基于定向耦合網絡的強電磁場輻照等效試驗方法

盧新福 魏光輝 潘曉東 李 凱

(軍械工程學院電磁環(huán)境效應國家級重點實驗室，河北 石家莊 050003)

引 言

由于戰(zhàn)場電磁環(huán)境已變得更加復雜和惡劣[1]，需要預先對電子裝備進行高強度輻射場的電磁環(huán)境效應測試，但目前實驗條件可模擬的輻射場強及空間大小均有限，已無法滿足現(xiàn)行標準如國軍標GJB1389A-2005的要求[2]，電流注入作為一種替代方法已成為目前國內外研究的熱點.雖然在嚴格意義上，注入相當于集總源作用于受試系統(tǒng)，而輻照則相當于一系列分布源的作用，導致無法在一般情況下保證注入法和輻照法完全等效[3-4]，但對互連系統(tǒng)而言，電纜端口是其內部電路干擾耦合的重要通道[5-6]，研究高場強時從該端口進入的干擾信號是否會造成受試設備出現(xiàn)干擾損傷效應是十分必要的，此時通過注入等效替代該端口在輻照時引入的干擾是可行的.大電流注入(Bulk Current Injection,BCI)技術就主要用于替代線纜的輻射敏感度試驗，目前已被國內外標準所采納[4].但BCI技術存在以下三方面問題.一是僅能完成對線纜內共模電流的監(jiān)測和注入，無法替代天線耦合的差模干擾信號.這在很大程度上限制了注入法的應用范圍，因為當前各類天線收發(fā)系統(tǒng)已廣泛應用，天線因一般暴露在外界環(huán)境中而成為干擾耦合的重要通道.二是傳統(tǒng)電流注入方法的應用頻率上限一般為400 MHz[7-8]，難以覆蓋天線接收系統(tǒng)的應用頻帶范圍.三是對于輻照時受試設備響應出現(xiàn)非線性的情況，因為場強和線纜感應電流間的線性關系不再成立，導致了此時BCI技術的誤差較大.而直接電流注入(Direct Current Injection,DCI)法與輻照法的相關性相對較低，目前還處于研究的初步階段.

針對以上問題，本方法基于定向耦合原理設計了注入耦合裝置，實現(xiàn)了差模信號的注入和監(jiān)測，對天線和線纜為耦合途徑的輻照試驗均可等效替代.并以線纜端口的前向電壓作為輻照和注入的等效依據，避免了線纜上駐波對測試結果的影響.將輻射場強和注入源輸出電壓間的關系作為外推依據，保證了受試設備工作進入非線性區(qū)后試驗結果的準確性.最后以某天線接收系統(tǒng)為試驗對象，驗證了理論分析的正確性和試驗方法的準確性.

1 理論分析

1.1 差模注入耦合裝置

對互連系統(tǒng)而言，天線耦合的干擾主要為差模信號，線纜耦合的則主要是共模信號，但最終干擾線纜兩端設備的是由共模轉化成的差模信號，因此為對天線和線纜為主要耦合途徑的輻照試驗均實現(xiàn)等效替代，需要采用差模注入耦合裝置.另外，為判斷輻照和注入的等效性，耦合裝置應能夠監(jiān)測設備的端口信號，但頻率升高后線纜上的駐波分布會導致測量結果隨位置變化十分敏感.為解決這一問題，采用的方法是僅對線纜上的前向電壓進行監(jiān)測.為實現(xiàn)上述功能，將兩對稱定向耦合器級聯(lián)構成注入裝置，其結構如圖1所示.

圖1 試驗系統(tǒng)框圖

圖1中耦合裝置的1和2端口為輸入端和直通端，3和5端口為耦合端，4和6端口為隔離端.由定向耦合器的特性知，通過4端口可將干擾信號直接注入到設備B中，5端口可用于監(jiān)測線纜上的前向電壓信號.實際試驗時將該裝置接入受試系統(tǒng)，并保證其各端口盡量匹配，此時耦合裝置的引入可保證在不影響原系統(tǒng)正常工作的前提下完成干擾信號的注入和監(jiān)測.由于定向耦合器的應用頻帶可達數(shù)個GHz水平，并且可以準確監(jiān)測線纜上的前向電壓波，因此該耦合裝置為提高注入法的應用頻率上限提供了硬件保障.另外，試驗時耦合裝置一般置于輻照區(qū)域外，因而其本身對輻射場的響應可不必考慮.

