大功率电磁装置短时变频磁场辐射测试系统

张向明 赵治华 孟 进 马伟明 张 磊 胡安琪

（海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室 武汉 430033）

大功率电磁装置短时变频磁场辐射测试系统

张向明 赵治华 孟 进 马伟明 张 磊 胡安琪

（海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室 武汉 430033）

使用电磁兼容标准中规定的测试系统测量短时变频磁场信号代价过高，为了解决这一问题，论文设计了适用于大功率电磁装置短时变频磁场辐射测量的测试系统，并与电磁兼容标准中规定的测试系统进行了测试对比。所设计的测量系统由三维磁场探头、多通道示波器和虚拟接收机软件三部分组成，测试时，首先使用三维磁场探头和多通道示波器获取被测短时变频磁场信号的时域波形，然后使用基于Matlab的虚拟接收机软件分析被测信号的频谱特性。实验表明，所设计的测试系统能够准确捕捉待测设备在各个频率上的最大发射幅度，且具有测量成本低、测试耗时短的优点。

短时变频 磁场辐射 测试系统 虚拟接收机

1 引言

随着科学技术的革新，电磁发射器等瞬时方式工作的大功率电磁装置必将逐渐被应用[1-2]。电磁发射器是一类将电磁能变换为发射物体所需瞬时动能的能量变换装置，工作时会产生较强的短时变频磁场辐射。一方面，大功率电磁装置产生的强磁场辐射可能会影响附近敏感设备的正常工作，造成预想不到的后果；另一方面，大功率电磁装置产生的强磁场辐射还有可能对周围人员的健康造成不良影响[3-4]。准确测试大功率电磁装置产生的短时变频磁场辐射，并有效地评估其对周围敏感设备和人员的影响，有着重要的工程意义。

为了准确有效地测试电气设备产生的电磁辐射并评估其影响，国家制定了一系列的电磁兼容性标准和规范[5-6]。这些标准对电磁辐射的测试仪器和测试方法都作了明确规定，其根本目的在于准确捕捉待测设备在相应频率上的最大发射幅度，以评估其对周围敏感设备和人员的影响。

对于稳态周期信号，使用电磁兼容相关标准中规定的测试仪器和测试方法可以准确方便地获取其频谱特性，但是，对于短时变频磁场信号，使用现有电磁兼容相关标准中规定的测试仪器和测试方法很难准确捕捉待测设备在相应频率上的最大发射幅度，这是因为：①测量接收机等频域设备检波时间长，而被测磁场信号存在时间很短，在这很短的时间内，测量接收机不能完成一次测量。②测量接收机一般工作在扫频模式，当扫描到某一频点时，被测变频信号的频率可能并不在这一频点上，因此，即便被测变频信号存在的时间足够长，测量接收机也很难准确地测出其在相应频率上的最大幅度。

对于瞬时方式工作的大功率电磁装置，如果要实现“捕捉待测设备在相应频率上的最大发射幅度”这一目标，有两种方法可以使用，一种是在待测设备的一次工作过程中，使用多台测量接收机同时测量，每台测量接收机测量一个频率；另一种方法是使用一台测量接收机，在待测设备的一次工作过程中，该测量接收机固定在一个频率上进行测量，然后在待测设备的下一次工作过程中，测量接收机固定在另一频率上进行测量，如此重复，多次运行待测设备，直至获得干扰信号的完整频谱。不难看出，这两种测试方法获取短时变频干扰信号频谱的代价都非常高，第一种方法需要多至上百台接收机，第二种方法需要运行被测设备多至上百次。因此，需要一种简单可行的测试大功率电磁装置短时变频磁场辐射的方法与装置，即可以满足“捕捉待测设备在各个频率上最大发射幅度”的要求，又不必付出过高的代价。

2 测试系统设计思路与基本组成

时域测试设备的动态范围一般不如频域测试设备高，噪声通常也比频域测试设备大，因此，时域测试设备较少用于电磁兼容性测试。但是，大功率电磁装置产生的磁场辐射一般较强，不需要太高的动态范围和太低的噪声即可实现其磁场辐射的准确测试。与频域测试设备相比，时域测试设备具有响应速度快、能够快速捕捉瞬时信号的优点，因此比较适合于大功率电磁装置产生的短时变频磁场辐射的测量。

在电磁干扰的分析与测试中，仅仅得到干扰信号的时域波形是不够的，为了评估干扰信号对敏感设备和人员的影响，还必须获取干扰信号的频谱特性，即干扰信号在各个频率上的最大幅值。对于稳态周期信号，可以通过傅里叶变换准确获取一段时域波形的频谱，但是，对于短时变频信号，无法使用傅里叶变换获得其频谱。

