Расчет частотной характеристики ТЕМ-камеры

Для проведения испытаний электронных компонентов и систем на электромагнитную совместимость используют ТЕМ-камеры [1]. ТЕМ-камера состоит (рис. 1)из регулярного отрезка полосковой линии 1 , на входе и выходе которой включены пирамидальные переходы 2 и 3 .

Рис. 1. ТЕМ-камера для проведения испытаний на электромагнитную совместимость

Пирамидальные переходы служат для согласования геометрических размеров регулярной части ТЕМ-камеры с коаксиальными разъемами 4 , подключенными к генератору и нагрузке, и представляют собой линии передачи с непрерывно изменяющимися геометрическими размерами.

Объект испытаний 5 помещается в середину регулярной части ТЕМ-камеры, где электромагнитное поле имеет минимальную неравномерность и не содержит продольных составляющих. Генератор, пирамидальные переходы и согласованная нагрузка обеспечивают в регулярной части ТЕМ-камеры режим бегущей волны, которая имитирует электромагнитную волну в открытом пространстве.

Габариты ТЕМ-камеры зависят от размеров исследуемого объекта, что обусловлено требованиями, предъявляемыми к неравномерности электромагнитного поля в месте расположения исследуемого объекта [2].

В регулярной части ТЕМ-камеры при больших размерах поперечного сечения регулярной части и высоких частотах кроме основной волны распространяющимися могут быть и высшие типы волн [3], которые не проходят на ее вход и выход. Это обусловлено тем, что пирамидальные переходы представляют собой нерегулярные линии передачи с малыми геометрическими размерами поперечного сечения на одном конце, на котором для высших типов волн условия распространения не выполняются [4]. По- этому в таких нерегулярных линиях распространяющиеся высшие типы волн при их падении со стороны регулярной части ТЕМ-камеры не проходят на выход пирамидального перехода, а отражаются от критических сечений [5].

Как показали теоретические и экспериментальные исследования [6], при определенных условиях эти высшие типы волн могут вызватьпоявление резонансов на частотной характеристике ТЕМ-камеры. При возбуждении резонансов в ТЕМ-камере электромагнитное поле в регулярной части в месте расположения объекта испытаний становится неравномерным, и проведение достоверных испытаний на электромагнитную совместимость становится невозможным.

Целью работы является расчет частотной характеристики ТЕМ-камеры.

Расчет характеристик ТЕМ-камеры с использованием многомодовых матриц рассеяния

Внешние электрические характеристики ТЕМ-камеры при учете в ее регулярной части распространяющихся высших типов волн можно рассчитать, используя многомодовые матрицы рассеяния входящих в нее элементов.

При расчете частотных характеристик ТЕМ-камеру (рис. 1) можно представить в виде каскадно- го соединения трех многомодовых многополюсников (рис. 2), которые описывают внешние электри-

Рис. 2. Представление ТЕМ-камеры в виде каскадного соединения многомодовых многополюсников (M - число собственных распространяющихся типов волн)

Число входов у многополюсников определяется числом учитываемых типов волн.

При учете в регулярной части ТЕМ-камеры М собственных распространяющихся типов волн ее можно представить в виде многополюсника с 2М входами, многомодовая матрица рассеяния которого будет иметь вид [7]:

[ ^11 ]  [ S12 J

[ ^S 21 ]  [ ^S 22 ]

где [ S ii ] = [ S 22 ]

00...0

00...0

............

00...0

exp( - z Y 1 L )       0

0      exp( - z y ₂ L )

0           0       ... exp( - z у m L )

Y_z - постоянная распространения z -го типа волны в регулярной части, L – длина регулярной части ТЕМ-камеры.

В матрицах рассеяния пирамидальных переходов со сторон, подключенных к регулярной части, следует учитывать M распространяющихся собственных типов волн, а со сторон сечения с малыми геометрическими размерами – только один. В этом случае многомодовые матрицы рассеяния первого и второго пирамидальных переходов можно записать в виде:

[ ² S ] =

...

2 _S ( M 1)

2 (11)

^S 21

...

2 _S ( M 2)

2 (12) ^S 21

2 _S ( MM )

2(1 M ) ^S 21

	" 1 s r)	1 (11) S 12	1 (12) S 12       ..	1(1 M ) .     S 12
	1 (11) S 21	1 (11) S 22	1 (12) S 22      ..	1(1 M ) .     S 22
[ 1 S ]=	1 (21) S 21	1 (21) S 22	1 22 22        ..	1 (2 M ) .     S 22	,    (2)
	... 1 ( M 1) _ S 21	... 1 ( M 1) S 22	...         .. 1 ( M 2) 22          ..	.           ... 1( MM ) . S 22     _

2 (11) ^S 11

2 _{S 1} ( ₁ 21)

2 _{S 1} ( ₁ 12)

2 _{S 1} ( ₁ 22)

2 _S (1 M )

2 _S (2 M )

2 (11) ^S 12

2 (21) ^S 12

L = 8 м, L 2 = 8,45 м (рис. 1). ТЕМ-камера с такими размерами, предназначенная для проведения испытаний транспортных средств на электромагнитную совместимость, установлена в Дирекции по техническому развитию ОАО «АВТОВАЗ». Расчет частотной характеристики проводился в диапазоне частот от 0 до 30 МГц. В этом диапазоне частот в регулярной части распространяющимися являются 7 собственных типов волн [4]. Результаты расчета частотной зависимости выраженного в децибелах модуля коэффициента передачи ТЕМ-камерыпо основной моде 20log | S ₂⁽¹₁¹⁾ | при учете в ее регулярной части семи распространяющихся собственных типов волн приведены на рис. 3 а .

О

б)

Рис. 3. Рассчитанная (а) и экспериментально измеренная (б) частотные характеристики ТЕМ-камеры

Из представленной зависимости следует, что на частотах свыше 20 МГц в ТЕМ-камере наблюдаются резонансы. На этих резонансных частотах структура поля в регулярной части искажается, и результаты проведения испытаний на электромагнитную совместимость становятся недостоверными.

Представленные результаты расчета частотной характеристики коэффициента передачи ТЕМ-камеры подтверждаются проведенными экспериментальными измерениями частотной зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе ТЕМ-камеры [6]. Для этого на входе ТЕМ-камеры включался перестраиваемый по частоте генератор и измеритель коэффициента стоячей волны, а на выходе – согласованная нагрузка. На рис. 3б приведена экс- периментально измеренная частотная зависимость КСВ на входе ТЕМ-камеры.

Из представленных результатов следует, что экспериментально измеренные резонансные частоты совпадают с теоретически рассчитанными с погрешностью менее 3%, что подтверждает адекватность предложенной расчетной модели ТЕМ-камеры.

Заключение

Предложена методика расчета частотной характеристики ТЕМ-камеры с использованием многомодовой матрицы рассеяния при учете в ее регулярной части всех распространяющихся типов волн.

По рассчитанной частотной характеристике ТЕМ-камеры с указанными выше размерами выявлены ее резонансные частоты, численно равные 20, 25,8 и 29,6 МГц. На этих частотах электромагнитное поле в регулярной части становится неоднородным, что препятствует проведению испытаний на электромагнитную совместимость.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (“BRHE”, CRDF Project RUX0-014-SA-06) и Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 07-07-97601-р_офи, 06-07-08074-офи).