基于横向扼流法的宽带带状线小室设计_陈乐东.pdf

陈乐东，吴建飞，王芳，等.基于横向扼流法的宽带带状线小室设计J.电波科学学报，2023，38（1）：181-186.DOI:10.12265/j.cjors.2022007CHEN L D,WU J F,WANG F,et al.Design of broadband IC-stripline cell based on transverse choke methodJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：181-186.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022007基于横向扼流法的宽带带状线小室设计陈乐东1吴建飞1，2*王芳3王宏义1桂新海4（1.国防科技大学电子科学学院,长沙 410000；2.天津先进技术研究院,天津 300000；3.中国人民解放军 75841 部队,长沙 410000；4.中国人民解放军 93088 部队,赤峰 024000）摘要 为扩展带状线小室工作带宽，基于标准 IEC61967-8 对 EM601-6 型带状线小室进行改进，提出芯板开缝的方法扼止横向电流，在三维电磁仿真软件 CST 中建立了带状线小室的三维仿真模型，并计算出改进后带状线小室的 S 参数和电压驻波比（voltage standing wave ratio,VSWR）.计算结果表明，芯板开缝的带状线小室的上限可用频率由 6 GHz 提高到了 7 GHz.根据仿真结果加工制作的实物，虽然 S21和 S11比仿真结果差，但是在标准要求的范围内工作频段可由 06 GHz 扩展到 07 GHz.关键词带状线小室；阻抗匹配；横向电流；上限可用频率；开缝中图分类号TM15文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0181-06DOI 10.12265/j.cjors.2022007Design of broadband IC-stripline cell based on transverse choke methodCHEN Ledong1WU Jianfei1,2*WANG Fang3WANG Hongyi1GUI Xinhai4（1.College of Electronic Science National University of Defense Technology,Changsha 410000,China；2.TianjinInstitute of Advanced Technology,Tianjin 300000,China；3.Unit 75841 of PLA,Changsha 410000,China；4.Unit 93088 of PLA,Chifeng 024000,China）AbstractIn order to expand the working bandwidth of the IC-stripline,based on the standard IEC61967-8 toimprove on the EM601-6 IC-stripline,this paper analyses the working principle and design principle of the IC-stripline,and calculates the size of the septum under the condition of good impedance matching.A method of chopping thetransverse current is proposed and a 3D simulation model of the IC-stripline cell is established in the 3Delectromagnetic simulation software(CST).The S-parameter and voltage standing wave ratio(VSWR)of the improvedIC-stripline are calculated and the calculation results show that the usable frequency of upper limit of the IC-striplinewith the slotted septum is increased from 6 GHz to 7 GHz.Although the return loss and insertion loss of themanufactured IC-stripline cell are worse than the simulation results,the working bandwidth is increased from 06 GHzto 07 GHz within the range required by the standard.KeywordsIC-stripline cell；impedance matching；transverse current；usable frequency of upper limit；slottedseptum 引言集成电路(integrated circuit,IC)的工作频率不断提高，芯片加工尺寸不断缩小，使得芯片级的电磁兼容问题逐渐突出.传统横电磁波(transverse electr-omagnetic wave,TEM)传输室(TEM 小室)的工作带宽为 3 GHz1-3，远远不能满足集成电路的测试要求.