一种加载贴片电阻的PCB型横电磁波小室的制作方法

本实用新型涉及一种横电磁波小室，尤其涉及一种加载贴片电阻的PCB型横电磁波小室，属于电磁兼容领域。

背景技术：

横电磁波小室是美国国家标准局于1974年首先研制成功用作电场标准。由于其性能和功能均远优于一般屏蔽室,因此后来在国外得到了极其广泛的应用。横电磁波小室其实就是一个变型的同轴线，横电磁波小室基本原理是它的内、外导体板间能产生一横向电磁波；就象一般同轴电缆中电磁场分布一样,既很均匀又可以准确算出其场强值。因此横电磁波小室广泛应用于计量、测试、检测等场合。

由于TEM传输室两端呈楔形结构，易产生谐振现象，从而限制了其上限使用频率范围。IEC61967-2标准规定了IC辐射发射的TEM小室测试方法，它的测试频率为150KHz-1GHz。在TEM小室测试方法中，横电磁波小室的横截面尺寸为152mm×99mm，纵向长度为338mm，可用频率从DC至1GHz，被测物最大尺寸为6cm×6cm×1cm。因为在生物医学和微波工程学领域中，都需要上限可用频率2GHz以上的实验装置，所以拓展横电磁波小室的可用频率对开展生物医学、电磁学及电磁兼容的研究具有重要意义和实用价值，最接近的现有技术中有提到通过在标准磁波小室的中间段外导体中开纵向缝隙，可将上限可用频率提高至3GHz。

技术实现要素：

本发明为将其上限可用频率得到更大幅度的扩展，在不改变标准横电磁波小室整体和测试板尺寸的前提下，提供一种电磁屏蔽和电磁兼容设备。

本实用新型为解决上述问题提供的技术方案是：一种加载贴片电阻的PCB型横电磁波小室，包含外导体和内导体，所述的外导体包括方形结构的中间段外导体和呈锥形结构过渡的渐变段外导体，中间段外导体和过渡段外导体同轴，且围成一个小室；所述的内导体为沿外导体轴向方向设置的一块扁平的芯板，分为中间段内导体和渐变段内导体，内导体长度与外导体长度相同，所述的芯板为铜板或铝板中的一种；

所述的外导体为单层PCB板，分为介质板层和金属板层，介质板层位于小室内壁，金属板层位于小室外壁，介质板层厚度为1mm，中间段外导体四周的金属层上设有若干相互平行的纵向槽，纵向槽长度与中间段轴向长度相同，高度与金属层厚度相同，宽度为4.5mm-5.5mm，且纵向槽内焊接有若干贴片电阻。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的金属层厚度为35μm。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的内导体优选厚度为1mm的铜板。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的中间段外导体的上宽边和下宽边各均匀开设有6-10条槽，前窄边和后窄边各均匀开设有3-7条槽。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的上宽边和下宽边各开设有8条槽，在前窄边和后窄边各开设有5条槽。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的每条纵向槽内均等距离的焊接5个贴片电阻。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的PCB板材质为FR4。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的中间段外导体长度L₀＝152mm、宽度a＝152mm、高度b＝99mm、渐变段外导体的长度L₁＝93mm、渐变段外导体末端的宽度a₁＝30.4mm，渐变段外导体末端的高度为b₁＝19.8mm。

进一步，作为一种具体的结构形式，所述的中间段内导体宽度w＝114.6mm，渐变段内导体末端的宽度为v＝21.35mm，左右两个渐变段内导体尺寸一样。

本实用新型的有益效果是：横电磁波小室性能的衡量标准主要是上限可用频率和测试区域内的场均匀性，本实用新型中的加载贴片电阻的PCB型横电磁波小室的尺寸与IEC61967-2标准横电磁波小室相同，不仅将上限工作频率扩展到3.3GHz，测试区域内的场均匀性低于1.3dB，而且能够兼容IEC61967-2标准的横电磁波小室的10cm×10cm测试板。选用PCB型的外导体结构，制作简单且成本较低；在PCB板缝隙上焊接贴片电阻，不仅便于操作、有效防止电磁泄漏而且能够提高上限可用频率、改善工作区间场分布均匀性，达到降低高次模影响、降低测试成本和生产成本的效果。

