盧新福 魏光輝 潘曉東 李 凱

(軍械工程學(xué)院電磁環(huán)境效應(yīng)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050003)

引 言

由于戰(zhàn)場電磁環(huán)境已變得更加復(fù)雜和惡劣[1]，需要預(yù)先對(duì)電子裝備進(jìn)行高強(qiáng)度輻射場的電磁環(huán)境效應(yīng)測試，但目前實(shí)驗(yàn)條件可模擬的輻射場強(qiáng)及空間大小均有限，已無法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)如國軍標(biāo)GJB1389A-2005的要求[2]，電流注入作為一種替代方法已成為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).雖然在嚴(yán)格意義上，注入相當(dāng)于集總源作用于受試系統(tǒng)，而輻照則相當(dāng)于一系列分布源的作用，導(dǎo)致無法在一般情況下保證注入法和輻照法完全等效[3-4]，但對(duì)互連系統(tǒng)而言，電纜端口是其內(nèi)部電路干擾耦合的重要通道[5-6]，研究高場強(qiáng)時(shí)從該端口進(jìn)入的干擾信號(hào)是否會(huì)造成受試設(shè)備出現(xiàn)干擾損傷效應(yīng)是十分必要的，此時(shí)通過注入等效替代該端口在輻照時(shí)引入的干擾是可行的.大電流注入(Bulk Current Injection,BCI)技術(shù)就主要用于替代線纜的輻射敏感度試驗(yàn)，目前已被國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)所采納[4].但BCI技術(shù)存在以下三方面問題.一是僅能完成對(duì)線纜內(nèi)共模電流的監(jiān)測和注入，無法替代天線耦合的差模干擾信號(hào).這在很大程度上限制了注入法的應(yīng)用范圍，因?yàn)楫?dāng)前各類天線收發(fā)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，天線因一般暴露在外界環(huán)境中而成為干擾耦合的重要通道.二是傳統(tǒng)電流注入方法的應(yīng)用頻率上限一般為400 MHz[7-8]，難以覆蓋天線接收系統(tǒng)的應(yīng)用頻帶范圍.三是對(duì)于輻照時(shí)受試設(shè)備響應(yīng)出現(xiàn)非線性的情況，因?yàn)閳鰪?qiáng)和線纜感應(yīng)電流間的線性關(guān)系不再成立，導(dǎo)致了此時(shí)BCI技術(shù)的誤差較大.而直接電流注入(Direct Current Injection,DCI)法與輻照法的相關(guān)性相對(duì)較低，目前還處于研究的初步階段.

針對(duì)以上問題，本方法基于定向耦合原理設(shè)計(jì)了注入耦合裝置，實(shí)現(xiàn)了差模信號(hào)的注入和監(jiān)測，對(duì)天線和線纜為耦合途徑的輻照試驗(yàn)均可等效替代.并以線纜端口的前向電壓作為輻照和注入的等效依據(jù)，避免了線纜上駐波對(duì)測試結(jié)果的影響.將輻射場強(qiáng)和注入源輸出電壓間的關(guān)系作為外推依據(jù)，保證了受試設(shè)備工作進(jìn)入非線性區(qū)后試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.最后以某天線接收系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證了理論分析的正確性和試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性.

1 理論分析

1.1 差模注入耦合裝置

對(duì)互連系統(tǒng)而言，天線耦合的干擾主要為差模信號(hào)，線纜耦合的則主要是共模信號(hào)，但最終干擾線纜兩端設(shè)備的是由共模轉(zhuǎn)化成的差模信號(hào)，因此為對(duì)天線和線纜為主要耦合途徑的輻照試驗(yàn)均實(shí)現(xiàn)等效替代，需要采用差模注入耦合裝置.另外，為判斷輻照和注入的等效性，耦合裝置應(yīng)能夠監(jiān)測設(shè)備的端口信號(hào)，但頻率升高后線纜上的駐波分布會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果隨位置變化十分敏感.為解決這一問題，采用的方法是僅對(duì)線纜上的前向電壓進(jìn)行監(jiān)測.為實(shí)現(xiàn)上述功能，將兩對(duì)稱定向耦合器級(jí)聯(lián)構(gòu)成注入裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖1中耦合裝置的1和2端口為輸入端和直通端，3和5端口為耦合端，4和6端口為隔離端.由定向耦合器的特性知，通過4端口可將干擾信號(hào)直接注入到設(shè)備B中，5端口可用于監(jiān)測線纜上的前向電壓信號(hào).實(shí)際試驗(yàn)時(shí)將該裝置接入受試系統(tǒng)，并保證其各端口盡量匹配，此時(shí)耦合裝置的引入可保證在不影響原系統(tǒng)正常工作的前提下完成干擾信號(hào)的注入和監(jiān)測.由于定向耦合器的應(yīng)用頻帶可達(dá)數(shù)個(gè)GHz水平，并且可以準(zhǔn)確監(jiān)測線纜上的前向電壓波，因此該耦合裝置為提高注入法的應(yīng)用頻率上限提供了硬件保障.另外，試驗(yàn)時(shí)耦合裝置一般置于輻照區(qū)域外，因而其本身對(duì)輻射場的響應(yīng)可不必考慮.

