CN101520480B - 一种传导敏感度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传导敏感度检测方法，包括以下步骤：步骤一：建立传导敏感度测试原理模型；步骤二：建立极限值曲线；步骤三：应用步骤二所建立的极限值曲线进行敏感度测试。本发明可以更完备、准确地考核系统级传导敏感度试验结果；可得到极限值曲线和敏感极限值电平，使得系统级传导敏感度试验有了准确的测试依据和测试标准，系统级试验考核更完备、准确。

Description

一种传导敏感度检测方法

技术领域

本发明涉及电磁兼容测试领域，具体来说是一种传导敏感度检测方法。

背景技术

任何电气、电子设备和分系统在其工作时都不可避免地向电源线反馈电磁能量，同时也从机壳、互联线、天线馈线等向空间泄露和散发电磁能量。这些有意和无意的电磁能量构成了某时某地的电磁环境，复杂、恶劣的电磁环境是该场地设备的潜在干扰源。设备级电磁发射和敏感度测量是评估设备EMC水平的手段，也是采取EMI措施的依据。电磁兼容性测试归纳起来可以归为4类：辐射发射测试，辐射敏感度测试，传导发射测试，传导敏感度测试。

电子设备或系统往往有很多电源线和信号线，这些电缆一方面构成了系统能量和信息传输的通道，另一方面也形成了传导干扰的传播途径。因此，需要对系统的所有互连线进行传导敏感度测试，确定通过电缆耦合的干扰信号对系统的影响。传导敏感度是指受试设备对耦合到输入电源线、互连线及机壳上的干扰信号的承受能力。

系统级试验与设备分系统级的指标存在一定的差异。分析这些差异的基础，是美军在长期试验中提出的经验法则。这些法则只能用来估测数据，对于一个特定的系统并不是完全适用。

传统的极限值电平是通过大量的仿真和测试，并且经过长期的数据统计得到的，耗时耗力，成本高。

发明内容

本发明提出一种传导敏感度检测方法，通过依据“场——路耦合”模型发展出的一种传导敏感度试验数据模型来精确的对每一个特定的系统进行准确的测试，可保证系统足够的抗干扰能力。

本发明分为三步骤来实现：

步骤1：建立传导敏感度测试原理模型；

长度为l的被试电缆安装在测试设备的金属界面上方，距金属反射面高度为h，l＞＞h；被试电缆通过所连接的设备与金属反射面构成回路；该回路的阻抗由电缆两端与地之间的负载电阻R1和R2，以及电缆损耗R3共同构成；

步骤2：建立极限值曲线；

通过信号源产生干扰信号作用于被试电缆，存在一个沿Z轴传播的电磁波作用于被试电缆，这时回路耦合电压V₀可用下式表示：

$V_0=\mathrm{Eh}\sqrt{2(1-\cos \mathrm{\βl})}---\left(1\right)$

其中E表示被试电缆与地之间的电场干扰强度；h表示的是被试电缆相对地的高度；β表示电磁波传输因子；l表示被试电缆长度；

等式(1)两边取以10为底的对数后，电压V₀用分贝可表示为

V₀(dB)＝20lg(E)+20lg(h)+10lg[2(1-cosβl)]

＝20lg(E)+20lg(h)+20lg|2sin(βl/2)|                       (2)

＝20lg(E)+20lg(h)+20lg|2sin(πl/λ)|

其中，λ为传播的干扰电磁信号的波长；

被试电缆及其镜像构成了一根传输线，则传输线阻抗的模值|I|可表示为：

$\left|I\right|=\left|V_0\right|\sqrt{\frac{\frac{3600}{{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln }^2\left(\frac{D}{d}\right)+R^2\mathrm{ta}{n}^2\left(2\mathrm{\πf}\frac{l}{c}\right)}{\frac{14400}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\ln \left(\frac{2D}{d}\right)R^2+\frac{1296000}{{\mathrm{\ϵ}}_r^2}{\ln }^4\left(\frac{D}{d}\right)+\frac{7200}{{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln }^2\left(\frac{D}{d}\right)+R^4{\tan }^4\left(2\mathrm{\πf}\frac{l}{c}\right)}}---\left(3\right)$

其中D表示被试电缆的外导体直径；d表示被试电缆的内导体直径；f表示传输的干扰信号的频率；c表示传输的干扰信号的波速；ε_r表示被试电缆内外导体之间绝缘体的介电常数；R表示被试电缆输出端内外导体之间的负载阻抗；

由公式(2)和(3)得到频率较低时，频率较高时以及中频时三种状况的干扰电流与频率间的关系：

①当频率较低时，l＜＜λ，πl/λ→0，则：

sin(πl/λ)≈πl/λ，因此可将公式(2)化简为：

V₀(dB)＝20lg(E)+20lg(h)+20lg(2πl/λ)                     (4)

