关于CS116 10 kHz～100 MHz 电缆束阻尼正弦瞬态传导敏感度的研究

胡一轩

（江苏省中国船舶工业集团第七一六研究所，连云港 222000）

引言

电磁兼容试验技术中CS116 电缆束阻尼正弦瞬态传导敏感度是国内EMC 检测项目中的重点项目之一，然而对于相关试验项目的整改方向和设计思路一直有所缺乏。对于如何从设计和试验层面提升相关EUT 的抗干扰的能力是国内国外都亟待解决的问题。本文旨在通过模拟不同阻抗特性的电缆回路在CS116 测试项中的表现，寻找设计不同阻抗特性与EUT 抗干扰能力强弱的关联性，寻找可行的整改设计方向。实现了抗干扰能力提升的设计思路。总结了相对应的方法。

1 测试试验标准的相关研究

1.1 CS116 试验合格标准

CS116 10 kHz～100 MHz 电缆束的阻尼瞬态正弦传导的敏感度电磁兼容测试，是测试连接EUT 的互联电缆束以及电源线缆的一项EMC 敏感度测试，测试的目的旨在检验EUT 工作状态下继受阻尼正弦瞬态干扰信号的抗干扰能力，寻找电缆阻抗状态与EUT 试验合格结果关联性。

1.2 校准

试验前按照试验标准中规定的图1 校准配置进行校准。

图1 CS116 校验配置

测试设备如下:

1）阻尼正弦瞬态信号发生器，输出阻抗不大于100 Ω。

2）注入探头。

3）存储示波器，50 Ω。

4）校验装置：5 特性阻抗为0 Ω 特性阻抗的同轴传输线。传输线缆的两端为同轴连接器，中心导体周围预留空间可以接入校验测试设备的注入探头。

5）监测探头。

6）衰减器，50 Ω。

7）测量接收机。

8）同轴负载，50 Ω。

按图1 完成配置后，依据图2 信号波形和图3 规定的峰值电流进行校准，在0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六个频点上进行测试。测试信号重复率从不小于0.5 个脉冲/ 秒至不大于1个脉冲/秒。在每个频率点应施加至少脉冲5 min。在校准时，为确保实验结果的可靠性与准确性，降低设备差异对实验结果的干扰，校验装置在已知的六个频点校验时，均使用50 Ω 阻抗特性的同轴传输线、匹配负载。

图3 信号波形

1.3 测试方法

1.3.1 CS116 抗扰度测试的试验方法

实验时先按照图4 的测试配置搭建测试环境系统，在0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六个频点上进行测试。瞬态阻尼正弦干扰信号的施加重复率为1 个脉冲/秒。将阻尼信号发生器功放调整到各个频点校准值，信号发生器所产生的阻尼瞬态干扰信号通过探头注入，同时使用监测探头方向测量探头中接收到的感应电流，并记录检测峰值电流值。

图4 CS116 测试配置

图5 试验系统原理图

1.3.2 试验系统原理

CS116 的测试系统是由阻尼正弦瞬态信号发生器、注入探头、监测探头、储存示波器、衰减器、同轴电缆组成。信号发生器功放幅度由图2 所示校准电流峰值校准后得到幅度数值确认注入信号统一。试验时，正弦干扰信号由阻尼正弦瞬态信号发生器调制并发出，逐渐增加信号发生器输出电平直至达到校准幅度数值，过程中监测EUT 工作状态，经过注入探头耦合馈入工作状态的EUT 被测电缆。被测电缆信号通过电流监测探头以及衰减器传输进储存示波器，在储存示波器上0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六个频点记录被测电缆电流峰值。

使用50 Ω 监测探头与示波器连接，示波器的电压测量值除以50 Ω 则为测量的干扰电流值。从1.3 试验方法以及试验系统原理可以得出，在试验过程中，EUT 被测电缆阻抗特性对试验有影响，测量的干扰电流峰值与校验的电流峰值有差别。由此可以得出不同阻抗特性电缆，在被施加同样幅度的干扰信号时，注入电缆中的干扰信号是不同的。以此为依据，通过调整电路中的电感或者电流的参数大小，改变整体回路的阻抗特性，使用导线磁环，电阻和导线回路，模拟不同阻抗特性的EUT 被测电缆在工作状态下不同的阻抗特性，以及不同阻抗特性对试验效果和EUT 抗阻尼瞬态正弦信号干扰能力的影响。

2 试验模型设计

根据1.3.2 的CS116 试验设计搭建原理可以得出，试验干扰的影响因素主要取决于被测回路模型的阻抗特性，因为不同EUT 的阻抗特性不同，实际的干扰注入信号的大小也不同，实验模型的设计基于此理念，通过改变回路中不同组件（电阻磁环）的参数（电阻，电感，电容），从而调整阻抗特性作为变量，研究测试试验模型在不同的阻抗特性下的抗干扰能力。

