關(guān)于CS116 10 kHz～100 MHz 電纜束阻尼正弦瞬態(tài)傳導(dǎo)敏感度的研究

胡一軒

（江蘇省中國船舶工業(yè)集團(tuán)第七一六研究所，連云港 222000）

引言

電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)中CS116 電纜束阻尼正弦瞬態(tài)傳導(dǎo)敏感度是國內(nèi)EMC 檢測項(xiàng)目中的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，然而對(duì)于相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目的整改方向和設(shè)計(jì)思路一直有所缺乏。對(duì)于如何從設(shè)計(jì)和試驗(yàn)層面提升相關(guān)EUT 的抗干擾的能力是國內(nèi)國外都亟待解決的問題。本文旨在通過模擬不同阻抗特性的電纜回路在CS116 測試項(xiàng)中的表現(xiàn)，尋找設(shè)計(jì)不同阻抗特性與EUT 抗干擾能力強(qiáng)弱的關(guān)聯(lián)性，尋找可行的整改設(shè)計(jì)方向。實(shí)現(xiàn)了抗干擾能力提升的設(shè)計(jì)思路?？偨Y(jié)了相對(duì)應(yīng)的方法。

1 測試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究

1.1 CS116 試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)

CS116 10 kHz～100 MHz 電纜束的阻尼瞬態(tài)正弦傳導(dǎo)的敏感度電磁兼容測試，是測試連接EUT 的互聯(lián)電纜束以及電源線纜的一項(xiàng)EMC 敏感度測試，測試的目的旨在檢驗(yàn)EUT 工作狀態(tài)下繼受阻尼正弦瞬態(tài)干擾信號(hào)的抗干擾能力，尋找電纜阻抗?fàn)顟B(tài)與EUT 試驗(yàn)合格結(jié)果關(guān)聯(lián)性。

1.2 校準(zhǔn)

試驗(yàn)前按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的圖1 校準(zhǔn)配置進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖1 CS116 校驗(yàn)配置

測試設(shè)備如下:

1）阻尼正弦瞬態(tài)信號(hào)發(fā)生器，輸出阻抗不大于100 Ω。

2）注入探頭。

3）存儲(chǔ)示波器，50 Ω。

4）校驗(yàn)裝置：5 特性阻抗為0 Ω 特性阻抗的同軸傳輸線。傳輸線纜的兩端為同軸連接器，中心導(dǎo)體周圍預(yù)留空間可以接入校驗(yàn)測試設(shè)備的注入探頭。

5）監(jiān)測探頭。

6）衰減器，50 Ω。

7）測量接收機(jī)。

8）同軸負(fù)載，50 Ω。

按圖1 完成配置后，依據(jù)圖2 信號(hào)波形和圖3 規(guī)定的峰值電流進(jìn)行校準(zhǔn)，在0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行測試。測試信號(hào)重復(fù)率從不小于0.5 個(gè)脈沖/ 秒至不大于1個(gè)脈沖/秒。在每個(gè)頻率點(diǎn)應(yīng)施加至少脈沖5 min。在校準(zhǔn)時(shí)，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，降低設(shè)備差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，校驗(yàn)裝置在已知的六個(gè)頻點(diǎn)校驗(yàn)時(shí)，均使用50 Ω 阻抗特性的同軸傳輸線、匹配負(fù)載。

圖3 信號(hào)波形

1.3 測試方法

1.3.1 CS116 抗擾度測試的試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)先按照?qǐng)D4 的測試配置搭建測試環(huán)境系統(tǒng)，在0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行測試。瞬態(tài)阻尼正弦干擾信號(hào)的施加重復(fù)率為1 個(gè)脈沖/秒。將阻尼信號(hào)發(fā)生器功放調(diào)整到各個(gè)頻點(diǎn)校準(zhǔn)值，信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的阻尼瞬態(tài)干擾信號(hào)通過探頭注入，同時(shí)使用監(jiān)測探頭方向測量探頭中接收到的感應(yīng)電流，并記錄檢測峰值電流值。

圖4 CS116 測試配置

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

1.3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

CS116 的測試系統(tǒng)是由阻尼正弦瞬態(tài)信號(hào)發(fā)生器、注入探頭、監(jiān)測探頭、儲(chǔ)存示波器、衰減器、同軸電纜組成。信號(hào)發(fā)生器功放幅度由圖2 所示校準(zhǔn)電流峰值校準(zhǔn)后得到幅度數(shù)值確認(rèn)注入信號(hào)統(tǒng)一。試驗(yàn)時(shí)，正弦干擾信號(hào)由阻尼正弦瞬態(tài)信號(hào)發(fā)生器調(diào)制并發(fā)出，逐漸增加信號(hào)發(fā)生器輸出電平直至達(dá)到校準(zhǔn)幅度數(shù)值，過程中監(jiān)測EUT 工作狀態(tài)，經(jīng)過注入探頭耦合饋入工作狀態(tài)的EUT 被測電纜。被測電纜信號(hào)通過電流監(jiān)測探頭以及衰減器傳輸進(jìn)儲(chǔ)存示波器，在儲(chǔ)存示波器上0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六個(gè)頻點(diǎn)記錄被測電纜電流峰值。

