Design of low-frequency electric field generator based on parallel-line transmission structures
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摘要:
针对电磁辐射抗扰度测试天线在低频时辐射效率低、体积大、难以生成高电场强度的问题，设计了一款平行双线传输线电场发生器。该场发生器输入端使用阻抗比为1∶4的传输线变压器巴伦，实现了输入端与负载的阻抗匹配，以及非平衡端转化为平衡端；为保证场发生器电气性能的稳定性和可靠性，平行双线传输线采用直径为100 mm的铜管，负载采用耐大功率的无感陶磁电阻，能够承受2 500 W的连续波输入功率。实验结果显示该场发生器在10 kHz ~ 100 MHz的频率范围内电压驻波比均小于1.9，在距场发生器中心0.5 m远处可产生高达200 V/m的电场强度，在1 m远处可产生50~ 100 V/m的场强。该电场发生器可旋转改变电极化方向，具有覆盖范围广、场强分布均匀、场强幅度高的特点，广泛应用于低频辐射抗扰度测试。
Abstract:A low-frequency field generator based on parallel-line transmission structures is designed for the electromagnetic field radiation immunity test, which can solve the problems of low radiation efficiency, large volume, and difficulty in forming a high electric field strength at low frequencies. A transmission-line balun transformer with 1∶4 impedance transformation ratio is designed to realize the impedance matching between the input port and the load, and the transformation of unbalanced input to balanced output. In order to ensure the stability and reliability of the electrical performances, copper pipes with the diameter 100 mm are adopted as the parallel transmission lines, and non-inductive ceramic resistors are used as the load, which makes the field generator withstand 2500 W continuous waves. The experimental results demonstrate that the field generator has a voltage standing wave ratio (VSWR) less than 1.9 in the frequency band of from 10 kHz–100 MHz. It can generate the electric field up to 200 V/m at a distance of 0.5 meters from the center, and 50 V/m –100 V/m at a distance of 1 m. The electric field generator has the main advantages of high-intensity field strength, wide coverage, uniform distribution, and rotatable polarization.
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0 引 言
随着电子信息产业的迅速发展，越来越多的电子设备会处在同一空间，引发各种电磁辐射和电磁干扰问题，电子设备的电磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）特性受到学界越来越多的关注[1-4]。射频电磁场辐射抗扰度测试用来评价电气、电子产品或系统抗电磁干扰的能力[5]，测试中需要根据频率和场强要求使用不同场发生器天线，主要有对数周期天线、双锥天线、棒状天线或电场发生器来产生所需的电场强度[6-13]。
由于低频段（10 kHz~200 MHz）时天线的辐射效率低、电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)较高，因此低频测试时大部分使用的是电场发生器。目前，电场发生器主要有电容式场发生器与传输线式场发生器。电容式场发生器一般为平行双杆末端开路的结构，当平行导体的长度等于测试频率对应波长的四分之一时会发生谐振，因此电容式场发生器工作带宽受限。文献[14]中的电容式场发生器可以在10 kHz~30 MHz的频段产生50 V/m的场强，但由于尺寸原因，难以将其应用于大型电子产品的辐射抗扰度测试，且其覆盖频谱较窄，场强也较小。
传输线式电场发生器一般采用平行双线传输线结构，末端的负载阻抗与传输线特性阻抗匹配，其工作频率与场发生器天线的长度无关。本文基于平行双线结构与传输线变压器巴伦设计了一款传输线式电场发生器。电路负载选择了耐高温和耐高功率的无感陶瓷电阻，功率容量高达2500 W。该场发生器能在10 kHz~100 MHz频率范围内产生高达200 V/m的电场强度，且场强分布均匀， 在其输入端所测得的VSWR在整个工作频率范围内均小于1.9，可产生符合GJB 151B-2013标准[15]中RS103测试所需的电场强度，适用于大部分电子设备的辐射抗扰度试验。
1 场发生器电路原理分析
