注入法等效替代电磁辐照法试验技术研究

潘晓东 魏光辉 卢新福 李新峰

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北 石家庄050003）

引 言

随着大功率用频设备的不断增多以及电子战系统、电磁脉冲弹和高功率微波武器的出现，有限空间内的电磁环境将日趋恶劣［1］，高强度辐射场（HIRF）已经成为武器装备和各类民用电子系统所面临的新挑战［2-3］.GJB1389A-2005系统电磁兼容性要求［4］给出了系统所面临的外部电磁环境，在大部分频段场强远高于200V/m，在2.7～3.6GHz的频段内，舰船上发射机主波束下或陆军直升机外部电磁环境峰值场强甚至高达27 460V/m，均值场强达到2 630V/m.若对系统开展安全裕度试验，则需要模拟更高的场强，而这样的指标在目前实验室条件下无法实现.因此，单纯的辐照试验方法已经难以满足系统级电磁辐射敏感度及安全裕度试验的要求.

注入法是将电流直接注入到设备的壳体或电缆上来替代辐射场照射的效应试验方法，其实质是把高场强辐射敏感度试验采用电流传导敏感度试验来替代.虽然传统的大电流注入法（BCI）和直接电流注入法（DCI）已提出了近半个世纪［5］，但将其应用于全频段的HIRF替代性试验仍存在以下问题：一是应用频率范围受限.对于BCI而言，在较高频率注入时，线缆上的驻波会使得注入和监测电流值随注入位置的变化十分敏感，同时铁氧体注入探头性能严重降低，使测试结果准确性降低以及注入效率下降［6］.对DCI而言，当频率升高到一定值时，完全回路导体装置内高阶模的产生会使其内部场强的大小和场均匀性发生很大的变化［7］.大量研究表明，当频率高于400MHz时，BCI和DCI与辐照法的相关性明显下降［8］，无法满足测试要求.二是两种注入方法均无法准确替代HIRF对非线性系统的辐照实验.目前，BCI技术要求受试系统是线性的［9］，即辐照场强和线缆上感应的电流值之间是线性变化关系，因此可直接将两者在低场强的对应关系线性外推至高场强，而在HIRF作用下大部分受试系统为非线性系统，若BCI技术仍采用和线性系统相同的测试方法，由于线性外推条件不满足而导致误差较大.对DCI技术而言，在被试设备附近激发的电磁波基本为横电磁波（TEM），电场方向垂直于被试设备表面，但在辐照试验时，电场仅在导体表面与其垂直，而在孔洞、缝隙等电磁耦合比较强烈的部位，往往电磁场具有较大的平行分量，这一点不可避免地导致二者试验结果存在一定的差异［10］.

综上所述，大范围空间内构建HIRF在目前实验室条件下难以实现，采用传统的电流注入技术对受试系统开展宽频带的HIRF替代性试验又存在诸多不足.因此，有必要探索一种能够在理论上保证注入与辐照严格等效的注入试验新方法，进而对互联系统开展电磁易损性及安全裕度试验，弥补单一辐照测试方法在试验场地及辐射强度等方面的不足.

1 理论分析

从严格意义上来说，注入和辐照过程不能完全等效，因为辐照过程相当于诸多分布源作用于受试系统，而注入过程相当于集总源的作用［6］.但是，对于一些干扰耦合通道十分明确的受试系统，比如互联系统、天馈系统等，电磁能量主要以传导干扰的形式经线缆（天线）端口作用于受试系统的内部电路［11-12］，由于试验考核的是线缆两端所连接设备的电磁敏感性，因此，此种条件下可以采用注入的方法来等效替代辐照效应试验.

对于互联系统而言，注入与辐照试验严格等效的依据是两者对受试系统的响应相等，工程上等效的依据是两者产生的效应相同.基于这一考虑，若能够保证作用于设备电缆（天线）端口的响应电压或注入电流信号相同就可以保证两者试验方法的等效性［6，13］.因此，本文将以设备端口的响应电压信号相等作为注入法和辐照法等效的依据.

1.1 注入替代辐照等效性分析

典型互联系统在外界电磁场辐照条件下，可以简化成如图1所示的传输网络，其中ZA为设备A的等效阻抗，ZL为受试设备B的等效阻抗.

