GTEM Cell臨界頻率和高階模成因的研究.pdf

1、吉赫茲橫電磁波傳輸室(GTEM cell)作為一種替代開闊場和電波暗室的測試設(shè)備，在電磁兼容輻射敏感度測試和輻射發(fā)射測試中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于GTEM cell內(nèi)部存在不連續(xù)和突變結(jié)構(gòu)會激勵(lì)高階模，限制了它的工作上限頻率和有效測試區(qū)域的大小。
　　為了提高GTEM cell的性能，本論文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模擬仿真等方法，一方面以本實(shí)驗(yàn)室2.5米長GTEM cell作為參考，研究復(fù)合終端參數(shù)配置對臨界頻率點(diǎn)反射系數(shù)的影響

2、，對GTEM cell的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化;另一方面研究了GTEM cell內(nèi)部高階TM模和TE模的成因，為GTEM cell的設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用提供重要指導(dǎo)。
　　根據(jù)同軸傳輸/反射法原理設(shè)計(jì)了一套空氣同軸線測試夾具。使用該測試裝置對膠木、聚四氟乙烯和有機(jī)玻璃等材料進(jìn)行了測試分析，并比較了非磁性材料復(fù)介電常數(shù)的三種算法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣長度為試樣中電磁波半波長的整數(shù)倍時(shí)，使用特性阻抗法和NRW法得到的介電常數(shù)在對應(yīng)頻率點(diǎn)處會產(chǎn)生巨大發(fā)散，而使

3、用傳播常數(shù)法計(jì)算的復(fù)介電常數(shù)不受測試試樣厚度諧振問題的影響。研究了傳播常數(shù)法中導(dǎo)致傳播常數(shù)出現(xiàn)多值問題的根源，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣長度為試樣中電磁波半波長的奇數(shù)倍時(shí)，需要對傳播常數(shù)的虛部進(jìn)行修正，并給出了虛部修正時(shí)對應(yīng)的臨界頻率點(diǎn)。對GTEM cell常用角錐泡沫吸波材料的復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)角錐泡沫吸波材料介電常數(shù)存在非均勻性。
　　提出了一種基于有限積分技術(shù)的吸波材料反射率的建模仿真方法，使用該方法對電磁兼容吸波材料鐵氧體瓦和

4、角錐泡沫吸波材料的反射率進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，對于無孔鐵氧體瓦，仿真得到的反射率與產(chǎn)品提供的反射率相比僅在極值點(diǎn)處相差15dB。對于中心開孔的鐵氧體瓦，由于測試過程中片與片之間存在縫隙，仿真結(jié)果略優(yōu)于實(shí)測結(jié)果。對于角錐泡沫吸波材料，實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果在100MHz～350MHz范圍內(nèi)重合較好，在350 MHz～600MHz頻率范圍內(nèi)最大偏差為10dB。
　　通過對GTEM cell進(jìn)行三維實(shí)體建模，研究了電阻網(wǎng)板和角錐泡沫吸波材料

5、的幾何參數(shù)對臨界頻率點(diǎn)反射系數(shù)的影響。研究結(jié)果顯示，增加電阻網(wǎng)板的列數(shù)和降低電阻網(wǎng)板的行數(shù)能夠降低端口的反射系數(shù);增加底座高比增加角錐高對降低反射系數(shù)的效果更顯著。使用一階德拜模型研究了吸波材料電磁參數(shù)對端口反射系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)增加吸波材料的靜態(tài)介電常數(shù)能夠降低反射系數(shù);而增加弛豫時(shí)間會提高吸波材料高頻段的反射。本文還對電磁參數(shù)測試過程中發(fā)現(xiàn)的吸波材料電磁參數(shù)不均勻的問題進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，對于同一批角錐泡沫吸波材料，將

6、介電常數(shù)較大的吸波材料安裝在芯板附近對降低GTEM cell臨界頻率點(diǎn)反射系數(shù)更有效;對于單塊吸波材料，增加角錐部分介電常數(shù)比增加底座部分介電常數(shù)對降低反射系數(shù)更有效。分析了復(fù)合終端參數(shù)對臨界頻率點(diǎn)的影響，并對復(fù)合終端參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)吸波材料總高度與電阻網(wǎng)板最前端到后端板的距離相等時(shí)，臨界頻率點(diǎn)的反射系數(shù)最小;還發(fā)現(xiàn)吸波材料的靜態(tài)介電常數(shù)并不是越大越好，而是存在一個(gè)范圍，使得GTEM cell反射系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)達(dá)到阻抗匹配的

7、要求。
　　使用數(shù)值仿真方法研究了空載GTEM cell沿縱向不同位置參考點(diǎn)電場的垂直分量和縱向分量值，發(fā)現(xiàn)距離復(fù)合終端越遠(yuǎn)的參考點(diǎn)去耦合效應(yīng)越強(qiáng)，表明電阻網(wǎng)板是GTEMcell內(nèi)部TM模的激勵(lì)源。通過比較加載受試設(shè)備(EUT)前后場強(qiáng)值的變化，發(fā)現(xiàn)空載GTEM cell歸一化電場垂直分量在有效測試區(qū)內(nèi)的變化范圍小于±3dB，而加載受試設(shè)備后的變化范圍超過±3dB，還發(fā)現(xiàn)參考點(diǎn)磁場縱向分量在相應(yīng)橫截面TE10模截止頻率點(diǎn)處顯著增加