GTEM小室在EMC試驗(yàn)中的應(yīng)用！

一、GTEM概述

        Transverse Electro Magnetic (TEM) Mode 指的是電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(cè)試的測(cè)試環(huán)境，除了常用的電波暗室，國(guó)際電工委員會(huì)IEC還規(guī)定了基于TEM的測(cè)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(duì)應(yīng)的國(guó)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(yàn)。

二、GTEM的原理

         GTEM可看成是：為容下被測(cè)對(duì)象，將50Ω同軸電纜進(jìn)行空間上的擴(kuò)展。同軸電纜的芯線被擴(kuò)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(jì)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(duì)稱矩形傳輸線原理設(shè)計(jì)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(jì)成尖錐形，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(chǎng)區(qū)。為了使球面波(嚴(yán)格地說(shuō)，由 N型接頭向 GTEM小室傳播的是球面波，但由于所設(shè)計(jì)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(wú)反射終端。GTEM小室的端面還貼有吸波材料，用它對(duì)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(gè)均勻場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試區(qū)域。試驗(yàn)時(shí)，試品被置于測(cè)試區(qū)中，為了做到不因試品置入而過(guò)于影響場(chǎng)的均勻性，試品以不超過(guò)芯板和底板之間距離的1/3高度為宜。

GTEM小室中的電場(chǎng)強(qiáng)度與從 N型接頭輸入信號(hào)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(duì)底板的電壓與 N型接頭的信號(hào)輸入功率之間的關(guān)系滿足 V =(RP)1/2 =(50P)1/2故場(chǎng)強(qiáng) E =(50P)1/2 / h 如考慮實(shí)測(cè)值與理論值之間的差異，上式還應(yīng)乘一個(gè)系數(shù) k，因此實(shí)際的電場(chǎng)強(qiáng)度是

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

        從上式可見(jiàn)，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(chǎng)強(qiáng);若產(chǎn)生同相的場(chǎng)強(qiáng)，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(duì)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(hào)輸入功率，就可以得到足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度。注意，試品的高度不能超過(guò)選定位置芯板與底板間距的 1/3。

GTEM基本結(jié)構(gòu)示意圖

GTEM設(shè)備范例照片

三、 GTEM小室在電磁兼容測(cè)試中的應(yīng)用

         作為替代戶外開(kāi)闊場(chǎng)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(jià)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(lái)的新型電磁兼容測(cè)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(chǎng)區(qū)較大，尤其可貴的是小室本身與其配套設(shè)備的總價(jià)不算過(guò)于昂貴，能為大多數(shù)企業(yè)所接受。因此 GTEM小室國(guó)內(nèi)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，成為企業(yè)對(duì)于外型尺寸不算太大的設(shè)備開(kāi)展射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)的優(yōu)選方案。

3.1 射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)

采用 GTEM小室做射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：

         GTEM產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于天線產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，所以用比較小的射頻功率放大器可以產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，使得整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的價(jià)格大大降低。這對(duì)尺寸不太大的設(shè)備來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常好的射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)方案。

GTEM小室做射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)不需要用天線，所以可方便地用于自動(dòng)測(cè)試，大大減少了測(cè)試時(shí)間，也降低了對(duì)試驗(yàn)人員的技術(shù)要求。

        當(dāng)信號(hào)源經(jīng)過(guò)放大后注入到 GTEM小室的一端(通過(guò) N型同軸接頭)，就能在芯板和底板之間形成很強(qiáng)的均勻電磁場(chǎng)，放置在被測(cè)件附近的電場(chǎng)監(jiān)視探頭監(jiān)測(cè)此場(chǎng)強(qiáng)，再經(jīng)由計(jì)算機(jī)得到輸入功率值，直接調(diào)節(jié)信號(hào)源以求達(dá)到所需求的場(chǎng)強(qiáng)值。測(cè)控軟件控制信號(hào)源以一定的步長(zhǎng)進(jìn)行輻射場(chǎng)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(huà)出，試驗(yàn)人員在 GTEM小室外通過(guò)監(jiān)視器)觀測(cè)試品在射頻電磁場(chǎng)干擾下的工作情況。

操作方法：

①將試品及場(chǎng)探頭置于 GTEM小室內(nèi);

②外接信號(hào)源，通過(guò)功率放大器，在 GTEM小室內(nèi)建立均勻電場(chǎng);

③確定測(cè)試頻率范圍及調(diào)制方法和調(diào)制深度;

④調(diào)整信號(hào)源輸出電平(注意，切勿超過(guò)功率放大器允許的*大輸入電平);

⑤通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視計(jì)監(jiān)測(cè) GTEM小室的場(chǎng)強(qiáng)，使之達(dá)到所需的強(qiáng)度;

⑥重復(fù)③～⑤步驟，觀測(cè)確定被試品的電磁輻射敏感度。

GTEM輻射抗干擾測(cè)試系統(tǒng)

3.2 輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

        試品的電磁騷擾輻射發(fā)射值測(cè)試在理論上也能在 GTEM小室內(nèi)進(jìn)行，這時(shí)小室內(nèi)芯板和底板就代替暗室測(cè)試中的天線接收試品工作過(guò)程中產(chǎn)生的輻射騷擾。GTEM小室的 N型接頭接干擾接收機(jī)，通過(guò)干擾接收機(jī)便能測(cè)試試品工作過(guò)程中電磁騷擾的輻射發(fā)射情況。再通過(guò)計(jì)算機(jī)和處理軟件，以定出試品輻射發(fā)射的測(cè)試結(jié)果。注意，這里存在一個(gè)在 GTEM小室中的測(cè)試結(jié)果和開(kāi)闊場(chǎng)或電波暗室測(cè)試結(jié)果的比對(duì)問(wèn)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(cè)試軟件所要解決的問(wèn)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(duì)距離的不同，也將是導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不同的關(guān)鍵因素，試驗(yàn)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(yàn)的操作方法如下：

①將被試品置于 GTEM小室內(nèi);

②外接干擾接收機(jī)，接收試品的輻射騷擾電平輸出;

③根據(jù)測(cè)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;

④干擾接收機(jī)測(cè)試被試品的輻射騷擾電平值;

⑤通過(guò)計(jì)算機(jī)及軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到*終測(cè)試結(jié)果。

          注意，用 GTEM小室無(wú)論是做射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)，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(yàn)，都有一個(gè)極化問(wèn)題(在開(kāi)闊場(chǎng)和電波暗室中做測(cè)試，是通過(guò)改變擺放天線的方向來(lái)實(shí)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(chǎng)的極化方向，只能通過(guò)人為地改變?cè)嚻废鄬?duì)芯板和底板的擺放方向來(lái)實(shí)現(xiàn)了。

GTEM輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)