1.2 非線性情況試驗方法的正確性

對于互連系統(tǒng)而言，因為最終關心的是線纜兩端所連設備的電磁敏感性，所以輻照和注入等效的依據是保證受試電子設備的響應相等，而不必關心線纜上的電流分布.基于以上考慮，將耦合裝置連接在線纜端口和受試設備端口之間，其試驗配置如圖1所示，圖中A為輔助設備，本文中令其為線性的，B為受試設備.由于實際試驗難以模擬高輻射場強，因此替代高場強輻照的注入電壓值需要由低場強與注入電壓的關系外推得到.另外，在強場試驗條件下，許多電子設備都表現(xiàn)出非線性[9]，因此，如何在受試設備是線性或非線性的情況下均實現(xiàn)注入等效高場強輻照，成為需要解決的關鍵問題.

(a) 輻照時等效模型 (b) 注入時等效模型

(c) 輻照和注入時的等效電路圖2 輻照和注入時系統(tǒng)簡化模型

由理想對稱定向耦合器的性質可得耦合裝置的散射參數(shù)滿足

S14=S16=S23=S25=S35=S36=S46=0

Sij=Sji，Sii=0 (i，j=1，2，…，6).

(1)

依據以上散射參數(shù)并由等效電源波理論[10]可得

(2)

(3)

式中Z0為各端口的特性阻抗.由式(3)知，圖2(c)所示等效電路中的源阻抗相等，這是因為輻照和注入的無源網絡模型相同，只是等效源位于S網絡的不同端口.此時不論設備B是否是非線性的，當且僅當?shù)刃г措妷合嗟燃碪′R=U′I時，設備B兩端響應相等.將該條件代入式(2)得

(4)

因為本文假設輔助設備A為線性的，即Γ1不隨源電壓幅值的改變而變化，加之同一頻率下耦合裝置的散射參數(shù)是常量，因此由式(4)可得UR和UI間為線性關系.另外，輻照時從1端口引入的干擾主要來自天線和線纜對輻射場的耦合.以平面波輻照為例，對于天線而言，場強E與天線輸出端口等效源電壓U1的關系為

U1=leF(θ，φ)E，

(5)

式中l(wèi)e和F(θ，φ)分別為天線的有效長度和方向性函數(shù)，兩者均與外界電磁場無關.對于同軸線而言，應用BLT方程可得線纜右端口的開路電壓U′o為

(6)

式中ΓA為設備A端口的反射系數(shù)，s1和s2為源矢量，由Agrawal模型的分析知源矢量與場強為線性關系.因此式(5)和式(6)表明，天線和線纜對場的耦合過程是線性的，即UR=H(E)，其中H為線性函數(shù).再結合式(4)得UI和E的關系為

(7)

因而在設備A是線性的條件下，不論設備B是否為線性的，場強和注入電壓間均為線性關系.其物理本質是，注入替代輻照時只需保證等效源相等，由于場線耦合以及注入耦合裝置的能量耦合過程均為線性的，且等效源的大小與設備內部電路的工作狀態(tài)無關，所以分析得到的線性關系成立.因此可直接將該關系從低場強線性外推至高場強，保證了試驗方法的簡便性和受試設備出現(xiàn)非線性時試驗結果的準確性.

1.3 等效依據的簡便監(jiān)測方法

場強和注入電壓關系的獲得需要以試驗中某一監(jiān)測值為等效依據，前面的分析在等效時是保證受試設備的輸出相等.但工程實際中受試設備可能為黑箱，其內部響應往往難以監(jiān)測但輸入端口信號卻方便測量.為此，應分析將耦合裝置5端口的監(jiān)測電壓作為等效依據的可行性.

為便于理論分析，假設2端口處開路，參考圖1所示耦合裝置的結構，可得輻照和注入時5端口的監(jiān)測電壓值分別為

(8)

若保證UR5=UI5，可得

(9)

設耦合裝置左右兩定向耦合器的耦合度分別為mdB和ndB，選擇合適的相位參考面，使得S12為正實數(shù)，則根據定向耦合器各端口特性可得

S12S45=S15S24

(10)

根據式(10)可得式(9)和式(4)相等，由前面的分析知，此時設備B的響應相等，因此以5端口電壓作為等效依據是可行的，這使得試驗的操作更加簡便.由于上述分析沒有限定設備B的特性，故該結論對線性和非線性受試設備均成立.

