CN104502755A - 一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络及构建方法 - Google Patents

Abstract

一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络，它是由耦合单元和去耦单元组成；其耦合单元由电感、电容、电阻组成，其中电感电容串联添加串联谐振点，增大耦合干扰信号的频带，然后与两个并联的电阻串联，分别添加到信号线的正负两端；去耦单元由电感、电容、变压器组成，电感电容组成低通滤波器，用以滤除高频的噪声信号，串联变压器在不增加插入损耗的条件下增加共模抑制阻抗，有效抑制信号线中的共模噪声。一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络的构建方法，它有七大步骤。本发明克服了传统电容耦合的局限于一定带宽，局限于小信号干扰电压耦合的设计，拓宽了耦合频带范围，提供了较大的共模抑制阻抗。

Description

一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络及构建方法

技术领域

本发明涉及一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络及构建方法。该耦合网络单元在信号线缆的抗干扰度测量时，将大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲干扰信号注入到受试引线上，并把来自与受试设备相连的其他引线和设备的电流影响隔离开来。它属于无线电骚扰和抗扰度测量的电磁兼容领域。

背景技术

随着工业发展的需要，电子设备日益复杂，特别是模拟电路和数字电路混合的情况越来越多，电路的工作频率越来越高，这导致了电路之间的干扰日益严重，设备所处的电磁环境更加复杂，这就对设备的抗干扰能力提出了严峻的挑战，如何对设备抗干扰能力进行有效测试显得尤其重要。

去耦/耦合网络CDN(Coupling Decoupling Network)单元是射频感应的传导抗扰度测试系统的重要组成部分，其作用是将骚扰信号耦合到连接受试设备(EUT)的电缆上，同时避免对由同一信号或信号源供电的非受试设备产生不利的影响。去耦/耦合网络由去耦单元和网络单元组成，CDN网络的主要指标有共模阻抗，耦合系数和去耦系数。其中共模阻抗是指在受试端口上共模电压与共模电流之比；耦合系数是指在耦合装置的受试设备端口(EUT)所获得的开路电压与信号发生器输出端的开路电压之比；去耦系数是指当受试设备没有与去耦/耦合网络连接时，在去耦网络电源输入端上的残余浪涌电压与所施加电压之比。耦合网络的耦合方式应根据被试电路的功能和运行情况来加以选择，不合适的耦合网络则可能导致EUT端口的波形产生严重的畸变，不能良好的反映骚扰信号对受试设备的影响；然而去耦网络的选择既要提供较高的共模抑制阻抗，也要考虑到插入损耗的影响，去耦网络的串联阻抗常常成为限制数据传输有效带宽的主要因素。

去耦/耦合网络的研究已有很多，传导骚扰抗扰度试验测试系统中的耦合网络主要包括：用于屏蔽电缆的CDN-S型耦合、用于非屏蔽不平衡线的CDN-M型耦合网络、用于非屏蔽不平衡线的CDN-AF2耦合网络、用于非屏蔽平衡线的CDN-T2型耦合网络、用于非屏蔽平衡线的CDN-T4、T8型耦合网络。但是这些方法，由于结构原因大多数耦合网络在频率达到100KHz时使用时受到限制。然而日益严峻复杂的电磁环境下，我们愈发需要考虑大电流高功率宽频带的干扰信号注入线缆后设备的抗干扰能力，目前的耦合网络还没有相关的设计。

超宽带(Ultra Wideband－简称UWB)通信技术是一种新的无线通信技术。该技术以纳秒量级极窄脉冲为传输载体，通过脉冲的时位调制或极性调制来传输信息，特别适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。UWB极窄脉冲占据极宽的频带，典型UWB无线通信信号具有GHz以上的带宽。其极宽的频谱范围同时覆盖了许多常规无线通信系统，包括GPS、蜂窝移动通信系统、PCS、卫星射频通信以及各种无线互连系统，UWB信号将不可避免地对常规窄带通信系统产生干扰。通过研究表明，以高斯偶脉冲为主的多高斯偶脉冲作为测试信号，可以有效地模拟同时存在的多个信号、且每个信号包含多个频率所形成的电磁环境，它比常规的脉冲骚扰信号能够更加有效的代表复杂电磁环境下的干扰信号，对于我们开展传导敏感度试验具有重要的意义。

