基于平行雙線結構的低頻場發生器設計

陳亮凡 吳鐘杰，3 趙李剛 王正斌*

（1.南京郵電大學 電子與光學工程學院、柔性電子學院, 南京 210023；2.南京洛侖電磁科技有限公司, 南京 211106；3.中國電信股份有限公司海南分公司, 海口 570105）

0 引 言

隨著電子信息產業的迅速發展，越來越多的電子設備會處在同一空間，引發各種電磁輻射和電磁干擾問題，電子設備的電磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）特性受到學界越來越多的關注[1-4]。射頻電磁場輻射抗擾度測試用來評價電氣、電子產品或系統抗電磁干擾的能力[5]，測試中需要根據頻率和場強要求使用不同場發生器天線，主要有對數周期天線、雙錐天線、棒狀天線或電場發生器來產生所需的電場強度[6-13]。

由于低頻段（10 kHz~200 MHz）時天線的輻射效率低、電壓駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)較高，因此低頻測試時大部分使用的是電場發生器。目前，電場發生器主要有電容式場發生器與傳輸線式場發生器。電容式場發生器一般為平行雙桿末端開路的結構，當平行導體的長度等于測試頻率對應波長的四分之一時會發生諧振，因此電容式場發生器工作帶寬受限。文獻[14]中的電容式場發生器可以在10 kHz~30 MHz的頻段產生50 V/m的場強，但由于尺寸原因，難以將其應用于大型電子產品的輻射抗擾度測試，且其覆蓋頻譜較窄，場強也較小。

傳輸線式電場發生器一般采用平行雙線傳輸線結構，末端的負載阻抗與傳輸線特性阻抗匹配，其工作頻率與場發生器天線的長度無關。本文基于平行雙線結構與傳輸線變壓器巴倫設計了一款傳輸線式電場發生器。電路負載選擇了耐高溫和耐高功率的無感陶瓷電阻，功率容量高達2 500 W。該場發生器能在10 kHz~100 MHz頻率范圍內產生高達200 V/m的電場強度，且場強分布均勻， 在其輸入端所測得的VSWR在整個工作頻率范圍內均小于1.9，可產生符合GJB 151B-2013標準[15]中RS103測試所需的電場強度，適用于大部分電子設備的輻射抗擾度試驗。

1 場發生器電路原理分析

本文設計中的電場發生器以平行雙線結構為主，電場主要分布在平行雙線之間，其等效電路如圖1所示。為了實現整個電路的寬帶阻抗匹配，平行雙線的特性阻抗要與負載匹配，同時也要與信號源輸入端口阻抗匹配。

圖1 電場發生器的電路原理圖Fig.1 Schematic of the electric field generator circuit

本文設計中的負載采用377 Ω的大功率陶磁電阻，因此，平行雙線的特性阻抗也應設計為377 Ω。對于均勻無耗平行雙線傳輸線，其特性阻抗可表示為[16]

式中：ε，μ 分別為傳輸線周圍媒質的介電常數和磁導率；D為雙線之間的距離；d為傳輸線單線的直徑。通過選擇適當的傳輸線結構參數，就可以實現平行雙線的特性阻抗為377 Ω，此時傳輸線之間的電磁波處于行波狀態，且有

2 傳輸線變壓器電路原理分析

由于場發生器的輸入端口阻抗一般為50 Ω，因此，在輸入端與平行雙線傳輸線之間需要一個50∶377的寬頻阻抗匹配網絡。同時，考慮到輸入端口一般為非平衡同軸線，而平行雙線為平衡電路，因此，匹配網絡還需要實現非平衡電路到平衡電路的轉換。本文設計采用傳輸線變壓器巴倫來實現上述功能，為便于制備，這里選擇阻抗比為1∶4的傳輸線變壓器巴倫。

傳輸線變壓器巴倫主要有兩種類型：一種是由Guanella 于1944年提出，利用傳輸線繞組形成阻塞模式，以減少平衡到不平衡應用中的干擾[17]；另一種是由Ruthoff于1959年提出，通過在傳輸線上形成正或負的電勢梯度來獲得寬帶變換[18]。Guanella式傳輸線變壓器結構是對稱的，有較好的平衡性。本文設計了阻抗比為1∶4的Guanella式傳輸線變壓器巴倫，如圖2所示。由于電路的對稱性，我們只需對其中一對傳輸線進行分析，其傳輸矩陣為

圖2 阻抗比為1∶4的Guanella式傳輸線變壓器巴倫電路模型Fig.2 Circuit model of Guanella-type 1∶4 impedance ratio transmission-line balun transformer

式中，Zc為磁芯繞組的特性阻抗。可得傳輸線變壓器輸入端輸入阻抗為

簡化得

當Zc=Zin/2時，Zi′n=Zin/4。因此對于圖2所示的傳輸線變壓器模型，當傳輸線的特性阻抗為負載的一半時，輸入端阻抗與負載阻抗之比為1∶4，且此時傳輸線變壓器中的傳輸線線長不會因頻率變化而影響阻抗比。

