孫江寧 潘曉東 盧新福 萬浩江 魏光輝

（陸軍工程大學 電磁環(huán)境效應重點實驗室，石家莊 050003）

引 言

大功率用頻裝備以及電磁脈沖武器的使用使得戰(zhàn)場電磁環(huán)境愈發(fā)復雜. 為更好地適應戰(zhàn)場電磁環(huán)境，對武器裝備電磁輻射敏感性的試驗研究變得愈發(fā)重要[1-3]. 線纜耦合通道是電磁輻射常見的電磁干擾耦合通道[4]，非屏蔽多芯線纜是武器裝備常用的互聯(lián)線，由多對線對和一個塑料外皮構(gòu)成[5-6].

GJB1389A-2005[7]系統(tǒng)電磁兼容性要求系統(tǒng)面臨的外部電磁環(huán)境在某些頻段的場強高于200 V/m.為保證武器裝備可以正常工作，一般要求該裝備至少有6 dB的安全裕度. 但這些指標在實驗室條件下難以達到[8-9]. 因此，僅靠輻照試驗的方法測試系統(tǒng)級的電磁輻射敏感度難度極大. 大電流注入的方法為解決此問題提供了思路[10-17]，其實質(zhì)就是采用電流傳導敏感度試驗來替代高場強輻射敏感度試驗，可以明顯提高試驗效率. 然后以非屏蔽單一線對系統(tǒng)為基礎(chǔ)，推廣到非屏蔽多芯線纜大電流注入等效替代輻照的試驗. 實驗室條件下模擬大范圍空間強電磁環(huán)境是十分困難的，本文通過大電流注入的方法來模擬武器裝備非屏蔽多芯線纜耦合通道的強場輻照效應試驗.

1 非屏蔽多芯線纜單一線對嚴格等效試驗方法

1.1 理論基礎(chǔ)

非屏蔽多芯線纜內(nèi)有多組線對，每一組線對作為輸入和輸出與設(shè)備相連接. 因此，在研究多組線對的響應問題時，先以每一組線對作為研究對象，進而推廣到多組線對的響應中去. 每一組線對作為往返線路輸送電力或信號，但兩根導線之外還有大地的影響，與這兩根導線構(gòu)成兩個地回路，外界騷擾電磁場直接在信號線和大地構(gòu)成回路感應產(chǎn)生共模電流.由于電路結(jié)構(gòu)的不平衡，共模電壓通常會轉(zhuǎn)化為單一線對之間的差模電壓. 而實際工程中對受試設(shè)備(equipment under test, EUT)起作用的是差模騷擾.

1.1.1 注入條件EUT差模響應

每一組線對可看作是雙線系統(tǒng)，電流探頭的作用表現(xiàn)為耦合到線對上的加載阻抗和加載導納. 通過鏈路參數(shù)的方法，注入條件下的模型電路如圖1所示[12]. 線纜的長度為L，探頭卡在線纜上，探頭左邊線纜的長度為L1，右邊線路的長度為L2.

圖1 注入條件下單一線對右端響應計算模型Fig. 1 Response calculation model for the right end of a single pair under injection conditions

ZL和ZR分別為線纜左右兩端設(shè)備的模態(tài)域阻抗矩陣[12]：

式中：ZG,X(X=L,R)為左右兩個終端的對地阻抗；ZD1為線纜左端設(shè)備的差模阻抗；ZD2為線纜右端設(shè)備的差模阻抗；δX(X=L,R)為左右兩個終端的不平衡度.

ΦW(L1)為探頭左側(cè)模態(tài)域下單一線對傳輸矩陣，單一線對長度為L1.

式 中：I2×2為 2×2的單位陣；γ0為線纜的傳播常數(shù)；ZC為非屏蔽多芯線單一線對的模態(tài)域矩陣，

ZCM為單一線對的共模特性阻抗；ZDM為單一線對的差模特性阻抗.

ΦW(L2)為探頭右側(cè)模態(tài)域下單一線對傳輸矩陣，單一線對長度為L2.

ΦP為模態(tài)域探頭矩陣，

式中：ZP為模態(tài)域探頭阻抗矩陣；YP為模態(tài)域探頭導納矩陣；和分別為探頭耦合到單一線對上的共模阻抗和差模阻抗；和分別為探頭耦合到單一線對上的共模導納和差模導納.