公式(3)化简为：

$\left|Z\right|=\frac{\left|V_0\right|}{\left|I\right|}=R1+R2+R3---\left(5\right)$

其中|Z|表示为被试电缆的输入阻抗；

综合公式(4)与(5)，并令R’＝R1+R2，得到

I(dB)＝20lg(E)+20lg(h)+20lg(2πl/λ)-20lgR′              (6)

公式(4)、(5)和(6)说明：当频率较低时，电缆耦合的干扰电流按照20dB/10倍频程的规律随着频率的增加而增大；耦合电流的大小不受电路分布参数的影响；耦合电流包络曲线的拐点发生在f＝150/πl处；

②当频率较高时，被试电缆成为有耗传输线；分布参数效应使阻抗的模值出现波动，但阻抗模值的包络曲线由R1、R2和电缆的高频损耗电阻R3决定，即：

$\left|Z\right|=R1+R2+R3$

$=R^{\′}+l/\left(\mathrm{\πd\δ\σ}\right)---\left(7\right)$

$=R^{\′}+l\sqrt{\mathrm{\ω\μ}}/\left(\mathrm{\πd}\sqrt{2\mathrm{\σ}}\right)$

公式(7)中，δ和σ分别是电缆金属材料的趋肤深度和电导率；ω表示信号的角频率；μ表示介质的磁导率；

对于电缆常用的黄铜材料，其高频损耗电阻为：

$R3=l/\left(\mathrm{\πd\δ\σ}\right)=0.00016l\sqrt{f}/d---\left(8\right)$

当频率较高，R3＞＞R’＝R1+R2时，电缆耦合的干扰电流按照10dB/10倍频程的规律随着频率的增加而减小，耦合电流包络曲线的拐点可按下式计算：

f＝5.1×10⁷R′²d²/l²                  (9)

③当中频时，在两个频率的拐点之间，视极限值包络曲线是一条直线，此时的极限电流电平的包络有效值为：

I(dB)＝20lg(E)+20lg(h)-20lgR′        (10)

峰值比有效值高20lg[2sin(πl/λ)]|_max＝6dB；

根据上述方法可建立出极限值曲线，可根据此曲线计算出极限值电平和测试频率范围；

步骤3：应用步骤2所建立的极限值曲线按照GJB152A的要求进行敏感度测试；

根据步骤2中建立的极限值曲线计算出极限值电平和测试频率范围，若在测试过程中设备的敏感极限电平比极限值电平低，则说明被试设备的敏感度测试不合格，相反则合格；

本发明的优点在于：

(1)可以更完备、准确地考核系统级传导敏感度试验结果；

(2)可得到极限值曲线和敏感极限值电平，使得系统级传导敏感度试验有了准确的测试依据和测试标准，系统级试验考核更完备、准确。

附图说明

图1是本发明传导敏感度检测方法流程图；

图2是本发明传导敏感度测试原理模型；

图3是本发明传导敏感度极限值计算曲线；

图4是本发明计算出来的传导敏感度极限值曲线与军标的对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种传导敏感度检测方法，如图1所示通过如下步骤实现：

步骤1：建立传导敏感度测试原理模型。

如图2所示，表示了大多数电缆安装的情况：长度为l的被试电缆2安装在测试设备的金属界面1上方，距金属反射面3(即“地面”)高度为h(l＞＞h)。被试电缆2通过所连接的设备与金属反射面3构成回路。该回路的阻抗由电缆2两端与地之间的负载电阻R1和R2，以及电缆2损耗R3共同构成。

步骤2：建立极限值曲线；

通过信号源产生干扰信号作用于被试电缆2，存在一个沿Z轴传播的电磁波作用于被试电缆2，这时回路耦合电压V₀可用下式表示：

$V_0=\mathrm{Eh}\sqrt{2(1-\cos \mathrm{\βl})}---\left(1\right)$

其中E表示被试电缆2与地之间的电场干扰强度；h表示的是被试电缆2相对地的高度；β表示电磁波传输因子；l表示被试电缆2长度；

等式(1)两边取以10为底的对数后，电压V₀用分贝(dB)可表示为

V₀(dB)＝20lg(E)+20lg(h)+10lg[2(1-cosβl)]

＝20lg(E)+20lg(h)+20lg|2sin(βl/2)|                 (2)

＝20lg(E)+20lg(h)+20lg|2sin(πl/λ)|

其中，λ为传播的干扰电磁信号的波长。

被试电缆2及其镜像构成了一根传输线，则传输线阻抗的模值|I|可表示为：

$\left|I\right|=\left|V_0\right|\sqrt{\frac{\frac{3600}{{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln }^2\left(\frac{D}{d}\right)+R^2\mathrm{ta}{n}^2\left(2\mathrm{\πf}\frac{l}{c}\right)}{\frac{14400}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\ln \left(\frac{2D}{d}\right)R^2+\frac{1296000}{{\mathrm{\ϵ}}_r^2}{\ln }^4\left(\frac{D}{d}\right)+\frac{7200}{{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln }^2\left(\frac{D}{d}\right)+R^4{\tan }^4\left(2\mathrm{\πf}\frac{l}{c}\right)}}---\left(3\right)$

