黃承祖 齊萬(wàn)泉 劉星汛 彭 博

(北京無(wú)線(xiàn)電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039)

1 引 言

場(chǎng)強(qiáng)是無(wú)線(xiàn)電的基本參數(shù)之一，場(chǎng)強(qiáng)探頭是測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)的常用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電磁輻射危害測(cè)量、電磁兼容試驗(yàn)、電磁測(cè)量場(chǎng)地性能評(píng)估等領(lǐng)域。場(chǎng)強(qiáng)探頭校準(zhǔn)的精度直接影響場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，目前10kHz～40GHz的場(chǎng)強(qiáng)探頭校準(zhǔn)采用的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)產(chǎn)生裝置主要包括TEM小室(10kHz～1 000MHz)、GTEM小室(200MHz～1GHz，工作標(biāo)準(zhǔn))和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭(1～40)GHz。不同的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)產(chǎn)生裝置各有特點(diǎn)，適用于不同尺寸、不同頻段場(chǎng)強(qiáng)探頭的校準(zhǔn)。

為了滿(mǎn)足應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)外主要計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)投入了大量資金建立校準(zhǔn)系統(tǒng)，形成了場(chǎng)強(qiáng)的校準(zhǔn)能力，但是依然還存在很多問(wèn)題尚待研究，其中一個(gè)關(guān)鍵方向就是場(chǎng)強(qiáng)探頭的寬帶校準(zhǔn)技術(shù)。為滿(mǎn)足場(chǎng)強(qiáng)探頭寬帶校準(zhǔn)的需求，美國(guó)NIST研制了同心錐形TEM室用于探頭校準(zhǔn)，可以解決DC～40GHz寬頻帶掃頻場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)的問(wèn)題，是NIST開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)世界領(lǐng)先技術(shù)，到目前為止國(guó)際上其它校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)還沒(méi)有類(lèi)似的校準(zhǔn)裝置，直接相關(guān)的技術(shù)資料相對(duì)較少，但可以獲得錐形結(jié)構(gòu)腔體或波導(dǎo)的電磁波傳輸理論方面的研究情況。

錐形結(jié)構(gòu)傳輸線(xiàn)或波導(dǎo)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是美國(guó)S.A.schelkunoff[1-3]的球面波傳輸理論，文中在球坐標(biāo)系條件下，分析了TM，TE，TEM球面波在錐形波導(dǎo)或傳輸線(xiàn)中的傳輸特性。采用此種結(jié)構(gòu)的還有雙錐天線(xiàn)[4,5]，其區(qū)別在于雙錐天線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體夾角差較大，而錐形傳輸線(xiàn)內(nèi)外導(dǎo)體夾角差較小，其理論分析方法類(lèi)似，除此以外，球面波傳輸理論還常常被用于分析錐形波導(dǎo)的模式傳輸[6-8]并為設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2001年，美國(guó)NIST的Claude M.Weil等人研究了錐形和柱形同軸傳輸線(xiàn)截止模，在S.A.schelkunoff球面波傳輸理論基礎(chǔ)上，分別給出了傳輸線(xiàn)外錐半角度分別為10°，22.5°時(shí)，內(nèi)外錐夾角比與高階模歸一化截止波長(zhǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)[9]。當(dāng)內(nèi)外錐夾角比一定，隨著腔體空間變大高階模的截止頻率逐漸變低，可以發(fā)現(xiàn)錐形傳輸線(xiàn)的截止模是逐漸出現(xiàn)的。

通過(guò)對(duì)錐形TEM室理論的深入研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種用于寬帶場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)的同心錐形TEM室[10]，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)200MHz～40GHz頻段內(nèi)(1～200)V/m場(chǎng)強(qiáng)范圍的場(chǎng)強(qiáng)探頭頻率響應(yīng)、線(xiàn)性響應(yīng)、場(chǎng)強(qiáng)幅度范圍等參數(shù)的校準(zhǔn)能力。

