一种现场电磁信号还原试验方法

黎亮文，陈辉，史云雷，邵鄂，李帅男，李宣毅

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 511370；2.智能产品质量评价与可靠性保障技术工业和信息化部重点实验室，广州 511370）

前言

电子设备交付使用前，通常需要依据标准的波形和等级开展电磁兼容性试验以验证此设备的电磁抗干扰能力，如参考GB/T 17626 系列，GJB 151B-2013 等标准进行试验，然而标准的波形与现场电磁环境信号存在差异，以至于某些电子设备在实际使用过程中出现电磁兼容问题。而当电子设备由于电磁兼容问题引起故障时，设备使用者或生产厂商一般会将故障设备重新按标准规定进行电磁兼容试验寻找故障原因。多数实验室是以标准要求的波形合理配备干扰源，常规做法是采用波形特征逼近现实电磁环境的标准源对故障设备考核，但难以真正还原现场信号。因此，本文提出一种基于任意波发生器的电磁信号还原试验方法，补充了现场电磁干扰试验验证方法。

1 总体技术路线

首先使用示波器进行环境电磁信号采集，对采集信号进行处理，导入任意波发生器中，任意波发生器还原采集的信号，经过注入系统加载到受试设备，从而观察设备的故障原因。总体思路如图1 所示。

图1 现场电磁信号还原试验方法总体思路

2 信号采集

当应用在实际环境中的电子设备发生故障时，首先对环境信号进行采集分析，判断是辐射干扰还是传导干扰引起的问题。电磁信号以电场辐照、磁场辐照、电压耦合和电流耦合四种方式作用于电子设备。电场和磁场通过空间耦合到设备内部形成电压和电流，引起内部器件的电位差，从而对设备造成影响；而电压和电流则是直接通过线缆传导方式干扰设备内部器件，使其出现故障。信号采集系统以示波器为核心，搭配电场探头、磁场探头、电压探头和电流探头，对设备故障现场电磁环境进行场和路全面测量，信号采集系统配置如图2 所示。需要注意，信号采集设备带宽越大，捕获到的波形分量越多，信号的采集就越真实。

图2 环境信号采集配置

3 信号处理

3.1 波形数据处理

任意波发生器无法直接识别示波器保存的波形数据，需要通过计算机对波形数据进行处理，删除不必要的信息，保留示波器采集信号每一个点数的横坐标时间和纵坐标幅值，并将纵坐标幅值作归一化处理。

3.2 任意波发生器

信号发生器作为一种信号源在电路设计调试，电子设备测试中应用广泛。标准的信号发生器只能产生集中固定形状的波形，而任意波发生器在带宽满足的条件下，可以创造任何设想的波形[1]。在电磁兼容测试中，任意波发生器可以同时输出不同频点的信号，合成为更复杂的波形，加载到被试设备中，从而满足不同的测试需求。

基于任意波发生器的信号合成特点，将现场采集到并经过处理后的电磁信号波形导入到任意波发生器中，使其识别每个时间点对应的幅值，形成波形文件。

4 信号还原

处理后的信号波形导入任意波发生器中形成波形文件，调用并输出，使用示波器对导入的波形进行验证，得到实际电磁环境干扰源。增大输出以满足真实信号幅值要求，但任意波发生器输出幅度有限，可能达到现场环境采集信号的幅值要求，当最大信号输出幅值不满足要求时，则要在任意波发生器和注入设备之间增加一个波形功率放大器，对输出信号进行放大。根据现场采集得到的数据，分为电流注入、电压注入、磁场辐照和电场辐照四种干扰加载方式。

4.1 电流注入

电流注入耦合装置选用电磁耦合钳，电磁耦合钳是一种非接触式、高效宽带的夹钳式注入设备，用于测试电子产品的抗扰度，尤其常用于测试非屏蔽的多根电缆[2]。对时域脉冲类的宽带信号，需要选择插入损耗平坦的电磁耦合钳，避免出现注入波形失真情况。采用电磁耦合钳的电流注入系统配置如图3 所示。