综合考虑上述因素，本文设计了适用于大功率电磁装置瞬时变频磁场辐射测量的测试系统，该系统首先通过三维磁场探头和多通道示波器获取被测信号的时域波形，然后通过基于Matlab的虚拟接收机软件分析被测信号的频谱特性，图1为测试系统的基本组成框图。

图1 测试系统组成框图Fig.1 Schematic of the measurement system

在图1测试系统的三个主要组成部分中，多通道示波器为成熟的商业产品，论文针对短时变频干扰信号的特点，制作了适合于短时变频磁场测量的三维磁场探头，基于Matlab设计了适合于短时变频信号频谱分析的虚拟接收机软件。

3 三维磁场探头设计

为了获得短时变频磁场信号直观的时域波形，测量探头最好有平坦的频率响应曲线，而常见磁场天线的频率响应曲线一般是随频率变化的。此外，常见的磁场天线一般是一维的，至少需要3次测试才能获取辐射磁场在空间三个方向的大小，大功率电磁装置不仅功耗大，而且运行一次需要大量的人员配合，多次测试对人力和财力都是非常大的浪费。为此，本文设计了具有平坦频率响应特性的三维磁场探头，只需一次测试即可获得辐射磁场在空间三个方向的大小。

如图2所示，三维磁场探头由磁阻传感器、放大电路、信号输出接口、置位电路和电源变换模块组成。双轴磁阻传感器将空间 X、Y方向的磁场信号转化为两路电压信号，分别输出到通道X放大电路和通道Y放大电路；单轴磁阻传感器将空间Z方向的磁场信号转化为电压信号，输出到通道Z放大电路；放大电路将三路电压信号放大后分别通过对应通道的输出接口输出到多通道示波器；置位电路在磁阻传感器受强磁场干扰后为它们提供置位脉冲电流使它们恢复性能；电源变换模块为磁阻传感器、放大电路及置位电路提供所需直流电源。

图2 三维磁场测量探头组成框图Fig.2 Schematic of the 3-D magnetic field sensor

磁阻传感器选用霍尼韦尔公司的二维传感器HMC1022和一维传感器HMC1021Z。如图3所示，磁阻传感器的每维由四个磁阻元件组成一个惠斯通电桥，四个磁阻元件各端部由金属相连，供电电源Vb加在电桥的顶部连接点和底部连接点之间，两个侧面的连接点用作测量端。无外加磁场时，侧面两端点的电压值相同，输出电压为 0；加上外部磁场后，其中两个相对放置的磁阻元件阻值增加，另外两个相对放置的磁阻元件阻值减小，从而使侧面两端点输出一个差分电压信号[7]

图3 惠斯通电桥电路Fig.3 Wheatstone bridge circuit

放大电路由仪表放大器AD624搭建而成，三路放大电路在电气参数上完全对称，图4为其中一路放大电路的电路图。

图5为置位电路电路图，图中①和②分别表示双轴磁阻传感器 HMC1022的两个置位电阻带，③表示单轴磁阻传感器HMC1021Z的置位电阻带。当磁阻传感器受强磁干扰而出现性能下降时，按下置位电路触点开关，置位电路便可提供磁阻传感器所需的置位脉冲电流，使磁阻传感器恢复性能。

图4 放大电路电路图Fig.4 Amplification circuit

图5 置位电路电路图Fig.5 Setting circuit

图6为电源变换模块电路图，电源变换模块由±12V～±18V 的外部直流电源供电，首先利用LM7809和LM7909产生±9V电压，给放大电路供电，同时作为LM7805和LM7905的输入；LM7805和LM7905产生的±5V电压给磁阻传感器供电；此外，LM7809输出的+9V电压为置位电路供电。

图6 电源变换模块电路图Fig.6 Power regulation circuit

定义输出电压和输入磁场的比为磁场探头的转换系数，使用亥姆线圈对所设计的磁场探头进行校准[8-9]，图7为磁场探头三个通道的频率响应曲线，可以看出，所设计的磁场探头在直流到10kHz频段内有平坦的响应特性，波动小于0.1dB。

