基于耦合装置的传导敏感度测试方法与流程

本发明涉及传导敏感度的测试方法技术领域，尤其涉及一种基于耦合装置的传导敏感度测试方法。

背景技术：
现代战争中武器装备面临的电磁环境愈加复杂和恶劣，由于强电磁辐射场能够显著干扰系统和设备的正常工作，严重威胁装备正常效能的发挥，因此需要预先开展强场电磁辐射敏感度试验，检验装备的战场电磁环境生存能力。目前广泛采用的方法是全电平电磁辐照测试法，这类方法已日趋完善和成熟。然而，现行电磁兼容测试标准中给出的电磁辐射敏感度测试场强不断提高。在现有实验室条件下，想要在大空间范围内模拟标准要求的电磁环境是十分昂贵甚至难以实现的，这导致传统的全电平电磁辐照法已无法满足测试需求。为此，必须发展新的测试方法，电流注入法就是在这样的背景下受到关注并逐步发展起来的。电流注入法目前主要用于传导敏感度测试，主要包括大电流注入(bulkcurrentinjection,BCI)法、直接电流注入(directcurrentinjection,DCI)法和脉冲电流注入(pulsedcurrentinjection,PCI)法等。从上世纪60年代开始，国内外研究单位就竞相开展相关研究，使得电流注入技术得到了持续的发展，其中BCI技术的发展最快，目前已被写进多种行业标准中，成为了一种不可或缺的测试方法。DCI技术主要应用于飞机和导弹的电磁兼容(electromagneticcompatibility,EMC)测试。PCI技术主要用于检验防护设备的瞬态抑制性能和电路对传导脉冲干扰的耐受程度。BCI是一种使用铁氧体注入探头的共模注入方法，干扰信号首先通过注入探头耦合至互联线缆，进一步以传导方式耦合至线缆终端的EUT，试验配置如图1所示。作为一种传导敏感度测试方法，BCI已被广泛接受，尤其是在军用和汽车行业领域中。例如，国军标GJB151B-2013中传导敏感度测试测试项目CS114、CS115和CS116都是基于BCI技术实现的。研究表明，BCI技术在200MHz以下的测试结果有着良好的重复性，但在200MHz以上其测试结果对探头的位置十分敏感，但英国国防标准将BCI的适用频率上限定为400MHz。造成BCI方法适用频率范围受限的原因主要有两方面：一是当频率升高后，由于波长与线缆长度可比拟，所以在线缆上会产生明显的驻波效应，此时监测电流值和注入响应均与注入位置密切相关，从而影响了试验的可重复性；二是电流注入探头的应用频带受限。随着频率的上升，注入探头内部铁氧体环的相对磁导率迅速下降，由于磁滞现象及涡流的存在，磁芯的损耗会显著上升，高频时的谐振现象限制了探头的传输功能，因此400MHz以上的注入技术还有待进一步研究。传导敏感度测试中需要获取的关键参数是EUT出现效应时对应输入端口的电流IEUT，测试标准中给出的方法是根据监测探头测量的电压值和该探头的转移阻抗计算得到IEUT。然而，PaoloS.Crovetti等人的研究表明，上述方法仅当频率低于100MHz时有效，频率继续升高后，由于寄生参数的影响，计算值与真实值间的误差会不断增大，最大误差可达30dB左右。由此可见，当前传导敏感度测试方法在100MHz以上时存在局限性。此外，国标GBT17626.6中还使用CDN和电磁钳开展传导敏感度测试，适用频率上限为230MHz。对于GJB151B-2013中的CS103、CS104和CS105，虽然规定通过天线端口对接收机开展传导敏感度试验的频率达到了20GHz，但其关注的主要是互调干扰、无用信号抑制和交调干扰情况，而且不适用于辅助设备有工作信号传输的情况。在400MHz以上，目前的电磁兼容测试标准还没有给出针对其他干扰或损伤情况的传导敏感度测试方法。相比于辐射敏感度测试，传导敏感度测试操作更为简便，十分适合在设备研制阶段用于电磁兼容预实验测试。工程实际中，将传导敏感度测试应用于400MHz以上是有必要的。例如，在射频前端系统中，为保护低噪声放大器和后续信号处理电路中的敏感设备，一般会在天线接收主通道上添加一级或多级防护电路。在研制阶段，通过注入方法研究射频前端主通道的防护能力是十分方便的。然而，此类系统的干扰信号频率可能大于400MHz，例如高功率微波和超宽带电磁脉冲等。因此，有必要研究400MHz以上开展传导敏感度测试的方法。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于耦合装置的传导敏感度测试方法，所述方法不必关心测试时被测试件EUT特性是否发生变化，只需通过测试得到的其它参数就可以判断EUT是否出现干扰或损伤效应。