1、陈乐东，吴建飞，王芳，等.基于横向扼流法的宽带带状线小室设计J.电波科学学报，2023，38（1）：181-186.DOI:10.12265/j.cjors.2022007CHEN L D,WU J F,WANG F,et al.Design of broadband IC-stripline cell based on transverse choke methodJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：181-186.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022007基于横向扼流法的宽带带状线小室设计陈乐东
2、1吴建飞1，2*王芳3王宏义1桂新海4（1.国防科技大学电子科学学院,长沙 410000；2.天津先进技术研究院,天津 300000；3.中国人民解放军 75841 部队,长沙 410000；4.中国人民解放军 93088 部队,赤峰 024000）摘要 为扩展带状线小室工作带宽，基于标准 IEC61967-8 对 EM601-6 型带状线小室进行改进，提出芯板开缝的方法扼止横向电流，在三维电磁仿真软件 CST 中建立了带状线小室的三维仿真模型，并计算出改进后带状线小室的 S 参数和电压驻波比（voltage standing wave ratio,VSWR）.计算结果表明，芯板开缝的带状线小
3、室的上限可用频率由 6 GHz 提高到了 7 GHz.根据仿真结果加工制作的实物，虽然 S21和 S11比仿真结果差，但是在标准要求的范围内工作频段可由 06 GHz 扩展到 07 GHz.关键词带状线小室；阻抗匹配；横向电流；上限可用频率；开缝中图分类号TM15文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0181-06DOI 10.12265/j.cjors.2022007Design of broadband IC-stripline cell based on transverse choke methodCHEN Ledong1WU Jianfei1,2*WANG Fang
4、3WANG Hongyi1GUI Xinhai4（1.College of Electronic Science National University of Defense Technology,Changsha 410000,China；2.TianjinInstitute of Advanced Technology,Tianjin 300000,China；3.Unit 75841 of PLA,Changsha 410000,China；4.Unit 93088 of PLA,Chifeng 024000,China）AbstractIn order to expand the wo
5、rking bandwidth of the IC-stripline,based on the standard IEC61967-8 toimprove on the EM601-6 IC-stripline,this paper analyses the working principle and design principle of the IC-stripline,and calculates the size of the septum under the condition of good impedance matching.A method of chopping thet
6、ransverse current is proposed and a 3D simulation model of the IC-stripline cell is established in the 3Delectromagnetic simulation software(CST).The S-parameter and voltage standing wave ratio(VSWR)of the improvedIC-stripline are calculated and the calculation results show that the usable frequency
7、 of upper limit of the IC-striplinewith the slotted septum is increased from 6 GHz to 7 GHz.Although the return loss and insertion loss of themanufactured IC-stripline cell are worse than the simulation results,the working bandwidth is increased from 06 GHzto 07 GHz within the range required by the
8、standard.KeywordsIC-stripline cell；impedance matching；transverse current；usable frequency of upper limit；slottedseptum 引言集成电路(integrated circuit,IC)的工作频率不断提高，芯片加工尺寸不断缩小，使得芯片级的电磁兼容问题逐渐突出.传统横电磁波(transverse electr-omagnetic wave,TEM)传输室(TEM 小室)的工作带宽为 3 GHz1-3，远远不能满足集成电路的测试要求.近年来，随着带状线小室的出现，可用测试带宽有了 收稿日