2.1 被测电缆束的直流电阻（R）值的变化量对注入正弦信号干扰的影响

2.1.1 设计试验方法

按照实验原理图，如图6，搭建三种不同电阻的试验模型，以电阻值R 为变量，使用电阻极小（R0）、电阻值50 Ω（R1）、以及电阻值极大（R2），即R0 ＜R1 ＜R2 三种模型进行实验类比。使用阻尼正弦瞬态信号发生器分别在0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六个频点注入干扰的阻尼正弦瞬态信号，并由示波器记录被测电缆电压峰值。

图6 直流电阻实验原理图

2.1.2 试验结果的数据对比

在图7 所示的三种不同模型试验中，监测探头监测到的试验数据曲线，横坐标为0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六个频点，纵坐标为检测到的电压幅度（V）。从图7 的对比中可以看出，在六个测试频点上对于线缆的电阻值越高，电压幅度越小VR0＞VR1＞VR2（R0 ＜R1 ＜R2），电缆收到的阻尼正弦瞬态干扰信号越弱。在实际的CS116 试验整改过程中，可以考虑增加电缆对应频率的电阻，以抑制电流，从而提升阻抗特性、降低干扰。

图7 电阻变量的监测电压曲线图

2.2 被测电缆电感量L 值对干扰信号的影响

2.2.1 试验方法

试验按照图8 中（a）（b）（c）三种情况搭建不同电感的试验模型。分别对应，无增加电感电缆回路L0，电感量小电缆回路L1 和电感量大电缆回路L2 。在模型L0 中，不添加磁环来增加电感量，L1 使测量电缆绕磁环2 圈，L2 使测量电缆绕磁环5 圈。三种状态即L0 ＜L1＜L2，以三种状态分别于0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六个频点施加相同量级的尖峰干扰，并且用示波器监测记录下六个频点的电压值。

图8 电感变量模型图

2.2.2 试验结果的数据分析

图9 所示为上述三种不同电感量模型试验中，监测探头所记录的试验数据曲线图，横坐标为0.01 MHz、0.1 MHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz 和100 MHz 的六个频点，纵坐标为检测到的电压幅度（V）。从图9 可知在六个测量频点上，线缆的电感量对实际加载幅度影响较为明显，特别是在0.01 MHz 以及0.1 MHz 上。检测探头电压值VL0＞VL1＞VL2（L0 ＜L1 ＜L2）随着缆线回路模型的电感量增大而减小。回路中电感量越大，被测电缆承受的干扰越小。在实际CS116 实验中，可以通过在回路里增加共模电感或者加装磁环，来提高整体的阻抗，以此抑制干扰。

图9 不同电感监测电压值曲线图

3 分析

根据如图所示的监测电压曲线图分析可知，被测电缆束中分布阻抗的变化，在CS116 试验六个频率点中对实际注入电缆回路的电磁干扰产生影响，特别是在中低频点的影响更为明显，负载阻抗，导体的电阻，以及高频交流电阻抗，分布阻抗组成了被测的电缆回路的阻抗。可以从以上几个方向着手改善CS116 项目的抗干扰能力。

3.1 导体的直流电阻

被测电缆作为导体的直流电阻可以简单的通过公式得到，电缆束的直流电阻值公式为：RDC=ρ×l/S，分别为导体电阻率ρ，导体长度l，导体的横截面积S。在模拟的测量模型回路中，被测电缆束作为导体的电阻率相对阻抗的影响可以忽略。实际试验中，直流电阻的阻抗影响无法提升，因此相关直流电阻方向的抗干扰提升手段也无法改善。但是可以考虑增加EUT 的负载电阻来增强相关能力。

3.2 导体的高频交流电阻

趋肤效应的原理是，在导体中由于交流电形成交变磁场时，会产生一个涡流电场，其方向与交变电流本身方向相反，导致抑制电流的增加，而涡流电场作用于导体的中心位置最强，导体周边越弱，导致交变电流趋向传播于表面，越接近导体的表面，交变电流的电流密度越大，反之位于导体中心位置的电流密度就小。趋肤效应会使得导体的电阻增加，进而增加回路中的阻抗。频率越高趋肤效应越明显，所以在高频点的干扰电流因为阻抗的增加而减小。

3.3 分布阻抗

当回路中有电流通过时，导体就会产生磁场，因而在整个回路中存在着分布电感，导线之间的电压，于回路中就会产生电场，所以导线之间存在分布电容。分布电容以及分布电感组成的分布阻抗对于测试实验中的高频信号抗干扰能力。但是电缆回路的整个分布阻抗很难改变，因此其对于高频信号的抗干扰能力提升只有从设计阶段开始考虑。

4 结语

在CS116 项目测试中，回路电缆束的阻抗特性的变化会对注入的阻尼正弦瞬态信号干扰电流产生影响。阻抗值越大，在同等功率的干扰注入时，施加到被测电缆回路的实际电流越小，阻抗越小，实际注入的干扰电流越大。在产品设计以及试验整改中，可以考虑增加负载电阻，使用磁环、滤波器、共模电感来增加被测电缆回路中的电感量等手段措施，以达到增强被测产品的抗干扰能力的目的。对于高频干扰信号，在设计中可以考虑利用趋肤效应增加高频阻抗和加大设计分布阻抗，增强被测系统的抗干扰能力。为产品设计和试验整改提供了可行的思路。