1.4 等效試驗方法

在以上分析的基礎上，將強電磁場輻照的等效試驗方法總結如下：

1) 選擇合適的低場強值E，在保證系統(tǒng)響應處于線性區(qū)的條件下進行輻照試驗，記錄耦合裝置監(jiān)測端電壓；

2) 開展注入試驗，調整信號源輸出使得耦合裝置監(jiān)測端電壓與輻照時相同，記錄此時信號源輸出電壓值UI，得到注入電壓與場強之間的比例系數(shù)k=UI/E，選取多個低場強點重復上述步驟，對得到的多個k值取平均得到kave；

3) 若受試系統(tǒng)最終考核的電場強度為E′，計算出此時的等效注入電壓U′I=kaveE′，將其作為信號源輸出電壓開展注入試驗，所得結果與目前難以完成的高場強輻照試驗等效.

2 試驗驗證

為驗證理論分析的正確性，選用某高頻天線接收系統(tǒng)為試驗對象，試驗時分別保證天線和線纜為主要耦合途徑，并選取GHz量級的試驗頻點和非線性受試設備.同時給出試驗誤差，考察不同情況下試驗方法的準確性.

2.1 試驗配置

所用天線接收系統(tǒng)包括寬頻線性接收天線、同軸電纜和射頻前端，整個系統(tǒng)的工作頻帶為2～8 GHz. 射頻前端由限幅濾波器、低噪聲放大器(Low Noise Amplifier， LNA)、靈敏度控制組件和限幅放大器等典型非線性器件級聯(lián)構成.耦合裝置所用對稱定向耦合器的耦合度約為10 dB，插入損耗約為1.5 dB. 按照圖3所示配置分別搭建輻照和注入試驗系統(tǒng)，其中天線和射頻前端分別作為設備A和B，耦合裝置5端口和設備B的輸出均由頻譜分析儀(Agilent E4440A)監(jiān)測.輻射系統(tǒng)由微波信號源(R&S SMR20)、功率放大器(AR 200T2G8A)和喇叭天線(AR AT4510M2/AT4003)構建.發(fā)射和接收天線均垂直極化放置，兩天線間距離滿足遠場條件，采用光纖場強計(NARDA EMR-200)監(jiān)測輻射場.注入試驗時將4端口改接微波信號源(R&S SMR20)，保證輻照和注入的其他試驗條件相同.

(a) 輻照試驗配置

(b) 注入試驗配置圖3 輻照和注入試驗配置圖

經試驗驗證，本系統(tǒng)中同軸電纜的干擾耦合能力遠小于接收天線，因此對于天線為主要耦合途徑的情況，直接在開闊場對接收天線進行輻照.由于喇叭天線具有良好的方向性，因此不必對設備B采取額外的屏蔽措施.而對于電纜為主要耦合途徑的情況，試驗時在屏蔽室中對電纜單獨進行輻照，電纜兩端設備經接口板在屏蔽室外與電纜連接.由于需要說明輻照時受試設備響應出現(xiàn)非線性后試驗方法依然準確，因此要保證在目前的輻照試驗條件下設備B可工作于線性和非線性區(qū).針對不同的試驗內容，采取的方法是改變輻射功率、兩天線間距離和設備B內的器件種類.

2.2 非線性情況試驗方法的正確性

驗證場強與注入電壓的等效關系是首要的.試驗時首先進行輻照試驗，改變場強使設備B先后工作于線性區(qū)、非線性區(qū)和飽和區(qū).之后進行注入試驗，調整信號源的輸出以保證設備B的響應與輻照時相等，試驗結果如圖4所示.

圖4 LNA輸出電壓及注入電壓與輻照場強關系曲線

圖中給出了場強與LNA輸出電壓的關系，以及在LNA輸出相同的情況下場強與注入電壓的關系.從圖中可看出，當場強由小逐漸增大時，LNA的輸出與輸入成典型的非線性關系.但場強與注入電壓之間的關系始終是線性的，對其進行線性擬合，得到擬合的相關系數(shù)R均為0.999，擬合精度很高.另外，將測試數(shù)據中最低場強點與注入電壓的對應關系線性外推至高場強情況，得到4.6 GHz和7.2 GHz時外推所得注入電壓與實際注入電壓相比的平均誤差分別為1.8%和2.1%. 該誤差主要來自于飽和區(qū)的數(shù)據點，原因是該試驗以設備B的輸出作為等效依據.當內部器件工作進入飽和區(qū)后，其輸出對輸入變化不敏感，差值較大的兩個輸入可能會有幾乎相等的輸出，造成了曲線在該點誤差相對較大.以上試驗結果有效地證明了在設備A和B分別為線性和非線性的條件下，場強和注入電壓滿足線性關系，高場強時采用線性外推的方法是正確的.