FP為激勵源向量，

式中：VS為注入源向量；VS為注入探頭加載到單一線對上的共模電壓.

通過計算，右端EUT的響應矩陣為

1.1.2 輻照條件EUT差模響應

輻照條件下，電流探頭將線纜分成了兩部分. 由于探究的是終端設(shè)備的響應，因此探頭兩側(cè)線纜上的分布激勵源可以轉(zhuǎn)化為兩端的集總源，來探究終端設(shè)備的響應[14]. 通過鏈路參數(shù)計算，探頭兩側(cè)線纜的兩端集總源向量VSL1、VSR1和VSL2、VSR2可以分別轉(zhuǎn)化為激勵源向量FW1和FW2，如圖2所示.

圖2 輻照條件下單一線對右端響應計算模型Fig. 2 Response calculation model for the right end of a single pair under radiation conditions

式中：

由于場線耦合過程是線性的，所以激勵源S1、S2與輻照場強大小E0成線性關(guān)系[4].

公式中其他元素的計算方法同公式(3)、(5)、(6).

通過計算，右端EUT的響應矩陣為

1.1.3 等效條件分析

在上述計算過程中，關(guān)注的對象始終是EUT的差模響應，因此在模態(tài)域和的條件下，有

通過計算可得

X1、X2的值見附錄.

等效關(guān)系是建立在EUT響應相等的基礎(chǔ)上，即輻照和注入條件下，EUT的前端激勵一致時，線纜耦合通道中，EUT內(nèi)部發(fā)生的阻抗變化也是一致的. 式(18)給出了注入條件的激勵電壓源VS和輻照條件下的場強大小E0的對應關(guān)系，解決了如何獲取等效注入激勵電壓源的問題.

在上述計算過程中，涉及到許多參量：非屏蔽線單一線對線纜的特性阻抗、探頭耦合到線纜上的加載阻抗和加載導納以及線纜左端的輔助設(shè)備阻抗.工程上線纜左端的輔助設(shè)備作為低阻狀態(tài)的輸出端，其阻抗往往是十分穩(wěn)定的. 但是公式(18)中不含線纜右端EUT的阻抗參數(shù). 工程中線纜左端的輔助設(shè)備通常為發(fā)射端，其阻抗是往往是十分穩(wěn)定的. 而式(18)中注入激勵源與輻照場強的等效對應關(guān)系與線纜右端EUT的阻抗參數(shù)無關(guān). 由于輻照條件下場線耦合的過程是線性的，通過式(18)可以計算得出注入條件的激勵電壓源VS和輻照條件下的場強大小E0是線性對應的，且這種對應關(guān)系與右端EUT的阻抗特性無關(guān)，因此即使是右端EUT的阻抗發(fā)生了非線性變化，也沒有影響到等效注入激勵電壓源VS和輻照條件下的場強大小E0的對應關(guān)系，解決了EUT是非線性系統(tǒng)的問題. 式(18)沒有定義輻射場強E0的大小，表明此對應關(guān)系在高場強和低場強的條件下都適用，即高場強條件下等效注入電壓源VS與輻照場強大小E0的對應關(guān)系也與右端EUT無關(guān). 說明對應關(guān)系在由低場強外推至高場強后仍然是線性的. 此關(guān)系的得出非常關(guān)鍵，解決了注入激勵電壓源外推的依據(jù)問題.

綜上所述，非屏蔽線纜耦合通道大電流注入等效強場電磁輻射試驗的思路具有理論上的可行性，可以解決實際工程中的問題；電流探頭的注入激勵電壓源與輻照場強成線性關(guān)系，且這種關(guān)系與線纜右端的EUT無關(guān). 因此，即使EUT是非線性系統(tǒng)，該方法依然適用，且普適性更強.

1.2 試驗方法

在上述理論研究的基礎(chǔ)上，本文提出了非屏蔽多芯線單一線對大電流注入等效替代輻照的試驗方法(圖3).

圖3 非屏蔽多芯線單一線對大電流注入等效替代輻照試驗方法Fig. 3 Single pair of unshielded multi-core wires bulk current injection equivalent substitute radiation test method

1)互聯(lián)傳輸線的左端設(shè)備保持不變，將非屏蔽多芯線右端的EUT取下，直接監(jiān)測線纜終端的響應.