图3 电流注入系统配置

4.2 电压注入

在电磁兼容测试中，对于电压耦合测试，通常采用耦合网络对被试设备线缆注入电压。耦合网络的作用是将发生器的信号波形注入到被试设备线缆上，同时限制设备线缆的电流流入波形发生器本体造成损坏[3]。阻容耦合是常见的方法，对耦合不同的波形要选用适当的阻值和容值，若选用小的耦合电容值，耦合效率较低，但另一侧残余浪涌电压也相对较低；若选用大的耦合电容值，则耦合到EUT 效率较高，但残余电压较高，需要折中考虑。电压注入系统配置图如图4 所示。

图4 电压注入系统配置

4.3 磁场辐照

磁场线圈是产生磁场的基本装置，电流流过磁场线圈，线圈内会产生对应的磁场，磁场强度计算公式如下：

式中：

H—磁场强度，单位安培每米（A/m）；

N—励磁线圈匝数；

I—励磁电流，单位安培（A）；

Le—有效磁路长度，单位米（m）。

对于一个1 m×1 m 的单匝正方形磁场线圈，流过1 A 的电流，则线圈中产生的磁场强度为1 A/m，将电流探头布置在磁场线圈注入点处监控注入的波形幅值和参数是否达到要求。采用磁场线圈的磁场辐照系统配置如图5 所示。

图5 磁场辐照系统配置

4.4 电场辐照

时域信号波形的电场辐照装置采用GTEM 小室，GTEM 小室常用于电磁兼容辐射抗扰度的试验，频率范围为直流到GHz 级别，输入阻抗50 Ω，平坦度好，波形加载不容易失真，且电场强度大小可根据公式直接计算。GTEM 小室内部测试区域电场计算公式如下[4]：

式中：

Z—GTEM 小室特性阻抗，单位欧姆（Ω）；

P—输入净功率，单位瓦（W）；

U—输出电压，单位伏特（V）；

h—GTEM 小室芯板和底板之间的距离，单位米（m）。

采用GTEM 小室的电场辐照配置如图6 所示。将受试设备放置在GTEM 小室测试区域，逐渐增大输入电压，直至到达要求的电场。

图6 电场辐照系统配置

5 试验验证

5.1 信号波形还原验证

采用力科示波器SDA820Zi-B 和Keysight 任意波发生器33511B 对信号还原进行试验验证，图7 中蓝色曲线是示波器随机捕获的一个信号波形，波形上升沿6.7 μs，半脉宽54.0 μs，将示波器波形导出处理后，下载到任意波发生器中，直接使用示波器测量任意波发生器输出波形，如图7 中浅色曲线所示，测量得到波形上升沿6.7 μs，半脉宽53.8 μs，任意波发生器的输出波形与示波器捕获波形走势完全一致，波形参数也十分接近。

图7 随机信号还原波形对比

5.2 不同加载方式波形还原验证

采用电磁耦合钳、电压耦合网络、磁场线圈和GTEM 小室开展电流注入、电压注入、磁场辐照和电场辐照四种加载方式实验，见图8，对这四种加载方式的波形参数进行测量，作归一化处理并与发生器输出波形进行对比。图9 和表1 结果表示，以发生器输出波形作为基准，四种加载方式的波形与输出波形走势一致，上升沿和半脉宽的参数都在±20 %误差范围内。

表1 波形参数误差

图8 波形加载方式

图9 不同加载方式还原波形对比

6 结论

本文设计了空间辐射和线缆传导四种加载方式实验，通过对4 种加载方式的波形测量，量化上升沿和半脉宽，验证其误差均在±20 %以内，满足GB/T 17626 系列抗扰度标准波形的时间误差要求。实验证明了基于任意波发生器的电磁信号还原试验方法的可行性，此方法能够还原现场真实电磁信号，补充了标准以外的实际电磁信号波形加载试验方法，对排查设备问题，定位故障原因，加强设备抗电磁干扰能力具有现实意义。