9、期：2022-01-12资助项目：中国航天科技集团有限公司第八研究院产学研合作基金项目陀螺控制电路 SIP 模块电磁可靠性评估与应用研究(SAST2021-069)通信作者：吴建飞 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 很 大 的 提 高.标 准 IEC 61967-8 和 IEC 62132-84-5要求带状线小室在 03 GHz 带宽内电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于 1.25，插入损耗大于2 d
10、B，目前，符合标准要求的封闭型带状线小室 EM601-6 的测量带宽可以达到 6 GHz.但随着毫米波芯片的不断涌现和 5G 技术的飞速发展，6 GHz已经不能满足这类芯片的测量需求.作为测量芯片辐射发射和抗扰度最方便、最准确的方法，带状线小室法迫切需要扩展适用频段.带状线小室的基本工作原理与 TEM 小室相同.文献 6-9 介绍了传统 TEM 小室的分析方法以及如何使用时域有限差分法计算上限工作频率.文献10-12 分析了 VSWR 对垂直电场变化的影响，低VSWR 可确保较小的垂直电场变化，且较小的电场变化有利于电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)
11、测试的可重复性.文献 13 中导电芯板采用金属线列结构，可有效改善场均匀性并削弱待测设备(equipment under test,EUT)的耦合.文献 14-16 利用吸波材料、铁氧体和磁环抑制高次模的方法，扩展了 TEM 小室的工作带宽，但会占用小室内空间并减小横电磁场区域面积.文献 17-19 分析了对 TEM 小室内外导体开纵向狭缝的影响，虽然可以扩展TEM 小室的工作带宽，但是开缝方式较为复杂，且实现难度较大.上述文献中的方法有效扩展了 TEM 小室的工作带宽，这些方法通过改进也可适用于带状线小室.传统带状线小室带宽为 6 GHz，本文提出了一种芯板开缝的方法并将其应用于传统带状线小
12、室，该方法可以在不改变带状线小室测量区域情况下扩展带宽.通过电磁波仿真软件对所提出的高阶模态抑制方法进行了仿真分析.结果表明在带状线小室中间芯板两侧开缝可适度提高上限可用频率，标准带状线小室的工作频段可由 06 GHz 扩展到 07 GHz.1 带状线小室的工作原理带状线小室是一个变形的同轴线，其基本工作原理同 TEM 小室一样，在小室内外导体板间产生横向电磁波，用于计量、测试、检测等场合.带状线小室内部场强值的大小可以按平行板标准场强公式来计算：E=Ub;（1）H=E.（2）式中：U 为内外导体之间的电位差；b 为内外导体板之间的距离；为媒质的特征阻抗.2 带状线小室的设计带状线小室的外导体
13、为方形，内导体为一块扁平的芯板，两端呈锥形向同轴接口过渡，如图 1 所示.2a 和 2b 分别为带状线小室的宽度和高度，l 为带状线小室的长度,2w 和 t 分别为内导体的宽度和厚度.t2b导电芯板同轴连接器l2a2w导电芯板同轴连接器(a)正视图(a)Front view(b)俯视图(b)Top view图 1 带状线小室示意图Fig.1 Structure of IC-stripline cell 内部结构的阻抗失配会产生反射和驻波，进而影响带状线小室内部 TEM 的场均匀性，因此良好的阻抗匹配对带状线小室的工作性能至关重要.带状线小室结构与 TEM 小室类似，特性阻抗计算公式相同，按照文
14、献 20，矩形同轴传输线的特征阻抗近似为Z0=94.2wb+2ln(1+coth(gb).（3）式中，g 为导电芯板到小室侧壁的横向距离.2a=50 mm，2b=25 mm，t=0.6 mm参照美国 ESDEMC 公司生产的 EM601-6 型带状线小室，选取带状线小室尺寸为.带状线小室中间段导电芯板宽度 w 决定了过渡段的总体几何尺寸，因此为实现良好的阻抗匹配需要选取合适的导电芯板宽度 w.a=25 mm，b=12.5 mm，Z0=50 w约为18 mmZ0w=16 mm将代入式(3)，计算得到.为了得到阻抗匹配时 w 的精确值，利用 CST 软件进一步建模计算，得到中间段特征阻抗与 w 的
15、变化关系如图 2 所示.特征阻抗Z0达到理想的 50 时，导电芯板宽度.182电波科学学报第 38 卷15.516.016.517.017.518.04546474849505152Z0/w/mm图 2 特征阻抗 Z0随 w 变化曲线Fig.2 Variation curve of characteristic impedance Z0 with w 带状线小室的工作频率上限取决于内部结构的谐振频率和传输 TE、TM 高次模频率.为了保证带状线小室中传输主模只存在 TEM 模，需要限制带状线小室的工作频率小于某一截止频率.带状线小室截止频率计算公式与 TEM 小室基本一致20：fTE01c=c
16、(0.1221b+0.015651a)，0.5 ab 2.5;fTE10c=c2a.（4）式中，c 为真空中的光速.TE01TE10TE01TE10带状线小室的工作频率不应超过上述截止频率.通常情况下，模式的截止频率要低于模式截止频率，由于模式基本不影响小室内测试区域的场均匀性，因此带状线小室的上限工作频率一般为模的截止频率.fTE10c=6 GHz将 a=25 mm，b=12.5 mm 代入式(4)，可以得出，即该尺寸带状线小室适用频段上限为6 GHz，这与 EM601-6 带状线小室的设计频率是一致的.S 参数和 VSWR 仿真结果以及小室开窗处的电场强度和 3 dB 场均匀区分布如图 3
