注入法等效替代電磁輻照法試驗技術研究

潘曉東 魏光輝 盧新福 李新峰

（軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊050003）

引 言

隨著大功率用頻設備的不斷增多以及電子戰系統、電磁脈沖彈和高功率微波武器的出現，有限空間內的電磁環境將日趨惡劣［1］，高強度輻射場（HIRF）已經成為武器裝備和各類民用電子系統所面臨的新挑戰［2-3］.GJB1389A-2005系統電磁兼容性要求［4］給出了系統所面臨的外部電磁環境，在大部分頻段場強遠高于200V/m，在2.7～3.6GHz的頻段內，艦船上發射機主波束下或陸軍直升機外部電磁環境峰值場強甚至高達27 460V/m，均值場強達到2 630V/m.若對系統開展安全裕度試驗，則需要模擬更高的場強，而這樣的指標在目前實驗室條件下無法實現.因此，單純的輻照試驗方法已經難以滿足系統級電磁輻射敏感度及安全裕度試驗的要求.

注入法是將電流直接注入到設備的殼體或電纜上來替代輻射場照射的效應試驗方法，其實質是把高場強輻射敏感度試驗采用電流傳導敏感度試驗來替代.雖然傳統的大電流注入法（BCI）和直接電流注入法（DCI）已提出了近半個世紀［5］，但將其應用于全頻段的HIRF替代性試驗仍存在以下問題：一是應用頻率范圍受限.對于BCI而言，在較高頻率注入時，線纜上的駐波會使得注入和監測電流值隨注入位置的變化十分敏感，同時鐵氧體注入探頭性能嚴重降低，使測試結果準確性降低以及注入效率下降［6］.對DCI而言，當頻率升高到一定值時，完全回路導體裝置內高階模的產生會使其內部場強的大小和場均勻性發生很大的變化［7］.大量研究表明，當頻率高于400MHz時，BCI和DCI與輻照法的相關性明顯下降［8］，無法滿足測試要求.二是兩種注入方法均無法準確替代HIRF對非線性系統的輻照實驗.目前，BCI技術要求受試系統是線性的［9］，即輻照場強和線纜上感應的電流值之間是線性變化關系，因此可直接將兩者在低場強的對應關系線性外推至高場強，而在HIRF作用下大部分受試系統為非線性系統，若BCI技術仍采用和線性系統相同的測試方法，由于線性外推條件不滿足而導致誤差較大.對DCI技術而言，在被試設備附近激發的電磁波基本為橫電磁波（TEM），電場方向垂直于被試設備表面，但在輻照試驗時，電場僅在導體表面與其垂直，而在孔洞、縫隙等電磁耦合比較強烈的部位，往往電磁場具有較大的平行分量，這一點不可避免地導致二者試驗結果存在一定的差異［10］.

綜上所述，大范圍空間內構建HIRF在目前實驗室條件下難以實現，采用傳統的電流注入技術對受試系統開展寬頻帶的HIRF替代性試驗又存在諸多不足.因此，有必要探索一種能夠在理論上保證注入與輻照嚴格等效的注入試驗新方法，進而對互聯系統開展電磁易損性及安全裕度試驗，彌補單一輻照測試方法在試驗場地及輻射強度等方面的不足.

1 理論分析

從嚴格意義上來說，注入和輻照過程不能完全等效，因為輻照過程相當于諸多分布源作用于受試系統，而注入過程相當于集總源的作用［6］.但是，對于一些干擾耦合通道十分明確的受試系統，比如互聯系統、天饋系統等，電磁能量主要以傳導干擾的形式經線纜（天線）端口作用于受試系統的內部電路［11-12］，由于試驗考核的是線纜兩端所連接設備的電磁敏感性，因此，此種條件下可以采用注入的方法來等效替代輻照效應試驗.

對于互聯系統而言，注入與輻照試驗嚴格等效的依據是兩者對受試系統的響應相等，工程上等效的依據是兩者產生的效應相同.基于這一考慮，若能夠保證作用于設備電纜（天線）端口的響應電壓或注入電流信號相同就可以保證兩者試驗方法的等效性［6，13］.因此，本文將以設備端口的響應電壓信號相等作為注入法和輻照法等效的依據.

1.1 注入替代輻照等效性分析

典型互聯系統在外界電磁場輻照條件下，可以簡化成如圖1所示的傳輸網絡，其中ZA為設備A的等效阻抗，ZL為受試設備B的等效阻抗.

為求得等效阻抗ZL上的響應電壓，A-A′左側的分支可以等效為戴維南等效電路，如圖2所示.

