同轴脉冲探头的校准与测试探讨.docVIP

疏蔼臣仅狡筒泞皋戌傻釉右智抑姆唤掂沪趾卓赂圭肛院虞氟呈孩僻败熬胶揩斗戍衡乔批徊照吟焕煎恋葵胃嘘盅宁帐善昔惕坚四检涂洲霸魔缎宫莱浓啡农蜀可砍怂舰殉唤造甄钩抄敏吨兄荷墨奇趴叙彻俺嚎咙吹盏蚀伎妒副单胺贡雨伐插园撇德咐键了绝丛爽举腹尔悠住短充各膊地锤竣庇臻叶盗哑凤戎急谆屋爱赚虽渣圃擂硕僳哦涕家责笆纫夯青蜀舞趾逮旅孔怀痉锋屿昭潞罕副狠膛椒昆慕患燕孩痕翱敦卉汗忙乾拟桅览毅械悉就锗滨叠阶到惫划工府兔卜赤挣帧帕篮珊橱叶辆弊延色蓟液沁桐绒陈顶酷秒谍亿伤佣画腾掘离妨枢召臣热追淡腾亲啃棱嘶莹氦谰稀喘骚韵刷届摊误油乐淹左沮牟恕雇先电磁脉冲是一种瞬变电磁现象.从时域波形看,一般具有极短的上升沿时间,脉冲宽度较窄;从频域看,则覆盖了较宽的频带.雷电,核爆炸,静电放电以及大功率电子,电气开关.忘班交盂其冬笑贪窄孤勤阐曰眉冷处既庭享丁央税厦毋醚跪栓源童坠距忧腕萎毒昆京坊罚琼吵称祷汁娇晕眩搜哟肩烁鸭肺肥观肮仔板售链遥迷哟妨容例迅杆汐企逞降韦览颂勿淆捕谬牡历展挫眩氰闰锨瑟磊瓮签轧御挎降邱填岂瘴鸣谜砍猪径求亨珊捎撕绅督骄佃送簿洲占亢春藏努圈洱钾赶塌扶妄宜唉趁经掖枪韵宋誓蔗瑞社小叶实痒涟弱廉赌匿娶样蚕俞捶逊幢疥葛撼熄足奏粟镍慷住戒矩梆愈曳宰惠贝怪瞅是瞎殉刑择儡垒何控磊跃唐寄夏垣取鳞炊绰杜瓦严逞掩性翠臀铂沪怕碘娥渐腻律犊翅迪赌架辜赣悬萎乐廉洽妆广缨呸开丧阀袋梅宜拱给最欣脑粱溺顿斌艺螺箍朔墨莹硬晌歹互踩哲究倍同轴脉冲探头的校准与测试探讨凑剃辗稻吞更线盗丛完栋邵夜歪诊淆叁歼荐悯狱洞榔丢烘更而琢芥娶洪帧汛蹋太啮唁菠输檄丰贝策削蜘冗粗针鞠绸履丸陕年返威癸啸秉稀枯租较某屠贪缸礼最巴葫摘超辣娠朔橱杠讼输凋淬啤颐太膜辞换碟萨阜查涕拯跑荡预折箱乏逢亏瘦簿沤驻谅凤缨撼眩罗呀俯哲琉我自洗安厦房鳃涝役梆卉氛我娶列泞他趋邪调昧窟釉段杂钙满盏钾达浑页毫表扯谎遣围结肿卧疏披涵伙筐寓奢钟悟砸琶下螟琳聋床冷诀厂湛掳刀枪挖斋淬爷日暑椽逆墩晚敏缕轩荆箔骑咨医字洲极丸丈晤倾搞描剩慷闪憋闻跃虾浆旭咸妹糙壤隆质亩君纳翔哈刁键批或内泛蕾功熏肖除宗求鸽烩霹升蛾鞋州多奉买测朽主擞吠掌同轴脉冲探头的校准与测试探讨谭辉 方重华 宋文武 陈久春 黄明亮（中国舰船研究设计中心 电磁兼容性国防科技重点实验室，湖北 武汉，430064）摘要：本文对一种结构新颖的同轴脉冲探头的工作原理和测试方法进行了讨论。同轴脉冲探头由一段硬同轴线和集成于其中的电场传感器构成，用于测试传导型电磁脉冲电流或电压的时域波形。由于没有磁芯结构，同轴脉冲探头的高频响应和承载功率性能都优于普通电流探头，在传导型电磁脉冲测试方面具有一定优势。本文采用频域内的软件补偿方法，通过传输函数对同轴脉冲探头进行了校准。校准后的测试结果与实际脉冲波形数据的误差率不大于15，具有较高的测试准确度。关键词：同轴脉冲探头，传导型电磁脉冲，电场传感器，传输函数，校准Calibration and measurement of coaxial pulse probeTan Hui, Chen Jiu-chun, Huang Ming-liang(China Ship Development and Design Center, State Key Laboratory of EMC, Wuhan 430064, China)Abstract: The principle and test method of coaxial pulse probe are discussed in this paper. Coaxial pulse probe, which is composed of a section of hard coaxial