1.2 非線性情況試驗(yàn)方法的正確性

對(duì)于互連系統(tǒng)而言，因?yàn)樽罱K關(guān)心的是線纜兩端所連設(shè)備的電磁敏感性，所以輻照和注入等效的依據(jù)是保證受試電子設(shè)備的響應(yīng)相等，而不必關(guān)心線纜上的電流分布.基于以上考慮，將耦合裝置連接在線纜端口和受試設(shè)備端口之間，其試驗(yàn)配置如圖1所示，圖中A為輔助設(shè)備，本文中令其為線性的，B為受試設(shè)備.由于實(shí)際試驗(yàn)難以模擬高輻射場強(qiáng)，因此替代高場強(qiáng)輻照的注入電壓值需要由低場強(qiáng)與注入電壓的關(guān)系外推得到.另外，在強(qiáng)場試驗(yàn)條件下，許多電子設(shè)備都表現(xiàn)出非線性[9]，因此，如何在受試設(shè)備是線性或非線性的情況下均實(shí)現(xiàn)注入等效高場強(qiáng)輻照，成為需要解決的關(guān)鍵問題.

(a) 輻照時(shí)等效模型 (b) 注入時(shí)等效模型

(c) 輻照和注入時(shí)的等效電路圖2 輻照和注入時(shí)系統(tǒng)簡化模型

由理想對(duì)稱定向耦合器的性質(zhì)可得耦合裝置的散射參數(shù)滿足

S14=S16=S23=S25=S35=S36=S46=0

Sij=Sji，Sii=0 (i，j=1，2，…，6).

(1)

依據(jù)以上散射參數(shù)并由等效電源波理論[10]可得

(2)

(3)

式中Z0為各端口的特性阻抗.由式(3)知，圖2(c)所示等效電路中的源阻抗相等，這是因?yàn)檩椪蘸妥⑷氲臒o源網(wǎng)絡(luò)模型相同，只是等效源位于S網(wǎng)絡(luò)的不同端口.此時(shí)不論設(shè)備B是否是非線性的，當(dāng)且僅當(dāng)?shù)刃г措妷合嗟燃碪′R=U′I時(shí)，設(shè)備B兩端響應(yīng)相等.將該條件代入式(2)得

(4)

因?yàn)楸疚募僭O(shè)輔助設(shè)備A為線性的，即Γ1不隨源電壓幅值的改變而變化，加之同一頻率下耦合裝置的散射參數(shù)是常量，因此由式(4)可得UR和UI間為線性關(guān)系.另外，輻照時(shí)從1端口引入的干擾主要來自天線和線纜對(duì)輻射場的耦合.以平面波輻照為例，對(duì)于天線而言，場強(qiáng)E與天線輸出端口等效源電壓U1的關(guān)系為

U1=leF(θ，φ)E，

(5)

式中l(wèi)e和F(θ，φ)分別為天線的有效長度和方向性函數(shù)，兩者均與外界電磁場無關(guān).對(duì)于同軸線而言，應(yīng)用BLT方程可得線纜右端口的開路電壓U′o為

(6)

式中ΓA為設(shè)備A端口的反射系數(shù)，s1和s2為源矢量，由Agrawal模型的分析知源矢量與場強(qiáng)為線性關(guān)系.因此式(5)和式(6)表明，天線和線纜對(duì)場的耦合過程是線性的，即UR=H(E)，其中H為線性函數(shù).再結(jié)合式(4)得UI和E的關(guān)系為

(7)