其中D表示被试电缆2的外导体直径；d表示被试电缆2的内导体直径；f表示传输的干扰信号的频率；c表示传输的干扰信号的波速；ε_r表示被试电缆2内外导体之间绝缘体的介电常数；R表示被试电缆2输出端内外导体之间的负载阻抗。

由公式(2)和(3)可以得到频率较低时，频率较高时以及中频时三种状况的干扰电流与频率间的关系：

1、当频率较低时，l＜＜λ，πl/λ→0，则：

sin(πl/λ)≈πl/λ，因此可将公式(2)化简为：

V₀(dB)＝20lg(E)+20lg(h)+20lg(2πl/λ)                      (4)

公式(3)化简为：

$\left|Z\right|=\frac{\left|V_0\right|}{\left|I\right|}=R1+R2+R3---\left(5\right)$

其中|Z|表示为被试电缆2的输入阻抗。

综合公式(4)与(5)，并令R’＝R1+R2，得到

I(dB)＝20lg(E)+20lg(h)+20lg(2πl/λ)-20lgR′               (6)

公式(4)、(5)和(6)说明：当频率较低时，电缆2耦合的干扰电流按照20dB/10倍频程的规律随着频率的增加而增大；耦合电流的大小不受电路分布参数的影响；耦合电流包络曲线的拐点发生在f＝150/πl(单位：MHz)处，如图3所示。

2、当频率较高时，电缆2高频损耗不能忽略，被试电缆2成为有耗传输线。分布参数效应使阻抗的模值出现波动，但阻抗模值的包络曲线可以由R1、R2和电缆2的高频损耗电阻R3决定(平行双线可以忽略介质损耗)，即：

$\left|Z\right|=R1+R2+R3$

$=R^{\′}+l/\left(\mathrm{\πd\δ\σ}\right)---\left(7\right)$

$=R^{\′}+l\sqrt{\mathrm{\ω\μ}}/\left(\mathrm{\πd}\sqrt{2\mathrm{\σ}}\right)$

公式(7)中，δ和σ分别是电缆2金属材料的趋肤深度和电导率；ω表示信号的角频率；μ表示介质的磁导率。

对于电缆2常用的黄铜材料，其高频损耗电阻大约为(频率单位：MHz)：

$R3=l/\left(\mathrm{\πd\δ\σ}\right)=0.00016l\sqrt{f}/d---\left(8\right)$

可见，如图3所示，当频率较高(R3＞＞R’＝R1+R2)时，电缆耦合的干扰电流按照10dB/10倍频程的规律随着频率的增加而减小，耦合电流包络曲线的拐点可按下式计算(频率单位：MHz)：

f＝5.1×10⁷R′²d²/l²                       (9)

例如，对于导线直径2mm，长度2～10m的电缆，当R’＝5Ω时(设备机箱与地之间存在寄生电容效应，使阻抗降低)，拐点频率约为28.7MHz～717.2MHz。

3、当中频时，如图3所示，在两个频率的拐点之间，视极限值包络曲线是一条直线，此时的极限电流电平的包络有效值为：

I(dB)＝20lg(E)+20lg(h)-20lgR′             (10)

峰值比有效值大约高20lg[2sin(πl/λ)]|_max＝6dB。

例如：对于导线直径2mm，长度2～10m的电缆，当R’＝50Ω时，高度h＝5cm，辐射场强50V/m时，极限电流电平的包络有效值为94dBuA。

根据上述方法可建立出如图3所示的极限值曲线，可根据此图计算出极限值电平和测试频率范围。

步骤3：应用步骤2所建立的极限值曲线按照GJB152A的要求进行敏感度测试。

根据步骤2中建立的极限值曲线计算出极限值电平和测试频率范围，若在测试过程中设备的敏感极限电平比极限值电平低，则说明被试设备的敏感度测试不合格，相反则合格。

如图4所示的曲线是对5个设备通过此方法计算得出的敏感度极限值曲线，说明与GJB151A-97中规定的CS114试验极限值曲线保持了一致，说明本发明方法的可行性，同样适用于CS114试验。

Claims (1)

1.一种传导敏感度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立传导敏感度测试原理模型；

长度为l的被试电缆安装在测试设备的金属界面上方，距金属反射面高度为h，l＞＞h；被试电缆通过所连接的设备与金属反射面构成回路；该回路的阻抗由电缆两端与地之间的负载电阻R1和R2，以及电缆损耗R3共同构成；

