ТЕМ-КАМЕРА
TEM CHAMBER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для испытания объектов на электромагнитную совместимость (ЭМС) и исследования воздействия электромагнитного поля (ЭМП) на биологические объекты (БО), представляющие собой ткани и клетки растительного, животного происхождения и биологические среды человека и животных, размещенные во внутреннем испытательном объеме.
Известна методика [Crawford M.L. Generation of standard EM fields using ТЕМ transmission cells // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 1974. - Vol. EMC-16. - No. 4. - P. 189-195], которая описывает распространение ЭМП в экранированной среде, а именно распространение поперечной электромагнитной волны вдоль волноводного тракта с заданным характеристическим сопротивлением и уровнем напряженности электрического поля на любой частоте ниже высших мод. По данной методике была изготовлена TEM-камера, которая состоит из замкнутого проводника выполненного из прямоугольной и двух пирамидальных частей, на вершинах которых помещен соединитель для подключения центральной пластины, расположенной внутри замкнутого проводника, к генератору и нагрузке с заданным волновым сопротивлением. Высота испытуемого объекта (ИО) составляет 1/3 от расстояния между нижней экранирующей стенкой и полосковой линией, что определяет высоту ячейки и является оптимальным соотношением для равномерного распространения поперечной электромагнитной волны в прямоугольном волноводе с ИО и, как следствие, минимального отклонения коэффициента стоячих волн по напряжению (КСВН), а также сохранения волнового сопротивления линии с допустимой погрешностью. Диапазон рабочих частот ТЕМ-камеры ограничен первой резонансной частотой, что необходимо для равномерного распространения ЭМП во внутреннем объеме. Недостатками устройства, созданного по вышеописанной методике, основанной на приближенных формулах и экспериментальном исследовании, являются небольшой диапазон рабочих частот и высокая неравномерность распространения поля в зоне ИО.
Из патента EP 1283990 B1, G01R 29/08, 08.06.2011 известно устройство для испытаний испытуемого объекта на ЭМС, ТЕМ-камера. Устройство предназначено для измерения эмиссий и испытания на устойчивость испытуемого объекта на ЭМС и содержит, по меньшей мере, шесть граней проводящего материала с отверстием в одной из них. Каждая из граней размещена в определенном месте пространства, образуя замкнутый параллелепипед с входным отверстием. Внутренний объем включает набор проводников, по меньшей мере, один из которых соединен с двумя соединителями и располагается в плоскости, точки которой перпендикулярны плоскости испытуемого объекта. Внутренний объем также может содержать элементы перемешивания электромагнитного излучения, а проводящие структуры внутри могут быть покрыты радиопоглощающим материалом.
Из патента RU 2207678 C1, H01Q 17/00, G01R 31/00, 19.11.2001 известна ТЕМ-камера с устройством видеонаблюдения, предназначенная для проведения испытаний технических средств на устойчивость к воздействию ЭМП. ТЕМ-камера снабжена смотровым отверстием и включает в себя отрезок прямоугольного волновода с пирамидальными элементами, прилегающими к торцам прямоугольного волновода, в вершинах которых расположены коаксиальные выводы, к которым подключены высокочастотный генератор и согласующая нагрузка. Смотровое отверстие выполнено в стенке пирамидального элемента, прилегающего к высокочастотному генератору. При этом ТЕМ-камера может быть снабжена видеокамерой, расположенной напротив смотрового отверстия, а видеокамера может быть заключена в экранирующий кожух, сопряженный с внешней поверхностью пирамидального элемента ТЕМ-камеры. К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость использования усилителя мощности для получения высоких амплитуд напряженности поля и низкая верхняя граничная частота вследствие больших габаритов камеры. Уменьшение геометрических размеров и размещение видеокамеры в пирамидальном элементе окажет существенное влияние на равномерность распространения поперечной волны внутри ТЕМ-камеры.