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于耦合装置的传导敏感度测试方法，其特征在于包括如下步骤：1)使用耦合装置构建传导敏感度测试系统，将整个系统除被测试件EUT和注入源外的部分视作一个三端口网络，其中耦合装置的注入端口、监测端口和输出端口分别视为1#～3#端口；2)当被测试件EUT工作在线性区时，通过耦合装置监测端电压Um、三端口的网络参数S以及被测试件EUT输入端口的反射系数ΓEUT获取被测试件EUT输入端口电流IEUT，通过被测试件EUT出现干扰或损伤效应时对应输入端口的电流IEUT判断被测试件EUT的传导敏感度；3)当被测试件EUT工作在线性或非线性区时，通过获取被测试件EUT输入端口的入射波电流作为判断EUT是否出现干扰或损伤效应的参量。进一步的技术方案在于：所述的步骤2)具体通过以下方法获得：1#～3#端口的入射波分别为其中US为注入源电压，ΓEUT为EUT输入端口的反射系数，b2为2#端口的反射波，Z0为各端口的输入阻抗；根据S参数性质，可得2#和3#端口的反射波分别为其中，S21、S22、S31和S32为上述三端口网络的S参数；根据各端口的入射波和反射波，可得监测端电压Um和EUT输入端口电流IEUT分别为根据式(1)至(3)，可得到Um和IEUT的关系如下因此，通过测试三端口网络的S参数、Um和ΓEUT可以计算出被测试件EUT输入端口电流IEUT。进一步的技术方案在于：利用矢量网络分析仪VNA获得三端口网络的S参数。进一步的技术方案在于：所述的步骤3)具体通过以下方法获得：在辅助设备端口匹配或者反射可忽略的情况下，可得所述三端口网络的S22参数为0，又因为耦合装置的输出端口和监测端口是隔离的，所以三端口网络的S32参数近似为0，此时式(4)可化简为而被测试件EUT输入端口的入射波电流与IEUT的关系为需要说明的是，由于ΓEUT为电压反射系数，所以上式括号中ΓEUT的系数为负，由式(5)和(6)可得上式说明，与EUT特性无关，可由Um计算得到；对于电磁脉冲情况，同样可以根据监测端电压波形um(t)获取入射波电流波形即其中本发明还公开了一种基于耦合装置的传导敏感度测试系统，其特征在于：所述系统包括耦合装置，信号源的输入端经40dB衰减器后与所述耦合装置的输入端口连接，干扰信号注入源经干扰信号衰减器后与所述耦合装置的注入端口连接，耦合装置的输出端口与被测试件EUT的输入端连接，所述被测试件EUT的输出端经20dB衰减器后与示波器的一个信号输入端连接，所述耦合装置的监测端口与示波器的另一个输入端连接。进一步的技术方案在于：所述干扰信号注入源为方波源或连续波源。进一步的技术方案在于：所述被测试件EUT为低噪声放大器。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法的优势在于不必考虑试验时EUT特性是否发生变化，只需通过测试得到的相关参数就可以判断EUT是否出现干扰或损伤效应。相比之下，以被测试件EUT输入端口电流IEUT为判断参量时，需要准确获知EUT特性，但这在很多情况下是难以实现的。因此，本方法具有一定的优势，更便于实现，且测试准确度较高。附图说明图1是现有技术中BCI试验配置图；图2是本发明实施例中耦合装置用于传导敏感度试验时的配置图；图3a是本发明实施例所述方法在连续波注入情况下通过监测端电压和EUT输出端电压得到的IEUT对比图；图3b是本发明实施例所述方法在脉冲注入情况下通过监测端电压和EUT输出端电压得到的IEUT对比图；图4是本发明实施例所述方法根据监测端电压所得入射波电流与实际值对比图；图5是本发明实施例所述系统的原理框图；图6是本发明实施例方波作用下LNA响应图；图7是本发明实施例图6中响应对应的入射波电流图；其中：1、注入探头2、监测探头3、耦合装置4、匹配负载。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。总体的，本发明公开了一种基于耦合装置的传导敏感度测试方法，包括如下步骤：1)使用耦合装置构建传导敏感度测试系统，将整个系统除被测试件EUT和注入源外的部分视作一个三端口网络，其中耦合装置的注入端口、监测端口和输出端口分别视为1#～3#端口；2)当被测试件EUT工作在线性区时，通过耦合装置监测端电压Um、三端口的网络参数S以及被测试件EUT输入端口的反射系数ΓEUT获取被测试件EUT输入端口电流IEUT，通过被测试件EUT出现干扰或损伤效应时对应输入端口的电流IEUT判断被测试件EUT的传导敏感度；3)当被测试件EUT工作在线性或非线性区时，通过获取被测试件EUT输入端口的入射波电流作为判断EUT是否出现干扰或损伤效应的参量。