非屏蔽多芯线缆耦合通道大电流注入等效试验方法

2022-03-09孙江宁潘晓东卢新福万浩江魏光辉

电波科学学报 2022年1期

孙江宁潘晓东卢新福万浩江魏光辉

（陆军工程大学电磁环境效应重点实验室，石家庄 050003）

引言

大功率用频装备以及电磁脉冲武器的使用使得战场电磁环境愈发复杂. 为更好地适应战场电磁环境，对武器装备电磁辐射敏感性的试验研究变得愈发重要[1-3]. 线缆耦合通道是电磁辐射常见的电磁干扰耦合通道[4]，非屏蔽多芯线缆是武器装备常用的互联线，由多对线对和一个塑料外皮构成[5-6].

GJB1389A-2005[7]系统电磁兼容性要求系统面临的外部电磁环境在某些频段的场强高于200 V/m.为保证武器装备可以正常工作，一般要求该装备至少有6 dB的安全裕度. 但这些指标在实验室条件下难以达到[8-9]. 因此，仅靠辐照试验的方法测试系统级的电磁辐射敏感度难度极大. 大电流注入的方法为解决此问题提供了思路[10-17]，其实质就是采用电流传导敏感度试验来替代高场强辐射敏感度试验，可以明显提高试验效率. 然后以非屏蔽单一线对系统为基础，推广到非屏蔽多芯线缆大电流注入等效替代辐照的试验. 实验室条件下模拟大范围空间强电磁环境是十分困难的，本文通过大电流注入的方法来模拟武器装备非屏蔽多芯线缆耦合通道的强场辐照效应试验.

1 非屏蔽多芯线缆单一线对严格等效试验方法

1.1 理论基础

非屏蔽多芯线缆内有多组线对，每一组线对作为输入和输出与设备相连接. 因此，在研究多组线对的响应问题时，先以每一组线对作为研究对象，进而推广到多组线对的响应中去. 每一组线对作为往返线路输送电力或信号，但两根导线之外还有大地的影响，与这两根导线构成两个地回路，外界骚扰电磁场直接在信号线和大地构成回路感应产生共模电流.由于电路结构的不平衡，共模电压通常会转化为单一线对之间的差模电压. 而实际工程中对受试设备(equipment under test, EUT)起作用的是差模骚扰.

1.1.1 注入条件EUT差模响应

每一组线对可看作是双线系统，电流探头的作用表现为耦合到线对上的加载阻抗和加载导纳. 通过链路参数的方法，注入条件下的模型电路如图1所示[12]. 线缆的长度为L，探头卡在线缆上，探头左边线缆的长度为L1，右边线路的长度为L2.

图1 注入条件下单一线对右端响应计算模型Fig. 1 Response calculation model for the right end of a single pair under injection conditions

ZL和ZR分别为线缆左右两端设备的模态域阻抗矩阵[12]：

式中：ZG,X(X=L,R)为左右两个终端的对地阻抗；ZD1为线缆左端设备的差模阻抗；ZD2为线缆右端设备的差模阻抗；δX(X=L,R)为左右两个终端的不平衡度.

ΦW(L1)为探头左侧模态域下单一线对传输矩阵，单一线对长度为L1.

式中：I2×2为 2×2的单位阵；γ0为线缆的传播常数；ZC为非屏蔽多芯线单一线对的模态域矩阵，

ZCM为单一线对的共模特性阻抗；ZDM为单一线对的差模特性阻抗.

ΦW(L2)为探头右侧模态域下单一线对传输矩阵，单一线对长度为L2.

ΦP为模态域探头矩阵，

式中：ZP为模态域探头阻抗矩阵；YP为模态域探头导纳矩阵；和分别为探头耦合到单一线对上的共模阻抗和差模阻抗；和分别为探头耦合到单一线对上的共模导纳和差模导纳.

FP为激励源向量，

式中：VS为注入源向量；VS为注入探头加载到单一线对上的共模电压.

通过计算，右端EUT的响应矩阵为

1.1.2 辐照条件EUT差模响应

辐照条件下，电流探头将线缆分成了两部分. 由于探究的是终端设备的响应，因此探头两侧线缆上的分布激励源可以转化为两端的集总源，来探究终端设备的响应[14]. 通过链路参数计算，探头两侧线缆的两端集总源向量VSL1、VSR1和VSL2、VSR2可以分别转化为激励源向量FW1和FW2，如图2所示.