Из патента US 4605916 A, H01P 1/00, 3/06, 12.08.1986 известна ТЕМ-камера, предназначенная для испытания на воздействие электромагнитным излучением и содержащая внешний экранирующий корпус из металла, имеющий на противоположных концах конические поверхности в виде множества наклонных стенок, а также внутреннюю металлическую перегородку в виде пластины, проходящей вдоль продольной оси экранирующего корпуса, которая на концах соединена с генератором и нагрузкой через соединительную часть, которая содержит изолирующую прокладку между корпусом и центральным проводником соединителя. Недостатком камеры является наличие переходов с механическим креплением внутренней перегородки, что вызывает неравномерность распространения поля в начале и конце ТЕМ камеры, а следовательно высокий коэффициент стоячих волн по напряжению, причем в относительно небольшом рабочем диапазоне частот до 100 МГц.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является ТЕМ-камера US 5436603, H01P 1/00, 3/06, 25.07.1995, предназначенная для испытания объектов на помехоэмиссии и помехоустойчивость в области ЭМС и содержащая полый металлический корпус с двумя сужающимися участками. Также, на концах располагается, по меньшей мере, один соединитель, который соединяется с центральной пластиной, расположенной во внутренней полости металлического корпуса и имеющей ступенчатую форму для минимизации максимального значения КСВН.
Недостатком устройства-прототипа является небольшой диапазон рабочий частот, до 1 ГГц, а также наличие неоднородностей, представляющих собой механическое крепление перегородки во внутреннем объеме устройства, что вносит дополнительную неравномерность распространения поля в зоне испытуемого объекта.
Заявляемое устройство включает в себя корпус с центральной частью в форме прямоугольного параллелепипеда из четырех проводящих поверхностей, на открытых концах которого имеются две сужающиеся части в форме пирамиды, вершина которых соединена с корпусом соединителя, центральный проводник которого соединен с центральной пластиной, расположенной во внутренней полости корпуса, и отличается тем, что в поперечном сечении центральная и сужающиеся части корпуса являются прямоугольником с соотношением сторон 1:1,15, причем длина центральной части равна ее ширине, а сужающиеся части выполнены с линейными углами сужения 32,7° и 36,7°, открытые концы которого имеют размер 7,2×8,4 мм и вдоль продольной составляющей сгибы для соединения со стягивающим кольцом, которое выполнено в форме цилиндра с прямоугольным вырезом внутри и отношением сторон 1:1,15, по краям которого имеются, по меньшей мере, четыре отверстия с резьбовым соединением для крепления с помощью винтов через токопроводящую пасту держателя под соединитель, который также имеет цилиндрическую форму с, по меньшей мере, четырьмя резьбовыми отверстиями и, по меньшей мере, пятью отверстиями под высокочастотный соединитель, четыре из которых выполнены с одинаковым диаметром, а пятое выполнено в виде коаксиального волновода с волновым сопротивлением 50 Ом, центральный проводник которого соединен при помощи пайки и соединения в паз с центральной пластиной, которая выполнена из проводящего материала толщиной 2 мм и шириной 1:1,3 по отношению к ширине центральной части корпуса, а на концах центральной пластины выполнено линейное сужение со ступенчатыми вырезами на кромках в форме дуги, причем сужение в начале выполнено под углом 46° на расстоянии толщины стягивающего кольца и под углом 61° на расстоянии от толщины стягивающего кольца до 5,5 мм, превышающем расположение ребер корпуса, в одной из стенок которого имеется прямоугольный вырез, кромки которого выполнены с фаской под углом 45°, для испытательного стола из проводящего материала, который имеет, по меньшей мере, одно отверстие для соединителя и фаску под углом 45°.
Техническим результатом является возможность получения максимальной рабочей частоты камеры в диапазоне от 1 до 2 ГГц, при максимальной высоте испытуемого объекта в диапазоне от 40 до 20 мм и максимальном коэффициенте стоячих волн по напряжению, не превышающем 1,08 (модуль коэффициента отражения, не превышает минус 22 дБ).
Технический результат достигается за счет оптимизации размеров и формы корпуса и центральной пластины ТЕМ-камеры.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
На фиг. 1 приведен изометрический вид снизу заявляемого устройства.
На фиг. 2 приведены поперечное (а) и продольное (б) сечения заявляемого устройства.
На фиг. 3 приведен вид сверху (а) и вид местного разреза возле соединителя (б) заявляемого устройства.
