EMC测试中的电流注入技术.pdf

1、安 全 与 电 磁 兼 容!“#$%-5/2, 北 京 理 工 大 学 电 子 工 程 系 谭 伟 高 本 庆 刘 波*+ 引 言随 着 各 种 通 信 设 备 、 军 用 雷 达 等 辐 射 体 功 率 不 断 加 大 ，频 谱 逐 渐 拓 宽 ， 电 磁 辐 射 源 数 量 成 倍 增 加 ， 电 子 系 统 的 电 磁环 境 也 日 趋 复 杂 。 电 子 战 系 统 的 广 泛 应 用 和 电 磁 脉 冲 （ $(,）武 器 、 高 功 率 微 波 （ -,(） 武 器 的 出 现 ， 使 有 限 空 间 的 电 磁 环境 变 得 更 加 恶 劣 。 因 此 ， 电 子 系 统 在 高

2、 场 强 辐 射 场 作 用 下 的电 磁 易 损 性 （ $(.） 越 来 越 引 起 人 们 的 重 视 。 系 统 $() 安 全裕 度 是 评 价 系 统 在 预 定 使 用 环 境 下 电 磁 兼 容 性 水 平 的 重 要指 标 之 一 ， 该 值 反 映 了 系 统 电 磁 兼 容 性 的 安 全 程 度 。 对 于 一般 系 统 而 言 ， 安 全 裕 度 要 求 大 于 或 等 于 /01， 而 关 键 系 统 则 要求 大 于 或 等 于 2301。 美 军 标 (45 6 !%7 6 8/8$ 系 统 电 磁 环境 效 应 要 求 规 定 的 舰 船 电 磁 环 境 （

3、$($） 平 均 值 最 大 达*293. : ;（*8=） ， 峰 值 场 强 最 大 值 为298/3. : ;（2+ 9 = ?+ /=）*A， 而 国 内 某 舰 测 试 的 电 磁 环 境 场 强 也 达 到 *333. : ;。 这些 电 平 都 远 高 于 目 前 实 验 能 够 测 试 的 水 平 ， 用 传 统 方 法 进 行系 统 $() 安 全 裕 度 测 试 已 经 很 难 满 足 要 求 。 因 此 ， 必 须 寻 求一 种 新 的 、 简 单 、 经 济 、 有 效 的 测 试 方 法 。 电 流 注 入 技 术 正 是在 这 样 的 背 景 下 引 起 人 们 关

4、 注 的 。早 在 23 世 纪 /3 年 代 ， 1)4 技 术 作 为 一 种 替 代 的 $() 测试 方 法 ， 主 要 用 于 电 缆 束 的 辐 射 敏 感 度 试 验 。 这 项 技 术 在$() 问 题 诊 断 和 加 固 技 术 评 价 领 域 得 到 广 泛 应 用 ， 成 为 一 种非 常 有 效 的 $() 测 试 工 具2 6 8 A。 23 世 纪 B3 年 代 ， 有 人 提 出 了直 接 电 流 注 入 法 ， 主 要 用 于 飞 机 或 导 弹 的 系 统 级 $() 安 全裕 度 测 试 ， 英 国 宇 航 部 门 （ 1“C） 和 国 防 研 究 机 构

5、（ 7D“） 在 这方 面 做 了 大 量 的 研 究 工 作E 6 9A。2+ 大 电 流 注 入 技 术 F1)4G研 究 1)4 技 术 的 目 的 是 寻 找 标 准 辐 射 场 敏 感 度 测 试 的一 种 替 代 方 法 ， 因 为 传 统 的 辐 射 敏 感 度 测 试 存 在 以 下 问 题2A：（*） 测 试 的 可 重 复 性 差 。 多 数 测 试 是 在 无 反 射 的 屏 蔽 室 中 进行 的 ， 受 试 设 备 （ $H%） 测 试 区 域 场 的 一 致 性 大 约 在 8301 的 水平 ；（ 2） 不 能 模 拟 真 实 情 况 。 原 因 之 一 是 部 分

6、 辐 照 用 天 线 产 生的 磁 场 分 量 的 影 响 ， 而 通 常 $() 规 范 只 给 出 了 相 应 的 电 场值 。 用 电 流 注 入 法 不 仅 在 一 定 程 度 上 克 服 了 以 上 缺 点 ， 还 大大 降 低 了 对 辐 射 源 的 功 率 和 宽 频 带 放 大 器 的 要 求 ， 减 少 了 大功 率 辐 射 对 人 员 及 环 境 的 电 磁 危 害 。 它 是 辐 射 敏 感 度 测 试 的一 种 很 好 的 替 代 方 法 ， 同 时 为 电 磁 兼 容 性 安 全 裕 度 的 测 试 开辟 了 一 个 新 的 领 域 。 大 电 流 注 入 技 术 用