图2 辐照条件下单一线对右端响应计算模型Fig. 2 Response calculation model for the right end of a single pair under radiation conditions

式中：

由于场线耦合过程是线性的，所以激励源S1、S2与辐照场强大小E0成线性关系[4].

公式中其他元素的计算方法同公式(3)、(5)、(6).

通过计算，右端EUT的响应矩阵为

1.1.3 等效条件分析

在上述计算过程中，关注的对象始终是EUT的差模响应，因此在模态域和的条件下，有

通过计算可得

X1、X2的值见附录.

等效关系是建立在EUT响应相等的基础上，即辐照和注入条件下，EUT的前端激励一致时，线缆耦合通道中，EUT内部发生的阻抗变化也是一致的. 式(18)给出了注入条件的激励电压源VS和辐照条件下的场强大小E0的对应关系，解决了如何获取等效注入激励电压源的问题.

在上述计算过程中，涉及到许多参量：非屏蔽线单一线对线缆的特性阻抗、探头耦合到线缆上的加载阻抗和加载导纳以及线缆左端的辅助设备阻抗.工程上线缆左端的辅助设备作为低阻状态的输出端，其阻抗往往是十分稳定的. 但是公式(18)中不含线缆右端EUT的阻抗参数. 工程中线缆左端的辅助设备通常为发射端，其阻抗是往往是十分稳定的. 而式(18)中注入激励源与辐照场强的等效对应关系与线缆右端EUT的阻抗参数无关. 由于辐照条件下场线耦合的过程是线性的，通过式(18)可以计算得出注入条件的激励电压源VS和辐照条件下的场强大小E0是线性对应的，且这种对应关系与右端EUT的阻抗特性无关，因此即使是右端EUT的阻抗发生了非线性变化，也没有影响到等效注入激励电压源VS和辐照条件下的场强大小E0的对应关系，解决了EUT是非线性系统的问题. 式(18)没有定义辐射场强E0的大小，表明此对应关系在高场强和低场强的条件下都适用，即高场强条件下等效注入电压源VS与辐照场强大小E0的对应关系也与右端EUT无关. 说明对应关系在由低场强外推至高场强后仍然是线性的. 此关系的得出非常关键，解决了注入激励电压源外推的依据问题.

综上所述，非屏蔽线缆耦合通道大电流注入等效强场电磁辐射试验的思路具有理论上的可行性，可以解决实际工程中的问题；电流探头的注入激励电压源与辐照场强成线性关系，且这种关系与线缆右端的EUT无关. 因此，即使EUT是非线性系统，该方法依然适用，且普适性更强.

1.2 试验方法

在上述理论研究的基础上，本文提出了非屏蔽多芯线单一线对大电流注入等效替代辐照的试验方法(图3).

图3 非屏蔽多芯线单一线对大电流注入等效替代辐照试验方法Fig. 3 Single pair of unshielded multi-core wires bulk current injection equivalent substitute radiation test method

1)互联传输线的左端设备保持不变，将非屏蔽多芯线右端的EUT取下，直接监测线缆终端的响应.

2)进行低场强预试验，在已知某一低场强的辐照条件下，得到单一线对的响应. 而后，注入条件下调整大电流注入电压源的大小，使得注入激励时右端单一线对的响应与辐照激励时右端单一线对的响应相同，从而建立注入激励电压源与辐射场强的线性关系.

3)进行高场强外推试验，在之前得到的线性关系的基础上，将激励源线性外推. 同时，在线缆的右端接回原来的EUT，此时大电流注入的激励对EUT的响应即为辐照场强通过相同的线性外推对EUT的响应. 强场条件下大电流单端注入等效辐照试验完成.

1.3 试验验证

对于多芯线缆而言，其任意两芯线可构成双线回路，若单纯考核每个双线回路耦合产生的干扰效应，可按照上述耦合通道的方法开展等效注入试验研究，此时注入与辐射效应试验是严格等效的.

首先，研究多芯线缆中各芯线响应. 为简便起见，以非屏蔽四芯线缆为研究对象，四根芯线两两为一线对，每一线对终端连接负载，测试终端负载响应之间的关系. 试验频率为30 MHz～1 GHz，四根芯线的颜色分别为黄、黑、棕、灰，黄黑和棕灰分别组成2个线对，为了使其他因素的影响降至最低，线对两终端均接50 Ω负载，采用电光-光电转换、光纤传输方式，分别测试两线对在辐照和注入试验条件下的右端响应，试验配置如图4和图5所示，实物如图6所示.