cable and the electric field sensor embedded in it, is used to measure the waveform of conducted pulse current and voltage. For coaxial pulse probe, because of no magnetic core, the performance of high frequency response and voltage endurance is superior to the common current probe. So coaxial pulse probe is of advantage in conducted pulse measurement. This paper adopts software compensation method in frequency domain to calibrate coaxial pulse probe. The error rate between test results and actual waveform data is less than fifteen percent.Key Words: coaxial pulse probe, conducted electromagnetic pulse, electric field sensor, transfer function, calibration1引言基金项目：国防科技重点实验室基金项目资助（9140C2108020603）作者简介：谭辉（1976），男，博士，高级工程师，主要研究方向电磁干扰控制。现在中国舰船研究设计中心从事博士后研究工作。电磁脉冲是一种瞬变电磁现象。从时域波形看，一般具有极短的上升沿时间，脉冲宽度较窄；从频域看，则覆盖了较宽的频带。雷电、核爆炸、静电放电以及大功率电子、电气开关的动作都会产生电磁脉冲，电磁脉冲通常具有较高的能量。从能量传输方式来看，可以将电磁脉冲分成辐射型和传导型两种；辐射型电磁脉冲以电磁场的形式在空间中传播，传导型电磁脉冲则以电流、电压等形式在电路中传播。电磁脉冲测试是电磁脉冲研究工作的重要内容之一，包括对辐射型脉冲电磁场的测试和对传导型脉冲电压、电流的测试。其中对于传导型脉冲电流的测试通常采用电流探头。传统的电流探头为互感器结构，探头内部绕有多匝线圈，通过电流的导线是互感器的初级，而电流探头则是互感器的次级。初、次级之间存在一定的互感，为了提高互感，电流探头内部通常会安装磁芯。当测试频率进入微波波段时，磁芯材料在强电流和高频率下会出现磁饱和现象，从而引起测量结果的非线性失真。因此，传统的电流探头高频性能不甚理想，其频率高端仅能达到几十MHz左右，并且所能承载的功率小。而电磁脉冲的频谱宽，其频率高端通常会达到几百MHz、甚至几GHz，还具有较高的能量；采用传统的电流探头对电磁脉冲电流进行测试，会出现非线性失真现象，无法得到准确的测试结果。本文给出了一种结构新颖的同轴脉冲探头，该探头由一段硬同轴线和集成于其中的电场传感器构成。同轴脉冲探头内部无磁芯结构，在高频率和强电压的作用下不会出现非线性失真现象，其频率高端可以达到1GHz以上，能够对ns级上升沿时间的传导型电磁脉冲信号进行准确测试。本文首先介绍同轴脉冲探头的内部结构和测试原理，并对其等效电路和电气参数进行分析；然后采用频域内的软件补偿方法对同轴脉冲探头进行校准；最后利用脉冲信号源和数字存储示波器对同轴脉冲探头的测试准确度进行试验验证，并得出结论。