本发明设计的大电流高功率宽频带高斯偶脉冲信号线注入耦合网络对于进一步提高复杂电磁环境下传导敏感度试验的可靠性意义非凡。我们将大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲通过此注入网络注入到信号线线缆中，同时把来自与受试设备相连的其他引线和设备的电流影响隔离开来，可准确的反映在复杂电磁干扰环境下，信号线线缆上受到干扰情况，有助于优化抗干扰度测试。

发明内容

1、发明目的

由于电子设备随工业发展日益复杂，数模混合电路越来越多，电路的工作频率越来越高，电磁环境中的噪声干扰更加复杂，逐渐延伸到大电流高功率宽频带范围内，对设备的抗干扰能力提出了严峻的挑战。而目前传统的耦合网络只是针对简单的脉冲干扰信号，覆盖信号频带窄，功率低，不能很好的应用到如此宽频带大电流高功率的干扰信号注入抗扰度试验中。本发明提供一种针对此种大电流高功率宽频带复杂干扰信号类型的信号线耦合网络的构建方法。这种耦合网络通过简单的R、L、C电路，有效的将模拟复杂噪声的超宽带大功率高斯偶脉冲信号注入到信号线缆上，观察加上干扰信号后信号线输出端的信号受干扰情况，进行设备信号线抗干扰度测试。

2、技术方案

(1)本发明是一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络，它由去耦网络和耦合网络这两部分组成。它与现已存在的耦合网络不同之处在于，该耦合网络可适用于大电流高功率宽频带的复杂干扰信号，在本设计中以大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲干扰信号为例。

信号线去耦耦合网络的结构设计

本设计以大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲信号做干扰信号为例。去耦耦合网络主要分为两部分进行设计：耦合网络，去耦网络。耦合和去耦网络的主要指标有共模阻抗、耦合网络系数，去耦网络系数。其中共模阻抗是指在受试设备端口上共模电压与共模电流之比；耦合系数是指在耦合装置的受试设备端口所获得的开路电压与信号发生器输出端上的开路电压之比；去耦系数是指干扰信号通过耦合网络耦合到信号线输入端的干扰电压与信号发生器输出端上的干扰电压之比。

a.耦合网络结构设计

耦合网络作用是将干扰信号注入到信号线中。我们注入的高斯偶脉冲信号具有大电流高功率宽频带的特性。一般信号耦合到EUT上的方式有电容耦合和变压器耦合，其中电容传输时，信号的相位要延迟些，用变压器传输时，信号的高频成分要损失一些。对于本例子，我们选择耦合电容来进行耦合。

为了耦合宽频带的干扰信号，我们设计添加LC串联电路，这样添加了谐振点，优化了耦合网络的频率响应，扩大了宽带范围。耦合网络中还应加入串联电阻，串联电阻的参数设计可方便调节耦合到信号线网络上的电压，但是这个串联电阻不能过大，以免损耗太多能量，不能完整的将高斯偶脉冲信号耦合到信号线网络上。

b.去耦网络结构设计

去耦网络的作用是为浪涌波提供足够的去耦阻抗,避免浪涌窜入电网对由同一信号供电的非受试设备产生不利影响。此外,连接到同一信号的其他设备可能含有防雷器件,在不使用去耦网络的情况下,非受试设备上防雷器件会阻止EUT上浪涌的施加及影响浪涌试验结果。