使用50 Ω 監(jiān)測探頭與示波器連接，示波器的電壓測量值除以50 Ω 則為測量的干擾電流值。從1.3 試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)系統(tǒng)原理可以得出，在試驗(yàn)過程中，EUT 被測電纜阻抗特性對(duì)試驗(yàn)有影響，測量的干擾電流峰值與校驗(yàn)的電流峰值有差別。由此可以得出不同阻抗特性電纜，在被施加同樣幅度的干擾信號(hào)時(shí)，注入電纜中的干擾信號(hào)是不同的。以此為依據(jù)，通過調(diào)整電路中的電感或者電流的參數(shù)大小，改變整體回路的阻抗特性，使用導(dǎo)線磁環(huán)，電阻和導(dǎo)線回路，模擬不同阻抗特性的EUT 被測電纜在工作狀態(tài)下不同的阻抗特性，以及不同阻抗特性對(duì)試驗(yàn)效果和EUT 抗阻尼瞬態(tài)正弦信號(hào)干擾能力的影響。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

根據(jù)1.3.2 的CS116 試驗(yàn)設(shè)計(jì)搭建原理可以得出，試驗(yàn)干擾的影響因素主要取決于被測回路模型的阻抗特性，因?yàn)椴煌珽UT 的阻抗特性不同，實(shí)際的干擾注入信號(hào)的大小也不同，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)基于此理念，通過改變回路中不同組件（電阻磁環(huán)）的參數(shù)（電阻，電感，電容），從而調(diào)整阻抗特性作為變量，研究測試試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌淖杩固匦韵碌目垢蓴_能力。

2.1 被測電纜束的直流電阻（R）值的變化量對(duì)注入正弦信號(hào)干擾的影響

2.1.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法

按照實(shí)驗(yàn)原理圖，如圖6，搭建三種不同電阻的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以電阻值R 為變量，使用電阻極小（R0）、電阻值50 Ω（R1）、以及電阻值極大（R2），即R0 ＜R1 ＜R2 三種模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)類比。使用阻尼正弦瞬態(tài)信號(hào)發(fā)生器分別在0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六個(gè)頻點(diǎn)注入干擾的阻尼正弦瞬態(tài)信號(hào)，并由示波器記錄被測電纜電壓峰值。

圖6 直流電阻實(shí)驗(yàn)原理圖

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比

在圖7 所示的三種不同模型試驗(yàn)中，監(jiān)測探頭監(jiān)測到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，橫坐標(biāo)為0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六個(gè)頻點(diǎn)，縱坐標(biāo)為檢測到的電壓幅度（V）。從圖7 的對(duì)比中可以看出，在六個(gè)測試頻點(diǎn)上對(duì)于線纜的電阻值越高，電壓幅度越小VR0＞VR1＞VR2（R0 ＜R1 ＜R2），電纜收到的阻尼正弦瞬態(tài)干擾信號(hào)越弱。在實(shí)際的CS116 試驗(yàn)整改過程中，可以考慮增加電纜對(duì)應(yīng)頻率的電阻，以抑制電流，從而提升阻抗特性、降低干擾。

圖7 電阻變量的監(jiān)測電壓曲線圖

2.2 被測電纜電感量L 值對(duì)干擾信號(hào)的影響

2.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照?qǐng)D8 中（a）（b）（c）三種情況搭建不同電感的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。分別對(duì)應(yīng)，無增加電感電纜回路L0，電感量小電纜回路L1 和電感量大電纜回路L2 。在模型L0 中，不添加磁環(huán)來增加電感量，L1 使測量電纜繞磁環(huán)2 圈，L2 使測量電纜繞磁環(huán)5 圈。三種狀態(tài)即L0 ＜L1＜L2，以三種狀態(tài)分別于0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六個(gè)頻點(diǎn)施加相同量級(jí)的尖峰干擾，并且用示波器監(jiān)測記錄下六個(gè)頻點(diǎn)的電壓值。

