基于TEM室的微波功率器件電磁兼容測試技術?

任 翔 馬帥帥 李 靜 肖苗苗 程婷婷

（航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

隨著無線通信的高速發展，功率器件在無線通信發射系統中占據著極為重要的地位。如功率放大器在現代無線發射系統中已經不再是單一地具有信號功率放大作用，它同時擔負多種控制、檢測和多重保護功能，因此，功率放大器等大功率器件的電磁兼容性設計成為無線發射系統中一個至關重要的問題。

功率器件在工作時，會向周圍環境輻射電磁能量，可能對其他設備的正常工作產生干擾，比如影響天線的接收等工作，造成電磁污染；同時器件本身也可能受到周圍電磁環境的干擾。電磁環境取決于該環境內的電磁場強度，由于周圍建筑物和鄰近其他設備的影響會使電磁波反射或失真，若沒有合適的方法，場強很難測量，也很難用經典公式或方程式來計算。

電磁兼容測試是驗證電磁兼容設計合理性及最終評價電子設備質量的手段，測試的項目包括輻射測試和敏感度（或抗干擾）測試兩大類。測試必須在規定的場地進行，一般要求在開闊場地或者屏蔽室中進行。開闊場地對環境的要求相對比較高，而屏蔽室內干擾信號會經過漫反射形成駐波，進而產生較大測量誤差。為了研究能夠取代開闊場地的電磁兼容測試方法，提出橫電磁波傳輸室（TEM室）測試。

本文將重點圍繞TEM室的設計方法、輻射發射測試方法和抗擾度測試方法等方面介紹基于TEM室的微波功率器件電磁兼容測試方法。

2 國內外現狀及發展趨勢

2.1 國內外研究現狀

1974年美國國家標準局（NBS）的專家M.L.Crawford首先系統地論述了橫電磁波傳輸室（TEM室），它的基本原理是在室內的內、外導體板間產生一橫向電磁波［1～2］。80年代國外出現了非對稱TEM室，它擴大了放置被測件的空間。除可作為電磁場計量標準外、還廣泛用于檢測各種電子設備（接收機、發射機，天線、計算機甚至家電產品等）的性能以及電磁干擾和電磁兼容測試設備。90年代國外出現了30cm尺寸的TEM小磁場室，專門用于移動通訊設備的測試。同期我國自行開發了一種HTY型TEM屏蔽室，與國外同類產品相比具有很多改進，如：加強外殼強度，內導體板采用最佳尺寸并擴大不對稱度（電場更接近理論值），改變頂蓋孔數目和尺寸（改善屏蔽度）等［3～7］。

1993年在瑞士召開的第10次電磁兼容大會上，由Frank B.J.Ceferink提出了一種新型的電磁波傳輸室，稱之為三導體橫電磁波傳輸室（T-TEM室），這種新型的裝置較之傳統的TEM室，通過加裝一塊垂直芯板，修正測試臺實現受試設備的轉動，能夠在橫截面上提供兩個方向的極化電磁場，克服了傳統的TEM室只能產生單個方向的極化電磁場的缺點。同年，Carbonini研究了為降低被測件（DUT）與內導體耦合，減弱高次模影響的效果，TEM小室內導體采用金屬線列結構。1996年，R Lorch，GMonich提出在TEM小室兩楔型端加裝吸波材料以抑制諧振的方法。1998年，K.Ishihara和M.Tokuda等采用具有縱向走線的簡易印制電路板代替小室的芯板，抑制橫向電流，從而抑制縱向磁場分量［8～11］。

2007年四川大學的曾曉勇等設計了一種用于微波化學實驗的新型TEM室，新型TEM室外導體橫截面采用側邊向內凹的矩形，內導體為帶狀線，截止頻率為1GHz以上。有效工作區域場強最大值是425.8V/m，最小值是373.5V/m，場強的峰值起伏在10%以內。新型TEM室的截止頻率，以及截止頻率以下的均勻性都比常規TEM室要好，能夠滿足化學實驗機理研究的需要。

目前能查詢到的TEM指標參數如下：

中國計量科學研究院 GTEM小室10MHz～1GHz

北京防化研究院 TEM小室10kHz～300MHz美國NISTTEM小室10kHz～300MHz

美國narda公司TEM小室10MHz～1000MHz英國NPL TEM小室50kHz～2.44GHz

意大利PMM公司 TEM小室100kHz～30MHz，TEM小室 30MHz～1000MHz

2.2 發展趨勢

TEM小室本質上是變異的同軸線，主傳輸線段為矩形，兩端錐形過渡，通過同軸接頭與同軸電纜相連接。TEM小室內主要的高次模是TE模，存在著縱向場分量。受兩端錐形結構影響，當工作頻率高于高次模最低模式的截止頻率時，小室內會產生高次模。高次模存在縱向場分量，破壞了TEM小室場分布的均勻性，影響了測量結果的可靠性。因此，提高高次模的截止頻率，對擴寬小室的適用范圍有重大的意義［12～13］。