這種方法把受試設備外部端口的干擾等效為無源阻抗元件ZSR和等效電壓源USR.將左側戴維南等效電路與右側受試設備B的等效阻抗ZL結合起來，得到受試系統輻照響應等效電路，如圖3所示.

在輻照試驗條件下，由分布場激勵源形成的等效電路開路電壓USR可應用BLT方程進行求解［14］.令A-A′端口開路，即ρB＝1，可求得x＝l處的開路電壓為

式中S1和S2分別為BLT方程中的源矢量，若采用Agrawal模型［15］，源矢量與入射電場E成線性變化關系，為簡化表述方式，令式（1）中的等效開路電壓USR與入射電場E之間的傳遞函數為f，則式（1）可簡化表示為

且滿足f（k·E）＝k·f（E），通過求得無源阻抗元件ZSR和等效電壓源USR，根據圖3的等效電路，可以計算出等效阻抗ZL的輻照響應為

參照上述分析過程，容易得出受試設備B在注入試驗條件下的等效電路，如圖4所示，其中：USI為注入電壓源，ZSI為注入電壓源的內阻，為受試設備B在注入試驗條件下的響應.

圖3 輻照響應等效電路

圖4 注入響應等效電路

根據圖4等效電路，受試設備B在注入試驗條件下等效阻抗上的響應可表示為

根據前面提出的注入與輻照兩種試驗方法等效的依據：受試系統的響應相同，即uLR＝uLI，可得

根據式（1）可計算輻照條件下的集總電壓源USR，通過式（6）最終確定了理論上等效的注入電壓源USI與輻照場強E之間的對應關系，保證了注入與輻照試驗的等效性.對于單頻點連續波輻照試驗，ZSR、ZSI和ZL是固定值，采用式（6）可以得到等效注入電壓源USI；但對于寬帶脈沖輻照試驗，ZSR、ZSI和ZL是隨著頻率變化的量，只有當ZSR＝ZSI時，根據式（6）才能得出USI＝USR＝f （E），此時等效注入電壓源與頻率無關，可以實現注入與輻照試驗的等效性.

1.2 強場條件下注入電壓源外推方法

強場試驗條件下大多數系統為非線性系統，即由于模塊、器件工作狀態的改變（如進入飽和區、限幅區等）以及材料性能、寄生參數的變化等因素的影響導致受試系統的端口響應已經不再與輸入信號成線性比例變化.因此，注入激勵源如何外推是能否實現注入等效替代強場輻照試驗的關鍵問題.

為此，在對典型非線性系統進行理論分析和試驗研究的基礎上，我們將互聯系統受外界電磁輻照并出現干擾（降級、失效、毀傷等）效應的情況分為兩個過程：即場線耦合過程（對于天饋系統，則為天線接收過程）和模塊、器件的電路響應過程，如圖5所示.

圖5 非線性互聯系統輻照響應過程

由電磁場理論可知：場線耦合過程為線性過程，模塊、器件的電路響應過程為非線性過程.若能夠保證注入激勵源與輻照等效的集總電壓源在模塊、器件的輸入前端激勵效果相同，則注入試驗同樣會出現與輻照試驗相同的非線性電路響應，此時由低場強到高場強試驗的等效注入電壓源仍然可以采用線性外推.而為保證高場強下注入激勵源與輻照等效的集總電壓源激勵效果相同，需要滿足兩個條件：第一，高場強條件下注入電壓源與輻照等效的集總電壓源開路電壓相同，即USI＝USR；第二，輻照與注入等效電路中模塊、器件響應的分壓比相同，即由于USR是場線耦合線性過程中得到的等效集總電壓源，因此高功率注入激勵源可以通過對預先試驗中得到的低功率等效注入源線性外推得到；第二個條件，由于受試系統阻抗ZL在高場強輻照或高功率注入試驗條件下會發生改變，為保證電路響應的分壓比相同，則必需要求兩個激勵源的輸出阻抗相同，即ZSI＝ZSR.滿足了這兩個條件，高場強試驗的等效注入電壓源可以采用低場強下二者的對應關系線性外推得到.

1.3 注入等效替代輻照實現方法

從工程實際出發，根據上述等效替代理論及激勵源外推方法，提出將互聯傳輸線上的前向電壓u＋（0）作為中間過程等效參量，以注入和低場強輻照兩次預先試驗中u＋（0）相等為依據，進而提取低場強等效注入電壓源USI，通過線性外推USI獲取滿足高場強試驗的等效注入電壓源VSI（VSI＝kUSI，其中k為輻射場強放大的倍數）.