因而在設(shè)備A是線性的條件下，不論設(shè)備B是否為線性的，場強(qiáng)和注入電壓間均為線性關(guān)系.其物理本質(zhì)是，注入替代輻照時(shí)只需保證等效源相等，由于場線耦合以及注入耦合裝置的能量耦合過程均為線性的，且等效源的大小與設(shè)備內(nèi)部電路的工作狀態(tài)無關(guān)，所以分析得到的線性關(guān)系成立.因此可直接將該關(guān)系從低場強(qiáng)線性外推至高場強(qiáng)，保證了試驗(yàn)方法的簡便性和受試設(shè)備出現(xiàn)非線性時(shí)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1.3 等效依據(jù)的簡便監(jiān)測方法

場強(qiáng)和注入電壓關(guān)系的獲得需要以試驗(yàn)中某一監(jiān)測值為等效依據(jù)，前面的分析在等效時(shí)是保證受試設(shè)備的輸出相等.但工程實(shí)際中受試設(shè)備可能為黑箱，其內(nèi)部響應(yīng)往往難以監(jiān)測但輸入端口信號(hào)卻方便測量.為此，應(yīng)分析將耦合裝置5端口的監(jiān)測電壓作為等效依據(jù)的可行性.

為便于理論分析，假設(shè)2端口處開路，參考圖1所示耦合裝置的結(jié)構(gòu)，可得輻照和注入時(shí)5端口的監(jiān)測電壓值分別為

(8)

若保證UR5=UI5，可得

(9)

設(shè)耦合裝置左右兩定向耦合器的耦合度分別為mdB和ndB，選擇合適的相位參考面，使得S12為正實(shí)數(shù)，則根據(jù)定向耦合器各端口特性可得

S12S45=S15S24

(10)

根據(jù)式(10)可得式(9)和式(4)相等，由前面的分析知，此時(shí)設(shè)備B的響應(yīng)相等，因此以5端口電壓作為等效依據(jù)是可行的，這使得試驗(yàn)的操作更加簡便.由于上述分析沒有限定設(shè)備B的特性，故該結(jié)論對(duì)線性和非線性受試設(shè)備均成立.

1.4 等效試驗(yàn)方法

在以上分析的基礎(chǔ)上，將強(qiáng)電磁場輻照的等效試驗(yàn)方法總結(jié)如下：

1) 選擇合適的低場強(qiáng)值E，在保證系統(tǒng)響應(yīng)處于線性區(qū)的條件下進(jìn)行輻照試驗(yàn)，記錄耦合裝置監(jiān)測端電壓；

2) 開展注入試驗(yàn)，調(diào)整信號(hào)源輸出使得耦合裝置監(jiān)測端電壓與輻照時(shí)相同，記錄此時(shí)信號(hào)源輸出電壓值UI，得到注入電壓與場強(qiáng)之間的比例系數(shù)k=UI/E，選取多個(gè)低場強(qiáng)點(diǎn)重復(fù)上述步驟，對(duì)得到的多個(gè)k值取平均得到kave；

3) 若受試系統(tǒng)最終考核的電場強(qiáng)度為E′，計(jì)算出此時(shí)的等效注入電壓U′I=kaveE′，將其作為信號(hào)源輸出電壓開展注入試驗(yàn)，所得結(jié)果與目前難以完成的高場強(qiáng)輻照試驗(yàn)等效.

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論分析的正確性，選用某高頻天線接收系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)時(shí)分別保證天線和線纜為主要耦合途徑，并選取GHz量級(jí)的試驗(yàn)頻點(diǎn)和非線性受試設(shè)備.同時(shí)給出試驗(yàn)誤差，考察不同情況下試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性.

2.1 試驗(yàn)配置

所用天線接收系統(tǒng)包括寬頻線性接收天線、同軸電纜和射頻前端，整個(gè)系統(tǒng)的工作頻帶為2～8 GHz. 射頻前端由限幅濾波器、低噪聲放大器(Low Noise Amplifier， LNA)、靈敏度控制組件和限幅放大器等典型非線性器件級(jí)聯(lián)構(gòu)成.耦合裝置所用對(duì)稱定向耦合器的耦合度約為10 dB，插入損耗約為1.5 dB. 按照?qǐng)D3所示配置分別搭建輻照和注入試驗(yàn)系統(tǒng)，其中天線和射頻前端分別作為設(shè)備A和B，耦合裝置5端口和設(shè)備B的輸出均由頻譜分析儀(Agilent E4440A)監(jiān)測.輻射系統(tǒng)由微波信號(hào)源(R&S SMR20)、功率放大器(AR 200T2G8A)和喇叭天線(AR AT4510M2/AT4003)構(gòu)建.發(fā)射和接收天線均垂直極化放置，兩天線間距離滿足遠(yuǎn)場條件，采用光纖場強(qiáng)計(jì)(NARDA EMR-200)監(jiān)測輻射場.注入試驗(yàn)時(shí)將4端口改接微波信號(hào)源(R&S SMR20)，保證輻照和注入的其他試驗(yàn)條件相同.