2)進行低場強預試驗，在已知某一低場強的輻照條件下，得到單一線對的響應. 而后，注入條件下調(diào)整大電流注入電壓源的大小，使得注入激勵時右端單一線對的響應與輻照激勵時右端單一線對的響應相同，從而建立注入激勵電壓源與輻射場強的線性關(guān)系.

3)進行高場強外推試驗，在之前得到的線性關(guān)系的基礎(chǔ)上，將激勵源線性外推. 同時，在線纜的右端接回原來的EUT，此時大電流注入的激勵對EUT的響應即為輻照場強通過相同的線性外推對EUT的響應. 強場條件下大電流單端注入等效輻照試驗完成.

1.3 試驗驗證

對于多芯線纜而言，其任意兩芯線可構(gòu)成雙線回路，若單純考核每個雙線回路耦合產(chǎn)生的干擾效應，可按照上述耦合通道的方法開展等效注入試驗研究，此時注入與輻射效應試驗是嚴格等效的.

首先，研究多芯線纜中各芯線響應. 為簡便起見，以非屏蔽四芯線纜為研究對象，四根芯線兩兩為一線對，每一線對終端連接負載，測試終端負載響應之間的關(guān)系. 試驗頻率為30 MHz～1 GHz，四根芯線的顏色分別為黃、黑、棕、灰，黃黑和棕灰分別組成2個線對，為了使其他因素的影響降至最低，線對兩終端均接50 Ω負載，采用電光-光電轉(zhuǎn)換、光纖傳輸方式，分別測試兩線對在輻照和注入試驗條件下的右端響應，試驗配置如圖4和圖5所示，實物如圖6所示.

圖4 非屏蔽多芯線纜輻照試驗配置Fig. 4 Radiation test configuration for unshielded multi-core wires

圖5 非屏蔽多芯線纜注入試驗配置Fig. 5 Injection test configuration for unshielded multi-core wires

圖6 多芯線纜輻照(左)和注入(右)試驗配置Fig. 6 Multi-core wire radiation (left) and injection test configuration (right)

僅選取多芯線纜中某一線對，分別開展電磁輻射和等效注入試驗，考察輻射和注入時該線對終端響應能否保持一致. 試驗時選取某型非屏蔽四芯線纜為受試對象，選擇其中的黃黑線對開展等效試驗.低場強預試驗時該線對左右兩端阻抗分別為50 Ω和37.5 Ω，高場強外推試驗中右端阻抗變?yōu)?5 Ω，之后在相同的場強下變?yōu)?6.7 Ω. 試驗結(jié)果如圖7所示，等效注入試驗誤差如圖8所示. 可以看出，采取上述試驗方法所得兩終端響應誤差均很小，說明對于非屏蔽多芯線纜而言，采用單獨對某一線對開展等效注入試驗可保證較高的試驗準確性.

圖7 非屏蔽四芯線纜單端變阻抗注入與輻照線纜右端響應Fig. 7 Unshielded four-core wire single-ended variable impedance injection and radiated wire right end response

圖8 非屏蔽四芯線纜單端變阻抗注入與輻照試驗相對誤差Fig. 8 Relative errors of single-ended variable impedance injection and irradiation test for unshielded four-core wire

在上述研究基礎(chǔ)上，進一步研究線纜兩端同時出現(xiàn)非線性時，采用單端注入方法的試驗誤差是否能夠接受. 在上述試驗配置的基礎(chǔ)上，將線纜另一端也采用人為變阻抗的方式模擬非線性情況，按照與上面大電流注入一致的試驗方法開展等效試驗，觀察試驗誤差的大小. 試驗結(jié)果如圖9所示，試驗誤差如圖10所示. 可以看出，相比于單端非線性的情況，雙端變阻抗注入與輻照試驗誤差有所增大，但大部分均小于2 dB，個別頻點(30 MHz)最大誤差為2.6 dB，滿足等效試驗的精度需求，因此即使線纜兩端同時變阻抗，工程上也可采用大電流注入方法進行等效試驗. 線纜一端阻抗的變化經(jīng)過傳輸線后，對另一端的影響較小，因此注入等效替代輻照效應試驗的誤差可以接受.

