一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统及方法

1.本发明属于电气、电子设备电磁兼容性(emc)测试方法领域，涉及一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统及方法。


背景技术：

2.辐射抗扰度是检验电气、电子设备对一定强度辐射电磁干扰抵御能力的基础电磁兼容性(emc)测试项目。电波暗室辐照法是应用最为广泛的辐射抗扰度测试方法，其原理是电波暗室空间内，利用宽带辐射天线产生一定强度的电磁辐射干扰，逐个频点激励位于转台上不断旋转的待测设备(eut)，通过观察eut是否发生干扰、重启、宕机等效应现象，对设备的抗扰度进行评定。国际电工委员会标准iec 61000
‑4‑
3:《radiated,radio
‑
frequency electromagnetic field immunity test》、国际无线电干扰特别委员会标准cispr 24《information technology equipment
–
immunity characteristics
–
limits and methods of measurement》、中国国家标准gb/t 17626.3
‑
2016：《射频电磁场辐射抗扰度试验》等标准中均对该方法进行了详尽的规定。然而，针对1ghz以下的低频段，所需使用的辐射天线尺寸相对偏大、增益较低，对暗室尺寸、功放增益等设备指标提出了严苛的要求，导致了操作复杂耗时测试费用高企的问题，难以满足设计、整改过程中频繁开展辐射抗扰度测试的需求。
3.由此，学界提出了多种低频频段内的辐射抗扰度测试方法。pignari等提出了利用大电流注入(bci)开展辐射抗扰度测试的方法，其原理是使用两个电流注入钳作为耦合设备，通过精确控制注入钳加载激励的幅值及相位，在待测设备线缆端口激励出同天线辐射等效的电压、电流干扰。大电流注入法解决了测试方法在低频段耦合效率不高的问题，但其操作过程仍较为复杂耗时，主要原因在于所需施加干扰是同待测设备本身输入阻抗相关的变量，且理论上仅适用于线性阻抗的设备，更换待测设备时，需要重复复杂的建模计算过程，测试的难度及门槛较高。grassi等进一步提出了利用双源串扰注入法进行辐射抗扰度测试的方法，通过在受扰线缆旁架设等长、平行的激励线，并利用两个输出幅值、相位可控的独立干扰源进行激励，在受扰设备端口产生等效于暗室辐照效果的干扰。该方法优点在于干扰源所需输出幅值及相位是独立于设备输入阻抗，统一加载干扰强度可用于包含非线性设备在内的任意设备。但由于使用了两个干扰源，在输出干扰的幅值、相位精准控制方面难度较大，测试方法的难度仍然较大。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统及方法，旨在解决现有技术中基于暗室辐照法的辐射抗扰度测试方法复杂耗时、成本高昂，且由于1ghz以下低频段天线辐射效率低的缺陷性技术问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.本发明提出的一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统，包括接地设
置的平板和射频干扰源，所述射频干扰源安装在平板上，平板上还安装有用于对待测设备供电的线路阻抗稳定网络、用于放大射频干扰源产生干扰功率的功率放大器和用于避免信号发生反射的匹配负载；
7.所述的待测设备和线路阻抗稳定网络电连接，射频干扰源、功率放大器和匹配负载电连接。
8.优选地，平板采用表面平整的良导体金属板铺设，厚度不小于1mm。
9.优选地，所述的待测设备和线路阻抗稳定网络通过电源线连接，功率放大器和匹配负载通过注入线连接。
10.优选地，电源线与注入线均等高设置在平板的上方，且电源线和注入线均与平板平行。
11.优选地，射频干扰源位于待测装置的旁侧。
12.本发明还提出了一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统的辐射抗扰度测试方法，包括如下步骤：
13.s1、在辐射抗扰度测试频段内，测量线路阻抗稳定网络的共模输入阻抗z
p
随待测设备频率变化的规律，获取暗室辐照法中施加电磁波的电场强度e0、电场入射方向与电场竖直方向形成的入射角θ、电磁波入射面与线缆沿线方向形成的方向角ψ及电场分量与入射面形成的极化角η；