近年来，随着带状线小室的出现，可用测试带宽有了 收稿日期：2022-01-12资助项目：中国航天科技集团有限公司第八研究院产学研合作基金项目陀螺控制电路 SIP 模块电磁可靠性评估与应用研究(SAST2021-069)通信作者：吴建飞 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 很 大 的 提 高.标 准 IEC 61967-8 和 IEC 62132-84-5要求带状线小室在 03 GHz 带宽内电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于 1.25，插入损耗大于2 dB，目前，符合标准要求的封闭型带状线小室 EM601-6 的测量带宽可以达到 6 GHz.但随着毫米波芯片的不断涌现和 5G 技术的飞速发展，6 GHz已经不能满足这类芯片的测量需求.作为测量芯片辐射发射和抗扰度最方便、最准确的方法，带状线小室法迫切需要扩展适用频段.带状线小室的基本工作原理与 TEM 小室相同.文献 6-9 介绍了传统 TEM 小室的分析方法以及如何使用时域有限差分法计算上限工作频率.文献10-12 分析了 VSWR 对垂直电场变化的影响，低VSWR 可确保较小的垂直电场变化，且较小的电场变化有利于电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)测试的可重复性.文献 13 中导电芯板采用金属线列结构，可有效改善场均匀性并削弱待测设备(equipment under test,EUT)的耦合.文献 14-16 利用吸波材料、铁氧体和磁环抑制高次模的方法，扩展了 TEM 小室的工作带宽，但会占用小室内空间并减小横电磁场区域面积.文献 17-19 分析了对 TEM 小室内外导体开纵向狭缝的影响，虽然可以扩展TEM 小室的工作带宽，但是开缝方式较为复杂，且实现难度较大.上述文献中的方法有效扩展了 TEM 小室的工作带宽，这些方法通过改进也可适用于带状线小室.传统带状线小室带宽为 6 GHz，本文提出了一种芯板开缝的方法并将其应用于传统带状线小室，该方法可以在不改变带状线小室测量区域情况下扩展带宽.通过电磁波仿真软件对所提出的高阶模态抑制方法进行了仿真分析.结果表明在带状线小室中间芯板两侧开缝可适度提高上限可用频率，标准带状线小室的工作频段可由 06 GHz 扩展到 07 GHz.1 带状线小室的工作原理带状线小室是一个变形的同轴线，其基本工作原理同 TEM 小室一样，在小室内外导体板间产生横向电磁波，用于计量、测试、检测等场合.带状线小室内部场强值的大小可以按平行板标准场强公式来计算：E=Ub;（1）H=E.（2）式中：U 为内外导体之间的电位差；b 为内外导体板之间的距离；为媒质的特征阻抗.2 带状线小室的设计带状线小室的外导体为方形，内导体为一块扁平的芯板，两端呈锥形向同轴接口过渡，如图 1 所示.2a 和 2b 分别为带状线小室的宽度和高度，l 为带状线小室的长度,2w 和 t 分别为内导体的宽度和厚度.t2b导电芯板同轴连接器l2a2w导电芯板同轴连接器(a)正视图(a)Front view(b)俯视图(b)Top view图 1 带状线小室示意图Fig.1 Structure of IC-stripline cell 内部结构的阻抗失配会产生反射和驻波，进而影响带状线小室内部 TEM 的场均匀性，因此良好的阻抗匹配对带状线小室的工作性能至关重要.带状线小室结构与 TEM 小室类似，特性阻抗计算公式相同，按照文献 20，矩形同轴传输线的特征阻抗近似为Z0=94.2wb+2ln(1+coth(gb).（3）式中，g 为导电芯板到小室侧壁的横向距离.2a=50 mm，2b=25 mm，t=0.6 mm参照美国 ESDEMC 公司生产的 EM601-6 型带状线小室，选取带状线小室尺寸为.带状线小室中间段导电芯板宽度 w 决定了过渡段的总体几何尺寸，因此为实现良好的阻抗匹配需要选取合适的导电芯板宽度 w.a=25 mm，b=12.5 mm，Z0=50 w约为18 mmZ0w=16 mm将代入式(3)，计算得到.为了得到阻抗匹配时 w 的精确值，利用 CST 软件进一步建模计算，得到中间段特征阻抗与 w 的变化关系如图 2 所示.特征阻抗Z0达到理想的 50 时，导电芯板宽度.182电波科学学报第 38 卷15.516.016.517.017.518.04546474849505152Z0/w/mm图 2 特征阻抗 Z0随 w 变化曲线Fig.2 Variation curve of characteristic impedance Z0 with w 带状线小室的工作频率上限取决于内部结构的谐振频率和传输 TE、TM 高次模频率.为了保证带状线小室中传输主模只存在 TEM 模，需要限制带状线小室的工作频率小于某一截止频率.带状线小室截止频率计算公式与 TEM 小室基本一致20：fTE01c=c(0.1221b+0.015651a)，0.5 ab 2.5;fTE10c=c2a.（4）式中，c 为真空中的光速.TE01TE10TE01TE10带状线小室的工作频率不应超过上述截止频率.通常情况下，模式的截止频率要低于模式截止频率，由于模式基本不影响小室内测试区域的场均匀性，因此带状线小室的上限工作频率一般为模的截止频率.fTE10c=6 GHz将 a=25 mm，b=12.5 mm 代入式(4)，可以得出，即该尺寸带状线小室适用频段上限为6 GHz，这与 EM601-6 带状线小室的设计频率是一致的.S 参数和 VSWR 仿真结果以及小室开窗处的电场强度和 3 dB 场均匀区分布如图 3 所示.0123456781.01.52.02.53.03.5VSWRS11S21f/GHzVSWR6040200S 参数/dB(a)VSWR 和 S 参数仿真结果(a)Simulation results of S parameters and VSWR551515/mml/mmE/(dBVm1)(b)小室开窗处电场强度(红色阴影部分为 3 dB 场均匀区在水平面投影)(b)Electric f