2 同心錐形TEM室寬帶場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

同心錐TEM室寬帶場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。信號(hào)源產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功率放大器注入到同心錐形TEM室，并在同心錐形TEM室中形成穩(wěn)定的場(chǎng)強(qiáng)，連接到定向耦合器的功率計(jì)監(jiān)測(cè)注入信號(hào)的功率。內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)大小根據(jù)注入信號(hào)的功率和同心錐TEM室校準(zhǔn)區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸可以精確計(jì)算，將探頭放入已知場(chǎng)強(qiáng)中，與探頭相連接的場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視器檢測(cè)到此時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)值，根據(jù)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的差別，計(jì)算探頭的修正系數(shù)。同心錐形TEM室是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

圖1 同心錐TEM室場(chǎng)強(qiáng)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 Block diagram of co-conical TEM cell field strength calibration system

3 同心錐形TEM室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 同心錐形TEM室組成及功能

同心錐傳輸線(xiàn)類(lèi)似于同軸傳輸線(xiàn)，是采用軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的雙導(dǎo)體傳輸線(xiàn)，它由同軸饋電、阻抗匹配段、傳輸段、終端負(fù)載和吸波材料組成。同軸饋電為同心錐形TEM室提供輸入功率，阻抗匹配段將同軸導(dǎo)線(xiàn)50Ω特性阻抗變換到傳輸段特性阻抗，根據(jù)探頭校準(zhǔn)區(qū)域，設(shè)計(jì)傳輸段合適的內(nèi)外導(dǎo)體夾角及特性阻抗，終端負(fù)載及吸波材料用于吸收電磁波，降低整個(gè)系統(tǒng)的駐波損耗，最終在兩個(gè)同心導(dǎo)體之間的空腔內(nèi)產(chǎn)生均勻的TEM波，形成可計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)。本文重點(diǎn)對(duì)阻抗匹配段以及屏蔽門(mén)兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。

3.2 阻抗匹配段設(shè)計(jì)

為兼顧寬頻帶和盡量大的校準(zhǔn)測(cè)試區(qū)域，根據(jù)仿真分析，錐形傳輸段的特性阻抗設(shè)計(jì)為75Ω，為解決信號(hào)源50Ω和同心錐形TEM室之間的阻抗失配問(wèn)題，需要進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。

從機(jī)械加工角度來(lái)看，外表面加工難度低于內(nèi)表面加工難度，同時(shí)由于內(nèi)外錐起始段的尺寸非常小，這對(duì)外錐內(nèi)表面的機(jī)械加工提出了更高的要求，選擇內(nèi)錐角度漸變外錐角度不變是阻抗匹配設(shè)計(jì)方法中最容易實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)仿真分析，基于保證內(nèi)錐外表面和外錐內(nèi)表面精度的前提，對(duì)內(nèi)外錐以及兩者之間的支撐連接進(jìn)行了分段設(shè)計(jì)。阻抗匹配段主要由外錐、內(nèi)錐、PMI介質(zhì)支撐以及PEI介質(zhì)支撐組成。主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1)表面精度的保證

同心錐形TEM室的主要饋電表面為內(nèi)錐外表面和外錐內(nèi)表面，所以本文所設(shè)計(jì)的表面精度指的就是內(nèi)錐外表面和外錐內(nèi)表面的加工精度。理想條件下的內(nèi)外錐應(yīng)該整體加工，但受限于內(nèi)外錐起始段的毫米級(jí)尺寸和機(jī)械加工能力，采取了分段設(shè)計(jì)方法。這對(duì)加工精度和裝配精度都提出了較高要求。通過(guò)選擇合適的加工和裝配方法，可使內(nèi)錐體外表面表面粗糙度達(dá)到0.8μm，外錐體內(nèi)表面表面粗糙度達(dá)到1.6μm，內(nèi)外錐體段間配合精度達(dá)到0.01mm;