17、 所示.0123456781.01.52.02.53.03.5VSWRS11S21f/GHzVSWR6040200S 参数/dB(a)VSWR 和 S 参数仿真结果(a)Simulation results of S parameters and VSWR551515/mml/mmE/(dBVm1)(b)小室开窗处电场强度(红色阴影部分为 3 dB 场均匀区在水平面投影)(b)Electric field at the window of the cell(the red shaded area is the horizontal projection of the 3 dB uniform
18、field area)VSWRf/GHzVSWR604020S 参数/dB(a)VSWR 和 S 参数仿真结果(a)Simulation results of S parameters and VSWR6040200151555551515a/mml/mmE/(dBVm1)(b)小室开窗处电场强度(红色阴影部分为 3 dB 场均匀区在水平面投影)(b)Electric field at the window of the cell(the red shaded area is the horizontal projection of the 3 dB uniform field area)图
19、3 标准尺寸带状线小室仿真结果Fig.3 Simulation results of the standard IC-stripline cell 根据式(4)，缩小宽度 a 可以提高带状线小室的上限可用频率，但缩小尺寸无疑缩小了测试区域的大小，因此通过缩小小室尺寸来提高上限可用频率的方法不可取，需要从分析谐振原理的角度出发，寻找提高上限可用频率的方法.3 芯板开缝对带状线小室工作带宽的影响TE10图 3(a)中，当带状线小室工作频率小于 6 GHz时，S11小于20 dB，S21接近 0 dB，表明小室端口匹配良好，电磁波反射少，小室内部处于行波状态，没有高次模产生；当带状线小室工作频率大于
20、 6 GHz时，插入损耗陡降，回波损耗陡增，小室内部激励起高次模，小室内磁场分布如图 4(a)所示.TE10TE10HzHzJs带状线小室一阶高次模谐振频率为模的截止频率，该频率下小室内场均匀性遭到严重破坏.模存在较强的纵向磁场分量，其对带状线小室场均匀性影响较大19.与横向电流密度 的关系为Js=nHz.（5）TE10在导电芯板上设置缝隙后，由于缝隙的阻挡，横向电流将被迫转为纵向流动，进而减弱纵向磁场的强度.图 4(b)为模截止频率下带状线小室导电芯板表面电流分布.由图 4(b)可以看出，横向电流强度由芯板中轴向两侧递增，因此抑制横向电流最直接有效的方式是在芯板的两边适当位置处沿传输方向开缝
21、，通过缝隙阻止横向电流流动.开缝方式如图 5 所示，设开缝的长度为 l 宽度为 k，固定缝隙宽度 k=1 mm，对不同长度 l 进行驻波比仿真，仿真结果如图 6(a)所示.结 果 发 现 当 l=22 mm 时 VSWR 最 优.固 定 l=22mm 对不同宽度 k 进行驻波比仿真，结果如图 6(b)所示，可以看出开缝宽度适当变化对 VSWR 影响不大.第 1 期陈乐东，等：基于横向扼流法的宽带带状线小室设计183 (a)磁场分布(a)Magnetic field distribution(b)表面电流分布(b)Current distribution on the surfaceA/m111
22、09876543210yxzA/myxz(a)磁场分布(a)Magnetic field distribution(b)表面电流分布(b)Current distribution on the surfaceA/myxzA/m5.506.006.506.945.004.504.003.503.002.502.001.501.000.500yxz图 4 截止频率下磁场分布及芯板表面电流分布Fig.4 Magnetic field distribution and current distribution onthe surface of the septum at cut-off frequen
23、cy 图 5 芯板开缝位置Fig.5 Slit position of the septum (a)不同开缝长度 l(k=1 mm)(a)Different slit lengths l(k=1 mm)1.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0l=18 mml=20 mml=22 mmVSWR012345678f/GHzVSWR(b)不同开缝宽度 k(l=22 mm)(b)Different slit widths k(l=22 mm)k=0.8 mmk=1.0 mmk=1.2 mmf/GHz(a)不同开缝长度 l(k=1 mm)(a)Different slit le