(a) 輻照試驗(yàn)配置

(b) 注入試驗(yàn)配置圖3 輻照和注入試驗(yàn)配置圖

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)中同軸電纜的干擾耦合能力遠(yuǎn)小于接收天線，因此對(duì)于天線為主要耦合途徑的情況，直接在開闊場對(duì)接收天線進(jìn)行輻照.由于喇叭天線具有良好的方向性，因此不必對(duì)設(shè)備B采取額外的屏蔽措施.而對(duì)于電纜為主要耦合途徑的情況，試驗(yàn)時(shí)在屏蔽室中對(duì)電纜單獨(dú)進(jìn)行輻照，電纜兩端設(shè)備經(jīng)接口板在屏蔽室外與電纜連接.由于需要說明輻照時(shí)受試設(shè)備響應(yīng)出現(xiàn)非線性后試驗(yàn)方法依然準(zhǔn)確，因此要保證在目前的輻照試驗(yàn)條件下設(shè)備B可工作于線性和非線性區(qū).針對(duì)不同的試驗(yàn)內(nèi)容，采取的方法是改變輻射功率、兩天線間距離和設(shè)備B內(nèi)的器件種類.

2.2 非線性情況試驗(yàn)方法的正確性

驗(yàn)證場強(qiáng)與注入電壓的等效關(guān)系是首要的.試驗(yàn)時(shí)首先進(jìn)行輻照試驗(yàn)，改變場強(qiáng)使設(shè)備B先后工作于線性區(qū)、非線性區(qū)和飽和區(qū).之后進(jìn)行注入試驗(yàn)，調(diào)整信號(hào)源的輸出以保證設(shè)備B的響應(yīng)與輻照時(shí)相等，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 LNA輸出電壓及注入電壓與輻照?qǐng)鰪?qiáng)關(guān)系曲線

圖中給出了場強(qiáng)與LNA輸出電壓的關(guān)系，以及在LNA輸出相同的情況下場強(qiáng)與注入電壓的關(guān)系.從圖中可看出，當(dāng)場強(qiáng)由小逐漸增大時(shí)，LNA的輸出與輸入成典型的非線性關(guān)系.但場強(qiáng)與注入電壓之間的關(guān)系始終是線性的，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，得到擬合的相關(guān)系數(shù)R均為0.999，擬合精度很高.另外，將測試數(shù)據(jù)中最低場強(qiáng)點(diǎn)與注入電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系線性外推至高場強(qiáng)情況，得到4.6 GHz和7.2 GHz時(shí)外推所得注入電壓與實(shí)際注入電壓相比的平均誤差分別為1.8%和2.1%. 該誤差主要來自于飽和區(qū)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，原因是該試驗(yàn)以設(shè)備B的輸出作為等效依據(jù).當(dāng)內(nèi)部器件工作進(jìn)入飽和區(qū)后，其輸出對(duì)輸入變化不敏感，差值較大的兩個(gè)輸入可能會(huì)有幾乎相等的輸出，造成了曲線在該點(diǎn)誤差相對(duì)較大.以上試驗(yàn)結(jié)果有效地證明了在設(shè)備A和B分別為線性和非線性的條件下，場強(qiáng)和注入電壓滿足線性關(guān)系，高場強(qiáng)時(shí)采用線性外推的方法是正確的.

進(jìn)而為說明將耦合裝置監(jiān)測端電壓作為等效依據(jù)的正確性，同樣開展輻照和注入試驗(yàn)，注入時(shí)保證5端口監(jiān)測電壓與輻照時(shí)相等，比較兩次試驗(yàn)設(shè)備B響應(yīng)電壓間的關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果表明，在耦合裝置監(jiān)測端電壓相等的條件下，對(duì)于3.3、4.6和6.5 GHz三個(gè)頻點(diǎn)，輻照與注入時(shí)設(shè)備B輸出電壓間的平均誤差分別為0.83%、0.35%和0.29%，最大誤差分別為1.37%、1.04%和0.93%. 這證明了以監(jiān)測端電壓相等作為等效依據(jù)是可行的，因此該方法可應(yīng)用于受試設(shè)備為黑箱的情況.