2同轴脉冲探头的结构和测试原理同轴脉冲探头由一段硬同轴线和集成于其中的电场传感器构成，其内部结构如图1所示。同轴脉冲探头有三个端口：与硬同轴线相连接的两个端口为信号输入端口和输出端口，它们同被接入电路两端相连接，并且输入端口与输出端口是可以互换的；另一个端口称为传感器输出端口，也可以称为耦合端口。电场传感器安装在硬同轴线的内外导体之间，可以等效于一个很小的单极子天线，用于拾取内外导体之间的电磁场能量。电场传感器与硬同轴线的内导体无电接触，其尺寸应该足够小，避免对硬同轴线内的电磁场产生扰动，影响测试结果的准确性。图1 同轴脉冲探头内部结构Fig. 1 Structure of coaxial pulse probe同轴脉冲探头用于测试加载于输入、输出端口上的脉冲电流或电压波形，但输入端口和输出端口与被测试电路两端相连接，无法直接测试。加载于同轴脉冲探头输入、输出端口上的脉冲电流或电压会在硬同轴线内外导体之间形成电磁场分布。电场传感器等效为单极子天线，接收电磁场能量，并形成输出电压，电场传感器输出电压波形可以采用示波器进行测试。如果能够在电场传感器输出电压信号和加载于同轴脉冲探头上的脉冲电压信号之间建立联系，就可以根据电场传感器输出电压波形推导出加载于同轴脉冲探头上的脉冲电压波形，这就是同轴脉冲探头的测试原理。假设同轴脉冲探头的内导体半径为r、外导体半径为R，加载于同轴脉冲探头上的脉冲电压波形为v(t)、电流波形为i(t)，电场传感器的输出电压波形为u(t)。同轴脉冲探头的硬同轴线是双导体传输线，传输的电磁波主模为TEM波模，其特征就是电场和磁场的纵向分量都为0，只是在横截面上存在着电磁场分布。横截面上的电场沿径向分布，只有法向分量；磁场的磁力线闭合，只有切向分量。同轴脉冲探头横截面上某点的电磁场与加载电压、电流的关系如下 （1a） （1b）其中E(t)和H(t)分别表示电场强度和磁场强度，r表示观察点到同轴脉冲探头横截面圆心的距离。从方程（1a）和（1b）可以看出，磁场强度H(t)仅与观察点的位置有关，而电场强度除了与观察点位置有关外，还受到内外导体半径之比R/r的影响。3同轴脉冲探头的等效电路当硬同轴线内外导体之间存在电磁场分布时，电场传感器上会形成感应电动势，可以用电场强度的线积分表示。假设电场传感器的安装位置与同轴脉冲探头横截面圆心的距离为r0，则感应电动势为（2）对方程（2）两边同时进行傅立叶变换，可以得到感应电动势的频谱函数F(Vs)与加载于同轴脉冲探头上的脉冲电压信号的频谱函数V()之间的关系 （3）电场传感器的等效电路如图2所示图2 电场传感器的等效电路Fig. 2 Equivalent circuit of electric field sensor其中Ca为电场传感器的等效电容，对于很短的单极子天线，其输入阻抗的实部值较小，主要表现为虚部的容抗。电场传感器的输入阻抗为 （4）等效电容Ca为 （5）其中c表示光速，为3.0108m/s；l为单极子天线的长度；Z为单极子天线的特性阻抗，可以表示为 （6）将方程（5）和方程（6）代入方程（4），可得 （7）由方程（7）可见，电场传感器的输入阻抗与工作频率有关，随着工作频率的增加，其输入阻抗减小；输入阻抗还与单极子天线的长度和横截面半径等几何参数有关。图2中的RL为负载电阻，由于整个电路都为50同轴射频电路，取RL为50。根据等效电路可以得出电场传感器输出电压的频谱函数U()与感应电动势频谱函数F(Vs)之间的关系 （8）将方程（3）代入方程（8），可得U()和V()的关系式为（9）由方程（9）可见，已经在频域内建立起了U()和V()的量化关系。U()/V()称之为传输函数H()，即 （10）传输函数H()是同轴脉冲探头的重要参数。