一種加載鐵氧體的PCB型橫電磁波小室的製作方法
2023-08-22 13:31:16 1
本實用新型涉及一種橫電磁波小室，尤其涉及一種加載鐵氧體的 PCB型橫電磁波小室，屬於電磁兼容領域。
背景技術：
隨著電子技術的高速發展，電子設備中集成電路的電磁兼容性檢測備受關注。電磁兼容測試要求在無外部電磁噪聲的環境中測試，通常的測試環境有電波暗室、屏幕室、開闊場地和橫電磁波小室等。但是電波暗室造價較高，而且開闊場地試驗受環境影響較大，所以橫電磁波小室成為電磁兼容性檢測的不二之選。IEC61967-2標準規定了IC輻射發射的橫電磁波小室測試方法，它是一種低成本的測試方法，且易於實現自動化測試。標準型橫電磁波小室的橫截面尺寸為152 mm×99mm，縱向長度為338mm，可用頻率從DC至1GHz，被測物最大尺寸為 6cm×6cm×1cm。
但是隨著電子設備的運行速度越來越快，集成電路的工作頻率也在不斷提高，遠遠大於1GHz，這就對橫電磁波小室的上限頻率提出了較高的要求。因此，提高橫電磁波小室的上限可用頻率對集成電路的電磁兼容檢測具有重大的研究意義，最接近的現有技術中有提到通過在標準磁波小室的中間段外導體中開縱向縫隙，可將上限可用頻率提高至3GHz。
技術實現要素：
本發明為將其上限可用頻率得到更大幅度的擴展，在不改變標準橫電磁波小室整體和測試板尺寸的前提下，提供一種加載鐵氧體的開槽型橫電磁波小室，其外形尺寸與標準橫電磁波小室相同，被測物最大尺寸為60mm×60m×10mm，駐波比小於1.3，場均勻度小於3dB，S11小於-18dB，S21大於-1.6dB。
本實用新型為解決上述問題提供的技術方案是：一種加載鐵氧體的 PCB型橫電磁波小室，其特徵在於：包含外導體和內導體，所述的外導體包括方形結構的中間段外導體和呈錐形結構過渡的漸變段外導體，中間段外導體和過渡段外導體同軸，且圍成一個小室；所述的內導體為沿外導體軸向方向設置的一塊扁平的芯板，分為中間段內導體和漸變段內導體，內導體長度與外導體長度相同，所述的芯板為銅板或鋁板中的一種；
所述的外導體為單層PCB板，分為介質板層和金屬板層，介質板層位於小室內壁，金屬板層位於小室外壁，介質板層厚度為1mm，中間段外導體四周的金屬層上設有若干相互平行的縱向槽，縱向槽長度與中間段軸向長度相同，高度與金屬層厚度相同，且縱向槽內填充有鐵氧體條。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的金屬層厚度為35μm。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的內導體優選厚度為1mm的銅板。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的中間段外導體的上寬邊和下寬邊各開設有6-10條縱向槽，前窄邊和後窄邊各開設有3-7條縱向槽。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的上寬邊和下寬邊各開設有8條縱向槽，在前窄邊和後窄邊各開設有5條縱向槽，所述的縱向槽均勻分布在各邊上。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的每條縱向槽內鐵氧體條的長度為 152mm，寬度為5mm,厚度為0.5mm。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的PCB板材質為FR4。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的中間段外導體長度L0＝152mm、寬度a＝152mm、高度b＝99mm、漸變段外導體的長度L1＝93mm、漸變段外導體末端的寬度a1＝30.4mm,漸變段外導體末端的高度為b1＝19.8mm。
進一步，作為一種具體的結構形式，所述的中間段內導體寬度w＝114.6mm，漸變段內導體末端的寬度為v＝21.35mm,左右兩個漸變段內導體尺寸一樣。
