Расчет частотной характеристики ТЕМ-камеры Текст научной статьи по специальности «Физика»

РАСЧЕТ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕМ-КАМЕРЫ

Н.Л. Казанский, Е.А. Рахаева Институт систем обработки изображений РАН Самарский государственный аэрокосмический университет

Аннотация

С использованием многомодовых матриц рассеяния рассчитана частотная характеристика ТЕМ-камеры, которая предназначена для проведения испытаний электронных компонентов и систем на электромагнитную совместимость.

Введение

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 .

Нагрузка

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 ре-зонансов 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 каскадного соединения трех многомодовых многополюсников (рис. 2), которые описывают внешние электрические характеристики регулярной части и пирамидальных переходов.

00-

1 ~0~ -0- 1 1 -0-0- 1

2 -0-0- 2 2 -0-0- 2

1 3 -0-0- 3 3 -0-0- 3 1

М -0-0- М м -0-0- М

-0 -0

['5]

И

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

Расчет частотной характеристики ТЕМ-камеры

Н.Л. Казанский, Е.А. Рахаева

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]:

[^ ] =

'[ ] [ ^ ]" [^21 ] [^22 ]

(1)

где [ *11 ]=[ ^22 ] =

0 0 0 0

[«21 ]=[^12 ] =

0 0 ехр(—'уЬ 0 0 ехр(—у2Ь)

0 0 ... ехр—умГ)_

у,- - постоянная распространения , -го типа волны в регулярной части, Ь - длина регулярной части ТЕМ-камеры.

В матрицах рассеяния пирамидальных переходов со сторон, подключенных к регулярной части, следует учитывать М 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* ]=

1* (11) 1* (21) 1* (И) 1* (И) 1* (21) 1 * (12) *12 ... 1 * (12) *22 ... 1 22 *22 ... 1 г<(1М ) *12 1 г<(1М) 1 (2М) *22 , (2)

1 г<(М 1) *21 1г<(М1) *22 1 о(М 2) *22 ... 1г<(ММ ) *22 ]

2 *1(121) 2*1(!2) 2*(22) 2 *(1М ) 2*(2 М ) 2* (И) 2 *(21)

2* (М1) 2* (И) *21 2* (М 2) 2* (12) *21 2* (ММ ) 2 о(1М ) ... *21 2 г<(М 1) *12 2* (И) *22 ]. (3)

Методика расчета многомодовых матриц рассеяния для пирамидальных переходов ТЕМ-камеры, представляющих нерегулярные линии передачи, приведена в [4, 7].

Используя алгоритм расчета каскадного соединения многомодовых матриц рассеяния [8], можно рассчитать частотную характеристику ТЕМ-камеры.

По этой методике была рассчитана частотная характеристика коэффициента передачи ТЕМ-камеры с размерами х1 = 18 м, >>1 = 11,2 м, Ь1 = 10,36 м,

Ь = 8 м, Ь2 = 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 20^ | *211) I при учете в ее регулярной части семи распространяющихся собственных типов волн приведены на рис. 3а.

0

Е2.

I1

с>

<N1

-8

-10 -12

10 15

20

а)

25 30 Г, МГц

ор

15 10

КСВ ТЕМ-кс шеры

{

б)

10 15 20 25 30

Г, МГц

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 многомо-довой 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.

Благодарности

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).

Литература

1. Crawford M.L. Generation of Standard EM Fields Using

TEM Transmission Cells//IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 1974. - Vol. EMC-16, no. 4. -Pp. 40-46.

2. ГОСТ Р 51048-97. Совместимость технических средств

электромагнитная. Генераторы электромагнитного поля с Т-камерами. Технические требования и методы испытаний. - М.: Издательство стандартов, 1998.

3. Kazansky N.L., Podlypnov G.A., Rakhaeva E.A., Sarzhin M.A.

Calculation of electromagnetic field characteristics in TEM-cell // 6-th International symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology, 2005. - Pp. 226-228.

4. Казанский Н.Л., Рахаева Е.А. Расчет характеристик пира-

мидального перехода ТЕМ-камеры // Известия Самарского научного центра РАН. - 2007. - Т. 9. -№ 2. (в печати).

5. Митрохин В.Н. Изменение адиабатического инварианта

на критических сечениях неоднородных волноводов // Вестник МГТУ, 1990. - №1. - С. 53-60. сер. Приборостроение.

6. Rakhaeva E.A., Kazansky N.L., Podlypnov G.A.,Rakhaev

A.A., Suhov V.V., Sarzhin M.A. Research of resonance effects in TEM-cell // 7-th internftional symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology / Saint-Penerburg, 2007. - Pp. 104-106.

7. Казанский Н.Л., Рахаева Е.А. Расчет характеристик нерегулярных линий передач // Антенны. 2007. - №10. - С. 51-55.

8. Микроэлектронные устройства СВЧ / Г.И. Веселов, Е.Н. Егоров, Ю.Н. Алёхин и др. - М.: Высшая школа, 1988. - 280 с.