本文设计中的电场发生器以平行双线结构为主，电场主要分布在平行双线之间，其等效电路如图1所示。为了实现整个电路的宽带阻抗匹配，平行双线的特性阻抗要与负载匹配，同时也要与信号源输入端口阻抗匹配。
本文设计中的负载采用377 Ω的大功率陶磁电阻，因此，平行双线的特性阻抗也应设计为377 Ω。对于均匀无耗平行双线传输线，其特性阻抗可表示为 [16]
$$ {Z_0} = \frac{1}{{\text{π}}}\sqrt {\frac{\mu }{\varepsilon }} {\text{ln}}\frac{{D + \sqrt {{D^2} - {d^2}} }}{d} $$ (1) 式中：ε，μ 分别为传输线周围媒质的介电常数和磁导率；$D$为双线之间的距离；$d$为传输线单线的直径。通过选择适当的传输线结构参数，就可以实现平行双线的特性阻抗为377 Ω，此时传输线之间的电磁波处于行波状态，且有
$$ {Z_{{\text{in}}}} = {Z_0} = {Z_{\text{L}}} = 377{\text{ }}\Omega $$ (2) 2 传输线变压器电路原理分析
由于场发生器的输入端口阻抗一般为50 Ω，因此，在输入端与平行双线传输线之间需要一个50∶377的宽频阻抗匹配网络。同时，考虑到输入端口一般为非平衡同轴线，而平行双线为平衡电路，因此，匹配网络还需要实现非平衡电路到平衡电路的转换。本文设计采用传输线变压器巴伦来实现上述功能，为便于制备，这里选择阻抗比为1∶4的传输线变压器巴伦。
传输线变压器巴伦主要有两种类型：一种是由Guanella 于1944年提出，利用传输线绕组形成阻塞模式，以减少平衡到不平衡应用中的干扰[17]；另一种是由Ruthoff于1959年提出，通过在传输线上形成正或负的电势梯度来获得宽带变换[18]。Guanella式传输线变压器结构是对称的，有较好的平衡性。本文设计了阻抗比为1∶4的Guanella式传输线变压器巴伦，如图2所示。由于电路的对称性，我们只需对其中一对传输线进行分析，其传输矩阵为
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图 2 阻抗比为1∶4的Guanella式传输线变压器巴伦电路模型Fig. 2 Circuit model of Guanella-type 1∶4 impedance ratio transmission-line balun transformer$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{U_1}} \\ {\dfrac{1}{2}{I_1}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\text{cos}}(\beta l)}&{{\text{j}}{Z_{\text{c}}}{\text{sin}}(\beta l)} \\ {{\text{j}}\dfrac{1}{{{Z_{\text{c}}}}}{\text{sin}}(\beta l)}&{{\text{cos}}(\beta l)} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\dfrac{1}{2}{U_2}} \\ {{I_2}} \end{array}} \right] $$ (3) 式中，${Z_{\text{c}}}$为磁芯绕组的特性阻抗。可得传输线变压器输入端输入阻抗为
$$ Z_{{\text{in}}}' = \dfrac{{{U_1}}}{{\dfrac{1}{2}{I_1}}} = \dfrac{{\dfrac{1}{2}{U_2}{\text{cos}}(\beta l) + {\text{j}}{Z_{\text{c}}}{I_2}{\text{sin}}(\beta l)}}{{{I_2}{\text{cos}}(\beta l) + {\text{j}}\dfrac{1}{{{Z_{\text{c}}}}}\dfrac{1}{2}{U_2}{\text{sin}}(\beta l)}} $$ (4) 简化得
$$ Z_{{\text{in}}}' = \dfrac{{{Z_{\text{c}}}}}{2}\dfrac{{\dfrac{1}{2}{Z_{{\text{in}}}} + {\text{j}}{Z_{\text{c}}}{\text{tan}}(\beta l)}}{{{Z_{\text{c}}} + {\text{j}}\dfrac{1}{2}{Z_{{\text{in}}}}{\text{tan}}(\beta l)}} $$ (5) 当${Z_{\text{c}}} = {Z_{{\text{in}}}}/2$时，$ Z_{{\text{in}}}' = {Z_{{\text{in}}}}/4 $。因此对于图2所示的传输线变压器模型，当传输线的特性阻抗为负载的一半时，输入端阻抗与负载阻抗之比为1∶4，且此时传输线变压器中的传输线线长不会因频率变化而影响阻抗比。
3 仿真分析
图3所示为传输线式场发生器的三维模型图，考虑到实际使用中大地对平行双线的特性阻抗也有影响，在电场发生器的下方建立了无限大地的模型。实际使用中还有对电场极化方向不同的需求，所以该场发生器模型还仿真了天线旋转支架对场分布的影响。三维模型中两根黄色的平行线即为本文设计中的平行双线传输线，材质设置为铜，长度为2 030 mm，直径为100 mm，平行双线间距为1 000 mm，双线中心距离地面高1 000 mm，传输线两端的矩形立柱内分别放置传输线变压器巴伦和无感陶瓷电阻，整体呈矩形结构。信源输入端与传输线变压器巴伦相连，大功率射频信号从50 Ω同轴端口输入，通过传输线变压器巴伦进行阻抗匹配和平衡转换，再经过平行双线传输到末端负载之中。负载由8个无感陶瓷电阻串并联而成，其总阻抗值约为377 Ω，可耐受连续波功率高达2 500 W。
