基于波导缝隙天线的TEM室频率扩展方法<sup>*</sup>
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基于波导缝隙天线的TEM室频率扩展方法
宋春江1,2, 冯骁尧3, 戴飞3     
1. 清华大学工程物理系, 北京 100084;
2. 北京系统工程研究所, 北京 100101;
3. 北京航空航天大学电子信息工程学院, 北京 100083
摘要: 为突破实际测试当中的局限,研究了横电磁波传输(TEM)室频率范围的扩展方法。运用电磁场与微波技术相关原理,通过分析TEM室壳体开缝对高次模的影响,利用壳体表面电流分布变化规律和波导缝隙天线原理重新解释了开缝对高次模的抑制作用,进而提出了一种TEM室壳体表面开缝的设计方法。通过电磁场数值仿真,验证了抑制高次模工程方法的有效性,并对其控制参数和约束条件的准确性进行了分析评估;通过加工实物并进行实测,进一步验证了新方法的效果。仿真与测试结果表明,开缝抑制高次模的工程方法能够在不减小测试空间与影响主模传输的前提下,将测试带宽扩展了42.9%。
关键词: 横电磁波传输(TEM)室     电磁兼容     高次模     工作带宽     波导缝隙天线    
Frequency extension method of TEM cells based on slotted waveguide antenna
SONG Chunjiang1,2, FENG Xiaoyao3, DAI Fei3     
1. Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Institute of Beijing System Engineering, Beijing 100101, China;
3. School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2017-05-10; Accepted: 2017-06-09; Published online: 2017-08-03 10:57
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61571027, 61521091, 61427803)
Corresponding author. DAI Fei, E-mail: daphige@buaa.edu.cn
Abstract: In order to break through limitatiions in actual testing, the extension method of frequency range of a transverse electromagnetic (TEM) cell is studied. Using the theory of electromagnetic field and microwave technology, the influence of adding slots to the cell on the higher order modes is analyzed, and the suppressing effect of slots on the higher order modes is reinterpreted by summarizing the variation of the distribution of surface current. According to the principle of slotted waveguide antenna, a new method has been proposed to design the slotted surface of the TEM cell. Along with the numerical simulation of electromagnetic field, the paper validates the effectiveness of an engineering method to suppress higher order modes and evaluates the accuracy of the control parameters and the constraint conditions. The effect of the new method is further verified by processing a real cell and its measurement. The simulation and test results show that, without reducing the test space and affecting the main mode, the engineering method of slotted cell can extend the bandwidth by 42.9% by suppressing higher order modes.
Key words: transverse electromagnetic (TEM) cell     electromagnetic compatibility     higher order mode     working bandwidth     slotted waveguide antenna    

横电磁波传输(TEM)室是一种重要的电磁兼容测试设备,最初由Crawford于1974年提出[1]。TEM室基于变形的同轴线,内部可传输TEM波。TEM室由主传输段和过渡段两部分组成,被试品置于主传输段可测得其电磁发射特性。按照电磁场理论,为避免出现高次模,同轴线上限使用频率与其截面的最大尺寸成反比:截面尺寸越大,上限使用频率越低。因此,TEM室的测试空间与频率范围是一对矛盾的指标,无法同时满足。

国内外学者在扩展TEM室的测试空间和频带范围方面开展了许多研究,进行了一些有益尝试。Arezoomand等借助电磁场数值仿真工具CST和HFSS,针对标准TEM室提出了2种改进内导体结构以实现良好匹配的方法[2]。戴飞、宋春江等提出了利用对称结构构建二元TEM室扩展测试空间的方法[3-4]。Wen等研究了带状线TEM室结构及其工作频段的扩展方法[5]

在不改变几何尺寸的前提下,扩展使用频段一直是TEM室的研究热点,其核心是抑制小室产生高次模。TEM室前几阶高次模是TE模式,此模式严重影响了小室内部的场强分布,限制了小室的工作带宽[6]。Walters和Leat提出了内导体开缝切断高次模表面电流以抑制非对称小室TE111谐振模式的方法[7]。Deng等提出了一系列扩展TEM室工作带宽的方法,包括壳体和隔膜开缝(切断高次模表面电流从而抑制高次模)、放置磁环或铁氧体元件(在高次模频率产生高阻抗抑制电流传输)以及敷设吸波材料(通过降低高次模品质因数抑制高次模)等[8-9]

上述文献也指出一些使用上的约束和待改进之处,如壳体开缝虽然扩展工作带宽,但会对外产生辐射,影响小室的屏蔽性能,必须将小室置于内贴敷吸波材料的屏蔽箱中使用;在小室内壁敷设吸波材料压缩了有效的测试空间,会削弱主模的场强等。虽然国内外学者通过实验或者数值仿真针对壳体开缝的效果进行了研究,但未给出开缝的设计方法。为此,本文通过分析壳体表面电流的分布变化,根据波导缝隙天线理论,进一步解释了开缝对高次模的抑制作用,并提出一种不同于文献[8-9]的开缝方案。

