基于矢量网络分析仪的改进型CE102测试系统校验方法探讨

2021-07-03高刚朱宜生王一飞

环境技术 2021年2期

高刚，朱宜生，王一飞

（1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，扬州 225001；2．中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验中心，扬州 225001）

引言

由于我国海军新型舰艇装备信息化水平及各系统复杂程度逐步提升，对舰艇各系统、设备之间的电磁兼容性、信息化高效安全使用性产生了很大的威胁，控制电子装备通过电源线以传导或辐射的方式对外造成干扰显得尤其重要。

项目CE102电源线传导发射[1]测量的目的是在较低频段控制电子装备工作时通过电源线向公共电网注入传导干扰；在较高频段，控制干扰通过电源线向外辐射，保护灵敏接收机。项目CE102的测试配置如图1所示，使用LISN（阻抗稳定网络）来隔离电源干扰并为EUT（受试设备）提供规定的电源阻抗。在每次发射测试开始前，为保证测量结果的质量及准确性，应对测试系统（包括测量接收机、电缆、衰减器等）进行校验以确定测试系统是否正常。

1 CE 102测试系统校验方法以及存在的不足

1.1 CE 102测试系统校验方法

GJB 151B-2013中提供的CE 102测试系统校验配置如图2所示，具体校验方法步骤如下：①信号发生器输出信号到LISN电源输出端，其频率分别为10 kHz、100 kHz、2 MHz和10 MHz，电平至少低于限值6 dB，其中在10 kHz和100 kHz ，通过示波器确认其为正弦波并测量信号有效电平，在2 MHz和10 MHz，直接使用从50 Ω信号发生器输出的信号电平；②接收机测量值应在注入信号电平的±3 dB范围之内。

1.2 存在的不足

GJB 151B-2013中提供的CE 102测试系统校验方法只能针对单个LISN，无法校验包括接地、50 Ω终端阻抗等在内的整个LISN系统，因此无法发现整个LISN系统存在的潜在包括接地问题、50 Ω终端阻抗故障问题以及同轴电缆问题，以上任何一个问题的存在都会导致错误的测试结果。

2 改进方案

本文提出了一种基于矢量网络分析仪的改进型[2]双电流探头校验测试系统的方法，该方法把LISN系统作为一个整体（包括接地、50 Ω终端阻抗等）进行校验，能够发现并解决LISN系统可能存在的潜在的共模以及差模阻抗问题。

2.1 双电流探头法测量原理

双电流探头法[3]最早是作为测量待测设备的输入阻抗提出来的，但电流双探头法在测试待测设备的输入阻抗的同时，也解决了共模和差模分别测量的问题。

由注入探头、接收探头和耦合电容器构成的测量LISN的电路如图3所示。

该测试方法包括一个注入电流探头，一个接收电流探头，一台矢量网络分析仪（等效于一台信号源和一台电磁干扰接收机）。两个电流探头和一个耦合电容器构成射频耦合电路，用来测量未知阻抗ZX的阻抗的大小。从图3可以看出，耦合电容器由射频耦合电路元器件内部的寄生效应而产生的寄生参数等效串联电阻RC、等效串联电感LC和电容组成。

电路的注入探头端可以等效成在端口1和2之间的一个电压源VM1和一个阻抗ZM1的串联，故整个测试电路的等效电路图如图4所示。其中，ZC为耦合电容的阻抗，ZM为接收探头对耦合电路进行感应而产生的阻抗。

根据传输线理论，在导线长度远小于电磁波波长时，可以认为导线上的电流是一致的，因此可得：

图1 CE102测试配置

图2 CE102测试校验系统配置图

图3 双电流探头法原理图

移项可得：

式中：

IM—耦合电路的电流。

由接收探头获得：

式中：

VT—接收探头获得的电压；

ZT—接收探头校准转移阻抗。

由式（2）可以看出，如果能够获得VM1和（ZM1+ZM+ZC）两个未知数，就能够得出未知阻抗ZX，采用以下两个方法可以获得VM1和（ZM1+ZM+ZC）两个未知数，用一个已知的标准的阻抗R（R＞|（ZM1+ZM+ZC）|）来代替ZX，建立一个二元方程；短路ZX，建立第二个二元方程，通过以上两个方程可以求出未知阻抗ZX。

2.2 CE102测试系统共模和差模校验模型

CE102测试系统共模阻抗测量线路模型和差模阻抗测量电路模型分别如图5和图6所示，其中，共模阻抗测量线路模型中两个LISN（等效50 Ω阻抗，实际上在整个频段不可能均为50 Ω阻抗）并联，差模阻抗测量电路模型中两个LISN（等效50 Ω阻抗，实际上在整个频段不可能均为50 Ω阻抗）串联。

电路的注入探头端电路可等效成在端口1和2之间的一个电压源VEUT-CM和一个阻抗ZEUT-CM的串联，ZC-CM为测量过程中使用的电缆以及线路中耦合电容器的阻抗，ZR-CM为接收探头对耦合回路进行感应而产生的阻抗，共模阻抗测量电路的等效电路模型如图5所示；同理，电路的注入探头端电路可等效成在端口1和2之间的一个电压源VEUT-DM和一个阻抗ZEUT-DM的串联，ZC-DM为测量过程中使用的电缆以及线路中耦合电容器的阻抗，ZR-DM为接收探头对耦合回路进行感应而产生的阻抗，差模阻抗测量电路的等效电路模型如图6所示。

2.3 CE102测试系统共模和差模校验方法

图4 双电流探头法等效电路图

图5 共模阻抗测量电路模型

图6 差模阻抗测量电路模型

基于矢量网络分析仪的改进型CE102测试系统校验方法把LISN系统作为一个整体（包括接地、50 Ω终端阻抗等）进行校验，采用双电流探头法测量原理分别校验测试系统的共模和差模阻抗，共模阻抗测量电路模型如图5所示，将LISN系统的输入端口分别通过地线短接到地平面；差模阻抗测量电路模型如图6所示，根据标准上的配置，可以分别获得差模和共模阻抗的理想校验结果，实验室和技术人员在试验前校验不需要计算阻抗的具体数值大小，只需要将差模和共模校验结果曲线与理想的结果进行比较，就能显而易见的发现LISN系统存在的共模或差模问题。