一种非对称横电磁波传输室特性阻抗计算方法

1.本发明属于电磁波传输室研究领域，具体涉及一种基于静态场理论的非对称横电磁波传输室特性阻抗计算方法。


背景技术：

2.伴随着信息电子技术的高速发展，电磁环境日渐复杂，因此电子设备的电磁兼容性问题越发严峻，电子设备辐射发射以及抗扰度测试需求日益增加。横电磁波传输室(transverse electromagnetic cell,tem cell)，作为一种成本相对较低的测试设备，广泛应用于电磁兼容领域，常被用于辐射发射测试以及电场探头校准，作为对tem小室的改进，非对称横电磁波传输室(asymmetric transverse electromagnetic cell,atem cell)，其可用测试空间相比tem cell更大。
3.无论是tem小室还是atem小室，本质上就是在tem模式下工作的双导体传输线的一段，基本原理是在tem/atem小室的内、外导体板间产生tem波。
4.如图5所示，其内部的电磁场分布与同轴线类似,场分布比较均匀，电场值可以方便准确的计算，因此可以用于计量、测试等场合。
5.目前对于tem小室的特性阻抗，由于其结构上的对称性，采用经验公式计算特性阻抗比较准确，但是对于atem小室，其横截面是非对称结构，采用经验公式计算出的结果误差较大。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题：本发明的目的是针对上述背景技术中的问题，提出一种针对截面是非对称结构的atem小室的精准测量方法。
7.本发明的技术方案：本发明公开了一种包括如下步骤，首先，对atem小室主传输段中间的横截面进行简化建模，对横截面场分布进行静态场近似，
8.然后基于矩阵法计算所述横截面的电荷分布，
9.然后根据所述横截面的电荷分布计算所述横截面的分布电容，
10.最后根据所述横截面的分布电容计算特性阻抗。
11.进一步的，包括如下步骤，
12.s1.对atem小室主传输段中间的横截面的内外导体建模为细丝结构，电荷按照一定规律分布在细丝结构上，并假设该模型上的电荷分布符合静态场理论；
13.s2.基于静态场近似理论，计算出所述横截面的内外导体在静电场条件下的正负电荷分布；
14.s3.对所述横截面的内外导体进行网格划分，并假设每一段的电荷都集中分布于每个网格段的中点，采用静态场标量电位公式计算出所述内外导体上划分的每一段网格中点上的电荷数值及极性，根据计算出的电荷分布算出所述横截面的分布电容；
15.s4.根据所述横截面的分布电容，利用无耗传输线的特性阻抗公式，计算出atem小
室主传输段中间的截面特性阻抗。
16.进一步的，所述标量电位公式为：
[0017][0018][0019]
式中，r(x,y)表示电位观测点的坐标，即所求电位所在点的坐标，r’(x,y)表示电荷源点坐标，即各个电荷分布点(各
△
l小段中点)的坐标，g(r,r’)表示静态场下的格林函数；
[0020]
离散条件下的标量电位计算公式为：
[0021][0022]
式中，s表示内外导体各个网格中点，si表示第i个点，假设si点的电荷为ρi。
[0023]
4.根据权利要求3所述的非对称横电磁波传输室特性阻抗计算方法，其特征在于：
[0024]
φ
ij
表示第i段导体上的电荷对第j个点的标量电位贡献量；其中，
[0025]
φ
ij
＝ρ
igij
[0026]
当i≠j时，
[0027][0028]
当i＝j时候，
[0029][0030]
进一步的，所述电荷分布计算公式为，γ＝b-1
φ，其中，
[0031][0032]
式中，
[0033][0034]
进一步的，由电容计算公式算出电容以后，再根据无耗传输线特性阻抗计算公式得出阻抗。
[0035]
进一步的，所述电容计算公式式中，q表示内导体或外导体电荷量，u表示内外导体电压。
[0036]
进一步的，所述无耗传输线特性阻抗计算公式为
[0037]
式中，μ0为真空磁导率、ε0为介电常数
[0038]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0039]
1.本发明旨在解决atem小室特性阻抗的计算问题，提高特性阻抗计算方法的通用性，对于tem小室特性阻抗的计算，本发明同样适用。
[0040]