為了能夠對互聯傳輸線上的前向電壓（功率）進行監測，同時保證注入與輻照等效電路中激勵源的輸出阻抗相同（條件二），提出采用“注入耦合模塊”來實現注入替代輻照試驗的等效性.

“注入耦合模塊”是用于互聯系統寬頻帶電磁注入敏感度試驗的輔助設備，其典型連接方式如圖6所示，在A、B構成的系統正常工作的前提下，通過模塊的注入端口對受試系統B開展電磁注入試驗.

圖6 注入耦合模塊的連接方式示意圖

模塊的1＃、2＃為直通端口，用于互聯設備之間正常工作信號的傳輸；4＃為注入端口，用于對受試設備B進行電磁注入試驗，5＃為監測端口，用于對互聯傳輸線上的前向電壓信號進行監測.要求模塊具有一定的工作帶寬，可以完成電磁脈沖試驗；同時，4＃和5＃端口與主通道保持同相位或反相位，保證瞬態脈沖信號注入與監測不失真.

上述耦合模塊引入后，互聯系統的等效電路如圖7所示，Z4為注入激勵源內阻，Z5為監測端口示波器輸入阻抗，UDCI為所加注入激勵源的開路電壓.

圖7 互聯系統連接注入耦合裝置的等效電路

根據戴維南等效電路理論，注入與輻照等效電壓源的內阻ZSR和ZSI等于將所有激勵源除去后所得到的無源網絡A-A′兩端之間的等效阻抗.分析可知：注入與輻照試驗具有相同的無源網絡，注入耦合模塊在保證互聯系統正常工作的前提下，能夠滿足注入與輻照等效電路中激勵源輸出阻抗相同.因此，利用耦合模塊來實現注入等效替代輻照試驗是可行的.

2 試驗結果分析

為驗證耦合模塊注入法與電磁輻照法的等效性，以典型天線接收系統射頻前端為受試對象，開展單頻連續波輻照與等效注入試驗研究.

2.1 受試互聯系統

受試系統為典型非線性互聯系統，由接收天線、同軸電纜及射頻前端組件等構成，其整體連接方式如圖8所示.射頻前端組件包括：限幅濾波組件、定向耦合器、低噪聲放大器、靈敏度控制組件、限幅放大器等，將其集成在一個機箱內作為一個整體.假定接收天線為設備A，射頻前端組件箱為受試設備B，A、B之間通過同軸電纜進行連接，由于B中限幅濾波器、低噪聲放大器等組件的非線性響應特性，因此上述系統可用于驗證注入替代輻照試驗的等效性.

圖8 天線接收互聯系統連接方式示意圖

2.2 試驗目的及方法

2.2.1 試驗目的

通過對天線接收互聯系統進行輻照與注入效應試驗研究，驗證輻照場強和等效注入電壓源之間為線性變化關系，替代高場強輻照試驗的等效注入電壓源可以采用低場強下的對應關系線性外推得到.

2.2.2 試驗方法

總體思路：分別對受試互聯系統進行輻照與注入效應試驗，使圖8中的受試設備B在輻照與注入試驗中均出現非線性的響應過程.記錄輻照場強、注入電壓值與設備B響應之間的對應關系，由于設備B的響應電壓值可監測，因此直接以設備B響應相同作為等效依據，可得到設備B出現線性及非線響應時輻射場強與等效注入電壓值之間的對應關系，若此關系保持線性變化，則可以驗證高場強下注入等效替代輻照試驗方法的有效性.

具體方法：分別按圖9、10所示的配置方式，對受試互聯系統進行輻照與注入效應試驗.采用頻譜分析儀對設備B的響應信號直接進行測試，作為注入與輻照等效的依據.以耦合度為10dB，插入損耗為1.5dB的單定向耦合器作為電磁注入耦合模塊.在輻照試驗中，用于對互聯通道前向電壓信號進行監測；在注入試驗中，通過耦合器的前向隔離端口對受試設備B進行電磁注入，即注入電壓源輸出的功率衰減10dB后進入受試設備B.單定向耦合器的引入能夠保證注入與輻照試驗等效電路中激勵源的輸出阻抗相同，同時互聯系統在試驗中能夠正常工作.