图4 非屏蔽多芯线缆辐照试验配置Fig. 4 Radiation test configuration for unshielded multi-core wires

图5 非屏蔽多芯线缆注入试验配置Fig. 5 Injection test configuration for unshielded multi-core wires

图6 多芯线缆辐照(左)和注入(右)试验配置Fig. 6 Multi-core wire radiation (left) and injection test configuration (right)

仅选取多芯线缆中某一线对，分别开展电磁辐射和等效注入试验，考察辐射和注入时该线对终端响应能否保持一致. 试验时选取某型非屏蔽四芯线缆为受试对象，选择其中的黄黑线对开展等效试验.低场强预试验时该线对左右两端阻抗分别为50 Ω和37.5 Ω，高场强外推试验中右端阻抗变为25 Ω，之后在相同的场强下变为16.7 Ω. 试验结果如图7所示，等效注入试验误差如图8所示. 可以看出，采取上述试验方法所得两终端响应误差均很小，说明对于非屏蔽多芯线缆而言，采用单独对某一线对开展等效注入试验可保证较高的试验准确性.

图7 非屏蔽四芯线缆单端变阻抗注入与辐照线缆右端响应Fig. 7 Unshielded four-core wire single-ended variable impedance injection and radiated wire right end response

图8 非屏蔽四芯线缆单端变阻抗注入与辐照试验相对误差Fig. 8 Relative errors of single-ended variable impedance injection and irradiation test for unshielded four-core wire

在上述研究基础上，进一步研究线缆两端同时出现非线性时，采用单端注入方法的试验误差是否能够接受. 在上述试验配置的基础上，将线缆另一端也采用人为变阻抗的方式模拟非线性情况，按照与上面大电流注入一致的试验方法开展等效试验，观察试验误差的大小. 试验结果如图9所示，试验误差如图10所示. 可以看出，相比于单端非线性的情况，双端变阻抗注入与辐照试验误差有所增大，但大部分均小于2 dB，个别频点(30 MHz)最大误差为2.6 dB，满足等效试验的精度需求，因此即使线缆两端同时变阻抗，工程上也可采用大电流注入方法进行等效试验. 线缆一端阻抗的变化经过传输线后，对另一端的影响较小，因此注入等效替代辐照效应试验的误差可以接受.

图9 非屏蔽四芯线缆双端变阻抗注入与辐照线缆右端响应Fig. 9 Unshielded four-core wire double-ended variable impedance injection and irradiated wire right end response

图10 非屏蔽四芯线缆双端变阻抗注入与辐照试验相对误差Fig. 10 Relative errors of double-ended variable impedance injection and irradiation test for unshielded four-core wire

2 非屏蔽多芯线缆终端响应规律研究

多芯线缆的响应可以借鉴单一线对互联系统的计算方法. 由于非屏蔽多芯线缆间存在遮挡效应，在进行电磁辐射效应试验时，各芯线响应难以保持一致，因此需要重点研究这种情况下如何实现注入和电磁辐射的等效性.

该试验主要研究非屏蔽多芯线缆在辐照和注入试验过程中，线缆沿着轴线转动，不同线对终端负载响应是否存在显著变化，即考查非屏蔽多芯线缆在辐照试验过程中不同线对之间是否存在遮挡效应.

表1为多芯线缆沿轴线转动辐照与注入终端负载响应试验结果. 可以看出，多芯线缆沿轴线转动，不同角度位置辐照条件下终端负载响应试验结果相差较大，最大相对误差达11.8 dB(400 MHz). 多芯线缆不同线对间终端负载的响应，主要是由多芯线缆感应的共模电流，通过终端电路的不平衡性共差模转化而来的. 因此，多芯线缆在辐照试验过程中不同线对之间的遮挡效应明显. 而注入试验中，终端响应随线缆旋转变化相对不显著，说明注入试验时各芯线间的遮挡效应不明显. 针对上述规律，注入在等效强场试验时，如果要保证每个终端负载响应均与电磁辐射时相等，则可能对辐射场条件有限制. 而如果需要在一般情况下开展等效试验，则需要通过沿轴线旋转找到辐照最严酷的响应状态，进而开展加严等效的注入试验.

