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GTEM小室在EMC試驗中的應(yīng)用

來源:蘇州威銳科電子有限公司   2024年09月09日 09:50  

一、GTEM概述

  Transverse Electro Magnetic (TEM) Mode 指的是電場和磁場在傳輸方向上的分量遠(yuǎn)小于在橫向截面上的主分量的波導(dǎo)模式,稱作:橫電磁波模式。Gigahertz Transverse Electro Magnetic(GTEM)則是一種頻率可達(dá)20GHz的單端口的封閉式波導(dǎo)。

  業(yè)內(nèi)作為輻射發(fā)射和輻射抗擾度測試的測試環(huán)境,除了常用的電波暗室,國際電工委員會IEC還規(guī)定了基于TEM的測試方法,也就是IEC 61000-4-20: Electromagnetic compatibility (EMC) -Part 4-20:Testing and measurement techniques - Emission and immunity testing intransverse electromagnetic (TEM) waveguides,對應(yīng)的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 17626.20 橫電磁波(TEM) 波導(dǎo)中的發(fā)射和抗擾度試驗。

二、GTEM的原理

  GTEM可看成是:為容下被測對象,將50Ω同軸電纜進(jìn)行空間上的擴展。同軸電纜的芯線被擴展為GTEM小室的內(nèi)導(dǎo)體芯板,同軸電纜的外皮被做成GTEM小室的外殼。GTEM小室內(nèi)部的特性阻抗仍然被設(shè)計成50Ω,為了減小輸入的電磁波在內(nèi)部腔體的末端產(chǎn)生反射,把芯板的末端接到了寬帶的匹配負(fù)載板上,在腔體的末端還安放了吸波材料以便將發(fā)射到末端的電磁波吸收。

  GTEM小室是根據(jù)同軸及非對稱矩形傳輸線原理設(shè)計而成的設(shè)備。為避免內(nèi)部電磁波的反射和諧振,GTEM小室在外形上被設(shè)計成尖形,其輸入端采用 N型同軸接頭,隨后中心導(dǎo)體展平成為一塊扇形板,稱為芯板。在小室的芯板和底板之間形成矩形均勻場區(qū)。為了使球面波(嚴(yán)格地說,由 N型接頭向 GTEM小室傳播的是球面波,但由于所設(shè)計的張角很小,因而該球面波近似于平面波)從輸入端到負(fù)載端有良好的傳輸特性,芯板的終端因采用了分布式電阻匹配網(wǎng)絡(luò),從而成為無反射終端。GTEM小室的端面還貼有吸波材料,用它對優(yōu)異頻率的電磁波作進(jìn)一步吸收。因此在小室的芯板和底板之間產(chǎn)生了一個均勻場強的測試區(qū)域。試驗時,試品被置于測試區(qū)中,為了做到不因試品置入而過于影響場的均勻性,試品以不超過芯板和底板之間距離的1/3高度為宜。

  GTEM小室中的電場強度與從 N型接頭輸入信號電壓 V成正比,與芯板距底板垂直距離 h成反比: E = V/h 在 50?匹配的系統(tǒng)里,芯板對底板的電壓與 N型接頭的信號輸入功率之間的關(guān)系滿足 V =(RP)1/2 =(50P)1/2故場強 E =(50P)1/2 / h 如考慮實測值與理論值之間的差異,上式還應(yīng)乘一個系數(shù) k,因此實際的電場強度是

  E = k(50P)1/2 / h

  從上式可見,若在 GTEM小室注入同樣的功率,芯板的位置距底板的距離越近(h值越小),則可獲得較大的場強;若產(chǎn)生同相的場強,較大空間處( h值越大)需要的輸入功亦較大。

  上述結(jié)論表明,對于較小的試品,我們可以把試品放在 GTEM小室中比較靠前的位置,這樣用比較小的信號輸入功率,就可以得到足夠高的電場強度。注意,試品的高度不能超過選定位置芯板與底板間距的 1/3。

  

GTEM小室基本結(jié)構(gòu)示意圖

GTEM基本結(jié)構(gòu)示意圖

GTEM小室

GTEM小室

三、 GTEM小室在電磁兼容測試中的應(yīng)用

  作為替代戶外開闊場而建立的電波暗室,因其性能完善而獲得了廣泛的應(yīng)用,但由于造價和必須配備的設(shè)備昂貴,阻礙了它向中小企業(yè)的發(fā)展。這里介紹的 GETM小室又稱吉赫芝(GHz)橫電磁波室則是近十幾年才發(fā)展起來的新型電磁兼容測試設(shè)備,它的工作頻率范圍可以從直流至數(shù) GHz以上,內(nèi)部可用場區(qū)較大,尤其可貴的是小室本身與其配套設(shè)備的總價不算過于昂貴,能為大多數(shù)企業(yè)所接受。因此 GTEM小室國內(nèi)取得了長足發(fā)展,成為企業(yè)對于外型尺寸不算太大的設(shè)備開展射頻輻射電磁場抗擾度試驗的優(yōu)選方案。