На фиг. 4 приведен вид сверху (а) и местный вид возле соединителя (б) полосковой линии заявляемого устройства.
11
На фиг. 5 приведена измеренная частотная зависимость модуля коэффициента отражения |S|.
На фиг. 6 приведена фотография заявляемого устройства.
1
1
1
1
r
1
r
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
a
В заявляемом устройстве есть центральная пластина 1, два цилиндрических держателя 2 с высокочастотными соединителями 3 и корпус 4 с вырезом под испытательный стол 5. Корпус выполнен из четырех проводящих поверхностей, на концах каждой из которых имеется изгиб, совокупность проводящих поверхностей образует центральную часть в виде прямоугольного параллелепипеда и две сужающиеся части в форме пирамиды. В поперечном сечении центральная (a, b) и две сужающиеся (a, b) части являются прямоугольником с соотношением сторон a/b=a/b=1,15. Длина параллелепипеда равна его ширине L=a. Угол, образованный в результате соединения центральной и сужающихся частей, имеет радиус скругления a. Сужающиеся части имеют линейные сужения под углами 32,7° и 36,7° относительно продольной оси камеры на расстоянии L, на конце которого выполнено скругление радиусом J. На конце каждого сужения имеется стягивающее кольцо 8 толщиной J с прямоугольным вырезом внутри с отношением сторон /b=1,15. По краям стягивающего кольца 8 имеются, по меньшей мере, четыре отверстия с резьбовым соединением 9 для крепления с помощью винтов держателя под соединитель 2 через токопроводящую пасту 10. Держатель под соединитель 2 имеет цилиндрическую форму с четырьмя резьбовыми отверстиями 11 и пятью отверстиями под высокочастотный соединитель 3, четыре из которых выполнены одинаковым диаметром 12, а пятое имеет больший диаметр 13, соответствующий волновому сопротивлению 50 Ом, и необходимо для вывода и соединения центрального проводника 14 соединителя 3 с центральной пластиной 1. Полость, образованная между центральным проводником 14 соединителя 3 и внешним диаметром отверстия 13 заполнена диэлектриком. В одной из широких сторон параллелепипеда имеется вырез с фаской 6 под углом 45°, который необходим для помещения внутрь испытуемого объекта 7 с габаритами x×y×z. Высота z испытуемого объекта 7 не должна превышать 1/3 от расстояния d. Испытательный стол 5 выполнен из проводящего материала и имеет фаску под углом 45°. На него помещается испытуемый объект 7 и закрывается при помощи прижатия кромки испытательного стола 5 к кромке выреза 6 в корпусе 4, чем обеспечивается минимальное искажение поля под испытуемым объектом 7 и повышение минимального значения эффективности экранирования корпусом 4 в целом. Центральная пластина 1 представляет собой плоский проводник, выполненный из проводящего материала толщиной t с прямоугольным поперечным сечением. Также центральный проводник на концах имеет сужение под углом 46° на расстоянии J и углом 61° на расстоянии L+X-J, а между двумя углами на кромке имеется вырез в форме дуги 16. Между сужающимися частями имеется прямолинейный отрезок вдоль продольной составляющей корпуса длиной L-2X. В начале и конце центральной пластины выполнен паз в виде отверстия 15 под механическое крепление и пайку центрального проводника соединителя 14, чем обеспечивается улучшение согласования волнового сопротивления в начале и конце заявляемого устройства с генератором и нагрузкой соответственно. Из фиг. 5 видно, что модуль коэффициента отражения не превышает минус 22 дБ в полосе частот до 1 ГГц, для испытуемого объекта высотой не более 40 мм и минус 23 дБ в полосе частот до 2 ГГц и высотой испытуемого объекта до 20 мм.
Принцип работы устройства заключается в следующем: к одному из соединителей 3 подключается генератор, а к другому - нагрузка 50 Ом. В результате непрерывного воздействия от генератора внутри камеры распространяется ТЕМ-волна и поглощается в нагрузке 50 Ом. Равномерность распространения ТЕМ-волны определяется однородностью и геометрическими параметрами камеры, соответствующими в каждом элементарном поперечном сечении волновому сопротивлению 50 Ом.