表1 多芯线缆沿轴线转动辐照与注入终端负载响应试验结果Tab. 1 Terminal load response test results of multi-core wire rotating along the axis of irradiation and injection

此外，本文还研究了一次性整线束注入是否能够保证两芯线对终端响应均与电磁辐射时相等的问题. 试验过程中，为实现两终端响应均与辐射时相等，首先调整注入探头在线缆上的位置，如果通过调整注入探头位置和改变注入源输出无法同时保证两线对终端负载响应均与辐射时相等，则调整辐射天线的入射方向. 试验结果表明，对于非屏蔽四芯线缆而言，即使允许调整天线和注入探头的位置，也很难实现两线对的响应均与电磁辐射时相等，多个线对同时保证注入与辐射响应的一致性更是无法实现.这主要是由辐射和注入时的电磁耦合过程不同所导致的，为同时能够对整线束进行注入试验，下面提出加严等效试验方法.

3 非屏蔽多芯线缆大电流注入加严等效试验方法

综合之前的分析及理论推导，现提出非屏蔽多芯线缆耦合通道大电流注入加严等效强场电磁辐射效应试验，方法如下：

1)进行试验准备. 互联多芯线缆的左端设备保持不变，如果右端EUT的响应易于监测，直接监测；如果右端EUT的响应不易监测，则尝试以并联接入的方式将监测设备接入线缆右端，并以该并联端口的响应作为辐射和注入的等效依据；如果上述监测方式均不可行，将线缆右端的EUT取下，右端接入光电模块(必要时接入衰减器或通过式负载等)，以此来监测线缆的端口响应.

2)开展低场强预试验. 在已知某一低场强的辐照条件下，对受试多芯线缆耦合通道开展电磁辐射试验，分别将多芯线缆旋转0°、90°、180°、270°，记录不同芯线对终端响应的最大值(包络曲线). 而后，开展注入试验，调整注入电压源的大小，保证多芯线缆中某一线对终端注入响应与辐射响应最大值(包络)相等、其他线对终端注入响应大于辐射响应，从而建立注入激励电压源与辐射场强之间的等效对应关系.

3)进行高场强外推试验. 在之前得到的等效对应关系的基础上，将激励源线性外推. 同时，在多芯线缆的右端接回原来的EUT，此时大电流注入的激励对EUT的效应即为辐射场强通过相同的线性外推对EUT的效应. 最后根据试验要求，判断受试系统是否能够通过敏感度或安全裕度试验考核，完成强场条件下大电流注入等效辐照试验.

加严等效试验方法的有效性验证如下：在实际工程中，在开展等效注入试验时，应对线缆终端辐射响应的最坏情况进行等效. 试验时首先开展电磁辐射试验，分别将线缆旋转0°、90°、180°、270°，记录两芯线对响应的最大值，结果如图11所示. 然后开展注入试验，由于注入和辐照干扰的耦合机理不同，通常两个线对无法实现同时等效. 加严等效的方法是保证某一线对的终端注入响应与辐照时相等，另一线对的终端注入响应大于辐照响应. 试验结果如图12～14所示. 从图14的误差结果可以看出：严格等效线对的试验误差较小，最大误差为2.1 dB，部分频点(700 MHz)加严等效误差较大，最大误差达到9.3 dB，这主要是由于不同线对注入与辐射效应试验之间的等效对应关系相差较大导致的. 对于试验误差较大的线对响应，可采取单独进行等效注入试验的方法来提高试验准确性.

图11 非屏蔽四芯线缆不同角度位置电磁辐照线缆右端响应Fig. 11 Response of the right end of the unshielded four-core wire with electromagnetic radiation at different angles

图12 非屏蔽四芯线缆低场强预先试验辐照与注入响应Fig. 12 Unshielded four-core wire low field intensity pre-test radiation and injection response

图14 非屏蔽四芯线缆注入与辐照试验相对误差Fig. 14 Relative error of unshielded four-core wire injection and radiation test

加严等效试验方法的意义在于：由于加严等效注入试验各芯线对响应均不小于对应的辐射时响应，因此如果加严等效注入试验时EUT不出现性能降级，则可以保证对应辐射试验时EUT同样不会出现性能降级，更适合于通过性试验. 由于加严等效注入试验时仅能保证某一线对响应与辐射时完全一致，而其他线对响应的误差事先难以获知，因此，如果需要严格开展等效注入试验，则可采取对各线对单独开展等效注入试验的方法，此时试验结果可保证较高的准确性.