2)內(nèi)外錐定位支撐

傳統(tǒng)同軸線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的定位支撐通常采用開(kāi)槽和加裝低介電常數(shù)介質(zhì)支撐件的方式。同心錐形TEM室由于頻帶寬，開(kāi)槽會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，所以采取了不開(kāi)槽，利用介質(zhì)支撐的方式來(lái)定位。具體實(shí)現(xiàn)方式是：內(nèi)外錐通過(guò)PEI和PMI介質(zhì)支撐來(lái)定位。其中PEI介質(zhì)材料已廣泛應(yīng)用于K型連接器，PMI介質(zhì)材料是一種高性能聚甲基丙烯酰亞胺泡沫，其介電常數(shù)約為1.15，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示，密度為110kg/m3，力學(xué)性能以及機(jī)械加工性能均能滿(mǎn)足使用要求。不開(kāi)槽設(shè)計(jì)和低介電常數(shù)介質(zhì)支撐使得同心錐形TEM室實(shí)物性能與仿真結(jié)果能夠最大程度的吻合;

圖2 PMI介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖Fig.2 Relative permittivity test data of PMI

3)導(dǎo)電性能優(yōu)化

為提高同心錐形TEM室的導(dǎo)電性能，對(duì)錐體的選材和表面涂覆進(jìn)行了設(shè)計(jì)。已知銅的電阻率為1.75×10-8Ωm，僅次于銀。而其中鉛黃銅具有優(yōu)良的切削性能、耐磨性能和高強(qiáng)度，所以選擇其作為同心錐形TEM室阻抗匹配段的制造材料，同時(shí)為了提高材料的耐候性，對(duì)內(nèi)外錐進(jìn)行了表面涂覆處理。

后面將通過(guò)4.1節(jié)駐波比測(cè)試驗(yàn)證阻抗匹配段的設(shè)計(jì)及實(shí)物性能滿(mǎn)足使用要求。

3.3 屏蔽門(mén)設(shè)計(jì)

屏蔽門(mén)的作用是用于往腔體放置待測(cè)件以及取出待測(cè)件。傳統(tǒng)TEM室和GTEM室的腔體為平面結(jié)構(gòu)，而同心錐形TEM室的腔體為弧面結(jié)構(gòu)，所以傳統(tǒng)的屏蔽門(mén)無(wú)法緊密的安裝于同心錐形TEM室中，并且也無(wú)法貼合同心錐形TEM室的腔體內(nèi)壁，所以需要結(jié)合同心錐形TEM室外錐內(nèi)壁來(lái)設(shè)計(jì)合適的屏蔽門(mén)。

為滿(mǎn)足同心錐形TEM室寬頻段大動(dòng)態(tài)的要求，屏蔽門(mén)需要滿(mǎn)足屏蔽效能好和對(duì)同心錐形TEM室內(nèi)的電場(chǎng)影響盡量小的要求。

針對(duì)上述要求，在結(jié)構(gòu)上做了如下設(shè)計(jì)。

1)提高屏蔽效能

為提高屏蔽效能，從兩個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。一、安裝指形簧片，通過(guò)指形簧片的彈性可以使屏蔽門(mén)門(mén)芯和門(mén)框緊密貼合；二、通過(guò)控制加工誤差，盡量減小屏蔽門(mén)和外錐開(kāi)口的配合誤差；

2)減小對(duì)同心錐內(nèi)電場(chǎng)的影響

同心錐形TEM室要達(dá)到理想條件下的電場(chǎng)分布，需要內(nèi)外錐表面光滑連續(xù)，理論可行，實(shí)際無(wú)法實(shí)現(xiàn)只能無(wú)限接近。為盡量接近理想狀態(tài)，本文做了如下設(shè)計(jì)：一、減小屏蔽門(mén)的開(kāi)口尺寸；二、設(shè)計(jì)屏蔽門(mén)芯的弧面，保證關(guān)門(mén)后同心錐的外錐內(nèi)表面弧面連續(xù)；

3)便利性

為便于加工，摒棄了常規(guī)屏蔽門(mén)開(kāi)方形口的設(shè)計(jì)，而選擇在外錐上開(kāi)圓口，并相應(yīng)的設(shè)計(jì)了圓形屏蔽門(mén)芯(為方便裝配，屏蔽門(mén)的外框架設(shè)計(jì)為方形)。同時(shí)將屏蔽門(mén)設(shè)計(jì)成插拔式結(jié)構(gòu)，方便屏蔽門(mén)的開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