3 仿真分析

圖3所示為傳輸線式場發生器的三維模型圖，考慮到實際使用中大地對平行雙線的特性阻抗也有影響，在電場發生器的下方建立了無限大地的模型。實際使用中還有對電場極化方向不同的需求，所以該場發生器模型還仿真了天線旋轉支架對場分布的影響。三維模型中兩根黃色的平行線即為本文設計中的平行雙線傳輸線，材質設置為銅，長度為2 030 mm，直徑為100 mm，平行雙線間距為1 000 mm，雙線中心距離地面高1 000 mm，傳輸線兩端的矩形立柱內分別放置傳輸線變壓器巴倫和無感陶瓷電阻，整體呈矩形結構。信源輸入端與傳輸線變壓器巴倫相連，大功率射頻信號從50 Ω同軸端口輸入，通過傳輸線變壓器巴倫進行阻抗匹配和平衡轉換，再經過平行雙線傳輸到末端負載之中。負載由8個無感陶瓷電阻串并聯而成，其總阻抗值約為377 Ω，可耐受連續波功率高達2 500 W。

圖3 傳輸線式電場發生器三維模型圖Fig.3 3D model of the transmission line E-field generator

為了簡便研究與分析傳輸線式電場發生器的電場分布特性，在全波電磁仿真軟件中對該場發生器進行建模仿真，選取10 kHz、50 MHz、100 MHz作為仿真的測試頻率點。在距離傳輸線z= 1 m遠處設xOy觀察平面，大小為3 m × 2.5 m，如圖4所示。可以看出，當設置輸入功率為2 500 W時，在距離電場發生器設備中心1 m遠處的平面內，所有頻點均可以實現場強值超過50 V/m，且絕大部分區域甚至超過100 V/m。該傳輸線式電場發生器在大部分區域的電場分布較為均勻，且覆蓋區域較為廣闊，可以應用于較大尺寸電子設備的輻射抗擾度測試。

圖5進一步給出了當輸入功率為2 500 W時，在距離該場發生器中心z= 0.5 m遠處xOy觀察平面內的場強分布圖。可以看出，該傳輸線式電場發生器在10 kHz、50 MHz、100 MHz等頻點均可產生高達200 V/m的電場強度，且在很大區域范圍內場強分布均勻。該場強值能夠滿足絕大部分輻射抗擾度測試標準要求。

圖5 距離場發生器中心0.5 m遠處xOy平面內場強仿真分布圖Fig.5 E-field simulation distributions in the xOy plane 0.5 m away from the center of the E-field generator

4 實測結果

圖6為傳輸線式場發生器在測試現場的實物照片。其背后的旋轉支架可調整場發生器距離地面的高度、俯仰角度，以及xOy平面內的極化旋轉。圖7為該電場發生器在小信號輸入功率下的實測VSWR。可以看出，在10 kHz ~100 MHz的頻率范圍內VSWR均在1.9以下，說明該場發生器反射功率較小。

圖6 傳輸線式電場發生器實物測試圖Fig.6 Picture of transmission line E-field generator

圖7 傳輸線式電場發生器實測VSWRFig.7 Measured VSWR of transmission line E-field generator

圖8所示為距離場發生器中心1 m遠處場強探頭實際測量得到的電場強度隨頻率變化的曲線。可以看出，當輸入功率一定時，除了20 MHz頻點處場強較弱之外，該電場發生器在整個工作頻率范圍內均能產生較穩定的場強，其主要原因可能是20 MHz時產生了諧振吸收。當輸入功率大于1 000 W時，所有頻點都能產生大于50 V/m的場強；當輸入功率為2 000 W時，20 MHz頻點附近場強為70.2 V/m，其他頻點處場強基本上都大于100 V/m。

圖8 距離場發生器1 m遠處的場強測試曲線Fig.8 Measured E-field strength at a distance of 1 m from the center of distance generator

圖9進一步給出了該場發生器天線在距離中心0.5 m遠處的場強測量值。可以看出，要產生50 V/m的電場強度，輸入功率只需要在100 W左右；而當要產生大于150 V/m的場強時，在10 kHz頻點處所需輸入的功率遠大于其他頻點，這主要是因為在低頻點處發生了磁飽和，等效電感值下降所引起。當輸入功率接近2 500 W時，所有頻點處均可產生大于200 V/m的場強，能夠滿足國內外電磁發射和敏感度測試標準。

圖9 距離場發生器0.5 m遠處的場強測試曲線Fig.9 Measured E field strength at a distance of 0.5 m from the center of distance generator

5 結 論

本文介紹了一種傳輸線式電場發生器的電路結構和設計原理。為了在較寬的頻率范圍內實現阻抗匹配和非平衡轉平衡電路，采用了阻抗變換比為1∶4的Guanella型傳輸線變壓器巴倫，其結構簡單，能夠實現更好的阻抗變換，使得場發生器天線的VSWR性能更優。全波仿真分析了該場發生器的電場分布特性，然后設計與加工了一款低頻傳輸線式電場發生器，其在10 kHz~100 MHz的頻域范圍內能夠實現VSWR均小于1.9，在距其中心0.5 m遠處可產生高達200 V/m的場強，而在1 m遠處亦可產生大于50 V/m的場強，在較廣的區域內場強分布均勻，能夠滿足許多大型電子設備輻射抗擾度試驗的需求。