|---|---|---|---|---|
| CN111025216A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-17 | 北京无线电计量测试研究所 | 电磁脉冲标准场产生装置 |
| CN113466588A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-01 | 南京信息工程大学 | 横电磁波室 |
| CN114252760A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-03-29 | 中国人民解放军国防科技大学 | 集成电路电磁兼容测量装置、系统及方法 |
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