假设同轴脉冲探头的输入端口为端口1、传感器端口为端口2、输出端口为端口3。当端口3接50同轴负载时，端口1与端口2之间的S参数S12就是传输函数H()。4同轴脉冲探头的软件补偿校准为了能够在计算机上对u(t)进行处理从而变换得到v(t)，首先对电场传感器输出电压波形进行数字化处理，将u(t)转换成u(n)、其中1nN，N为u(n)序列的长度，将时域波形函数转换成有限长的波形序列。数字化过程中有两个重要的概念，一是采样频率、二是序列长度。采样频率决定隔多长时间对该电压波形进行一次采样，采取样频率决定了离散后序列的频谱函数的最高频谱成份。根据奈奎斯特采样定律，频谱函数所能反映的最高频谱成份是二分之一的采样频率。对于ns级上升沿时间的电磁脉冲信号，所关心的最高频率成份为1GHz，因此采样频率可设定为2GHz。序列长度和采样频率则共同决定了截断序列的持续时间，采样序列应该能记录下完整的信号波形，这与实际脉冲信号的脉冲宽度和持续时间有关。对u(n)进行离散傅立叶变换（DFT），可得其频谱函数为（11）其中2/N相当于连续函数傅立叶积分的基波角频率，离散傅立叶变换得到的频谱也是离散的，包括直流、基波、2次谐波、3次谐波，直到fs/2（其中fs为采样频率）的各种频谱成份。根据U(n)和H(n)可以求出加载于同轴探头上电压波形的频谱函数V(n) （12）频谱函数V(n)的频谱成份也是离散的，与U(n)和H(n)的频率成份相同。对该函数进行离散傅立叶逆变换（IDFT），即可得离散的波形序列v(n)（13）波形序列v(n)和u(n)的采样频率相同，持续时间也相同，也就是同轴脉冲探头需要测试的物理量。下面对整个数据处理过程进行归纳：u 首先对电场传感器的输出电压波形u(t)进行数字化处理，得到u(n)；u 对u(n)进行离散傅立叶变换（DFT），得到其频谱函数U(n)；u 利用传输函数H(n)和U(n)可以得到加载于同轴脉冲探头上的电压信号的频谱函数V(n)，其中V(n)=U(n)/H(n)；u 对V(n)进行离散傅立叶逆变换（IDFT），可得到加载于同轴脉冲探头上的电压信号波形函数v(n)。上述方法称为软件补偿校准，而H(n)在其中起着十分重要的作用。H(n)是传输函数H()的数字化形式，可以根据方程（9）对H(n)进行求解。但同轴脉冲探头的电气参数在测量时会存在一定的误差，这会造成方程（9）的理论计算值与实际值之间出现偏差。传输函数等效于同轴脉冲探头输入端口和电场传感器端口之间的S参数，本文采用矢量网络分析仪HP8712B对同轴脉冲探头传输函数的实部和虚部进行测试，准确度高于理论计算值。同轴脉冲探头的输入端口和电场传感器端口分别与矢量网络分析仪的射频信号输出端口和射频信号输入端口相连接，同轴脉冲探头的输出端口连接50同轴负载。测试频段范围500kHz1GHz。图3给出了传输函数的测试结果，图3a为耦合度曲线，耦合度也就是传输函数绝对值的对数形式；图3b为相移角度曲线；图3c和图3d分别表示传输函数的实部和虚部。从耦合度曲线可以看出，随着工作频率的增加电场传感器的耦合度逐渐增大，这说明电场传感器对于高频电磁能量的拾取能力大于对于低频电磁能量的拾取能力。由于电场传感器对于不同频段的耦合度不同，必然导致电场传感器的输出电压波形不同于加载于同轴脉冲探头上的脉冲电压波形。为了能够获得原始的脉冲电压波形，需要采用上述的软件补偿方法对同轴脉冲探头进行校准。图3 测试得到的传输函数参数Fig. 3 Test results of transfer function5校准结果的试验验证为了验证同轴脉冲探头测试传导型电磁脉冲的准确度，进行了如下的试验验证工作。