图7 磁场探头频率响应曲线Fig.7 Frequency characteristic of the 3-D magnetic field sensor

4 虚拟接收机软件设计

图8是基于Matlab设计的虚拟接收机软件的工作流程图，主要由数据扩展、频率预选滤波、混频、中频带通滤波、中频整流、低通滤波和检波输出等功能模块组成。

图8 虚拟接收机软件组成框图Fig.8 Schematic diagram of the vtiual EMI receiver

4.1 数据扩展

设滤波器的时延为 t，则对一段波形进行滤波后，原波形后端 t时间内的信息会丢失[10]，因此，不难理解，滤波前应该在原波形的后端进行数据扩展，所扩展数据的时间长度为所有滤波器时延的总和。但是，当被分析的短时变频磁场信号中叠加有地磁场引起的直流偏置时（地磁场作用在三维磁场探头上会引起直流电压输出，这部分直流信号为环境，但测试时会叠加在被测磁场信号上），滤波前仅在原波形的后端进行数据扩展还不够，还应该在原波形的前端进行数据扩展。以图9一段理想直流信号经过带通滤波器为例，说明当被分析的短时变频信号中叠加有地磁场引起的直流偏置时，滤波前在原波形前端进行数据扩展的必要性。

图9 带通滤波的“端部跳变”效应Fig.9 End-jumping of the band-pass filter

图9a中，带通滤波器的中心频率为2kHz，带宽为10Hz，滤波点数为2×N0，对应的时延为0.1s；直流信号数据长度为 NN，对应的时间为 0.2s（图中CB段）。为了防止滤波器时延效应造成后端数据信息的丢失，滤波时在原波形的后端进行数据扩展，扩展数据的时间长度等于滤波器的时延，即0.1s（图中BA段）。

理想情况下，一段直流信号经过中心频率为2kHz的带通滤波器后，信号会衰减为零，但图 9a的滤波结果并不是如此。这是因为，带通滤波时，原直流信号前端相当于有一个从零到直流值的跳变，而这种“端部跳变”含有丰富的高频分量，这部分高频分量并不是原波形中的真实信息，但进行带通滤波时会叠加到输出结果中，从而影响频谱分析的准确性。为了能够在补偿滤波时延时去掉波形前端“端部跳变”引起的高频分量，滤波时不仅要在原波形的后端进行数据扩展，还应该在原波形的前端进行相同时间长度的数据扩展，如图 9b中的DC段。从图9b滤波效果可以看出，滤波前若在原波形的前后两端都进行数据扩展，则补偿滤波延迟时能够去掉“端部跳变”引起的高频分量。

4.2 频率预选滤波

假设待测短时变频信号为

根据被分析信号的特性和所关心的频率范围，对y(t) 采用低通滤波器进行频率预选，取低通滤波器的截止频率为flow，则y(t) 经频率预选滤波器后输出为

4.3 混频

以分析信号y1(t) 在频率fX上对应的幅值为例，设定中频带通滤波器的中心频率为fIF＞flow，本振频率fLO根据fX和fIF进行选择，fLO=fIF−fX，则信号y1(t)与本振信号混频后输出为

4.4 中频带通滤波

中频带通滤波器对混频信号 y2(t) 以 fIF为中心频率进行带通滤波，设定滤波带宽为fRBW。当fX＞2fRBW时，混频信号 y2(t) 经过中频带通滤波器后输出为

4.5 中频整流

对信号y3(t) 进行中频整流，则产生直流分量和频率在2fIF以上的谐波分量，其中的直流分量为

4.6 低通滤波

对中频整流后的信号进行低通滤波，滤除其中频率大于 2fIF的谐波分量，并对其直流分量进行系数修正，则可以得出变频信号y(t) 在频率fX上等效功率的幅值为

4.7 检波输出

对低通滤波后的直流分量y5(t) 进行检波输出，根据需要可选择采样检波（sample），有效值检波（RMS），最大值检波（max），最小值检波（min）等不同检波方式[11]。

5 实验对比

为了验证所设计测试系统的准确性，在亥姆线圈中产生短时变频磁场信号，使用所设计的测试系统和电磁兼容标准[6]中规定的测试系统分别测试亥姆线圈中的磁场。

使用所设计的系统测试时，亥姆线圈单次产生短时变频磁场，多通道示波器与三维磁场探头连接捕捉短时变频磁场信号的时域波形，然后使用基于Matlab的虚拟接收机软件进行频谱分析。使用文献[6]中规定的测试系统测试时，亥姆线圈以一定周期连续不断地发出短时变频磁场信号（相当于多次运行被测设备），测量接收机 ESIB26和磁场天线HZ-10连接，逐个频率扫描短时变频磁场信号的频谱特性，扫描时，测量接收机在每个频率点上的驻留时间大于亥姆线圈发出短时变频磁场信号的周期，保证能够测得每个频点上的最大幅值。

图10a为所设计测试系统获取的短时变频磁场信号时域波形，使用虚拟接收机软件分析该时域波形的频谱，并与测量接收机 ESIB26和磁场天线HZ-10的测试结果对比于图10b。