  3.1 射頻輻射電磁場抗擾度試驗

  采用 GTEM小室做射頻輻射電磁場抗擾度試驗的優(yōu)點:

  GTEM產(chǎn)生的電場強度要遠(yuǎn)大于天線產(chǎn)生的場強,所以用比較小的射頻功率放大器可以產(chǎn)生很強的電場,使得整個測試系統(tǒng)的價格大大降低。這對尺寸不太大的設(shè)備來說,是一個非常好的射頻輻射電磁場抗擾度試驗方案。

  GTEM小室做射頻輻射電磁場抗擾度試驗不需要用天線,所以可方便地用于自動測試,大大減少了測試時間,也降低了對試驗人員的技術(shù)要求。

  當(dāng)信號源經(jīng)過放大后注入到 GTEM小室的一端(通過 N型同軸接頭),就能在芯板和底板之間形成很強的均勻電磁場,放置在被測件附近的電場監(jiān)視探頭監(jiān)測此場強,再經(jīng)由計算機得到輸入功率值,直接調(diào)節(jié)信號源以求達(dá)到所需求的場強值。測控軟件控制信號源以一定的步長進(jìn)行輻射場的頻率掃描。另有視頻監(jiān)視器(攝像頭安裝在 GTEM小室里面,圖 4中未畫出,試驗人員在 GTEM小室外通過監(jiān)視器)觀測試品在射頻電磁場干擾下的工作情況。

  操作方法:

 ?、賹⒃嚻芳皥鎏筋^置于 GTEM小室內(nèi);

 ?、谕饨有盘栐?,通過功率放大器,在 GTEM小室內(nèi)建立均勻電場;

 ?、鄞_定測試頻率范圍及調(diào)制方法和調(diào)制深度;

 ?、苷{(diào)整信號源輸出電平(注意,切勿超過功率放大器允許的*大輸入電平);

  ⑤通過場強監(jiān)視計監(jiān)測 GTEM小室的場強,使之達(dá)到所需的強度;

  ⑥重復(fù)③~⑤步驟,觀測確定被試品的電磁輻射敏感度。

  GTEM輻射抗干擾測試系統(tǒng)

GTEM輻射抗干擾測試系統(tǒng)

  3.2 輻射發(fā)射測試系統(tǒng)

  試品的電磁騷擾輻射發(fā)射值測試在理論上也能在 GTEM小室內(nèi)進(jìn)行,這時小室內(nèi)芯板和底板就代替暗室測試中的天線接收試品工作過程中產(chǎn)生的輻射騷擾。GTEM小室的 N型接頭接干擾接收機,通過干擾接收機便能測試試品工作過程中電磁騷擾的輻射發(fā)射情況。再通過計算機和處理軟件,以定出試品輻射發(fā)射的測試結(jié)果。注意,這里存在一個在 GTEM小室中的測試結(jié)果和開闊場或電波暗室測試結(jié)果的比對問題,從中找出規(guī)律(建立數(shù)學(xué)模型),進(jìn)行必要的修正,而這也正是 GTEM小室測試軟件所要解決的問題。另外,試品在GTEM小室中擺放的位置不同,造成芯板與底板之間相對距離的不同,也將是導(dǎo)致測試結(jié)果不同的關(guān)鍵因素,試驗人員務(wù)必給以充分注意。

  在 GTEM小室內(nèi)做試品電磁騷擾輻射發(fā)射試驗的操作方法如下:

 ?、賹⒈辉嚻分糜?GTEM小室內(nèi);

 ?、谕饨痈蓴_接收機,接收試品的輻射騷擾電平輸出;

 ?、鄹鶕?jù)測試標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置掃描頻率的范圍和檢波方式及分辨率帶寬;

 ?、芨蓴_接收機測試被試品的輻射騷擾電平值;

  ⑤通過計算機及軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到最終測試結(jié)果。

  注意,用 GTEM小室無論是做射頻輻射電磁場抗擾度試驗,還是做試品本身工作中所產(chǎn)生的輻射電磁騷擾的發(fā)射試驗,都有一個極化問題(在開闊場和電波暗室中做測試,是通過改變擺放天線的方向來實現(xiàn)的)。在 GTEM小室里的芯板和底板扮演了天線的角色,它們的位置是不能變化的,因此要想改變電場的極化方向,只能通過人為地改變試品相對芯板和底板的擺放方向來實現(xiàn)了。

GTEM輻射發(fā)射測試系統(tǒng)

GTEM輻射發(fā)射測試系統(tǒng)

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