为求得等效阻抗ZL上的响应电压，A-A′左侧的分支可以等效为戴维南等效电路，如图2所示.

这种方法把受试设备外部端口的干扰等效为无源阻抗元件ZSR和等效电压源USR.将左侧戴维南等效电路与右侧受试设备B的等效阻抗ZL结合起来，得到受试系统辐照响应等效电路，如图3所示.

在辐照试验条件下，由分布场激励源形成的等效电路开路电压USR可应用BLT方程进行求解［14］.令A-A′端口开路，即ρB＝1，可求得x＝l处的开路电压为

式中S1和S2分别为BLT方程中的源矢量，若采用Agrawal模型［15］，源矢量与入射电场E成线性变化关系，为简化表述方式，令式（1）中的等效开路电压USR与入射电场E之间的传递函数为f，则式（1）可简化表示为

且满足f（k·E）＝k·f（E），通过求得无源阻抗元件ZSR和等效电压源USR，根据图3的等效电路，可以计算出等效阻抗ZL的辐照响应为

参照上述分析过程，容易得出受试设备B在注入试验条件下的等效电路，如图4所示，其中：USI为注入电压源，ZSI为注入电压源的内阻，为受试设备B在注入试验条件下的响应.

图3 辐照响应等效电路

图4 注入响应等效电路

根据图4等效电路，受试设备B在注入试验条件下等效阻抗上的响应可表示为

根据前面提出的注入与辐照两种试验方法等效的依据：受试系统的响应相同，即uLR＝uLI，可得

根据式（1）可计算辐照条件下的集总电压源USR，通过式（6）最终确定了理论上等效的注入电压源USI与辐照场强E之间的对应关系，保证了注入与辐照试验的等效性.对于单频点连续波辐照试验，ZSR、ZSI和ZL是固定值，采用式（6）可以得到等效注入电压源USI；但对于宽带脉冲辐照试验，ZSR、ZSI和ZL是随着频率变化的量，只有当ZSR＝ZSI时，根据式（6）才能得出USI＝USR＝f （E），此时等效注入电压源与频率无关，可以实现注入与辐照试验的等效性.

1.2 强场条件下注入电压源外推方法

强场试验条件下大多数系统为非线性系统，即由于模块、器件工作状态的改变（如进入饱和区、限幅区等）以及材料性能、寄生参数的变化等因素的影响导致受试系统的端口响应已经不再与输入信号成线性比例变化.因此，注入激励源如何外推是能否实现注入等效替代强场辐照试验的关键问题.

为此，在对典型非线性系统进行理论分析和试验研究的基础上，我们将互联系统受外界电磁辐照并出现干扰（降级、失效、毁伤等）效应的情况分为两个过程：即场线耦合过程（对于天馈系统，则为天线接收过程）和模块、器件的电路响应过程，如图5所示.

图5 非线性互联系统辐照响应过程

由电磁场理论可知：场线耦合过程为线性过程，模块、器件的电路响应过程为非线性过程.若能够保证注入激励源与辐照等效的集总电压源在模块、器件的输入前端激励效果相同，则注入试验同样会出现与辐照试验相同的非线性电路响应，此时由低场强到高场强试验的等效注入电压源仍然可以采用线性外推.而为保证高场强下注入激励源与辐照等效的集总电压源激励效果相同，需要满足两个条件：第一，高场强条件下注入电压源与辐照等效的集总电压源开路电压相同，即USI＝USR；第二，辐照与注入等效电路中模块、器件响应的分压比相同，即由于USR是场线耦合线性过程中得到的等效集总电压源，因此高功率注入激励源可以通过对预先试验中得到的低功率等效注入源线性外推得到；第二个条件，由于受试系统阻抗ZL在高场强辐照或高功率注入试验条件下会发生改变，为保证电路响应的分压比相同，则必需要求两个激励源的输出阻抗相同，即ZSI＝ZSR.满足了这两个条件，高场强试验的等效注入电压源可以采用低场强下二者的对应关系线性外推得到.

1.3 注入等效替代辐照实现方法

从工程实际出发，根据上述等效替代理论及激励源外推方法，提出将互联传输线上的前向电压u＋（0）作为中间过程等效参量，以注入和低场强辐照两次预先试验中u＋（0）相等为依据，进而提取低场强等效注入电压源USI，通过线性外推USI获取满足高场强试验的等效注入电压源VSI（VSI＝kUSI，其中k为辐射场强放大的倍数）.