附图说明

图1为IEC61967-2标准的横电磁波小室的立体图

图2为本实用新型的立体图

图3为本实用新型的拆分图

图4为本实用新型的整体俯视图

图5为本实用新型的内导体俯视图

图6为本实用新型的主视图

图7为本实用新型的左视图

图8为横电磁波小室中间段内导体宽度w与中间段特性阻抗Z₁的关系图

图9为横电磁波小室渐变段内导体末端的宽度v与整体特性阻抗Z₀的关系图

图10为本实用新型的仿真的回波损耗S11曲线图

图11为本实用新型的仿真的插入损耗损耗S21曲线图

图12为本实用新型的仿真的驻波比VSWR曲线图

图13为本实用新型不同高度处电场垂直分量归一化曲线图

图14为本实用新型不同宽度处电场垂直分量归一化曲线图

附图标注说明：1、内导体，2、外导体，3、贴片电阻，4、纵向槽，11、中间段内导体，12、渐变段内导体，21、中间段外导体，22、渐变段外导体

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明。但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

设计原理：

对横电磁波小室工作频率影响较大的高次模主要是TE模，即纵向磁场分量H_z的影响较大，而H_z与电流密度J_s的关系为:其中，J_s为沿横向方向的电流密度。因此，通过抑制横向电流可以减少纵向磁场分量，从而抑制TE高次模的产生。

在三维电磁仿真软件(采用三维直角坐标系下时域有限差分(FDTD)方法)中建立该新型横电磁波小室的仿真模型，利用三维电磁仿真软件计算其回波损耗S11、插入损耗S21和驻波比VSWR，最后对横电磁波小室的电场均匀性进行分析。

图1为IEC61967-2标准的横电磁波小室，包含外导体2和内导体1，外导体2包括方形结构的中间段外导体21和中间段两端呈锥形结构过渡的渐变段外导体22，中间段外导体21和渐变段外导体22同轴，且围成一个小室；内导体1为沿外导体2轴向方向设置的一块扁平的芯板，分为中间段内导体11和渐变段内导体12，内导体1长度与外导体2长度相同。IEC61967-2标准的横电磁波小室横截面尺寸为152mm×99mm，纵向长度为338mm，即中间段外导体21长度L0＝152mm、宽度a＝152mm、高度b＝99mm，渐变段外导体的长度L1＝93mm，可用频率从DC至1GHz，被测物最大尺寸为6cm×6cm×1cm。

图2为本实用新型中的横电磁波小室的立体图，也是在三维电磁仿真软件中建立的横电磁波小室仿真模型，三维直角坐标系的原点在横电磁波小室中心对称点上,x方向为该模型横截面的水平方向，y方向为该模型横截面的垂直方向，z方向为该模型的水平方向。该横电磁波小室的尺寸与图1中标准横电磁波小室的尺寸相同。本实用新型中的外导体2是单层PCB板，材质为FR4，分为介质板层和金属层，介质板层厚度为1mm，金属层厚度为35μm；内导体1厚度为t＝1mm，材质为铜；中间段外导体21四周的金属层上均匀设有相互平行的纵向槽4，每条纵向槽4上都等距离地焊接5个阻值为130Ω的贴片电阻3。

图3为本实用新型的拆分图，横电磁波小室由中间段外导体21、渐变段外导体22、中间段内导体11、渐变段内导体12和贴片电阻3组成。

图4为本实用新型的整体俯视图

图5为本实用新型的内导体1俯视图

图6为本实用新型的主视图

图7为本实用新型的左视图

如图4-7所示，中间段外导体21长度L₀＝152mm、宽度a＝152mm、高度b＝99mm、渐变段外导体22的长度L₁＝93mm、中间段内导体11宽度w＝114.6mm；渐变段外导体22末端的宽度a₁＝30.4mm,渐变段外导体22末端的高度为b₁＝19.8mm,渐变段内导体12末端的宽度为v＝21.35mm。左右两个渐变段尺寸一样。中间段外导体21四周的金属层上设有若干相互平行的纵向槽4，缝隙长度为152mm，宽度为5mm，厚度为35μm。中间段外导体21的长和宽所在的边称为宽边，中间段外导体21的长和高所在的边称为窄边，外导体2上宽边和下宽边各均匀设有8条纵向槽4，前窄边和后窄边各均匀设有5条纵向槽4，在这每条纵向槽4上都等距离地焊接5个贴片电阻3。