1 壳体表面开缝扩展频率范围原理

首先通过HFSS电磁场数值仿真软件建立TEM室模型,考察端口S参数、小室内电磁场的模式分布以及壳体电流的特点。建立的TEM室模型结构尺寸如图 1所示,总长度是l1=300mm,主传输段的长宽高分别是l2=150mm,a=150mm和b=100mm,内部隔板的宽度与厚度分别是w=114mm与t=1mm,坐标系为空间直角坐标系,其输入输出端口S参数仿真结果如图 2所示。在f=1.68GHz之前的低频段,小室的S11保持在-15dB以下,说明输入端口能量的反射很小,阻抗匹配情况良好;S21基本保持在-0.5dB以上,说明输入输出端口之间能量的传输情况良好,损耗非常微小。也就是说,小室的工作带宽是1.68GHz。f=1.68GHz处,TEM室的S11接近0,而S21很小,大部分能量都被反射回去,此处即为小室第一阶高次模产生的频点,由电场和磁场的仿真结果也验证了第一阶高次模是TE模式。

图 1 TEM室结构尺寸 Fig. 1 Structure size of TEM cell
图 2 TEM室S参数仿真结果 Fig. 2 Simulation results of S parameter of TEM cell

TEM室主模传输的是横电磁波,其电场和磁场方向均垂直于电磁波的传输方向(z轴),而电流和磁场方向遵循右手螺旋定则,因此壳体表面电流沿z轴方向流动(如图 3所示)[10]。TEM室的第一阶高次模是TE模式,其电场方向仍然垂直于z轴;磁场含有垂直于z轴方向的分量,但主要分量沿着z轴的纵向(如图 4所示);壳体表面电流方向(如图 5所示)与磁场方向垂直,其主要分量垂直于z[11],符合麦克斯韦方程组。EHJ分别为电场强度、磁场强度和电流密度。

图 3 主模电磁场和电流分布 Fig. 3 Electromagnetic field and current distribution of main mode
图 4 第一阶高次模电磁场分布 Fig. 4 Electromagnetic field distribution of first-order higher order mode
图 5 第一阶高次模电流分布 Fig. 5 Current distribution of first-order higher order mode

根据微波理论[11],沿着表面电流方向开缝,不会破坏波导内部的传播模式;而垂直表面电流方向开缝,会破坏传播模式。扩展工作频带的首要目标是抑制第一阶高次模,而第一阶高次模与主模在壳体表面电流方向不一致(如图 3图 5所示),因此在壳体表面沿z轴平行方向开缝,只会切断高次模的电流,不会影响TEM模电流。这种开缝方式破坏了高次模的边界条件,但对主模的影响可以忽略,能够对高次模起到很好的抑制作用。

开缝后表面电流变化情况如图 6所示,横向表面电流被切断后明显减弱,进而抑制了高次模。

图 6 TEM室开缝后1.68GHz电流分布 Fig. 6 GHz current distribution of slotted TEM cell

图 6所示,本文设计了与文献[8-9]不同的开缝方案,即仅在主传输段表面部分开缝。文献[8-9]的方案沿着传输方向在整个TEM室壳体表面开缝,而且开缝数量也明显多于本文方案。

2 TEM室壳体表面的开缝设计

文献[8-9]的开缝方案是以切断高次模的表面电流抑制高次模传输。根据微波理论,金属表面电流被切割将形成电磁辐射。因此,在TEM室主传输段的壳体上开缝将形成类似波导缝隙天线的结构。可根据波导缝隙天线理论[12-13],优化开缝方式以提高辐射效率,从而在切断高次模电流的基础上,通过增强高次模的辐射,进一步抑制TEM室高次模的传输。

传统矩形波导缝隙天线内的主模是TE10模式,其开缝方式如图 7所示[14]。其中,方式1在波导宽边纵向开缝,称之为宽边并联缝隙,与本文的开缝方式类似;且当并联缝隙的长度取工作波长的一半时,辐射效率较高。因此,为使开缝抑制高次模的效果最好,应使TEM室缝隙天线的效果最强,开缝长度应为第一阶高次模截止波长的一半左右,缝隙宽度应远小于缝隙的长度,使其不超过缝隙长度的1/10。

图 7 波导缝隙天线的形式[14] Fig. 7 Types of slotted waveguide antenna[14]

考虑到TEM室主传输段外壳整体的立体结构与矩形波导颇为相似,参考矩形波导的基本原理,将主传输段视为矩形波导与内导体隔板的组合体。参考黄志洵对小室内前几阶高次模变化规律的总结[15],小室内部场分布将是TEM模式与多个TE模式的混合,如图 4所示的仿真结果。