3 技術方法

微波功率器件電磁兼容測試主要包括輻射發射及抗擾度測試，下面將重點闡述TEM室的設計方法、輻射發射測試方法和抗擾度測試方法。

3.1 TEM室設計

TEM室的設計可以分為端口反射系數、TEM的特性阻抗和兩個端口的傳輸系數設計。

3.1.1 端口反射系數

端口反射系數主要是由于同軸線線纜到TEM室的突變引起的，為了降低突變引起端口反射系數的增大，通常將TEM室漸變部分設計為如圖1所示的結構。

圖1 TEM室漸變部分示意圖

圖2 內導體結構示意圖

在實際的設計過程中，利用HFSS仿真軟件優化內導體尺寸l1和l2（如圖2所示），便可以得到很好的端口反射系數。除此之外，為了在實際的加工裝配時使N型接頭和TEM室的內導體接觸良好，將內導體的區域1位置開一圓形凹槽便于N型接頭插入內導體的內部，如圖2右所示。

3.1.2 TEM室的特性阻抗

一般情況下使用的傳輸線的特性阻抗為50Ω，即N型接頭的特性阻抗為50Ω。阻抗匹配在微波領域具有重要的意義，因此也需要將TEM室的特性阻抗設計為50Ω。在仿真設計的時候，為了使TEM室的阻抗也達到50Ω，需要優化內導體的寬度w，通過HFSS的仿真優化，最終將特性阻抗優化到50Ω附近。

圖3 TEM室半截面結構示意圖

3.1.3 兩個端口的傳輸系數

對于一個傳輸系統來說，優良的傳輸性能是系統有效工作的前提，對于TEM室來說，良好的端口傳輸系數S21顯得十分重要，在實際工程中通過優化TEM室的傳輸長度l3（如圖4所示），得到良好的端口傳輸系數S21。

圖4 TEM室結構示意圖

3.2 輻射發射測試方法

圖5 微波功率器件輻射發射測試方法圖

電磁干擾輻射發射測試在TEM小室內進行，此時小室內芯板和底板就代替暗室測試中的天線，接收待測件工作過程中產生的輻射干擾。TEM小室通過干擾接收機測試待測件工作過程中電磁干擾的輻射發射情況，再通過測試設備（頻譜分析儀、功率計）得到待測件輻射發射的測試結果。但存在一個在TEM小室中的測試結果和開闊場或電波暗室測試結果的比對問題，需要經過多次的測試比對從中找出規律，進行必要的修正。另外，待測件在TEM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，也是導致測試結果不同的關鍵因素。

3.3 抗擾度測試方法

在對微波功率器件進行抗擾度參數的測試時，可以利用TEM室作為干擾源，用TEM室產生的電場強度要遠大于普通天線產生的場強，用比較小的功率放大器可以產生很強的電場。當信號源經過放大后注入到TEM室的一端，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視探頭監測場強，通過控制信號源以一定的步長進行輻射場的頻率掃描，利用測試設備觀測待測件在電磁場干擾下的工作情況。

圖6 微波功率器件抗擾度測試方法圖

4 結語

TEM室是一種能產生均勻、標準電磁場的電磁兼容試驗設備，可用于電磁場輻射發射測試和輻射敏感度測試。因為TEM室中傳播的電磁波的電場和磁場強度之間有著固定的比例，并且TEM室中產生的電場和磁場的強度還與饋入傳輸室的微波功率或端電壓存在固定關系，很容易計算并控制輸入功率的大小。傳輸室中的能量受到外圍壁板的屏蔽作用，不會散失到TEM室的外部，從而避免了對外界空間產生電磁污染，同時降低了對信號源功率的要求。傳輸室內沿電磁波傳播方向上的場強的均勻性比較好，利用不大的試驗場地和少量的試驗設備就能在傳輸室所覆蓋的寬頻率范圍內對小的受試設備進行試驗。本文從TEM室的設計方法、輻射發射測試方法和抗擾度測試方法等方面介紹了基于TEM室的微波功率器件電磁兼容測試方法，該測試方法具有結構封閉、抗干擾能力強、成本低廉、操作方便等優點，可對微波功率器件的輻射發射及抗干擾度進行表征。