7、 于 $() 抗 扰 性 测 试有 三 十 多 年 的 历 史 ， 而 $() 标 准 中 抗 扰 性 测 试 方 法 也 已 发布 了 二 十 多 年 。 *B/9 年 ， 这 项 技 术 的 讨 论 最 早 出 现 在 波 音 公司 的 技 术 文 档 中 。 *B? 9): 测 试 方 法 的 有 效 性9): 技 术 虽 然 比 直 接 辐 射 试 验 简 单 、 经 济 、 重 复 性 好 ， 但它 能 否 与 直 接 辐 照 试 验 等 效 却 受 到 了 质 疑 。 围 绕 9): 测 试 的有 效 性 问 题 ， 国 外 许 多 学 者 开 展 了 大 量 的 研 究 工 作;

8、 , A=。 此 外 ， 还 通 过 改 变 与 导 线 相 连 的 终 端 负载 值 ， 研 究 负 载 对 场 对 线 耦 合 的 影 响 。 研 究 结 果 表 明 ， 9): 技术 在 低 频 段 是 一 种 有 效 的 方 法 。 DEF547E !07FE- 用 传 输 线 理论 分 析 比 较 了 对 电 缆 辐 照 和 电 流 注 入 的 情 形; AG =。 电 缆 束被 看 作 是 位 于 接 地 平 面 上 的 无 损 耗 多 导 体 传 输 线 （ (%+） ，辐 照 的 预 测 模 型 为 平 面 波 对 (%+ 耦 合 ， 而 电 流 注 入 则 等效 为 一 理

9、想 的 电 压 发 生 器 。 利 用 戴 维 南 定 理 ， 并 把 (%+ 看作 是 一 个 多 端 口 器 件 ， 研 究 辐 照 和 电 流 注 入 可 能 的 等 效性 。 结 果 表 明 ， 在 辐 照 和 注 入 时 在 导 线 上 产 生 的 电 流 分 布是 不 同 的 。 此 外 ， 控 制 注 入 探 头 的 电 压 取 决 于 多 种 因 素 ，包 括 频 率 、 电 缆 长 度 、 电 流 探 头 的 位 置 等 ， 其 中 电 缆 长 度 是一 个 至 关 重 要 的 参 量 。9): 测 试 的 有 效 性 研 究 表 明 ， 在 HH(CI 以 下 测 试 的

10、重复 性 很 好 ， HH(CI 以 上 测 试 结 果 重 复 性 相 对 差 一 些 ， 测 试 结果 对 探 头 的 位 置 十 分 敏 感 。 而 英 国 国 防 标 准 中 9): 方 法 适 用的 频 率 上 限 为 ? G 9): 测 试 技 术 的 典 型 应 用9): 技 术 在 飞 机 安 全 裕 度 测 试 中 得 到 广 泛 应 用;=。 飞 机$() 安 全 裕 度 的 9): 试 验 是 基 于 被 测 电 缆 上 实 测 的 感 应 电流 ， 设 备 或 系 统 的 测 试 是 依 据 “ 通 用 耦 合 曲 线 ” 。 这 些 曲 线 是BJ“ 在 民 用 飞

11、机 $() 协 会 的 资 助 下 ， 由 现 有 飞 机 的 耦 合 试验 数 据 得 出 的 。 通 用 传 输 函 数 提 供 了 按 机 身 长 度 进 行 分 类 的固 定 翼 飞 机 通 用 曲 线 和 旋 转 翼 飞 机 （ 直 升 机 ） 通 用 曲 线 。 这 些曲 线 是 从 AK 种 民 用 飞 机 的 LHH 个 频 谱 中 统 计 分 析 出 来 的 。 这些 频 谱 分 为 PO QPHO 的 飞 机 ， 低 频 转 折 点 是 当 PHO R ! N P O R ! N 即 K(CI 时 。 用 9): 方 法 进行 $() 测 试 时 ， 根 据 所 需 试 验

12、 的 电 磁 环 境 电 平 和 相 应 飞机 的 通 用 传 输 函 数 可 以 计 算 出 应 注 入 的 电 流 值 ， 然 后 按 该值 进 行 注 入 电 流 试 验 。G? 直 接 电 流 注 入 技 术 SB):T随 着 飞 机 、 导 弹 等 军 用 系 统 所 处 的 电 磁 环 境 要 求 电 平 及其 $() 安 全 裕 度 的 不 断 提 高 ， C:J#S高 场 强 辐 射 场 T 和 9):等 测 试 方 法 已 经 不 能 满 足 要 求 。 系 统 的 复 杂 化 致 使 在 某 些 情况 下 9): 方 法 变 得 越 来 越 难 于 操 作 ， 此 外 ，