圖3 屏蔽門(mén)結(jié)構(gòu)模型圖Fig.3 Structural model of shield door

3.4 同心錐形TEM室實(shí)物

同心錐形TEM室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均是基于電磁仿真分析結(jié)果進(jìn)行開(kāi)展，同時(shí)對(duì)理想化的電磁仿真模型進(jìn)行可實(shí)現(xiàn)化設(shè)計(jì)，并反饋給電磁仿真，如此反復(fù)、不斷優(yōu)化，最終建成實(shí)物如圖4所示。

圖4 同心錐形TEM室實(shí)物圖Fig.4 Physical map of co-conical TEM cell

圖5 駐波比測(cè)試圖Fig.5 VSWR test chart

4 性能測(cè)試分析

4.1 駐波比測(cè)試

駐波比的產(chǎn)生，是由于入射波能量傳輸?shù)酵腻FTEM室輸入端未被全部吸收、產(chǎn)生反射波，疊加而形成的，駐波比越大，反射越大，匹配越差。駐波比測(cè)試結(jié)果如圖5所示，在200MHz～40GHz頻段內(nèi)駐波基本達(dá)到小于1.5的指標(biāo)，表明96%的能量潰入同心錐形TEM室內(nèi)，該項(xiàng)指標(biāo)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。

4.2 場(chǎng)強(qiáng)探頭動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

同心錐形TEM室可以對(duì)場(chǎng)強(qiáng)探頭的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行測(cè)試。場(chǎng)強(qiáng)探頭動(dòng)態(tài)范圍描述了場(chǎng)強(qiáng)探頭從低場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試到高場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試的響應(yīng)線(xiàn)性度，校準(zhǔn)因子能直觀(guān)反映線(xiàn)性度的好壞。動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果如圖6所示，滿(mǎn)足200MHz～40GHz內(nèi)(1～50)V/m，以及200MHz～18GHz和(18～40)GHz每頻段至少1個(gè)頻率點(diǎn)(1～200)V/m的要求，且動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試不確定度在1dB以?xún)?nèi)。

圖6 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)圖Fig.6 Dynamic range test result

4.3 場(chǎng)強(qiáng)探頭頻率響應(yīng)測(cè)試

場(chǎng)強(qiáng)探頭的頻率響應(yīng)測(cè)試要求在200MHz～40GHz區(qū)間內(nèi)選擇若干個(gè)點(diǎn)，且最低和最高工作頻率點(diǎn)為必校準(zhǔn)頻率點(diǎn)，測(cè)試指示值與標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)值的偏差，并以校準(zhǔn)因子反映場(chǎng)強(qiáng)探頭頻率響應(yīng)的優(yōu)劣。頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖7所示，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。

圖7 頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)圖Fig.7 Frequency response test result

5 結(jié)束語(yǔ)

基于同心錐形TEM室寬帶場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)系統(tǒng)上，對(duì)同心錐形TEM室的駐波比、動(dòng)態(tài)范圍以及頻率響應(yīng)等性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明同心錐形TEM室在寬頻帶、快速校準(zhǔn)等方面可以替代目前場(chǎng)強(qiáng)探頭校準(zhǔn)所采取的在不同頻段內(nèi)分別采用TEM室法、GTEM室法、基于角錐喇叭天線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)法等成本高、效率低、周期長(zhǎng)的方法，但在以下3個(gè)方面需要繼續(xù)攻關(guān)。

1)同心錐形TEM室內(nèi)探頭測(cè)試區(qū)不夠大，這給探頭的定位造成了一定的難度，需要對(duì)探頭測(cè)試區(qū)的大小以及位置進(jìn)行進(jìn)一步研究；

2)同心錐形TEM室內(nèi)探頭支撐方式簡(jiǎn)單，不利于不同類(lèi)型探頭的精確定位，需要對(duì)探頭的定位支撐方式做進(jìn)一步研究；

3)同心錐形TEM室內(nèi)外錐的定位主要靠機(jī)械加工精度保證，這對(duì)機(jī)械加工提出了更高的要求，后續(xù)需要研究如何協(xié)調(diào)加工精度和電性能的關(guān)系。