2.3 不同耦合途徑下試驗(yàn)方法的誤差

為驗(yàn)證天線和線纜分別為主要耦合途徑時(shí)試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性，按照1.4節(jié)所述方法進(jìn)行試驗(yàn)，比較輻照和注入時(shí)5端口電壓間及設(shè)備B輸出電壓間的關(guān)系.

當(dāng)天線為主要耦合途徑時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.為便于比較各電壓間的差值，圖中注入試驗(yàn)曲線的橫坐標(biāo)取的是與注入電壓等效的輻照?qǐng)鰪?qiáng).

(a) 輻照和注入時(shí)耦合端監(jiān)測電壓間的比較

(b) 輻照和注入時(shí)設(shè)備B輸出電壓間的比較圖5 輻照和注入時(shí)對(duì)應(yīng)各監(jiān)測值的比較

從圖5(a)中可看出，5端口電壓與場強(qiáng)的關(guān)系為線性的，原因是5端口監(jiān)測的是線纜上位置x處的前向電壓U+(x)，以天線作為主要耦合途徑為例，可得

(11)

式中：USZ0(Z0+ZA)-1表示由等效源直接激勵(lì)的前向電壓成份，該項(xiàng)與設(shè)備B性質(zhì)無關(guān)；U-(0)ΓA表示由反向電壓波在設(shè)備A端口反射后產(chǎn)生的前向電壓成份.由于本試驗(yàn)中設(shè)備端口的反射系數(shù)很小，該項(xiàng)的影響可忽略，因而試驗(yàn)結(jié)果中場強(qiáng)與5端口電壓間為線性關(guān)系.選取當(dāng)設(shè)備B工作于非線性區(qū)時(shí)場強(qiáng)或注入電壓增大1 dB而輸出電壓增大小于0.8 dB的數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算得到5端口電壓間的平均誤差e1、最大誤差e2、設(shè)備B輸出間的平均誤差e3和最大誤差e4分別如表1中2至4行所示.表中最大誤差僅為2.8%，說明該方法可對(duì)差模干擾信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確地監(jiān)測和注入，應(yīng)用于替代天線為主要耦合途徑的情況是可行的.

當(dāng)線纜為主要耦合途徑時(shí)，按照與天線為耦合途徑時(shí)相同的計(jì)算方法，得到e1至e4的值如表1中5至7行所示.表中的最大誤差為3.06%，說明通過注入替代線纜為主要耦合途徑的輻照試驗(yàn)同樣是可行的.

表1中誤差產(chǎn)生的原因是：功率放大器存在一定的本底噪聲，使得監(jiān)測的低場強(qiáng)值存在一定的誤差，因而得到的場強(qiáng)與注入電壓的比例系數(shù)kave不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致了線性外推后非線性工作區(qū)試驗(yàn)誤差的產(chǎn)生.

表1 輻照和注入時(shí)各監(jiān)測值間誤差的平均值和最大值

綜上，不論干擾耦合的主要途徑是天線還是線纜，即使受試設(shè)備出現(xiàn)非線性工作狀態(tài)并且試驗(yàn)頻率達(dá)到數(shù)個(gè)GHz水平，試驗(yàn)均保持很高的精度，證明了試驗(yàn)方法的可行性和準(zhǔn)確性.

3 結(jié) 論

注入法相對(duì)于傳統(tǒng)輻照法有著高效和便捷的優(yōu)勢，目前急需在保證注入法準(zhǔn)確度的前提下擴(kuò)大其適用范圍.本文以典型互連系統(tǒng)為研究對(duì)象，將兩對(duì)稱定向耦合器級(jí)聯(lián)作為耦合裝置，提出了基于差模耦合的電流注入方法，解決了大電流注入方法不適用于天線為主要耦合途徑的問題.在輔助設(shè)備為線性的條件下，即使受試設(shè)備是非線性的，本方法可使得輻射場強(qiáng)與注入電壓間同樣是線性關(guān)系，保證了對(duì)于非線性受試設(shè)備而言試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.當(dāng)頻率達(dá)到數(shù)個(gè)GHz水平后試驗(yàn)精度依然很高，誤差小于4%，提高了注入法的應(yīng)用頻率上限.本方法可用于替代高頻高場強(qiáng)下天線和線纜為耦合途徑的輻射敏感度試驗(yàn).

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