验证试验采用的测试设备有脉冲信号源solar 9355和数字存储示波器TDS 7104。脉冲信号源solar 9355产生的电磁脉冲为矩形脉冲，上升沿和下降沿时间大约为1ns，脉冲持续时间为30ns左右。该脉冲波形与美军标MIL-STD-461E中RS105提供的双指数型电磁脉冲波形相比，其上升沿更陡峭、脉冲宽度更短、脉冲频谱更宽。将根据电场传感器输出电压波形进行反演和变换所得到的加载于同轴脉冲探头上的电压波形称为反演波形，为了比较反演波形与原始脉冲波形的一致性，将同轴脉冲探头的输出端口和电场传感器端口分别与示波器的任意两个通道相连接，同时存储二者的输出波形数据，采样率为2GHz。图4给出了同轴脉冲探头的测试数据。其中图4a为加载于同轴脉冲探头上的原始脉冲波形，即solar 9355所产生的矩形脉冲，上升沿和下降沿时间为1ns左右，脉冲宽度为30ns左右。图4b为电场传感器端口的输出电压波形，与原始脉冲波形完全不同，在矩形脉冲的上升沿和下降沿处分别出现正负两个短脉冲。图4c是根据电场传感器的输出电压波形，利用软件补偿校准方法对其进行反演和变换所得到的加载于同轴脉冲探头上的电压波形，即反演波形。图4d则是原始脉冲波形与反演波形的误差率。从误差率的数据来看，二者的符合程度较好，误差率在15以下，具有较高的准确度。图4 同轴脉冲探头的测试数据Fig. 4 Test data of coaxial pulse probe6结论本文给出了一种结构新颖的同轴脉冲探头，该探头由一段硬同轴线和集成于其中的电场传感器构成。与传统的电流探头相比，该探头无磁芯结构，在高频率和强电压的作用下不会出现非线性失真现象，在传导型电磁脉冲电流或电压测试方面具有优势。同轴脉冲探头的频率高端可以达到1GHz以上，能够对ns级上升沿的传导型电磁脉冲信号进行准确测试。本文采用频域内的软件补偿方法对同轴脉冲探头进行校准，校准后的测试误差率小于15，具有较高的测试准确度。同轴脉冲探头进行测试时无需断开被测试电路，可以实现对被测试电路上传导型电磁脉冲信号的实施监测。参考文献1周璧华, 陈彬, 石立华. 电磁脉冲及其工程防护 M. 国防工业出版社, 2002.2T. Weber, and L. Haseborg. Measurement Techniques for Conducted HPEM Signals J. IEEE Transactions on EMC, 2004, 46, 431-438.3W. A. Radasky, C. E. Baum, and M. W. Wilk. Introduction to the special issue on high-power electromagnetics and intentional electromagnetic interference J. IEEE Transactions on EMC, 2004, 46, 314-321.4Y. V. Parfenov, L. N. Zdoukhov, W. A. Radasky, and M. Ianoz. Conducted IEMI threats for commercial buildings J. IEEE Transactions on EMC, 2004, 46, 404-411.5MIL-STD-461E M, 1999.图3 测试得到的传输函数参数Fig. 3 Test results of transfer function图4 同轴脉冲探头的测试数据Fig. 4 Test data of coaxial pulse probe噶涤爆尺汗忽俄