具体的，当被测试件EUT工作在线性区时，通过以下方法进行测试：试验时将耦合装置与EUT输入端口连接，具体配置如图2所示。耦合装置1#端口连接辅助设备，保证正常工作信号等可通过耦合装置主通道传输到EUT端。4#端口作为注入端口，可实现在不影响正常信号传输的情况下将干扰信号注入到EUT端。5#端口作为监测端口，通过在该端口连接监测设备，可以实时监测传输到EUT输入端的信号大小。在传导敏感度试验中，当EUT出现干扰或损伤效应时，需要确定此时EUT输入端口的电流或电压值，即传导敏感度阈值。为获得这一阈值，BCI方法首先通过预实验进行校准，获取监测探头的转移阻抗，之后在正式试验中根据转移阻抗和监测探头所测电压，可以换算出传导敏感度阈值。然而，这种获取阈值方法的有效应用频率上限约为100MHz左右，当频率继续升高后，由于寄生参数的出现，该方法确定的阈值与真实阈值间的误差可能会达到30dB。对于本方法，为准确获得EUT输入端口电流，需借助耦合装置的监测端电压和图2中系统的网络参数。为简便起见，将整个系统除EUT和注入源外的部分视作一个三端口网络，其中耦合装置的注入端口、监测端口和输出端口分别视为1#～3#端口。可得这3个端口的入射波分别为其中US为注入源电压，ΓEUT为EUT输入端口的反射系数，b2为2#端口的反射波，Z0为各端口的输入阻抗。根据S参数性质，可得2#和3#端口的反射波分别为其中，S21、S22、S31和S32为上述三端口网络的S参数。根据各端口的入射波和反射波，可得监测端电压Um和EUT输入端口电流IEUT分别为根据式(1)至(3)，可得到Um和IEUT的关系如下因此，通过测试S参数、Um和ΓEUT可以计算出IEUT。下面通过试验证明理论分析的正确性。需要注意的是，工程中直接监测IEUT一般比较困难，而EUT输出端口的电压便于监测，因此可通过计算由该输出电压获取IEUT。为此，将包含单个输入和输出端口的EUT等效为2端口网络。为便于获取各端口电压和电流间的关系，该网络使用Z参数表示。令I1和I2分别为流过EUT输入和输出端口的电流，U1和U2分别为EUT输入和输出端口电压。根据Z参数性质，可得其中，z21和z22为网络的Z参数，Z0为输出端口所接阻抗，本试验中Z0其实是监测设备的输入阻抗，其值为50Ω。I2和U2的关系为根据式(5)和(6)，可以解得根据Z参数与S参数的等效关系，可得其中S′11和S′21均为EUT等效的2端口网络S参数。通过式(8)可将EUT输出端电压换算为IEUT。验证试验按照图2所示配置开展，辅助设备为75Ω负载，互联线缆是长为1.7m的同轴线，EUT为某型限幅器。利用VNA(矢量网络分析仪)分别测量整个受试系统和EUT的S参数。试验分为连续波和电磁脉冲两种情况，对于连续波情况，将VNA的1#端口连接耦合装置的注入端口，各频点下1#端口的输出功率均为0dBm，VNA的2#端连接监测端口。对于电磁脉冲情况，注入端口连接方波源，监测端口连接示波器。需要说明的是，限幅器为非线性器件，若输入端口电压过高，其输出电压会被限幅，此时输入输出电压间为非线性关系。上述方法需要获知ΓEUT，而在非线性响应情况下ΓEUT为变量，因此，为保证试验结果的准确性，限幅器输入端电压应较小，使得试验过程中限幅器工作在线性区。连续波和电磁脉冲情况下，两种方法所得IEUT如图3a-3b所示。可以看出，图中两种方法所得IEUT间误差均很小，证明了利用监测端电压获取EUT输入端口电流是可行的。需要说明的是，图3a中波形在30MHz附近有一个峰值点，这是因为在该频点限幅器输入阻抗有极小值，导致在同样的功率下IEUT变大。由于图3a中频率高于400MHz时IEUT仍有较高的准确性，因而证明了提出的试验方法在400MHz以上是可行的。此外，图3b中方波的上升沿小于1ns，这说明该方波400MHz以上的频谱成分不可忽略，由于图中两种情况所得电流波形有良好的一致性，因此进一步说明了400MHz以上本试验方法的准确性。当被测试件EUT工作在非线性区时，通过以下方法进行测试：对于EUT响应为非线性的情况，式(4)中ΓEUT可能是变化的，采用该式给出的方法获取IEUT似乎并不可行。