14.s2、选定射频干扰源的测试频率f、功率放大器的内阻r
i1
和同内阻r
i1
等大的匹配负载的电阻r
i2
，计算暗室辐照法下待测设备的端口开路电压v
fc
；
15.s3、根据开路电压v
fc
和测试频率f计算串扰耦合系数α
xt
；
16.s4、根据串扰耦合系数α
xt
计算加载电压v
s
；
17.s5、根据测试需求，改变待测设备的频率，以及电磁波的入射角θ、方向角ψ及极化角η，直至穷尽所有测试工况。
18.优选地，暗室辐照法下待测设备的端口开路电压v
fc
的计算方法如公式(1)所示：
[0019][0020]
其中，sinh为双曲正弦函数，cosh为双曲余弦函数，l＝l
r
＝l
g
为电源线的长度，γ0＝j2πf/c0为传播常数，光速c0＝2.998
×
108m/s，z
g
是电源线特征阻抗，表示为等效开路电动势的共轭运算，表示为电源线特征阻抗的逆运算；h
r
＝h
g
为电源线距离平板的高度，f、g为同平面波角度相关的变量，f和g的计算方法如公式(2)所示：
[0021][0022]
优选地，串扰耦合系数α
xt
的计算方法如公式(3)所示：
[0023][0024]
其中，z
m
是干扰线与电源线间的互阻抗。
[0025]
优选地，加载电压v
s
的计算方法如公式(4)所示：
[0026]
v
s
＝v
fc
/α
xt
ꢀꢀ
(4)。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028]
本发明提出的一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统，通过在接地设置的平板上连接射频干扰源和功率放大器，便于功率放大器放大射频干扰源产生的干扰功率；在平板上连接线路阻抗稳定网络便于为待测设备供电，在平板上安装一个线路阻抗稳定网络还能起到稳定电网测阻抗的作用；将待测设备和线路阻抗稳定网络通过电连接，再将射频干扰源、功率放大器和匹配负载电连接形成串扰的联合线路，本技术通过在平板上连接一个射频干扰源，将串扰注入法所需射频干扰源数量由两个减少为一个，避免了双源协同调控的问题，也避免了两个射频干扰源同时存在造成的输出干扰的幅值、相位精准控制方面难度大的问题，同时采用一个射频干扰源也降低了成本。采用射频干扰源可以在1ghz以下工作频段内能产生任意频率连续波干扰。本发明提出的辐射抗扰度测试系统采用近场串扰方法耦合效率高，省去了微波暗室、宽带辐射天线等昂贵设备，节省了辐射抗扰度测试所需的时间成本及设备成本，在电气、电子设备电磁兼容性测试方法领域具有较好的应用前景。
[0029]
进一步地，金属板平板提供了镜像地面，在标准辐射方法中存在金属平板作为镜像地，本方法作为标准方法的等效替代方法，在平台设计上也同标准方法保持一致。
[0030]
进一步地，电源线与注入线均等高设置在平板的上方，等高设置可以简化后面射频干扰源输出功率的计算公式，降低难度；电源线和注入线均与平板平行，是使用传输线方程进行等效性推导的必要需求，是后面计算公式成立的必要条件。
[0031]
进一步地，射频干扰源与待测设备应同时位于线缆的左侧或者右侧，若分别位于两侧，则后面的干扰源输出幅值公式不成立，导致方法不适用。
[0032]
本发明还公开了一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统的辐射抗扰度测试方法，该方法继承了传统串扰注入法激励波形同受扰设备不相关的优势，降低了基于串扰注入辐射抗扰度测试的难度及成本，实现了简单廉价的低频辐射抗扰度测试。相对双源注入测试方法，本发明将所需干扰源
‑
功率放大器系统数量由两套减少到一套，测试对试验环境要求较低，推荐在屏蔽室内开展，无需微波暗室环境，所涉及的设备数量、成本远小于标准暗室辐照法，测试成本低，测试操作方法简单，适用性广。
[0033]
进一步地，同大电流注入测试相比本发明中所需施加的加载电压同待测设备输入阻抗z
eut
无关，仅同平台结构、电气参数及所拟考察干扰场的参数相关，方法也适用于具有非线性输入阻抗的待测设备，加载干扰电压计算较简单，测试总体难度较低。
附图说明
[0034]
图1是本发明推荐的串扰注入辐射抗扰度测试平台；
[0035]
图2给出了平面入射波方位角及极化角在球坐标系下的定义；
[0036]
图3是具体实施案例中lisn输入阻抗z
p
随频率变化的关系；
[0037]