图8为横电磁波小室中间段内导体宽度w与中间段特性阻抗Z₁的关系图，由于横电磁波小室的一端要连接50Ω的匹配负载，所以在设计横电磁波小室时，要尽可能地使横电磁波小室的特性阻抗Z₀接近50Ω，这样才是实现较好的阻抗匹配，横电磁波小室的整体性能才能达到最优。首先需要满足中间段的阻抗匹配，也就是使中间段的特性阻抗Z₁＝50Ω，中间段外导体的长、宽、高和厚度都已确定，而且内导体的厚度t取1mm比较接近实际情况，那么需要求出中间段阻抗匹配时，中间段内导体的宽度w。

横电磁波小室中间段的特征阻抗近似为

单位长度分布电容C₀的近似表达式为

ε₀：磁导率

μ₀：介电常数

η₀：自由空间的特征阻抗，其值为120πΩ

C₀：以F为/单m位的单位长度分布电容

有公式(1)可知，当横电磁波小室中间段的特征阻抗Z₁＝50Ω的特征阻抗，那么对应的已知a＝152mm,b＝99mm，根据公式(2)，可以得出则w≈114mm。

为了实现更好的阻抗匹配，需要求出w的精确值。因此，在三维电磁仿真软件中建立横电磁波小室中间段的模型，将中间段内导体宽度w设为变量，将w在110mm-115mm范围内扫频，可得出w与横电磁波小室中间段特性阻抗Z₁的关系图。如图8所示，当w＝114.6mm时，特性阻抗Z₁＝50Ω。

图9为横电磁波小室渐变段内导体末端的宽度v与整体特性阻抗Z₀的关系图，当横电磁波小室的性能最佳，当窄边b1＝19.8mm时，比较接近实际，此时因为所以当w＝114.6mm时，将渐变段内导体末端的宽度v设为变量，将v在20mm-25mm范围内扫频，可得出v与横电磁波小室特性阻抗Z的关系图。如图9所示，当v＝21.35mm时，特性阻抗Z₀＝50Ω。

图10为本实用新型仿真的S11曲线图。利用三维电磁仿真软件计算其回波损耗S11，由S11曲线图可知，在0-3.3GHz范围内，S11小于-10dB。

图11为本实用新型仿真的S21曲线图，利用三维电磁仿真软件计算其插入损耗S21，由S21曲线图可知，在0-3.3GHz范围内，S21大于-2dB。

图12为本实用新型仿真的VSWR曲线图，利用三维电磁仿真软件计算其驻波比VSWR，由S21曲线图可知，在0-3.3GHz范围内，VSWR小于2。

图13为本实用新型不同高度的电场水平分量的曲线图，IEC61967-2规定的横电磁波小室磁波小室的被测物最大尺寸为60mm×60m×10mm，即可用测试试空间为-30mm<z<30mm，-30mm<x<30mm，20mm<y<30mm。因为横电磁波小室结构是上下对称的，电场分布也是上下对称的，而且水平场分量远远小于垂直场分量，故可以忽略不计，所以只需计算其内导体1芯板与上板间(即上半腔)垂直场分量Ey的分布情况。采用三维电磁仿真软件计算出E_y后,取z＝0mm，-30mm<x<30mm时，y＝20mm,y＝25mm,y＝30mm所对应的E_y，按照公式对E_y(V/m)的值进行归一化，其中E₀是内导体1芯板与底板之间中心点的垂直场分量。由图13可得，当20mm<y<30mm，-30mm<x<30mm时，该横电磁波小室的场均匀性小于1.3dB。

图14为本实用新型不同宽度处电场垂直分量归一化曲线图，因为横电磁波小室结构是前后对称的，所以只需计算其前半腔垂直场分量Ey的分布情况。采用三维电磁仿真软件计算出E_y后，取y＝25mm，-30mm<z<30mm时，x＝0mm,x＝15mm,x＝30mm所对应的Ey，按照公式对E_y(V/m)的值进行归一化，其中E₀是内导体1芯板与底板之间中心点的垂直场分量。由图14可得，当-30mm<x<30，-30mm<z<30mm时，该横电磁波小室的场均匀性小于1.3dB。