圖8 電感變量模型圖

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析

圖9 所示為上述三種不同電感量模型試驗(yàn)中，監(jiān)測探頭所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖，橫坐標(biāo)為0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六個(gè)頻點(diǎn)，縱坐標(biāo)為檢測到的電壓幅度（V）。從圖9 可知在六個(gè)測量頻點(diǎn)上，線纜的電感量對(duì)實(shí)際加載幅度影響較為明顯，特別是在0.01 MHz 以及0.1 MHz 上。檢測探頭電壓值VL0＞VL1＞VL2（L0 ＜L1 ＜L2）隨著纜線回路模型的電感量增大而減小?；芈分须姼辛吭酱螅粶y電纜承受的干擾越小。在實(shí)際CS116 實(shí)驗(yàn)中，可以通過在回路里增加共模電感或者加裝磁環(huán)，來提高整體的阻抗，以此抑制干擾。

圖9 不同電感監(jiān)測電壓值曲線圖

3 分析

根據(jù)如圖所示的監(jiān)測電壓曲線圖分析可知，被測電纜束中分布阻抗的變化，在CS116 試驗(yàn)六個(gè)頻率點(diǎn)中對(duì)實(shí)際注入電纜回路的電磁干擾產(chǎn)生影響，特別是在中低頻點(diǎn)的影響更為明顯，負(fù)載阻抗，導(dǎo)體的電阻，以及高頻交流電阻抗，分布阻抗組成了被測的電纜回路的阻抗?？梢詮囊陨蠋讉€(gè)方向著手改善CS116 項(xiàng)目的抗干擾能力。

3.1 導(dǎo)體的直流電阻

被測電纜作為導(dǎo)體的直流電阻可以簡單的通過公式得到，電纜束的直流電阻值公式為：RDC=ρ×l/S，分別為導(dǎo)體電阻率ρ，導(dǎo)體長度l，導(dǎo)體的橫截面積S。在模擬的測量模型回路中，被測電纜束作為導(dǎo)體的電阻率相對(duì)阻抗的影響可以忽略。實(shí)際試驗(yàn)中，直流電阻的阻抗影響無法提升，因此相關(guān)直流電阻方向的抗干擾提升手段也無法改善。但是可以考慮增加EUT 的負(fù)載電阻來增強(qiáng)相關(guān)能力。

3.2 導(dǎo)體的高頻交流電阻

趨膚效應(yīng)的原理是，在導(dǎo)體中由于交流電形成交變磁場時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)渦流電場，其方向與交變電流本身方向相反，導(dǎo)致抑制電流的增加，而渦流電場作用于導(dǎo)體的中心位置最強(qiáng)，導(dǎo)體周邊越弱，導(dǎo)致交變電流趨向傳播于表面，越接近導(dǎo)體的表面，交變電流的電流密度越大，反之位于導(dǎo)體中心位置的電流密度就小。趨膚效應(yīng)會(huì)使得導(dǎo)體的電阻增加，進(jìn)而增加回路中的阻抗。頻率越高趨膚效應(yīng)越明顯，所以在高頻點(diǎn)的干擾電流因?yàn)樽杩沟脑黾佣鴾p小。

3.3 分布阻抗

當(dāng)回路中有電流通過時(shí)，導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生磁場，因而在整個(gè)回路中存在著分布電感，導(dǎo)線之間的電壓，于回路中就會(huì)產(chǎn)生電場，所以導(dǎo)線之間存在分布電容。分布電容以及分布電感組成的分布阻抗對(duì)于測試實(shí)驗(yàn)中的高頻信號(hào)抗干擾能力。但是電纜回路的整個(gè)分布阻抗很難改變，因此其對(duì)于高頻信號(hào)的抗干擾能力提升只有從設(shè)計(jì)階段開始考慮。

4 結(jié)語

在CS116 項(xiàng)目測試中，回路電纜束的阻抗特性的變化會(huì)對(duì)注入的阻尼正弦瞬態(tài)信號(hào)干擾電流產(chǎn)生影響。阻抗值越大，在同等功率的干擾注入時(shí)，施加到被測電纜回路的實(shí)際電流越小，阻抗越小，實(shí)際注入的干擾電流越大。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)整改中，可以考慮增加負(fù)載電阻，使用磁環(huán)、濾波器、共模電感來增加被測電纜回路中的電感量等手段措施，以達(dá)到增強(qiáng)被測產(chǎn)品的抗干擾能力的目的。對(duì)于高頻干擾信號(hào)，在設(shè)計(jì)中可以考慮利用趨膚效應(yīng)增加高頻阻抗和加大設(shè)計(jì)分布阻抗，增強(qiáng)被測系統(tǒng)的抗干擾能力。為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試驗(yàn)整改提供了可行的思路。