图4是使用本发明测试方法等效标准暗室辐照法(入射平面波幅值为1v/m，入射角方向角ψ＝90
°
，极化角η＝90
°
)时所需的干扰加载电压幅值v
s
；
[0038]
图5对比了标准暗室辐照法及本发明测试方法在设备端口所激励的电流的幅值，所考虑的待测设备输入阻抗为z
eut
＝100ω，暗室辐照法中考虑了施加幅值为1v/m，入射角方向角ψ＝90
°
，极化角η＝90
°
的入射场干扰；本发明测试方法中，通过调节干扰源输出幅值及功率放大器增益，控制加载电压v
s
为图4所示的强度水平。
[0039]
其中：1
‑
平板；2
‑
待测设备；3
‑
电路阻抗稳定网络；4
‑
射频干扰源；5
‑
功率放大器；6
‑
匹配负载；7
‑
电源线；8
‑
注入线。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0041]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0042]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0043]
本发明提出的一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统采用图1所示的测试平台来实现辐射抗扰度测试，测试平台包括以下设备：
[0044]
接地设置的平板1、待测设备2、电路阻抗稳定网络3、射频干扰源4、功率放大器5、匹配负载6、电源线7和注入线8。
[0045]
所述射频干扰源4安装在平板1上，平板1上还安装有用于对待测设备2供电的线路阻抗稳定网络3、用于放大射频干扰源4产生干扰功率的功率放大器5和用于避免信号发生反射的匹配负载6；所述的待测设备2和线路阻抗稳定网络3电连接，射频干扰源4、功率放大器5和匹配负载6电连接。
[0046]
1)待测设备(eut)2，待测设备2为通过电源线7供电的单相或三相电气、电子设备。通过自带电池供电、无线供电的设备不适用于本测试方法。设备需保证自身良好屏蔽。
[0047]
2)线路阻抗稳定网络(lisn)3，线路阻抗稳定网络3起到稳定电网侧阻抗的作用，
可参考cispr 16标准选型，线路阻抗稳定网络3需适配待测设备2的电源线7类型。
[0048]
3)射频干扰源4，在1ghz以下工作频段内能产生任意频率连续波干扰。
[0049]
4)功率放大器5，用于放大射频干扰源4所产生的干扰功率，功率放大器5的工作频率需适配射频干扰源4，涵盖1ghz以下频段，设备输入阻抗r
i1
通常为50ω。
[0050]
5)接地设置的平板1推荐使用表面平整的良导体金属板铺设，厚度不小于1mm。
[0051]
6)注入线8为良导体裸导线，注入线8的长度l
g
同电源线7的长度相同，即l＝l
g
＝l
r
。
[0052]
7)匹配负载6表示为r
i2
，用于避免注入线8末端的信号反射。
[0053]
测试平台的搭建要点及各个设备的连接方法如下：
[0054]
1)电源线7平行于接地设置的平板1，电源线7等高地架设在h
r
处，h
r
不大于6cm，线长不小于0.5m。
[0055]
2)注入线8平行于接地设置的平板1以及电源线7，注入线8等高地架设在高度为h
g
处，注入线8同电源线7之间的间距为s。h
g
不大于6cm，s取值应不小于5
×
max{r
r
,r
g
}。
[0056]
3)线路阻抗稳定网络3的输入侧同待测设备2通过电源线7相连，线路阻抗稳定网络3的输出侧同市电相连；待测设备2通过线路阻抗稳定网络3来实现供电及其各项正常职能。线路阻抗稳定网络3接地同接地设置的平板1相连。
[0057]
4)射频干扰源4的输出作为功率放大器5的输入，功率放大器5的输出同注入线8相连。射频干扰源4接地同平板1相连。功率放大器5接地同平板1相连。
[0058]
5)射频干扰源4的输出同功率放大器5的输入相连，且射频干扰源4安装在待测设备2的旁侧。
[0059]
6)功率放大器5的输出同注入线8相连，功率放大器5的输出若为同轴输出结构，需将其芯线连接注入线8、皮线同平板1相连。
[0060]
7)注入线8的右端与串联匹配负载6的电阻r
i2
同平板1相接。
[0061]
本发明提出的一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统的抗扰度测试方法包括如下步骤：
[0062]
s1、在辐射抗扰度测试频段内，测量线路阻抗稳定网络3的共模输入阻抗z