从仿真结果可以看出,TEM室第一阶高次模的结构与矩形波导TE11模式具有很高的相似性,因此可以依据矩形波导高次模频率计算公式对小室主要高次模产生频率fc进行估计:

(1)

式中:c为真空中的光速。

代入m=n=1计算后可得fc=1.8GHz,与仿真结果的1.68GHz较为吻合。仿真结果略低的原因是,虽然TEM室的内导体隔板宽度一般略小于主传输段宽边的长度,难以形成TE10模式,但是仍然可能存在TE02与TE20模式。TE11、TE02、TE20模式对场的贡献度受到内导体隔板宽度的影响,其规律如图 8所示。

图 8 第一阶高次模频率随隔板宽度变化规律 Fig. 8 Variation of first-order higher order mode frequency with width of septum

在TEM室壳体上下面(宽边)各开2条缝隙,每一边的2条缝隙沿各自面的中轴线对称分布,并沿电磁波传输方向(z轴)位于小室的正中。根据TE11模的截止频率为1.8GHz,选择TEM室壳体表面开缝长度为83mm,约为半个截止波长(如图 9所示);取缝隙宽度为1mm;缝隙与壳体宽边中轴线的距离(即图 7中的d)取41mm,约为1/4个截止波长。

图 9 抑制高次模的开缝方式 Fig. 9 Slotting method to suppress higher order mode

仿真分析的结果如图 10所示,本文的TEM室壳体表面开缝方案对第一阶高次模具有良好的抑制作用,使得小室的上限频率由1.68 GHz扩展到了约2 GHz。

图 10 TEM室开缝后S参数仿真结果 Fig. 10 Simulation results of S parameter of slotted TEM cell

对于TE11模式,壳体上下左右表面中轴线上的电流沿中轴线(z轴)方向传输,根据波导缝隙天线理论[11],在中轴线上纵向开缝不会切断电流,也不会形成辐射。为比较垂直和沿着高次模电流方向开缝对高次模的影响,分别建立了左右侧面(短边)中间纵向不开缝(见图 9)和开缝的模型。仿真结果显示左右侧面中轴线上是否开缝对高次模的影响不大,与理论相符。

3 实物测试与验证

根据仿真模型设计加工的TEM室实物如图 11所示,小室主体结构框架选用不锈钢材料,整体直接焊接成型,壳体表面选取铝合金材料制作成薄板,有利于拆卸以及高次模开缝研究,两头选取N型射频连接器与外界实现电连接/馈电。实物测试如图 12所示。

图 11 TEM室实物图 Fig. 11 Photos of TEM cell
图 12 TEM室实物测试图 Fig. 12 Testing photo of TEM cell

TEM室输入与输出端口之间的S参数实物测试结果如图 13所示,实测结果与仿真结果趋势一致,第一阶高次模的频率实测值与仿真结果吻合。

图 13 实物测试S参数结果 Fig. 13 S parameter results of real cell test

对比图 13全开缝与上下表面开缝、左右侧面开缝与未开缝的测试结果表明,只有切割电流才能抑制高次模。采用本文提出的壳体表面开缝新方法,TEM室的工作带宽实测达2.4GHz,优于仿真结果,比未开缝的TEM室提升42.9%。

本文方法在扩展频段的效果上略优于文献[8-9]综合采用多种处理方法后的结果,但方案简单且开缝数量远少于文献[8-9]中的方案,机械结构更稳定,更易加工。

4 结论

通过分析TEM室壳体表面电流分布的变化规律,根据波导缝隙天线理论,重新解释了开缝对高次模的抑制作用,进而提出一种新的壳体表面开缝抑制高次模、扩展TEM室测试频率范围的方法:

1) 第一阶高次模以TE11为主,可以TEM室主传输段的结构尺寸确定TE11模式的截止频率。

2) 在主传输段上下表面纵向开缝,缝隙长度选取为TE11模式截止波长的一半左右,缝隙宽度应远小于缝隙长度,缝隙间距约半个截止波长。

3) 应避免在上下左右表面的中间开缝。

采用本文方法,仅在主传输段上下表面纵向开4条缝隙时,以TEM室端口的S11参数小于-10dB为基准,上限测试频率提高了42.9%。同时,本文方法在结构和加工上更具优势。后续,将进一步研究缝隙的各种阻抗加载方式,以减小开缝造成的电磁泄漏。

致谢    

感谢刘伟博士在TEM室实测过程中的大力支持与帮助。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0296
北京航空航天大学主办。
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宋春江, 冯骁尧, 戴飞
SONG Chunjiang, FENG Xiaoyao, DAI Fei
基于波导缝隙天线的TEM室频率扩展方法
Frequency extension method of TEM cells based on slotted waveguide antenna
北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 785-791
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2018, 44(4): 785-791
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0296

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收稿日期: 2017-05-10
录用日期: 2017-06-09
网络出版时间: 2017-08-03 10:57

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