一種現場電磁信號還原試驗方法

黎亮文，陳輝，史云雷，邵鄂，李帥男，李宣毅

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.智能產品質量評價與可靠性保障技術工業和信息化部重點實驗室，廣州 511370）

前言

電子設備交付使用前，通常需要依據標準的波形和等級開展電磁兼容性試驗以驗證此設備的電磁抗干擾能力，如參考GB/T 17626 系列，GJB 151B-2013 等標準進行試驗，然而標準的波形與現場電磁環境信號存在差異，以至于某些電子設備在實際使用過程中出現電磁兼容問題。而當電子設備由于電磁兼容問題引起故障時，設備使用者或生產廠商一般會將故障設備重新按標準規定進行電磁兼容試驗尋找故障原因。多數實驗室是以標準要求的波形合理配備干擾源，常規做法是采用波形特征逼近現實電磁環境的標準源對故障設備考核，但難以真正還原現場信號。因此，本文提出一種基于任意波發生器的電磁信號還原試驗方法，補充了現場電磁干擾試驗驗證方法。

1 總體技術路線

首先使用示波器進行環境電磁信號采集，對采集信號進行處理，導入任意波發生器中，任意波發生器還原采集的信號，經過注入系統加載到受試設備，從而觀察設備的故障原因。總體思路如圖1 所示。

圖1 現場電磁信號還原試驗方法總體思路

2 信號采集

當應用在實際環境中的電子設備發生故障時，首先對環境信號進行采集分析，判斷是輻射干擾還是傳導干擾引起的問題。電磁信號以電場輻照、磁場輻照、電壓耦合和電流耦合四種方式作用于電子設備。電場和磁場通過空間耦合到設備內部形成電壓和電流，引起內部器件的電位差，從而對設備造成影響；而電壓和電流則是直接通過線纜傳導方式干擾設備內部器件，使其出現故障。信號采集系統以示波器為核心，搭配電場探頭、磁場探頭、電壓探頭和電流探頭，對設備故障現場電磁環境進行場和路全面測量，信號采集系統配置如圖2 所示。需要注意，信號采集設備帶寬越大，捕獲到的波形分量越多，信號的采集就越真實。

圖2 環境信號采集配置

3 信號處理

3.1 波形數據處理

任意波發生器無法直接識別示波器保存的波形數據，需要通過計算機對波形數據進行處理，刪除不必要的信息，保留示波器采集信號每一個點數的橫坐標時間和縱坐標幅值，并將縱坐標幅值作歸一化處理。

3.2 任意波發生器

信號發生器作為一種信號源在電路設計調試，電子設備測試中應用廣泛。標準的信號發生器只能產生集中固定形狀的波形，而任意波發生器在帶寬滿足的條件下，可以創造任何設想的波形[1]。在電磁兼容測試中，任意波發生器可以同時輸出不同頻點的信號，合成為更復雜的波形，加載到被試設備中，從而滿足不同的測試需求。

基于任意波發生器的信號合成特點，將現場采集到并經過處理后的電磁信號波形導入到任意波發生器中，使其識別每個時間點對應的幅值，形成波形文件。

4 信號還原

處理后的信號波形導入任意波發生器中形成波形文件，調用并輸出，使用示波器對導入的波形進行驗證，得到實際電磁環境干擾源。增大輸出以滿足真實信號幅值要求，但任意波發生器輸出幅度有限，可能達到現場環境采集信號的幅值要求，當最大信號輸出幅值不滿足要求時，則要在任意波發生器和注入設備之間增加一個波形功率放大器，對輸出信號進行放大。根據現場采集得到的數據，分為電流注入、電壓注入、磁場輻照和電場輻照四種干擾加載方式。

4.1 電流注入

電流注入耦合裝置選用電磁耦合鉗，電磁耦合鉗是一種非接觸式、高效寬帶的夾鉗式注入設備，用于測試電子產品的抗擾度，尤其常用于測試非屏蔽的多根電纜[2]。對時域脈沖類的寬帶信號，需要選擇插入損耗平坦的電磁耦合鉗，避免出現注入波形失真情況。采用電磁耦合鉗的電流注入系統配置如圖3 所示。