p
随待测设备2频率变化的规律，获取暗室辐照法中施加电磁波的电场强度e0、电场入射方向与电场竖直方向形成的入射角θ、电磁波入射面与线缆沿线方向形成的方向角ψ及电场分量与入射面形成的极化角η；
[0063]
s2、选定射频干扰源4的测试频率f、功率放大器5的内阻r
i1
和同内阻r
i1
等大的匹配负载6的电阻r
i2
，计算暗室辐照法下待测设备2的端口开路电压v
fc
；
[0064]
s3、根据开路电压v
fc
和测试频率f计算串扰耦合系数α
xt
；
[0065]
s4、根据串扰耦合系数α
xt
计算加载电压v
s
；
[0066]
s5、根据测试需求，改变待测设备2的频率，以及电磁波的入射角θ、方向角ψ及极化角η，直至穷尽所有测试工况。
[0067]
本发明提出的一种基于串扰注入的电源线低频辐射抗扰度测试系统的抗扰度测试方法，具体包括如下步骤：
[0068]
1)按照图1建立测试平台，各设备连接及注意要点严格遵守上述规程。根据拟遵循的辐射抗扰度测试标准，选取标准暗室辐照法中所需施加平面电磁波的电场强度e0、电场
入射方向与电场竖直方向形成的入射角θ、电磁波入射面与线缆沿线方向形成的方向角ψ及电场分量与入射面形成的极化角η，如图2所示的球坐标系定义方法。
[0069]
2)在辐射抗扰度测试频段内，测量线路阻抗稳定网络3的共模输入阻抗z
p
随频率变化的规律。
[0070]
3)选定射频干扰源4的测试频率f、功率放大器5的内阻r
i1
和同内阻r
i1
等大的匹配负载6的电阻r
i2
，计算暗室辐照法下待测设备2的端口响应，将暗室辐照法等效为场线耦合过程，计算待测设备2侧的理论开路电压v
fc
，开路电压v
fc
的计算方法如公式(1)所示：
[0071][0072]
其中，sinh为双曲正弦函数，cosh为双曲余弦函数，l＝l
r
＝l
g
为电源线长度，γ0＝j2πf/c0为传播常数，光速c0＝2.998
×
108m/s，z
g
是电源线特征阻抗，表示为等效开路电动势的共轭运算，表示为电源线特征阻抗的逆运算；f、g为同平面波角度相关的变量，计算方法如公式(2)所示：
[0073][0074]
4)根据测试平台的路电压v
fc
和测试频率f参数，串扰耦合系数α
xt
的计算方法如公式(3)所示：
[0075][0076]
其中，z
m
是干扰线
‑
电源线间的互阻抗。
[0077]
5)根据串扰耦合系数α
xt
，计算加载电压，加载电压v
s
的计算方法如公式(4)所示：
[0078]
v
s
＝v
fc
/α
xt
ꢀꢀꢀ
(4)。
[0079]
通过调节干扰源输出电压幅值或功率放大器增益，控制输出电压为v
s
，观察待测设备是否出现逻辑错误、宕机、故障等效应现象。
[0080]
6)根据测试需求，重新选择拟开展等效测试的频率f、平面电磁波电场强度e0、入射角θ、方向角ψ及极化角η，重复以上步骤，直至穷尽所有测试工况。
[0081]
对照图1所示测试平台，以单相供电受扰设备为例(电源线7的线长l＝1m，电源线7的线径r
g
＝5mm)，优选的测试实施要点如下。
[0082]
将电源线7平行架设在h
g
＝5cm的高度；在距离s＝10cm等高h
r
＝5cm处平行安装线径为r
r
＝5mm的裸铜线作为注入线8，注入线8左端连接干扰源
‑
功率放大器系统，设备内阻为r
i1
＝50ω，注入线8右端选择等大电阻r
i2
＝50ω负载接地。待测设备2通过线路阻抗稳定网络3接入市电。通过查阅技术手册，得到线路阻抗稳定网络3输入阻抗z
p
随频率变化的关系如图3所示。
[0083]
以等效幅值e＝1v/m，入射角：方向角：ψ＝90
°
，极化角：η＝90
°
的干扰场为例，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)计算所需加载电压v
s
幅值如图4所示。通过调节射频干扰源4的输出幅值及功率放大器5的增益控制输出电压，可在待测设备2的端口模拟标准暗室辐照测试法能产生的注入电流。以输入阻抗为z
eut
＝100ω的待测设备2为例，暗室辐照法及本发明所激励的待测设备2端口电流如图5所示。可见，本发明在简化测试设备、测试方法的条件下，可实现同标准暗室辐照法的完全等效，满足1ghz以下低频段电源线7系统的辐射抗扰度测试需求。
[0084]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。