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DC-6+GHz宽带同轴电磁辐照实验装置的设计研究

更新时间：2019-12-19 15:20:48 大小：2M 上传用户：江岚查看TA发布的资源 标签：电磁辐照装置DC-6 GHz宽带阻抗匹配 下载积分：2分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

摘 要：由于传统TEM小室的频带宽度不能满足日益增长的宽频带需求，该文采用同轴结构设计了一个DC-6 GHz

的宽带电磁辐照装置。该装置基于传输线理论和阻抗匹配原理，采用锥形过渡与圆同轴连接的结构，在端口处选

用N型连接器，与腔体的连接实现了良好的阻抗匹配。利用CST仿真软件进行建模优化，最后对仿真结构进行加

工与调试，仿真结果表明，该同轴电磁辐照装置在DC-6 GHz频率范围内S11均在–10 dB以下，由于加工的误差测

试结果在个别频点稍有偏差，但趋势和仿真结果具有较好的一致性，吻合较好，证明该辐照装置具有良好的传输

性能。该文设计的同轴腔在电磁辐照系统中具有很好的应用价值。


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第 41卷 第 5 期  
2019年5月  
电
子
与
信
息
学
报
Vol. 41No. 5  
May 2019  
Journal of Electronics & Information Technology  
DC-6 GHz宽带同轴电磁辐照实验装置的设计研究  
王诗棋  
房少军  
陈
鹏*  
(大连海事大学信息科学技术学院 大连 116026)  
摘
要：由于传统TEM小室的频带宽度不能满足日益增长的宽频带需求，该文采用同轴结构设计了一个DC-6 GHz  
的宽带电磁辐照装置。该装置基于传输线理论和阻抗匹配原理，采用锥形过渡与圆同轴连接的结构，在端口处选  
用N型连接器，与腔体的连接实现了良好的阻抗匹配。利用CST仿真软件进行建模优化，最后对仿真结构进行加  
工与调试，仿真结果表明，该同轴电磁辐照装置在DC-6 GHz频率范围内S11均在–10 dB以下，由于加工的误差测  
试结果在个别频点稍有偏差，但趋势和仿真结果具有较好的一致性，吻合较好，证明该辐照装置具有良好的传输  
性能。该文设计的同轴腔在电磁辐照系统中具有很好的应用价值。  
关键词：电磁辐照装置；DC-6 GHz宽带；阻抗匹配  
中图分类号：TN814  
文献标识码：A  
文章编号：1009-5896(2019)05-1092-06  
DOI:
Design and Research of DC-6 GHz Broadband Electromagnetic  
Radiation Experimental Device  
WANG Shiqi  
FANG Shaojun  
CHEN Peng  
(College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)  
Abstract: As the bandwidth of the traditional TEM cell can not satisfy the growing demand for broadband, a  
broadband electromagnetic radiation device working from DC to 6 GHz is designed based on the coaxial  
structure. According to circuit principle and impedance matching of the transmission line, the device adopts the  
taper transition structure between the N connector and circular coaxial connected, which achieves the  
advantages of good impedance matching. The device is simulated by the CST software, and has been fabricated  
and measured. The simulated results show that S11 is better than –10 dB in the frequency range of DC-6 GHz.  
Due to the machining error, test results are slightly biased at individual frequencies, which have good  
consistency with the simulated results and demonstrate the desirable transmission performance of the radiation  
device. The design has great application value in electromagnetic radiation system.  
Key words: Electromagnetic radiation device; DC-6 GHz broadband; Impedance matching  
1
引言  