2.3 試驗結果及分析

選取射頻前端內不同非線性組件構成設備B，分別設為B1和B2.其中，B1的核心為低噪聲放大器組件，B2的核心為限幅濾波組件，另外系統中還包括機箱、電源、風扇、衰減器等輔助設備或模塊.在互聯系統的工作頻段2～8GHz范圍內，選取多個頻點進行試驗，B1試驗時取3.3GHz、4.6GHz和7.2GHz，B2試驗時取4.6GHz、5.6GHz和7.2 GHz.

2.3.1 輻照效應試驗

按照2.2.2提出的方法進行輻照效應試驗，得出不同頻點B1和B2輸出響應與輻照電場強度之間的曲線關系，分別如圖11、12所示.

從圖11、12可以看出：不同頻點受試設備B1和B2的輸出響應與輻照電場強度之間的關系曲線變化趨勢相同.當輻照電場強度較低時，受試設備B1和B2的輸出響應與輻照場強成線性變化關系；隨著輻照電場強度的增大，設備B1和B2開始出現非線性的響應過程；若輻照電場強度繼續增大，則B1和B2的輸出響應進入飽和區直至損壞.因此，輻照電場強度與設備B1和B2的輸出響應為典型的非線性關系，選擇B1和B2作為試驗受試設備是比較合適的.

2.3.2 注入效應試驗

按照2.2.2提出的方法進行注入效應試驗，為方便后續的數據處理分析，得出輻照場強與等效注入電壓之間的曲線關系，因此需調整注入電壓源的輸出功率值，使相同頻率條件下，設備B的輸出響應與輻照試驗相同，從而得出不同頻點B1和B2輸出響應與注入電壓之間的曲線關系，如圖13、14所示.

從圖13、14可以看出：受試設備B1和B2在通過定向耦合器前向的隔離端口注入試驗條件下，其輸出響應曲線與輻照試驗相類似，即低電壓注入時為線性響應關系，隨著注入電壓的升高，B1和B2出現非線性的響應過程.由此可見：只要選擇合適的注入激勵條件，注入試驗同樣會出現與輻照試驗相同的非線性響應過程.

2.3.3 注入電壓與輻照場強的等效關系

為了定量分析注入電壓與輻照場強之間的等效對應關系，在保證設備B1和B2輸出響應相同的前提下，得出B1和B2在不同頻點注入電壓與輻照場強之間的對應關系，如圖15和16所示.

分析圖15、16中實測數據點的變化趨勢可知：輻照電場強度與注入電壓成線性變化關系，對實測數據進行線性擬合（y＝mx），得出受試設備B1和B2在不同頻率試驗條件下線性擬合的斜率m及相關系數R，如表1中所示.可以看出：不同頻點實測數據線性擬合的斜率m存在一定差異，這主要是由于不同頻率互聯系統接收電磁輻射的能力不同所致.通過對相關系數R分析可知，圖15、16中各頻點數據線性擬合具有很高的精度（擬合精度是指趨勢線的估計值與對應的實際數據之間的擬合精度，當R2等于或接近1時，其可靠性最高），即等效注入電壓值與輻照場強值成線性變化關系.對于圖15、16中有少量數據點不完全符合線性關系（出現在受試系統進入飽和區的數據點），這主要是由試驗誤差造成的.解釋其原因為：由于注入與輻照試驗是以設備B的輸出響應相同作為等效依據，當設備B進入飽和區后，其輸出響應值對輻照場強（或注入電壓）變化不敏感，差值較大的兩個輻照場強（或注入電壓）可能會出現幾乎相等的輸出響應，因此造成了少量數據點的試驗誤差.

表1 實測數據線性擬合的斜率及相關系數

綜上所述，即使對于非線性響應受試系統，若保證受試系統注入與輻照試驗效應相同，則不同頻點等效注入電壓與輻照場強成線性變化關系.從另一個角度來說，若能夠保證注入與輻照等效激勵源在受試系統前端激勵效果相同，則注入試驗同樣會出現與輻照相同的非線性電路響應.因此，由低場強到高場強試驗的等效注入電壓源可以進行線性外推.

3 結 論

以典型互聯系統為研究對象，對注入法等效替代電磁輻照法的試驗技術進行了研究.將設備端口的響應電壓相等作為等效依據，推導了注入電壓與輻照場強之間的等效對應關系，確定了強場條件下注入電壓源線性外推應滿足的條件，提出了基于耦合模塊的等效注入試驗新方法.通過典型非線性互聯系統的試驗研究表明：輻照場強和等效注入電壓源之間為線性變化關系，替代高場強輻照試驗的等效注入電壓源可以采用低場強下的對應關系線性外推得到，試驗結果同時驗證了注入等效替代輻照試驗方法的有效性.

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