为了简便研究与分析传输线式电场发生器的电场分布特性，在全波电磁仿真软件中对该场发生器进行建模仿真，选取10 kHz、50 MHz、100 MHz作为仿真的测试频率点。在距离传输线z= 1 m远处设xOy观察平面，大小为3 m × 2.5 m，如图4所示。可以看出，当设置输入功率为2 500 W时，在距离电场发生器设备中心1 m远处的平面内，所有频点均可以实现场强值超过50 V/m，且绝大部分区域甚至超过100 V/m。该传输线式电场发生器在大部分区域的电场分布较为均匀，且覆盖区域较为广阔，可以应用于较大尺寸电子设备的辐射抗扰度测试。
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图 4 距离场发生器中心1 m远处xOy平面内场强仿真分布图Fig. 4 E field simulation distributions in the xOy plane 1 m away from the center of the E-field generator图5进一步给出了当输入功率为2 500 W时，在距离该场发生器中心z= 0.5 m远处xOy观察平面内的场强分布图。可以看出，该传输线式电场发生器在10 kHz、50 MHz、100 MHz等频点均可产生高达200 V/m的电场强度，且在很大区域范围内场强分布均匀。该场强值能够满足绝大部分辐射抗扰度测试标准要求。
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图 5 距离场发生器中心0.5 m远处xOy平面内场强仿真分布图Fig. 5 E-field simulation distributions in the xOy plane 0.5 m away from the center of the E-field generator4 实测结果
图6为传输线式场发生器在测试现场的实物照片。其背后的旋转支架可调整场发生器距离地面的高度、俯仰角度，以及xOy平面内的极化旋转。图7为该电场发生器在小信号输入功率下的实测VSWR。可以看出，在10 kHz ~100 MHz的频率范围内VSWR均在1.9以下，说明该场发生器反射功率较小。
图8所示为距离场发生器中心1 m远处场强探头实际测量得到的电场强度随频率变化的曲线。可以看出，当输入功率一定时，除了20 MHz频点处场强较弱之外，该电场发生器在整个工作频率范围内均能产生较稳定的场强，其主要原因可能是20 MHz时产生了谐振吸收。当输入功率大于1 000 W时，所有频点都能产生大于50 V/m的场强；当输入功率为2 000 W时，20 MHz频点附近场强为70.2 V/m，其他频点处场强基本上都大于100 V/m。
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图 8 距离场发生器1 m远处的场强测试曲线Fig. 8 Measured E-field strength at a distance of 1 m from the center of distance generator图9进一步给出了该场发生器天线在距离中心0.5 m远处的场强测量值。可以看出，要产生50 V/m的电场强度，输入功率只需要在100 W左右；而当要产生大于150 V/m的场强时，在10 kHz频点处所需输入的功率远大于其他频点，这主要是因为在低频点处发生了磁饱和，等效电感值下降所引起。当输入功率接近2 500 W时，所有频点处均可产生大于200 V/m的场强，能够满足国内外电磁发射和敏感度测试标准。
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图 9 距离场发生器0.5 m远处的场强测试曲线Fig. 9 Measured E field strength at a distance of 0.5 m from the center of distance generator5 结 论
本文介绍了一种传输线式电场发生器的电路结构和设计原理。为了在较宽的频率范围内实现阻抗匹配和非平衡转平衡电路，采用了阻抗变换比为1∶4的Guanella型传输线变压器巴伦，其结构简单，能够实现更好的阻抗变换，使得场发生器天线的VSWR性能更优。全波仿真分析了该场发生器的电场分布特性，然后设计与加工了一款低频传输线式电场发生器，其在10 kHz~100 MHz的频域范围内能够实现VSWR均小于1.9，在距其中心0.5 m远处可产生高达200 V/m的场强，而在1 m远处亦可产生大于50 V/m的场强，在较广的区域内场强分布均匀，能够满足许多大型电子设备辐射抗扰度试验的需求。
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图 2 阻抗比为1∶4的Guanella式传输线变压器巴伦电路模型
Fig. 2 Circuit model of Guanella-type 1∶4 impedance ratio transmission-line balun transformer
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图 4 距离场发生器中心1 m远处xOy平面内场强仿真分布图
Fig. 4 E field simulation distributions in the xOy plane 1 m away from the center of the E-field generator
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图 5 距离场发生器中心0.5 m远处xOy平面内场强仿真分布图
Fig. 5 E-field simulation distributions in the xOy plane 0.5 m away from the center of the E-field generator
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图 8 距离场发生器1 m远处的场强测试曲线
Fig. 8 Measured E-field strength at a distance of 1 m from the center of distance generator
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