圖9 非屏蔽四芯線纜雙端變阻抗注入與輻照線纜右端響應Fig. 9 Unshielded four-core wire double-ended variable impedance injection and irradiated wire right end response

圖10 非屏蔽四芯線纜雙端變阻抗注入與輻照試驗相對誤差Fig. 10 Relative errors of double-ended variable impedance injection and irradiation test for unshielded four-core wire

2 非屏蔽多芯線纜終端響應規(guī)律研究

多芯線纜的響應可以借鑒單一線對互聯(lián)系統(tǒng)的計算方法. 由于非屏蔽多芯線纜間存在遮擋效應，在進行電磁輻射效應試驗時，各芯線響應難以保持一致，因此需要重點研究這種情況下如何實現(xiàn)注入和電磁輻射的等效性.

該試驗主要研究非屏蔽多芯線纜在輻照和注入試驗過程中，線纜沿著軸線轉(zhuǎn)動，不同線對終端負載響應是否存在顯著變化，即考查非屏蔽多芯線纜在輻照試驗過程中不同線對之間是否存在遮擋效應.

表1為多芯線纜沿軸線轉(zhuǎn)動輻照與注入終端負載響應試驗結(jié)果. 可以看出，多芯線纜沿軸線轉(zhuǎn)動，不同角度位置輻照條件下終端負載響應試驗結(jié)果相差較大，最大相對誤差達11.8 dB(400 MHz). 多芯線纜不同線對間終端負載的響應，主要是由多芯線纜感應的共模電流，通過終端電路的不平衡性共差模轉(zhuǎn)化而來的. 因此，多芯線纜在輻照試驗過程中不同線對之間的遮擋效應明顯. 而注入試驗中，終端響應隨線纜旋轉(zhuǎn)變化相對不顯著，說明注入試驗時各芯線間的遮擋效應不明顯. 針對上述規(guī)律，注入在等效強場試驗時，如果要保證每個終端負載響應均與電磁輻射時相等，則可能對輻射場條件有限制. 而如果需要在一般情況下開展等效試驗，則需要通過沿軸線旋轉(zhuǎn)找到輻照最嚴酷的響應狀態(tài)，進而開展加嚴等效的注入試驗.

表1 多芯線纜沿軸線轉(zhuǎn)動輻照與注入終端負載響應試驗結(jié)果Tab. 1 Terminal load response test results of multi-core wire rotating along the axis of irradiation and injection

此外，本文還研究了一次性整線束注入是否能夠保證兩芯線對終端響應均與電磁輻射時相等的問題. 試驗過程中，為實現(xiàn)兩終端響應均與輻射時相等，首先調(diào)整注入探頭在線纜上的位置，如果通過調(diào)整注入探頭位置和改變注入源輸出無法同時保證兩線對終端負載響應均與輻射時相等，則調(diào)整輻射天線的入射方向. 試驗結(jié)果表明，對于非屏蔽四芯線纜而言，即使允許調(diào)整天線和注入探頭的位置，也很難實現(xiàn)兩線對的響應均與電磁輻射時相等，多個線對同時保證注入與輻射響應的一致性更是無法實現(xiàn).這主要是由輻射和注入時的電磁耦合過程不同所導致的，為同時能夠?qū)φ€束進行注入試驗，下面提出加嚴等效試驗方法.

3 非屏蔽多芯線纜大電流注入加嚴等效試驗方法

綜合之前的分析及理論推導，現(xiàn)提出非屏蔽多芯線纜耦合通道大電流注入加嚴等效強場電磁輻射效應試驗，方法如下：

1)進行試驗準備. 互聯(lián)多芯線纜的左端設(shè)備保持不變，如果右端EUT的響應易于監(jiān)測，直接監(jiān)測；如果右端EUT的響應不易監(jiān)測，則嘗試以并聯(lián)接入的方式將監(jiān)測設(shè)備接入線纜右端，并以該并聯(lián)端口的響應作為輻射和注入的等效依據(jù)；如果上述監(jiān)測方式均不可行，將線纜右端的EUT取下，右端接入光電模塊(必要時接入衰減器或通過式負載等)，以此來監(jiān)測線纜的端口響應.

2)開展低場強預試驗. 在已知某一低場強的輻照條件下，對受試多芯線纜耦合通道開展電磁輻射試驗，分別將多芯線纜旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°、270°，記錄不同芯線對終端響應的最大值(包絡(luò)曲線). 而后，開展注入試驗，調(diào)整注入電壓源的大小，保證多芯線纜中某一線對終端注入響應與輻射響應最大值(包絡(luò))相等、其他線對終端注入響應大于輻射響應，從而建立注入激勵電壓源與輻射場強之間的等效對應關(guān)系.