24、ngths l(k=1 mm)l=18 mml=20 mml=22 mmVSWRf/GHz1.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0VSWR(b)不同开缝宽度 k(l=22 mm)(b)Different slit widths k(l=22 mm)k=0.8 mmk=1.0 mmk=1.2 mm012345678f/GHz图 6 不同开缝尺寸仿真结果Fig.6 Simulation results of different slit sizes 3 cm3 cm开缝尺寸 l=22 mm，k=1 mm 时带状线小室 S 参数仿真结果如图 7(a)所示.可以看出，S21在
25、 07 GHz 内大于1 dB，S11在 07 GHz 内小于10 dB，VSWR 在 06 GHz 内小于 1.25，6 7 GHz 内小于1.5.6.1 GHz 处磁场分布如图 7(b)所示，与图 4(a)相比，纵向磁场分量明显减少，谐振频率后移.小室开窗处的电场强度及 3 dB 场均匀区如图 7(c)所示，红色阴影部分为 3 dB 场均匀区在水平面投影.导电芯板开缝后，3 dB 场均匀区约为，与传统带状线小室一致，证明开缝对带状线小室的 3 dB 场均匀区无影响.0123456781.01.52.02.53.03.5VSWRS11S21f/GHzVSWR604020103050700S
26、参数/dB(a)VSWR 和 S 参数仿真结果(a)Simulation results of S parameters and VSWR(b)6.1 GHz 处磁场分布(b)Magnetic field distribution at 6.1 GHzA/m0.6500.7000.7500.8440.6000.5500.5000.4500.4000.3500.3000.2500.2000.1500.1000.0500yxz(c)小室开窗处电场强度(红色阴影部分为 3 dB 场均匀区在水平面投影)the horizontal projection of the 3 dB uniform fiel
27、d area)551515/mml/mmE/(dBVm1)(c)Electric field at the window of the cell(the red shaded area is 184电波科学学报第 38 卷VSWRf/GHzVSWR60402010305070S 参数/dB(a)VSWR 和 S 参数仿真结果(a)Simulation results of S parameters and VSWR(b)6.1 GHz 处磁场分布(b)Magnetic field distribution at 6.1 GHzA/myxz(c)小室开窗处电场强度(红色阴影部分为 3 dB 场均
28、匀区在水平面投影)the horizontal projection of the 3 dB uniform field area)6040200151555551515a/mml/mmE/(dBVm1)(c)Electric field at the window of the cell(the red shaded area is 图 7 最佳开缝尺寸仿真结果Fig.7 Simulation results of optimal slotting 4 实物测试基于上述仿真结果，设计制作带状线小室如图 8所示.盖上小室盖板并接入网络矢量分析仪测量S 参数，结果如图 9 所示.可以看出，带状线
29、小室实物的测量结果与仿真结果有较大差异.S11的差异主要是导电芯板与同轴接头连接处的阻抗匹配较差造成的；导电芯板与同轴接口连接处的焊接不够精细，且小室壳体在连接导电芯板与同轴接口位置的开孔直径存在较大加工误差，造成阻抗失配.插入损耗低于仿真结果，这是由于仿真时导电芯板的材料选择为纯铜，而实际加工的导电芯板并不是理想的纯铜，因而存在较大的材料损耗；同时焊接不理想也会增加电磁波在传输过程中的损耗.图 8 带状线小室实物Fig.8 The prototype of the IC-stripline cell 6050403020100S 参数/dBS11 仿真S11 实测012345678f/GHz
30、(a)S11S 参数/dB21仿真21实测10987654321010123456f/GHz(b)216050403020100S 参数/dB11仿真11实测0123456f/GHz(a)11S 参数/dBS21 仿真S21 实测1098765432101012345678f/GHz(b)S21图 9 S 参数仿真与测量结果Fig.9 Comparison of S-parameter simulation andmeasurement results 5 结论带状线小室的上限可用频率取决于内部结构的谐振频率和传输 TE、TM 高次模频率，本文参照EM601-6 型带状线小室的尺寸分析了芯板开
31、缝对带状线小室的影响，仿真了不同开缝尺寸对提高带状线小室上限可用频率的影响.仿真结果表明，在芯板两侧对称开四条长 22 mm 宽 1 mm 的缝，能够有效地抑制横向电流，提高带状线小室的上限可用频率至 7 GHz，在可用频率范围内，S21大于2 dB，S11小于15 dB.加工制作的实物，实测 S21和 S11比仿真结果差，主要是由于设备加工公差和导电芯板的损耗造成的，但是在标准要求的范围内工作频段可由 06GHz 扩展到 07 GHz.在后续的工作中，会对小室因阻抗失配造成的误差做详细分析.参考文献 Integrated circuits-measurement of electromagn
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