進而為說明將耦合裝置監(jiān)測端電壓作為等效依據的正確性，同樣開展輻照和注入試驗，注入時保證5端口監(jiān)測電壓與輻照時相等，比較兩次試驗設備B響應電壓間的關系.試驗結果表明，在耦合裝置監(jiān)測端電壓相等的條件下，對于3.3、4.6和6.5 GHz三個頻點，輻照與注入時設備B輸出電壓間的平均誤差分別為0.83%、0.35%和0.29%，最大誤差分別為1.37%、1.04%和0.93%. 這證明了以監(jiān)測端電壓相等作為等效依據是可行的，因此該方法可應用于受試設備為黑箱的情況.

2.3 不同耦合途徑下試驗方法的誤差

為驗證天線和線纜分別為主要耦合途徑時試驗方法的準確性，按照1.4節(jié)所述方法進行試驗，比較輻照和注入時5端口電壓間及設備B輸出電壓間的關系.

當天線為主要耦合途徑時，試驗結果如圖5所示.為便于比較各電壓間的差值，圖中注入試驗曲線的橫坐標取的是與注入電壓等效的輻照場強.

(a) 輻照和注入時耦合端監(jiān)測電壓間的比較

(b) 輻照和注入時設備B輸出電壓間的比較圖5 輻照和注入時對應各監(jiān)測值的比較

從圖5(a)中可看出，5端口電壓與場強的關系為線性的，原因是5端口監(jiān)測的是線纜上位置x處的前向電壓U+(x)，以天線作為主要耦合途徑為例，可得

(11)

式中：USZ0(Z0+ZA)-1表示由等效源直接激勵的前向電壓成份，該項與設備B性質無關；U-(0)ΓA表示由反向電壓波在設備A端口反射后產生的前向電壓成份.由于本試驗中設備端口的反射系數(shù)很小，該項的影響可忽略，因而試驗結果中場強與5端口電壓間為線性關系.選取當設備B工作于非線性區(qū)時場強或注入電壓增大1 dB而輸出電壓增大小于0.8 dB的數(shù)據點，計算得到5端口電壓間的平均誤差e1、最大誤差e2、設備B輸出間的平均誤差e3和最大誤差e4分別如表1中2至4行所示.表中最大誤差僅為2.8%，說明該方法可對差模干擾信號進行準確地監(jiān)測和注入，應用于替代天線為主要耦合途徑的情況是可行的.

當線纜為主要耦合途徑時，按照與天線為耦合途徑時相同的計算方法，得到e1至e4的值如表1中5至7行所示.表中的最大誤差為3.06%，說明通過注入替代線纜為主要耦合途徑的輻照試驗同樣是可行的.

表1中誤差產生的原因是：功率放大器存在一定的本底噪聲，使得監(jiān)測的低場強值存在一定的誤差，因而得到的場強與注入電壓的比例系數(shù)kave不夠準確，導致了線性外推后非線性工作區(qū)試驗誤差的產生.

表1 輻照和注入時各監(jiān)測值間誤差的平均值和最大值

綜上，不論干擾耦合的主要途徑是天線還是線纜，即使受試設備出現(xiàn)非線性工作狀態(tài)并且試驗頻率達到數(shù)個GHz水平，試驗均保持很高的精度，證明了試驗方法的可行性和準確性.

3 結 論

注入法相對于傳統(tǒng)輻照法有著高效和便捷的優(yōu)勢，目前急需在保證注入法準確度的前提下擴大其適用范圍.本文以典型互連系統(tǒng)為研究對象，將兩對稱定向耦合器級聯(lián)作為耦合裝置，提出了基于差模耦合的電流注入方法，解決了大電流注入方法不適用于天線為主要耦合途徑的問題.在輔助設備為線性的條件下，即使受試設備是非線性的，本方法可使得輻射場強與注入電壓間同樣是線性關系，保證了對于非線性受試設備而言試驗結果的準確性.當頻率達到數(shù)個GHz水平后試驗精度依然很高，誤差小于4%，提高了注入法的應用頻率上限.本方法可用于替代高頻高場強下天線和線纜為耦合途徑的輻射敏感度試驗.

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