步骤2：建立极限值曲线；

通过信号源产生干扰信号作用于被试电缆，存在一个沿Z轴传播的电磁波作用于被试电缆，这时回路耦合电压V₀用下式表示：

$V_0=\mathrm{Eh}\sqrt{2(1-\cos \mathrm{\βl})}---\left(1\right)$

其中E表示被试电缆与地之间的电场干扰强度；h表示的是被试电缆相对金属反射面的高度；β表示电磁波传输因子；l表示被试电缆长度；

等式(1)两边取以10为底的对数后，电压V₀用分贝表示为

V₀(dB)＝201g(E)+201g(h)+101g[2(1-cosβl)]

＝201g(E)+201g(h)+201g|2sin(βl/2)|           (2)

＝20lg(E)+201g(h)+20lg|2sin(πl/λ)|

其中，λ为传播的干扰电磁信号的波长；

被试电缆及其镜像构成了一根传输线，则传输线阻抗的模值|I|表示为：

$\left|I\right|=\left|V_0\right|\sqrt{\frac{\frac{3600}{{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln }^2\left(\frac{D}{d}\right)+R^2{\tan }^2\left(2\mathrm{\πf}\frac{l}{c}\right)}{\frac{14400}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\ln \left(\frac{2D}{d}\right)R^2+\frac{1296000}{{\mathrm{\ϵ}}_r^2}{\ln }^4\left(\frac{D}{d}\right)+\frac{7200}{{\mathrm{\ϵ}}_r}{\ln }^2\left(\frac{D}{d}\right)+R^4{\tan }^4\left(2\mathrm{\πf}\frac{l}{c}\right)}}---\left(3\right)$

其中D表示被试电缆的外导体直径；d表示被试电缆的内导体直径；f表示传输的干扰信号的频率；c表示传输的干扰信号的波速；ε_r表示被试电缆内外导体之间绝缘体的介电常数；R表示被试电缆输出端内外导体之间的负载阻抗；

由公式(2)和(3)得到频率较低时，频率较高时以及中频时三种状况的干扰电流与频率间的关系：

①当频率较低时，l＜＜λ，πl/λ→0，则：

sin(πl/λ)≈πl/λ，因此将公式(2)化简为：

V₀(dB)＝20lg(E)+201g(h)+20lg(2πl/λ)              (4)

公式(3)化简为：

$\left|Z\right|=\frac{\left|V_0\right|}{\left|I\right|}=R1+R2+R3---\left(5\right)$

其中|Z|表示为被试电缆的输入阻抗；

综合公式(4)与(5)，并令R’＝R1+R2，得到

I(dB)＝201g(E)+201g(h)+201g(2πl/λ)-20lgR′         (6)

公式(4)、(5)和(6)说明：当频率较低时，电缆耦合的干扰电流按照20dB/10倍频程的规律随着频率的增加而增大；耦合电流的大小不受电路分布参数的影响；耦合电流包络曲线的拐点发生在f＝150/πl处；

②当频率较高时，被试电缆成为有耗传输线；分布参数效应使阻抗的模值出现波动，但阻抗模值的包络曲线由R1、R2和电缆的高频损耗电阻R3决定，即：

$\left|Z\right|=R1+R2+R3$

$=R^{\′}+l/\left(\mathrm{\πd\δ\σ}\right)---\left(7\right)$

$=R^{\′}+l\sqrt{\mathrm{\ω\μ}}/\left(\mathrm{\πd}\sqrt{2\mathrm{\σ}}\right)$

公式(7)中，δ和σ分别是电缆金属材料的趋肤深度和电导率；ω表示信号的角频率；μ表示介质的磁导率；

对于电缆常用的黄铜材料，其高频损耗电阻为：

$R3=l/\left(\mathrm{\πd\δ\σ}\right)=0.00016l\sqrt{f}/d---\left(8\right)$

当频率较高，R3＞＞R’＝R1+R2时，电缆耦合的干扰电流按照10dB/10倍频程的规律随着频率的增加而减小，耦合电流包络曲线的拐点按下式计算：

f＝5.1×10⁷R′²d²/l²                    (9)

③当中频时，在两个频率的拐点之间，视极限值包络曲线是一条直线，此时的极限电流电平的包络有效值为：

I(dB)＝201g(E)+201g(h)-201gR′          (10)

峰值比有效值高201g[2sin(πl/λ)]|_max＝6dB；

根据上述方法建立出极限值曲线，根据此曲线计算出极限值电平和测试频率范围；

步骤3：应用步骤2所建立的极限值曲线按照GJB 152A的要求进行敏感度测试；

根据步骤2中建立的极限值曲线计算出极限值电平和测试频率范围，若在测试过程中设备的敏感极限电平比极限值电平低，则说明被试设备的敏感度测试不合格，相反则合格。

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