3)進行高場強外推試驗. 在之前得到的等效對應關(guān)系的基礎(chǔ)上，將激勵源線性外推. 同時，在多芯線纜的右端接回原來的EUT，此時大電流注入的激勵對EUT的效應即為輻射場強通過相同的線性外推對EUT的效應. 最后根據(jù)試驗要求，判斷受試系統(tǒng)是否能夠通過敏感度或安全裕度試驗考核，完成強場條件下大電流注入等效輻照試驗.

加嚴等效試驗方法的有效性驗證如下：在實際工程中，在開展等效注入試驗時，應對線纜終端輻射響應的最壞情況進行等效. 試驗時首先開展電磁輻射試驗，分別將線纜旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°、270°，記錄兩芯線對響應的最大值，結(jié)果如圖11所示. 然后開展注入試驗，由于注入和輻照干擾的耦合機理不同，通常兩個線對無法實現(xiàn)同時等效. 加嚴等效的方法是保證某一線對的終端注入響應與輻照時相等，另一線對的終端注入響應大于輻照響應. 試驗結(jié)果如圖12～14所示. 從圖14的誤差結(jié)果可以看出：嚴格等效線對的試驗誤差較小，最大誤差為2.1 dB，部分頻點(700 MHz)加嚴等效誤差較大，最大誤差達到9.3 dB，這主要是由于不同線對注入與輻射效應試驗之間的等效對應關(guān)系相差較大導致的. 對于試驗誤差較大的線對響應，可采取單獨進行等效注入試驗的方法來提高試驗準確性.

圖11 非屏蔽四芯線纜不同角度位置電磁輻照線纜右端響應Fig. 11 Response of the right end of the unshielded four-core wire with electromagnetic radiation at different angles

圖12 非屏蔽四芯線纜低場強預先試驗輻照與注入響應Fig. 12 Unshielded four-core wire low field intensity pre-test radiation and injection response

圖14 非屏蔽四芯線纜注入與輻照試驗相對誤差Fig. 14 Relative error of unshielded four-core wire injection and radiation test

加嚴等效試驗方法的意義在于：由于加嚴等效注入試驗各芯線對響應均不小于對應的輻射時響應，因此如果加嚴等效注入試驗時EUT不出現(xiàn)性能降級，則可以保證對應輻射試驗時EUT同樣不會出現(xiàn)性能降級，更適合于通過性試驗. 由于加嚴等效注入試驗時僅能保證某一線對響應與輻射時完全一致，而其他線對響應的誤差事先難以獲知，因此，如果需要嚴格開展等效注入試驗，則可采取對各線對單獨開展等效注入試驗的方法，此時試驗結(jié)果可保證較高的準確性.

圖13 非屏蔽四芯線纜高場強外推試驗輻照與注入響應Fig. 13 Radiation and injection response of unshielded fourcore wire high field intensity extrapolation test

4 結(jié) 論

1) 以非屏蔽線單一線對EUT的響應為分析對象，建立了注入和輻照條件下的模型，分析了大電流注入等效替代輻照強場試驗的等效及外推條件，提出了在低場強獲取對應關(guān)系、高場強線性外推的試驗方法，并進行了試驗驗證.

2) 對非屏蔽多芯線纜終端響應規(guī)律進行了研究，考查了非屏蔽多芯線纜在輻照試驗過程中不同線對之間存在的遮擋效應. 發(fā)現(xiàn)輻照條件下非屏蔽多芯線纜芯線之間的遮擋作用較強.

3) 由于輻射和注入時的電磁耦合過程不同，對于非屏蔽四芯線纜而言，即使允許調(diào)整天線和注入探頭的位置，也很難實現(xiàn)兩線對的響應均與電磁輻射時相等，多個線對同時保證注入與輻射響應的一致性更是無法實現(xiàn).

4) 提出了加嚴等效的試驗方法并進行了驗證.如果加嚴等效注入試驗時EUT不出現(xiàn)性能降級，則可以保證對應輻射試驗時EUT同樣不會出現(xiàn)性能降級，更適合于通過性試驗.

附錄

式中：

則有