图10 测试系统的实验验证Fig.10 Experimental verification

从图 10b可以看出，除7～10kHz外，本文所设计测试系统和电磁兼容标准[6]中规定频域测试系统的测试结果基本一致。而 7～10kHz的差异是由于示波器本底噪声较高，超出了该频段内被测磁场通过三维磁场探头后产生的电压信号。图10c为示波器本底噪声电压测试结果，示波器本底噪声电压通过虚拟接收机折算为磁场信号的结果，则在图10b中与所测磁场信号进行了对比。

6 结论

本文设计了适用于大功率电磁装置短时变频磁场辐射测量的测试系统，并与电磁兼容相关标准中规定的测试系统进行了测试对比，测试结果吻合较好。所设计的测量系统能够准确测量出待测设备在各个频率上的最大发射幅度，既不需要多台测量接收机，又不需要多次运行待测设备，具有测量准确、成本低、耗时短等优点。

[1] 王静端. 电磁发射技术的发展及其军事应用[J]. 火力与指挥控制, 2001, 26(1): 5-7. Wang Jingduan. The development and application of military electromagnetic emission technology[J]. Fire Control & Command Control, 2001, 26(1): 5-7.

[2] 古刚, 向阳, 张建革. 国际电磁发射技术研究现状[J]. 舰船科学技术, 2007，29(s1): 156-158. Gu Gang, Xiang Yang, Zhang Jiange. The overview of the international electromagnetic launch technology research[J]. Ship Science and Technology, 2007, 29(s1): 156-158.

[3] 刘尚合, 武占成, 张希军. 电磁环境效应及其发展趋势[J]. 国防科技, 2008, 29(1): 1-6. Liu Shanghe, Wu Zhancheng, Zhang Xijun. Electromagnetic enviroment effect and its development trends[J]. National Defense Science & Technology, 2008, 29(1): 1-6.

[4] 国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP). 限值时变电场、磁场和电磁场暴露的导则[S]. 王洪博, 等译.

[5] 国防科学技术工业委员会. GJB151A—97 军用设备和分系统敏感度要求[S]. 1997.

[6] 国防科学技术工业委员会. GJB152A—97 军用设备和分系统敏感度测量[S]. 1997.

[7] 潘启军, 马伟明, 赵治华, 等. 适用于舰船钢板地电流检测的新型磁场测量仪器设计[J]. 电工技术学报, 2004, 19(11): 82-86. Pan Qijun, Ma Weiming, Zhao Zhihua, et al. A novel magnetic-field measurement apparatus design applied in ground current testing of the steel plate in vessels[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2004, 19(11): 82-86.

[8] Pan Qijun, Ma Weiming, Zhao Zhihua, et al. An approach to calibrate the novel apparatus applied in ground current testing of steel plate[C]. The 7th International Conference on Electronic Measurement and Instrument, Beijing, 2005, 5: 500-504.

[9] 潘启军, 马伟明, 赵治华, 等. 钢板地电流新型测量仪器校准系统设计及分析[J]. 电工技术学报, 2006, 21(2): 114-118. Pan Qijun, Ma Weiming, Zhao Zhihua, et al. Calibration systems of the novel apparatus applied in ground current testing of steel slate[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 21(2): 114-118.

[10] 胡广书. 数字信号处理[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003.

[11] 马伟明，张磊，孟进. 独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容[M]. 北京：科学出版社，2007.

Measurement System for Short-Time and Frequency-Conversion Magnetic Field Radiated by High-Power Electromagnetic Equipment

Zhang Xiangming Zhao Zhihua Meng Jin Ma Weiming Zhang Lei Hu Anqi
（Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

The cost is too high when measuring short-time and frequency-conversion magnetic field signals with the measurement systems recommended in electromagnetic compatibility(EMC) standards. To solve this problem, a novel magnetic field measurement system, which is composed of 3-D magnetic-filed detector, multi-channel oscilloscope and virtual EMI receiver software, is designed in this paper. To measure the short-time and frequency-conversion magnetic field signal radiated by high-power electromagnetic equipments, time domain waveform of the signal is firstly obtained by the 3-D magnetic-field detector and multi-channel oscilloscope, and then frequency spectrum of the captured waveform is analyzed using the virtual EMI receiver software which is designed based on Matlab. The experimental result indicates that the result obtained by the designed measurement system matches well with the measurement result of the systems recommended in EMC standards.

Short-time and frequency-conversion, magnetic-field emission, measurement system, virtual EMI receiver

TM93

张向明 男，1983年生，博士研究生，研究方向为电力系统中的电磁兼容。

国家自然科学基金资助项目（50721063，50677070）。

2010-03-14 改稿日期 2010-06-30

赵治华 男，1962年生，教授，博士生导师，研究方向为电磁场及电磁兼容性等。