本實用新型的有益效果是：橫電磁波小室性能的衡量標準主要是上限可用頻率和測試區域內的場均勻性，本實用新型中加載鐵氧體的PCB型橫電磁波小室有效抑制了橫電磁波小室的高次模和諧振的產生；在保持IEC61967-2標準橫電磁波小室大小和測試板尺寸的情況下，外導體採用PCB板結構，製作簡單且成本較低；並在PCB板開槽處填補鐵氧體條，以防止電磁波洩漏，實現了較好的屏蔽作用。最終，該加載鐵氧體的PCB型橫電磁波小室的上限工作頻率擴展到 3.3GHz，測試區域內的場均勻性低於1.3dB，使得工作區間場分布均勻性良好。
附圖說明
圖1為IEC61967-2標準的橫電磁波小室的立體圖
圖2為本實用新型的立體圖
圖3為本實用新型的拆分圖
圖4為本實用新型的整體俯視圖
圖5為本實用新型和內導體1俯視圖
圖6為本實用新型的主視圖
圖7為本實用新型的左視圖
圖8為橫電磁波小室中間段內導體寬度w與中間段特性阻抗Z1的關係圖
圖9為橫電磁波小室漸變段內導體末端的寬度v與整體特性阻抗Z0的關係圖
圖10為本實用新型仿真的回波損耗S11曲線圖
圖11為本實用新型仿真的插入損耗損耗S21曲線圖
圖12為本實用新型仿真的駐波比VSWR曲線圖
圖13為本實用新型在不同高度處電場垂直分量歸一化曲線圖
圖14為本實用新型在不同寬度處電場垂直分量歸一化曲線圖
附圖標註說明：1、內導體，2、外導體，11、中間段內導體，12、漸變段內導體，21、中間段外導體，22、漸變段外導體，3、鐵氧體條。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細地說明。但應當理解本實用新型的保護範圍並不受具體實施方式的限制。
設計原理：
對橫電磁波小室工作頻率影響較大的高次模主要是TE模，即縱向磁場分量Hz的影響較大，而Hz與電流密度Js的關係為:其中，Js為沿橫向方向的電流密度。因此，通過抑制橫向電流可以減少縱向磁場分量，從而抑制TE高次模的產生。並在縱向槽上添加鐵氧體條3以防止電磁波洩漏，實現了較好的屏蔽作用。
在三維電磁仿真軟體(採用三維直角坐標系下時域有限差分(FDTD) 方法)中建立該新型橫電磁波小室的仿真模型，利用三維電磁仿真軟體計算其回波損耗S11、插入損耗S21和駐波比VSWR，最後對橫電磁波小室的電場均勻性進行分析。
圖1為IEC61967-2標準的橫電磁波小室，包含外導體2和內導體1，外導體2包括方形結構的中間段外導體21和中間段兩端呈錐形結構過渡的漸變段外導體22，中間段外導體21和漸變段外導體22同軸，且圍成一個小室；內導體1為沿外導體2軸向方向設置的一塊扁平的芯板，分為中間段內導體11和漸變段內導體12，內導體1長度與外導體2長度相同。IEC61967-2標準的橫電磁波小室橫截面尺寸為152mm×99mm，縱向長度為338mm，即中間段外導體21長度L0＝152mm、寬度a＝152mm、高度b＝99mm，漸變段外導體的長度L1＝93mm，可用頻率從DC至1GHz，被測物最大尺寸為6cm×6cm×1cm。
圖2為本實用新型中的橫電磁波小室的立體圖，也是在三維電磁仿真軟體中建立的橫電磁波小室仿真模型，三維直角坐標系的原點在橫電磁波小室中心對稱點上,x方向為該模型橫截面的水平方向，y方向為該模型橫截面的垂直方向， z方向為該模型的水平方向。該橫電磁波小室的外導體2和內導體1尺寸與圖1中標準橫電磁波小室的尺寸相同。本實用新型中的外導體2是單層PCB 板，材質為FR4，分為介質板層和金屬層，介質板層厚度為1mm，金屬層厚度為35μm；內導體1厚度為t＝1mm，材質為銅；中間段外導體21四周的金屬層上均勻分布有相互平行的縱向槽，每條縱向槽上都填充有鐵氧體條3。
圖3為本實用新型的拆分圖，橫電磁波小室由中間段外導體21、漸變段外導體22、中間段內導體11、漸變段內導體12和鐵氧體條3組成。
圖4為本實用新型的整體俯視圖
圖5為本實用新型的內導體俯視圖
圖6為本實用新型的主視圖
圖7為本實用新型的左視圖