去耦网络用来防止浪涌窜入电网影响其他非受试设备,可以通过设计LC低通滤波器,根据选择合适的极点频率,设计电路元件参数,使其去耦性能满足标准要求，滤除高频噪声。

一般来说，为了提高共模抑制阻抗，需要将LC低通滤波器的串联电感值设的较大。然而，对于频率较高的信号线来说，过大的串联阻抗抑制了信号的传输，使得到达负载端的信号能量大大削减。为了解决共模阻抗和有效传输带宽之间的矛盾，我们在去耦网络中添加了变压器，可以在保证较高频率时插入损耗不会过大的同时，提供较大的共模抑制阻抗。

(1)信号线去耦耦合网络的参数设计

a.耦合网络参数设计

为了将大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲干扰信号耦合到EUT端口，需要分别对耦合网络中LC串联电路参数、变压器参数、电阻参数进行设计。

该耦合网络与其他CDN网络耦合单元不同之处在于添加了LC串联电路时，增加了谐振点，耦合网络的频率响应范围也相应的增大,如此可扩宽通带频率范围。

在本设计中，我们选取L为0.5-1.5nH,C为0.5-1.5uF,串联的电阻阻值均为20-30欧姆。耦合网络的结构拓扑如图2所示。

在ADS仿真软件中对该耦合网络性能进行仿真分析。对信号线施加一个幅度为500V，脉冲宽度为4ns,周期为1ms的高斯偶脉冲干扰信号。干扰信号通过耦合网络耦合到信号线，仿真得到耦合到信号线端的电压如图6a-b所示。从图中可知耦合电压峰值为380V，且信号波形与原干扰信号波形相似度大，仍然保留高斯偶脉冲大电流高功率宽频带的特点,如图6-b中所示。该耦合网络的设计满足国家标准对耦合网络耦合性能的要求。

b.去耦网络参数设计

国家标准规定：“当受试设备、供电网络未与耦合/去耦网络连接时,在去耦网络信号输入端上的残余浪涌电压不应超过所施加电压的15％或信号电压峰值的两倍,两者中取大者”。即标准要求去耦网络对浪涌信号的衰减要≥16dB。

增大去耦网络中的电感或电容可显著降低信号端浪涌残余电压。若EUT额定电流较大,则考虑到信号电压降落的问题,宜选取小的电感值,相应要增大去耦电容值。L的选取不宜太大,否则既会使CDN上有较大的电压降落,又会造成电感体积庞大,给生产制造和安装带来不便。为了解决共模阻抗和有效传输带宽之间的矛盾，我们在去耦网络中添加了串联变压器，可以在保证较高频率时插入损耗不会过大的同时，提供较大的共模抑制阻抗。

在本设计中，以频率为1MHz的信号线的去耦网络为例，去耦网络中的电感值为4-6nH，并联电容值为0.5-1.5uF，串联变压器采用的是二级抽头变压器，变压器一级线圈电感值为400nH,并且一级线圈与二级两线圈之间的线圈比都为1.414，他们之间的耦合系数为0.9。去耦网络的结构如图3所示。

在ADS仿真软件中对该去耦网络单元性能进行仿真分析。对信号线施加一个幅度为500V，脉冲宽度为4ns,周期为1ms的高斯偶脉冲干扰信号。干扰信号通过耦合网络，去耦网络，然后到达信号线一侧的浪涌信号幅度较小达到mV级别，如图8所示。有仿真结果可见该去耦网络去耦性能良好，满足国家标准对去耦网络的要求。此外该去耦网络的插入损耗较小，信号线上信号电压仍然可以不失真的传输到负载端，如图7a-c所示。其共模抑制效果由于添加了二级抽头变压器，共模阻抗大大增加，如图10所示，说明该去耦网络可以很好的抑制共模噪声。