13、在 AHH(CI 以 下 产生 大 于 HHM N O 辐 射 场 的 C:J# 测 试 费 用 非 常 高 。 因 此 ， 9“0致 力 于 研 究 一 种 完 整 飞 机 系 统 C:J# 测 试 的 廉 价 替 代 方 案;P=。 直接 电 流 注 入 就 是 一 种 可 行 的 方 法 。 通 过 将 电 流 直 接 注 入 到 机身 上 ， 用 直 接 电 流 注 入 代 替 电 磁 辐 照 的 低 效 率 耦 合 方 式 。 其实 ， B): 技 术 作 为 飞 机 抗 雷 击 试 验 方 法 已 经 有 很 多 年 了 ， 但 其覆 盖 频 率 在 A(CI 以 下 。G? A

14、B): 技 术 在 飞 机 系 统 $() 测 试 中 的 应 用B): 技 术 最 早 是 用 来 对 整 个 飞 机 系 统 进 行 $() 测 试 ， 确定 其 在 C:J# 中 的 抗 扰 性 。 目 前 主 要 有 两 种 电 流 注 入 方 式 ： 完全 回 路 导 体 装 置 （ #6/ 708675 3-5U638-7 7EF） 直 接 电 流 注 入 和 接安 全 与 电 磁 兼 容!“#$%装 置 的 比 较 。“4 研 究 的 :); 技 术 是 通 过 一 个 同 轴 线 回 路 导 体 装 置来 实 现 的 ， 飞 机 完 全 置 于 导 体 装 置 中 ， 并 成

15、为 同 轴 传 输 线 的中 心 导 体 。 这 样 将 在 飞 机 和 外 导 体 之 间 形 成 %$( 波 ， 在 飞机 表 面 产 生 感 应 电 流 ， 这 与 直 接 电 磁 辐 照 具 有 较 好 的 相 关性 。 设 计 完 全 回 路 导 体 装 置 是 为 了 与 自 由 空 间 电 磁 辐 照 情 况相 比 ， 确 保 飞 机 表 面 电 流 具 有 最 小 的 扰 动 及 具 有 稳 定 阻 抗 的单 点 馈 入 。 使 用 完 全 回 路 导 体 装 置 将 飞 机 封 闭 起 来 比 简 单 接地 平 面 的 开 放 式 设 计 要 优 越 一 些 。 完 全 回

16、路 导 体 装 置 :); 已被 “4 用 于 对 “ 美 洲 虎 ” #? 和 $“ 教 练 机 的 测 试 。 测 试 时 ，注 入 点 为 飞 机 的 头 部 ， 其 尾 部 通 过 7A! 接 地 。 该 导 体 装 置 由一 定 数 量 的 铜 管 组 成 ， 并 沿 飞 机 的 机 身 方 向 安 装 在 飞 机 的 周围 ， 如 同 轴 传 输 线 的 外 层 导 体 。 该 装 置 7A! 的 特 性 阻 抗 是 通过 选 取 飞 机 周 围 回 流 导 体 的 合 适 位 置 来 实 现 的 。用 低 电 平 实 验 研 究 得 出 的 机 身 和 线 缆 表 面 电 流 分

17、 布 表明 ， 自 由 场 辐 照 和 :); 具 有 较 好 的 一 致 性 ， 因 而 由 :); 产 生的 机 身 表 面 电 流 和 线 缆 感 应 电 流 之 间 的 耦 合 机 理 能 够 代 表自 由 场 辐 照 的 情 况 。 因 此 ， 可 以 认 为 用 :); 测 试 飞 机 系 统 与B;C# 辐 照 测 试 具 有 相 同 的 响 应 方 式 ， 从 而 实 现 :); 对 整 个飞 机 辐 照 试 验 的 有 效 模 拟 。“4 和 :C“ 最 近 研 究 提 出 了 一 种 新 的 $() 安 全 裕 度 测试 工 具 接 地 平 板 :);67 E F8。 测

18、试 时 ， 在 飞 机 下 面 使 用 一 个导 电 平 板 ， 这 个 平 板 起 一 个 接 地 作 用 ， 并 提 供 电 流 注 入 的 接地 回 路 。 接 地 平 板 直 接 电 流 注 入 法 与 自 由 场 辐 照 情 况 的 相 关性 相 对 差 一 些 ， 而 且 对 电 源 有 较 高 的 功 率 要 求 ， 并 会 产 生 射频 污 染 。 但 是 ， 这 种 方 法 操 作 简 单 、 造 价 低 廉 ， 而 且 飞 机 发 动机 在 测 试 时 还 可 以 工 作 。用 于 研 究 的 :); 装 置 非 常 简 单 ， 包 括 一 个 导 电 平 板 及 在输 入