为了能够对互联传输线上的前向电压（功率）进行监测，同时保证注入与辐照等效电路中激励源的输出阻抗相同（条件二），提出采用“注入耦合模块”来实现注入替代辐照试验的等效性.

“注入耦合模块”是用于互联系统宽频带电磁注入敏感度试验的辅助设备，其典型连接方式如图6所示，在A、B构成的系统正常工作的前提下，通过模块的注入端口对受试系统B开展电磁注入试验.

图6 注入耦合模块的连接方式示意图

模块的1＃、2＃为直通端口，用于互联设备之间正常工作信号的传输；4＃为注入端口，用于对受试设备B进行电磁注入试验，5＃为监测端口，用于对互联传输线上的前向电压信号进行监测.要求模块具有一定的工作带宽，可以完成电磁脉冲试验；同时，4＃和5＃端口与主通道保持同相位或反相位，保证瞬态脉冲信号注入与监测不失真.

上述耦合模块引入后，互联系统的等效电路如图7所示，Z4为注入激励源内阻，Z5为监测端口示波器输入阻抗，UDCI为所加注入激励源的开路电压.

图7 互联系统连接注入耦合装置的等效电路

根据戴维南等效电路理论，注入与辐照等效电压源的内阻ZSR和ZSI等于将所有激励源除去后所得到的无源网络A-A′两端之间的等效阻抗.分析可知：注入与辐照试验具有相同的无源网络，注入耦合模块在保证互联系统正常工作的前提下，能够满足注入与辐照等效电路中激励源输出阻抗相同.因此，利用耦合模块来实现注入等效替代辐照试验是可行的.

2 试验结果分析

为验证耦合模块注入法与电磁辐照法的等效性，以典型天线接收系统射频前端为受试对象，开展单频连续波辐照与等效注入试验研究.

2.1 受试互联系统

受试系统为典型非线性互联系统，由接收天线、同轴电缆及射频前端组件等构成，其整体连接方式如图8所示.射频前端组件包括：限幅滤波组件、定向耦合器、低噪声放大器、灵敏度控制组件、限幅放大器等，将其集成在一个机箱内作为一个整体.假定接收天线为设备A，射频前端组件箱为受试设备B，A、B之间通过同轴电缆进行连接，由于B中限幅滤波器、低噪声放大器等组件的非线性响应特性，因此上述系统可用于验证注入替代辐照试验的等效性.

图8 天线接收互联系统连接方式示意图

2.2 试验目的及方法

2.2.1 试验目的

通过对天线接收互联系统进行辐照与注入效应试验研究，验证辐照场强和等效注入电压源之间为线性变化关系，替代高场强辐照试验的等效注入电压源可以采用低场强下的对应关系线性外推得到.

2.2.2 试验方法

总体思路：分别对受试互联系统进行辐照与注入效应试验，使图8中的受试设备B在辐照与注入试验中均出现非线性的响应过程.记录辐照场强、注入电压值与设备B响应之间的对应关系，由于设备B的响应电压值可监测，因此直接以设备B响应相同作为等效依据，可得到设备B出现线性及非线响应时辐射场强与等效注入电压值之间的对应关系，若此关系保持线性变化，则可以验证高场强下注入等效替代辐照试验方法的有效性.

具体方法：分别按图9、10所示的配置方式，对受试互联系统进行辐照与注入效应试验.采用频谱分析仪对设备B的响应信号直接进行测试，作为注入与辐照等效的依据.以耦合度为10dB，插入损耗为1.5dB的单定向耦合器作为电磁注入耦合模块.在辐照试验中，用于对互联通道前向电压信号进行监测；在注入试验中，通过耦合器的前向隔离端口对受试设备B进行电磁注入，即注入电压源输出的功率衰减10dB后进入受试设备B.单定向耦合器的引入能够保证注入与辐照试验等效电路中激励源的输出阻抗相同，同时互联系统在试验中能够正常工作.