2.由于本发明是通过数值算法求解电荷分布最终求得特性阻抗，在求解电荷分布的过程中，横截面的具体结构已通过建模加以考虑，因此在后续计算中不需要再考虑横截面的对称性；与现有经验公式相比较，本发明提出的方法计算简便，算法通用性强，误差较小，并已通过时域阻抗测试验证了该计算方法的有效性。
附图说明
[0041]
图1是本发明计算方法流程图；
[0042]
图2是atem小室三维图；
[0043]
图3是atem小室主传输段中间部分横截面；
[0044]
图4是atem小室主传输段中间部分横截面数值计算模型
[0045]
图5是同轴线、tem小室、atem小室横截面场分布图；
[0046]
图6是局部地区数值计算模型优化方法。
具体实施方式
[0047]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0049]
(1)模型简化
[0050]
如图1所示，为atem小室三维图。如图4所示，为了计算方便，将atem小室主传输段
中间的横截面的结构简化成
[0051]
图2的结构，用带电细丝金属线代替内外导体，同时将内外导体按照每段长为
△
l进行网格划分，如图3，以便后续的数值计算，并假设内外导体一共分为n个长度为
△
l的小段。其中，横截面的长与宽都为l，内导体的宽度为lx，c1表示外导体，c2表示内导体。
[0052]
(2)算法设计
[0053]
静态场基本理论1.计算标量点位
[0054]
根据静态场基本理论，标量电位可以使用公式(1)计算出
[0055][0056][0057]
其中，r(x,y)表示电位观测点的坐标，即所求电位所在点的坐标，r’(x,y)表示电荷源点坐标，即各个电荷分布点(各
△
l小段中点)的坐标，g(r,r’)表示静态场下的格林函数，公式(1)说明，某点的电位实际上由该空间中所有电荷共同决定。
[0058]
基于静态场理论的计算方法设计
[0059]
将内外导体各个网格中点用s表示，si表示第i个点，假设si点的电荷为ρi，根据公式(1)，得到离散条件下的标量电位计算公式如(3)：
[0060][0061]
其中，
[0062]
为了后续矩阵计算方便，用公式(4)定义φ
ij
表示第i段导体上的电荷对第j个点的标量电位贡献量。
[0063]
当i＝j时，假设电荷均匀分布于长度为
△
l的一小段导体上如图6，其中si上灰的长条表示均匀分布的电荷，此时，
[0064][0065]
由于φ
ij
里面的ρi是待求解的未知量，因此需分离该未知量。根据公式(4)(5)，可得公式(6)。
[0066]
φ
ij
＝ρ
igij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0067]
当i≠j时，
[0068][0069]
当i＝j时候，
[0070][0071]
因此可以得到n个独立方程，如公式(9)所示。
[0072]
令：
[0073][0074]
则有：
[0075][0076]
因此：
[0077]
γ＝b-1
φ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0078]
式中，γ为待求解的各个点的电荷，φ为各个点电位，b为关系矩阵。
[0079]
通过已知的电位信息，就可以通过公式(10)计算出电荷分布。
[0080]
并据此按照公式(11)算出电容c，q表示内导体或外导体电荷量，u表示内外导体电压。
[0081][0082]
算出电容以后，再根据无耗传输线特性阻抗计算公式(12)算出阻抗zc即可，其中，μ0、ε0分别为真空磁导率与介电常数。
[0083][0084]
实施例：
[0085]
以本实验室研制的截面尺寸1.2m
×
1.2m的atem小室为例，主传输段中间截面特性阻抗计算值以及测试值如下：
[0086]
特性阻抗来源特性阻抗值本发明计算方法51.28ω
时域反射测试51.5ω
[0087]
通过实施例，对时域反射测试，以时域反射测试的结果为准确值，可得出本算法在计算非对称横电磁波传输室特性阻抗的正确性。
[0088]
以上所示仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明。本方法不仅适用于atem小室特性阻抗的计算问题，同样适用于tem小室特性阻抗的计算；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。