19、 和 输 出 端 的 锥 形 连 接 装 置 ， 如 图 D 所 示 。 平 板 是 由 金 属网 构 成 的 。 在 装 置 的 输 入 端 ， 馈 电 同 轴 电 缆 的 中 心 导 体 通 过导 电 锥 形 板 与 机 身 相 连 ， 同 轴 线 的 屏 蔽 层 通 过 另 一 个 导 电 锥形 板 与 接 地 平 板 相 连 。近 些 年 的 研 究 焦 点 是 从 系 统 失 效 模 式 上 比 较 接 地 平 板:); 与 B;C# 的 相 关 性67 E G8。 :C“ 的 研 究 工 作 是 将 两 个 简 单 的电 子 系 统 （ 一 个 模 拟 的 和 一 个 数 字 的

20、） 安 装 在 “ 美 洲 虎 ” 飞 机上678， 安 装 位 置 和 方 式 应 尽 量 使 其 在 B;C# 和 :); 时 具 有 最大 的 感 应 电 流 ， 以 及 对 射 频 干 扰 （ C#;） 尽 量 敏 感 。 :); 测 试 时 ，根 据 电 流 注 入 点 和 终 端 点 的 不 同 可 分 为 三 种 情 况 ： 机 头 机 尾 （ H E %） 、 机 头 机 翼 端 （ H E ?） 、 机 翼 端 机 翼 端（? E ?） 。 在H E % 情 形 下 ， 终 端 负 载 应 和 装 置 的 阻 抗 相 匹配 。 这 三 种 情 况 可 以 模 拟 从 不 同

21、方 向 对 飞 机 进 行 电 磁 辐 照 。其 测 试 程 序 为 ：9） 根 据 传 输 函 数 ， 低 电 平 扫 描 耦 合 （II!)） 得 出 被 测 电缆 的 特 性 ；D） 在 选 定 频 点 对 飞 机 进 行B;C# 辐 照 测 试 ， 确 定 系 统 临界 失 效 时 电 缆 的 感 应 电 流 ；“4 也 做 了 类 似 的 研 究 工 作 ， 其 试 验 对 象 是“ 美 洲 狮 ” 直升 机6G8。 为 了 进 行 比 较 试 验 ， 构 造 了 一 个 敏 感 电 子 系 统 ， 在 相 对较 低 的 辐 射 场 作 用 下 能 够 失 效 典 型 电 平 为 D

22、K L M N9AK L M 。该 系 统 为 简 单 的 运 算 放 大 电 路 驱 动 模 拟 仪 表 显 示 装 置 ， 系 统失 效 状 态 在 :); 和 自 由 场 辐 照 下 能 够 重 复 。 为 了 使 系 统 在B# 和 KB# 频 段 足 够 敏 感 ， 系 统 电 缆 采 用 不 加 保 护 的 带 状 线缆 。 测 试 时 ， 在 9(BO N JAA(BO 范 围 内 选 取 的 一 系 列 频 率 点进 行 。试 验 结 果 表 明 ， 辐 射 场 与 导 出 场 具 有 较 好 相 关 性 的 最 高 频率 约 97A(BO， 系 统 失 效 的 感 应 电 流

23、 具 有 较 好 相 关 性 的 最 高 频 率约 DAA(BO。 他 们 下 一 步 的 研 究 工 作 是 在 飞 机 上 安 装 真 实 的 航 空电 子 系 统 ， 并 测 量 B# 以 下 频 点 的 数 据 。 此 外 ， :); 技 术 为 注 入 一个 综 合 电 流 波 形 来 评 价 系 统 同 时 经 受 多 种 电 磁 场 威 胁 成 为 可能 ， 这 样 可 以 减 少 实 验 次 数 和 开 支 。 目 前 ， 英 国 国 防 评 估 研 究 机构 *:$C“5的 电 磁 危 害 防 护 小 组 *$(B5正 致 力 于 这 方 面 的 研究 工 作 。安 全 与