如圖4-7所示，本實用新型中加載鐵氧體的PCB型橫電磁波小室，其外導體2是單層PCB板，材質為FR4，介質板厚度為1mm，PCB板金屬層厚度為35 μm；內導體1厚度為t＝1mm，材質為銅。中間段外導體21長度L0＝152mm、寬度a＝152mm、高度b＝99mm、漸變段的長度L1＝93mm、中間段內導體11寬度 w＝114.6mm；漸變段外導體22末端的寬度a1＝30.4mm,漸變段外導體22末端的高度為b1＝19.8mm,漸變段內導體12末端的寬度為v＝21.35mm,中間段外導體21 上等距離地分布縱向槽，槽的長度為152mm，寬度為5mm,厚度為1mm，外導體2上下寬邊等距離開設有8條縱向槽，前後兩側窄邊等距離開設有5條縱向槽，並添加長度為152mm，寬度為5mm，厚度為0.5mm的鐵氧體條3來填補所有的縱向槽。
圖8為橫電磁波小室中間段內導體寬度w與中間段特性阻抗Z1的關係圖，由於橫電磁波小室的一端要連接50Ω的匹配負載，所以在設計橫電磁波小室時，要儘可能地使橫電磁波小室的特性阻抗Z0接近50Ω，這樣才是實現較好的阻抗匹配，橫電磁波小室的整體性能才能達到最優。首先需要滿足中間段的阻抗匹配，也就是使中間段的特性阻抗Z1＝50Ω，中間段外導體的長、寬、高和厚度都已確定，而且內導體的厚度t取1mm比較接近實際情況，那麼需要求出中間段阻抗匹配時，中間段內導體的寬度w。
橫電磁波小室中間段的特徵阻抗近似為
單位長度分布電容C0的近似表達式為
ε0：磁導率
μ0：介電常數
η0：自由空間的特徵阻抗，其值為120πΩ
C0：以F/m為單位的單位長度分布電容
有公式(1)可知，當橫電磁波小室中間段的特徵阻抗Z1＝50Ω的特徵阻抗，那麼對應的已知a＝152mm,b＝99mm，根據公式(2)，可以得出則 w≈114mm。
為了實現更好的阻抗匹配，需要求出w的精確值。因此，在三維電磁仿真軟體中建立橫電磁波小室中間段的模型，將中間段內導體寬度w設為變量，將w 在110mm-115mm範圍內掃頻，可得出w與橫電磁波小室中間段特性阻抗Z1的關係圖。如圖8所示，當w＝114.6mm時，特性阻抗Z1＝50Ω。
圖9為橫電磁波小室漸變段內導體末端的寬度v與整體特性阻抗Z0的關係圖，當橫電磁波小室的性能最佳，當窄邊b1＝19.8mm時，比較接近實際，此時因為所以當w＝114.6mm時，將漸變段內導體末端的寬度v設為變量，將v在 20mm-25mm範圍內掃頻，可得出v與橫電磁波小室特性阻抗Z的關係圖。如圖 9所示，當v＝21.35mm時，特性阻抗Z0＝50Ω。
圖10為本實用新型仿真的S11曲線圖，在三維電磁仿真軟體(採用三維直角坐標系下時域有限差分(FDTD)方法)中建立橫電磁波小室的仿真模型，利用三維電磁仿真軟體計算其回波損耗S11，由S11曲線圖可知，在0-3.3GHz範圍內，S11小於-18dB。
圖11為本實用新型仿真的S21曲線圖，利用三維電磁仿真軟體計算其插入損耗S21，由S21曲線圖可知，在0-3.3GHz範圍內，S21大於-1.6dB。
圖12為本實用新型仿真的VSWR曲線圖，利用三維電磁仿真軟體計算其駐波比VSWR，由S21曲線圖可知，在0-3.3GHz範圍內，VSWR小於1.3。
圖13為本實用新型不同高度的電場水平分量的曲線圖，IEC61967-2規定的橫電磁波小室磁波小室的被測物最大尺寸為60mm×60m×10mm，即可用測試試空間為-30mm<z<30mm，-30mm<x<30mm，20mm<y<30mm。因為橫電磁波小室結構是上下對稱的，電場分布也是上下對稱的，而且水平場分量遠遠小於垂直場分量，故可以忽略不計，所以只需計算其內導體1芯板與上板間(即上半腔)垂直場分量Ey的分布情況。採用三維電磁仿真軟體計算出Ey後,取z＝0mm， -30mm<x<30mm時，y＝20mm,y＝25mm,y＝30mm所對應的Ey，按照公式對Ey(V/m)的值進行歸一化，其中E0是內導體1芯板與底板之間中心點的垂直場分量。由圖13可知，本專利橫電磁波小室的場均勻性小於 1dB。
圖14為本實用新型不同寬度處電場垂直分量歸一化曲線圖，因為橫電磁波小室結構是前後對稱的，所以只需計算其前半腔垂直場分量Ey的分布情況。採用三維電磁仿真軟體計算出Ey後，取y＝25mm，-30mm<z<30mm時， x＝0mm,x＝15mm,x＝30mm所對應的Ey，按照公式對Ey(V/m) 的值進行歸一化，其中E0是內導體1芯板與底板之間中心點的垂直場分量。由圖14可知，本專利橫電磁波小室的場均勻性小於3dB。