全模拟空间的电磁环境，频带范围较窄不能满足越  
来越宽的频带需求等。为了实现覆盖较宽的通信频  
率范围，研究DC-6 GHz宽频带范围内电磁辐照对  
细胞的影响，实现宽带同轴电磁辐照装置的设计是  
非常有意义的。传统的最高频率为3 GHz的TEM小  
室设计，其外形尺寸为[]，  
TEM小室的总长约为最高工作频率所对应的波长[]，  
当频率范围为DC-6 GHz时尺寸会缩小一半，通常  
情况下细胞培养皿直径为35 mm，高度10 mm，不  
能放入其中进行实验；本文给出的装置在最高频率  
为6 GHz的情况下，结构尺寸为354 mm×120 mm×  
52 mm，该结构在提高了频带宽度的同时保证了尺  
寸的大小，可以将细胞培养皿放入。  
电磁辐射对人体的影响有多大，需要对电磁生  
物效应进行深入研究。近年来，随着移动通信的发  
展，频率范围逐渐加宽，不同频率的电磁波对人体  
的影响引起了极大关注。电磁辐照系统是用来研究  
电磁辐射对细胞影响的实验装置，已成为生命科学  
领域的重要新课题[–]。国内外有运用硬件软件相  
结合的方式组成电磁辐照装置[–]，DC-3 GHz宽  
频电磁辐射腔[]，TEM小室[]、GTEM小室、矩  
形波导辐照系统、贴片天线等结构[–]。尽管专家  
学者已研究超过半个世纪，仍有很多问题需要解  
决[,]，其中包括电磁环境模拟程度不高并不能完  
本文提出的这种圆同轴与锥形过渡相连接的结  
构，以传输线理论、阻抗匹配为基础，用CST仿真  
收稿日期：2018-06-13；改回日期：2018-12-26；网络出版：2019-01-22  
*通信作者： 陈鹏ꢀ
第 5 期  
王诗棋等：DC-6 GHz宽带同轴电磁辐照实验装置的设计研究  
1093  
软件设计一个DC-6 GHz宽带同轴电磁辐照装置，选  
择合适的N型射频连接器，通过外加宽频带信号源  
的激励，提供电磁场均匀度较好的电磁辐照空间，  
同时在所需的宽频带范围内具有较小的反射系数。  
2端口网络电路来表示，如T型结构电路、Π型结  
构电路等，使该等效2端口网络的特性阻抗和传输  
线的特性阻抗相匹配。  
阻抗不匹配会产生反射现象，从而形成驻波和  
谐振。为了实现匹配，该装置沿传输方向的特性阻  
抗理论上应保持50 W。阻抗匹配的难点主要是由电  
磁辐照装置的不规则形结构导致。为保证信号尽可  
能地传播，剩余反射波较小，实现阻抗匹配可使装  
置的性能达到最优，通常情况下，是在信号源与传  
输线之间接入匹配装置[–]。在保证同轴线特性阻  
抗相同的情况下，截面尺寸不同的同轴线通常采用  
锥形过渡或错位过渡结构进行连接，来补偿尺寸突  
变产生的不连续性，实现阻抗匹配，如所示。  
锥形过渡中锥顶的微小位移会引起较大的反射，因  
此锥形斜率必须保持较高的精度，来保证较低的反  
射，通常情况下选用角度在12°和16°之间。  
2
基本原理  
同轴线是一种双导体导行系统，由内外两个共  
轴的圆柱导体组成，它主要传输TEM波，当存在  
不连续性或高频工作时会激励起TE模或TM模。其  
p
特性阻抗为Z0 = 60= "r ln (b=a)。电场在理想同  
轴线内垂直于内导体均匀分布，而实际中不可能呈  
完全均匀分布，造成其不均匀性的原因有：结构的  
原因，如内导体边缘效应的影响；高频下会出现高  
次模的影响等。在微波网络中同轴传输线之间的连  
接或不同传输线之间的转换会不可避免地造成不连  
续性。对于不连续性，可在小区域内形成一个等效  
图 1 结构图  
3
同轴电磁辐照装置设计  
为了有效地抑制高次模，保证在实验装置辐照  
区域只传输TEM主模，要使可用的最大频率fmax尽  
可能的低于第1高次模H11的截止频率fc，最终选取  
本文设计的同轴电磁辐照装置可用频率范围为  
DC-6 GHz，回波损耗低于–10 dB。  
f
max = fc=1:1，而且要保持同轴尺寸的特性阻抗保  
3.1 结构  
持恒定为50 W；所选取的N型射频连接器为NK-  
7连接器L-16母头，由于它的尺寸和辐照区域尺寸  
相差很大，故选用锥形过渡和错位过渡相结合的方  
式将二者连接起来，减小了因尺寸突变产生的同轴  
不连续性以及阻抗突变问题，最终外导体内锥形的  
斜率为12.28°；在实验装置的内外导体之间加入介  
质支撑子来对其进行固定和支撑，介质支撑子材料  
的介电常数越小，阻抗突变越小，因此选用介电常  
数最小的聚四氟乙烯("r = 2:03)作为材料，为了补  
偿介质支撑子引入所产生的不连续性，采用在介质  
支撑子表面挖去一部分形成圆形凹槽的共面补偿方  
法，用形成的小电感来补偿电容。根据前述分析结  
果，设计的同轴装置尺寸如所示。～  
通过上述的理论分析，可以得到本设计的结构  
如所示。同轴电磁辐照装置的一侧与50 W的  
N型射频连接器的一端相连接，射频连接器的N型  
接口端与信号源相连；另一侧通过连接N型射频连  
接器最终与50 W的匹配负载相连，采用长度为L1的锥  
形过渡结构将辐照装置圆形同轴部分和射频连接器  
相连。用支撑介质子将同轴的内外导体进行强度支  
撑和位置固定，保证此电磁辐照实验装置的同心度。  
由于该装置的复杂性，对一些影响辐照装置的  
性能的结构参数，如：锥形过渡的长度H3、错位  
过渡D的错开距离等进行了参数扫描，如和
图 2 DC-6 GHz同轴电磁辐照装置结构图  
 
 

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