24、电 磁 兼 容! !“#$% ? ） 中 ， 导 弹 靠 近 驱 动 线 一 侧 的 电 流 分 布比 另 一 侧 大 得 多 。 对 于 -). 的 计 算 结 果 用 全 局 峰 值 电 流 密 度（AB)-） 和 平 均 峰 值 电 流 密 度 （.B)-） 来 描 述 。 结 果 表 明 ，AB)- 值 与 用 数 十 千 瓦 电 源 产 生 的 自 由 场 辐 照 导 弹 $() 试验 的 电 流 分 布 相 似 。 目 前 ， -). 技 术 在 导 弹 系 统 中 的 $() 测试 还 仅 仅 是 开 展 了 一 些 数 值 模 拟 方 面 的 研 究 工 作 ， 其 有 效 性

25、及 等 效 关 系 方 面 还 有 大 量 的 理 论 分 析 和 实 验 研 究 工 作 ， 目 前还 没 有 这 方 面 进 一 步 的 研 究 报 道 。:+ 结 束 语C). 技 术 在 $() 测 试 中 已 经 得 到 广 泛 应 用 ， 并 为 许 多 标准 和 规 范 所 采 用 ， 而 -). 技 术 用 于 对 飞 机 和 导 弹 的 $() 测试 还 仅 停 留 在 研 究 阶 段 ， 并 没 有 成 为 被 认 可 的 =.8# 下 安 全裕 度 的 标 准 测 试 方 法 。 在 国 内 ， -). 技 术 的 研 究 工 作 基 本 上 还处 于 起 步 阶 段 ，

26、 -). 技 术 用 于 $() 测 试 的 有 效 性 及 与 传 统 方法 的 等 效 关 系 等 方 面 还 有 待 进 一 步 研 究 。参 考 文 献5;7 (.D E !%- E :$F $G1HI2/JKLM1INH $MON2/MJ1MIKG $PP1HIQ81RSN21J1MIQ P/2 !4QI1JQF ;TT6+5,7 )K2I12 U+ V+ KMW !I1O1MQ $+ A+ CSGX HS221MI NMY1HIN/M ZC).IQ KQIF 21Q1MI KMW PSIS21 NM K12/QKH15)7 + .$ )/GG/RSNSJ Z-NL1QI;F ;TT

27、F (K4+5*7 CKNG14 -+ -+ .MO1QINLKIN/M /P Q4QI1J K2KJ1I12 Q1MQNINONI4 /P3SGX HS221MI NMY1HIN/M I1QINML5V7+ .MI12MKIN/MKG V/S2MKG /P 1_NHG1 -1QNLMF;T6F Z a:6 ? a*+5:7 宋 文 武 + 电 流 探 头 注 入 替 代 辐 射 场 的 电 磁 敏 感 度 自 动 测 试技 术 5V7+ 安 全 与 电 磁 兼 容 ， , “WKJQ KMW -+ (1GRSNQI+ )/JK2NQ/M (1KQS21J1MIQ /P)S221MIQ .MW

28、SH1W 34 8KWNKIN/M KMW .MY1HIN/M5V7 + .$ %2KMQKHIN/M /M$G1HI2/JKLM1INH )/JKIN3NGNI4F ;TT,F *:Z* * ? *,+5;7 V/Q1 B12NMN+ fM I_1 1RSNOKG1MH1 /P 8KWNKI1W KMW NMY1HI1W I1QI5)7+ .$ .MI+ !4J/QNSJ $G1HI2/JKLM1INH )/JKIN3NGNI4F ;TT+5;,7 -K0M =+ %2/SI+ .MO1QINLKIN/M /P I_1 3SGX HS221MI NMY1HIN/MI1H_MNRS1 34 H

29、/JK2NQ/M I/ NMWSH1W HS221MIQ P2/J 2KWNKI1W 1G1HI2/JKLcM1INH PN1GWQ5)7 + .$ .MI12MKIN/MKG !4J/QNSJ /M $G1HI2/JKLM1INH)/JKIN3NGNI4F ;TT :;, ? :;a+5;*7 BNLMK2N !+ KMW )KMKO12/ #+ A+ %_1/21INHKG KQQ1QQJ1MI /P 3SGXHS221MI NMY1HIN/M O12QSQ 2KWNKIN/M 5V7 + .$ %2KMQKHIN/MQ /M $G1HI2/cJKLM1INH )/JKIN3NGNI4F ;TTF *6 :T ? :aa+5;:7 BNLMK2N !+ KMW )KMKO12/ #+ A+ fM I_1 1RSNOKG1MH1 31I011M2KWNKIN/M KMW NMY1HIN/M NM C). I1QINML5)7+ .$ .MI12MKIN/MKG !4J/QNSJ/M $G1HI2/JKLM1INH )/JKIN3NGNI4F ;TTa ;aT ? ;6,+编 辑 ： 刘 青% &()*+ ,)-.)/01234)5 (25 2/