圖3 電流注入系統配置

4.2 電壓注入

在電磁兼容測試中，對于電壓耦合測試，通常采用耦合網絡對被試設備線纜注入電壓。耦合網絡的作用是將發生器的信號波形注入到被試設備線纜上，同時限制設備線纜的電流流入波形發生器本體造成損壞[3]。阻容耦合是常見的方法，對耦合不同的波形要選用適當的阻值和容值，若選用小的耦合電容值，耦合效率較低，但另一側殘余浪涌電壓也相對較低；若選用大的耦合電容值，則耦合到EUT 效率較高，但殘余電壓較高，需要折中考慮。電壓注入系統配置圖如圖4 所示。

圖4 電壓注入系統配置

4.3 磁場輻照

磁場線圈是產生磁場的基本裝置，電流流過磁場線圈，線圈內會產生對應的磁場，磁場強度計算公式如下：

式中：

H—磁場強度，單位安培每米（A/m）；

N—勵磁線圈匝數；

I—勵磁電流，單位安培（A）；

Le—有效磁路長度，單位米（m）。

對于一個1 m×1 m 的單匝正方形磁場線圈，流過1 A 的電流，則線圈中產生的磁場強度為1 A/m，將電流探頭布置在磁場線圈注入點處監控注入的波形幅值和參數是否達到要求。采用磁場線圈的磁場輻照系統配置如圖5 所示。

圖5 磁場輻照系統配置

4.4 電場輻照

時域信號波形的電場輻照裝置采用GTEM 小室，GTEM 小室常用于電磁兼容輻射抗擾度的試驗，頻率范圍為直流到GHz 級別，輸入阻抗50 Ω，平坦度好，波形加載不容易失真，且電場強度大小可根據公式直接計算。GTEM 小室內部測試區域電場計算公式如下[4]：

式中：

Z—GTEM 小室特性阻抗，單位歐姆（Ω）；

P—輸入凈功率，單位瓦（W）；

U—輸出電壓，單位伏特（V）；

h—GTEM 小室芯板和底板之間的距離，單位米（m）。

采用GTEM 小室的電場輻照配置如圖6 所示。將受試設備放置在GTEM 小室測試區域，逐漸增大輸入電壓，直至到達要求的電場。

圖6 電場輻照系統配置

5 試驗驗證

5.1 信號波形還原驗證

采用力科示波器SDA820Zi-B 和Keysight 任意波發生器33511B 對信號還原進行試驗驗證，圖7 中藍色曲線是示波器隨機捕獲的一個信號波形，波形上升沿6.7 μs，半脈寬54.0 μs，將示波器波形導出處理后，下載到任意波發生器中，直接使用示波器測量任意波發生器輸出波形，如圖7 中淺色曲線所示，測量得到波形上升沿6.7 μs，半脈寬53.8 μs，任意波發生器的輸出波形與示波器捕獲波形走勢完全一致，波形參數也十分接近。

圖7 隨機信號還原波形對比

5.2 不同加載方式波形還原驗證

采用電磁耦合鉗、電壓耦合網絡、磁場線圈和GTEM 小室開展電流注入、電壓注入、磁場輻照和電場輻照四種加載方式實驗，見圖8，對這四種加載方式的波形參數進行測量，作歸一化處理并與發生器輸出波形進行對比。圖9 和表1 結果表示，以發生器輸出波形作為基準，四種加載方式的波形與輸出波形走勢一致，上升沿和半脈寬的參數都在±20 %誤差范圍內。

表1 波形參數誤差

圖8 波形加載方式

圖9 不同加載方式還原波形對比

6 結論

本文設計了空間輻射和線纜傳導四種加載方式實驗，通過對4 種加載方式的波形測量，量化上升沿和半脈寬，驗證其誤差均在±20 %以內，滿足GB/T 17626 系列抗擾度標準波形的時間誤差要求。實驗證明了基于任意波發生器的電磁信號還原試驗方法的可行性，此方法能夠還原現場真實電磁信號，補充了標準以外的實際電磁信號波形加載試驗方法，對排查設備問題，定位故障原因，加強設備抗電磁干擾能力具有現實意義。