实际的电磁敏感度试验中，EUT表现出非线性是普遍的，因此需要在非线性情况下对所述方法进行改进。由于IEUT为EUT输入端口电流，其值必然会受到EUT特性影响。为避免这一问题，试验时可将EUT输入端口的入射波电流作为判断是否出现效应的参量，由于未经EUT反射的与EUT特性无关，因而可避免以IEUT作为判断参量时存在的问题。而且，通过同样可以准确获知EUT的抗干扰能力。下面分析获取的方法。在辅助设备端口匹配或者反射可忽略的情况下，可得三端口网络的S22参数为0，又因为耦合装置的输出端口和监测端口是隔离的，所以三端口网络的S32参数近似为0，此时式(4)可简化为而与IEUT的关系为需要说明的是，由于ΓEUT为电压反射系数，所以上式括号中ΓEUT的系数为负。由式(9)和(10)可得上式说明，与EUT特性无关，可由Um计算得到。需要注意的是，式(11)成立的条件是辅助设备端反射可忽略，否则会导致试验误差增大。对于电磁脉冲情况，同样可以根据监测端电压波形um(t)获取入射波电流波形即其中开展方波注入试验，验证上述方法的正确性。具体配置如图2所示，仍选用限幅器作为EUT，只是辅助设备端换接50Ω匹配负载。通过增大方波脉冲幅值，使限幅器在试验时工作在明显的限幅状态，代表其响应表现出了显著的非线性。首先测试耦合装置监测端电压，通过式(12)计算出之后，为能够直接测量到将EUT直接改接为示波器，即EUT换为50Ω匹配负载，此时示波器所得电压波形uEUT(t)与接限幅器时的入射波电压波形一致，进而可得到真实的入射波电流为比较两次得到的电流波形和结果如图4所示。可以看出，两种情况下所得入射波电流波形间有良好的一致性，证明了所述试验方法对被测试件EUT工作在非线性情况的可行性。本试验方法的优势在于不必关心试验时EUT特性是否发生变化，只需通过测试得到的入射波电流就可以判断EUT是否出现干扰或损伤效应。相比之下，以IEUT为判断参量时，需要准确获知EUT特性，但这在很多情况下是难以实现的。因此，本方法具有一定的优势，更便于工程应用。下面结合测试的实例，对试验方法的应用进行具体说明。本方法适合于测试微波系统中电路的电磁敏感性，例如，低噪声放大器(LNA)是射频前端中的敏感器件，确定其电磁敏感性十分必要。由于从输入端口进入的干扰信号是LNA干扰的重要来源，因此可采用注入的方式确定其电磁敏感度。当强电磁脉冲注入时，LNA会产生增益压制效应，具体表现为当从LNA输入端口进入的电磁脉冲信号幅值达到一定数值后，LNA增益开始下降，随着干扰信号的增大，增益逐渐减小直至为0。而电磁脉冲作用完之后，LNA的增益仍需要一段时间才能恢复到正常水平。在一定的幅值范围内，脉冲峰值电压越高，对应LNA的增益恢复时间越长。由于增益被压制，正常工作信号无法得到放大，这一效应会导致一段时间内正常工作信号无法被正常接收。出现上述效应是因为LNA内部的晶体管在强脉冲注入下会出现过饱和效应，导致其不能工作在放大状态。研究表明，恢复时间的长短与LNA外围电路参数有关。使用如图5所示的系统，对LNA开展方波脉冲注入试验，具体的，所述系统包括耦合装置，信号源的输入端经40dB衰减器后与所述耦合装置的输入端口连接，干扰信号注入源经干扰信号衰减器后与所述耦合装置的注入端口连接，耦合装置的输出端口与被测试件EUT的输入端连接，所述被测试件EUT的输出端经20dB衰减器后与示波器的一个信号输入端连接，所述耦合装置的监测端口与示波器的另一个输入端连接。需要指出的是，所述干扰信号注入源可以为方波源或连续波源；所述被测试件EUT可以为低噪声放大器。连续波信号源连接耦合装置的输入端口(1#)，用于向LNA提供正常工作信号，方波源连接耦合装置的注入端口(4#)，用于向LNA注入干扰信号。方波源输出正脉冲，脉冲幅值由小逐渐增大，观察LNA效应。当注入端口的方波峰值为6V时，得到LNA的输出响应如图6所示。从图6中可以看出，LNA响应出现了明显的压制效应，正常工作信号在一段时间内被完全压制，之后逐渐恢复到原有幅值水平。工作信号从被压制到完全恢复正常所用时间定义为总压制时间，其中工作信号被完全压制的时间定义为完全压制时间。图6中波形的完全压制时间为11.65us。由本节提出的试验方法知，通过此时的监测端电压，并根据式(12)，可以得到LNA输入端口的入射波电流值。通过计算，此时入射波电流信号如图7所示，其峰值为35.86mA。若实际工程中以完全压制时间等于t作为干扰门限，根据上述方法就可以得到对应的入射波电流值，该值可以为进一步的电磁兼容设计提供参考。