2.3 试验结果及分析

选取射频前端内不同非线性组件构成设备B，分别设为B1和B2.其中，B1的核心为低噪声放大器组件，B2的核心为限幅滤波组件，另外系统中还包括机箱、电源、风扇、衰减器等辅助设备或模块.在互联系统的工作频段2～8GHz范围内，选取多个频点进行试验，B1试验时取3.3GHz、4.6GHz和7.2GHz，B2试验时取4.6GHz、5.6GHz和7.2 GHz.

2.3.1 辐照效应试验

按照2.2.2提出的方法进行辐照效应试验，得出不同频点B1和B2输出响应与辐照电场强度之间的曲线关系，分别如图11、12所示.

从图11、12可以看出：不同频点受试设备B1和B2的输出响应与辐照电场强度之间的关系曲线变化趋势相同.当辐照电场强度较低时，受试设备B1和B2的输出响应与辐照场强成线性变化关系；随着辐照电场强度的增大，设备B1和B2开始出现非线性的响应过程；若辐照电场强度继续增大，则B1和B2的输出响应进入饱和区直至损坏.因此，辐照电场强度与设备B1和B2的输出响应为典型的非线性关系，选择B1和B2作为试验受试设备是比较合适的.

2.3.2 注入效应试验

按照2.2.2提出的方法进行注入效应试验，为方便后续的数据处理分析，得出辐照场强与等效注入电压之间的曲线关系，因此需调整注入电压源的输出功率值，使相同频率条件下，设备B的输出响应与辐照试验相同，从而得出不同频点B1和B2输出响应与注入电压之间的曲线关系，如图13、14所示.

从图13、14可以看出：受试设备B1和B2在通过定向耦合器前向的隔离端口注入试验条件下，其输出响应曲线与辐照试验相类似，即低电压注入时为线性响应关系，随着注入电压的升高，B1和B2出现非线性的响应过程.由此可见：只要选择合适的注入激励条件，注入试验同样会出现与辐照试验相同的非线性响应过程.

2.3.3 注入电压与辐照场强的等效关系

为了定量分析注入电压与辐照场强之间的等效对应关系，在保证设备B1和B2输出响应相同的前提下，得出B1和B2在不同频点注入电压与辐照场强之间的对应关系，如图15和16所示.

分析图15、16中实测数据点的变化趋势可知：辐照电场强度与注入电压成线性变化关系，对实测数据进行线性拟合（y＝mx），得出受试设备B1和B2在不同频率试验条件下线性拟合的斜率m及相关系数R，如表1中所示.可以看出：不同频点实测数据线性拟合的斜率m存在一定差异，这主要是由于不同频率互联系统接收电磁辐射的能力不同所致.通过对相关系数R分析可知，图15、16中各频点数据线性拟合具有很高的精度（拟合精度是指趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合精度，当R2等于或接近1时，其可靠性最高），即等效注入电压值与辐照场强值成线性变化关系.对于图15、16中有少量数据点不完全符合线性关系（出现在受试系统进入饱和区的数据点），这主要是由试验误差造成的.解释其原因为：由于注入与辐照试验是以设备B的输出响应相同作为等效依据，当设备B进入饱和区后，其输出响应值对辐照场强（或注入电压）变化不敏感，差值较大的两个辐照场强（或注入电压）可能会出现几乎相等的输出响应，因此造成了少量数据点的试验误差.

表1 实测数据线性拟合的斜率及相关系数

综上所述，即使对于非线性响应受试系统，若保证受试系统注入与辐照试验效应相同，则不同频点等效注入电压与辐照场强成线性变化关系.从另一个角度来说，若能够保证注入与辐照等效激励源在受试系统前端激励效果相同，则注入试验同样会出现与辐照相同的非线性电路响应.因此，由低场强到高场强试验的等效注入电压源可以进行线性外推.

3 结 论

以典型互联系统为研究对象，对注入法等效替代电磁辐照法的试验技术进行了研究.将设备端口的响应电压相等作为等效依据，推导了注入电压与辐照场强之间的等效对应关系，确定了强场条件下注入电压源线性外推应满足的条件，提出了基于耦合模块的等效注入试验新方法.通过典型非线性互联系统的试验研究表明：辐照场强和等效注入电压源之间为线性变化关系，替代高场强辐照试验的等效注入电压源可以采用低场强下的对应关系线性外推得到，试验结果同时验证了注入等效替代辐照试验方法的有效性.

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