综上所述，本发明一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络，它是由耦合单元和去耦单元组成。其耦合单元由电感、电容、电阻组成，其中电感电容串联可添加串联谐振点，增大耦合干扰信号的频带，然后与两个并联的电阻串联，分别添加到信号线的正负两端。去耦单元由电感、电容、变压器组成，电感电容组成低通滤波器，用以滤除高频的噪声信号，串联变压器可在不增加插入损耗的条件下大大增加共模抑制阻抗，有效抑制信号线中的共模噪声。该CDN网络的性能仿真计算在仿真软件ADS中进行，电路连接方式如图4所示。干扰信号发生网络通过CDN网络的耦合单元与受试设备端相连，模拟信号线电压的电压源通过CDN网络的去耦单元连接到受试设备端。分别仿真该CDN网络的去耦性能，耦合性能以及共模抑制阻抗。

(2)本发明一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络的构建方法，该设计构建方法的具体实施步骤如下：

步骤一：建立大电流高功率宽频带高斯偶脉冲干扰信号发生器电路，如图1中所示。该电路由R、L、C电路连接组成微分电路，将输入到该电路中的宽脉冲序列，经过此微分电路转换，得到我们需要的高斯偶脉冲信号。微分电路参数的选取将影响着脉冲信号的带宽。

步骤二：设计耦合网络，它由LC谐振电路，串联电阻组成。耦合网络设计的作用是将干扰信号耦合到信号线上。

步骤三：设计去耦网络，它包括了电感电容组成的二阶低通滤波器，以及串联变压器。去耦网络设计的作用是避免浪涌窜入电网对由同一电源供电的非受试设备产生不利影响。

步骤四：添加电压源，设置其频率、幅值参数，模拟信号线给出的电压。添加负载，设置其阻抗参数，模拟受测仪器EUT端。

步骤五：将步骤一到步骤四中电路级联组成电磁敏感性测试电路。分别在信号发生器输出端，受测设备处添加电压探针，观测耦合到EUT上的信号，得到耦合系数。

步骤六：去掉信号源上的信号，观测干扰信号通过耦合网络、去耦网络后耦合到信号测的浪涌电压，得到去耦系数。

步骤七：仿真该网络的共模抑制阻抗。将干扰信号发生器电路用一个端接电阻代替，信号线测电压源开路，在负载端测量整个CDN网络的共模抑制阻抗。

3、优点及功效

1)该设计新颖之处在于耦合网络的设计。它克服了传统电容耦合的局限于一定带宽，局限于小信号干扰电压耦合的设计。该结构采用LC串联谐振电路，添加谐振频点，拓宽了耦合频带范围。同时它的去耦网络添加串联变压器的结构，可以在保证较高频率时插入损耗不会过大的同时，提供较大的共模抑制阻抗。

2)该设计使大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲信号注入到信号线网络中，相比目前的电磁传导敏感度试验，使得注入干扰可以有效地模拟同时存在的多个信号、且每个信号包含多个频率所形成的复杂电磁环境，优化了传统的传导敏感度实验。

3)该CDN网络的设计适用于频率较高的信号线网络设计，它在耦合系数、去耦系数、共模抑制阻抗上都有着很好的表现，可以很好的将干扰信号注入到信号线上，同时有效地阻止浪涌电压耦合到信号线一侧。

4)该设计结构简单，设计过程中根据不同的信号发生器输出阻抗和线地之间的阻抗，调节电阻即可实现良好的耦合去耦性能。结构参数少，大大节省设计的时间。

5)该设计中各元器件参数都是正常大小，成本较低，易于实现，方便应用到实际中去。

附图说明

图1是本发明中大电流高功率宽频带高斯偶脉冲干扰信号发生器电路

图2是本发明中耦合网络电路图

图3是本发明中去耦网络电路图

图4是本发明中整体传导敏感性测试电路图

图5a为信号发生器输出的高斯偶脉冲干扰信号在0-20ms时间段内的时域波形图

图5b为信号发生器输出的高斯偶脉冲干扰信号在0-5ns时间段内的时域波形图

图6a为电源线上没有电压源时，通过耦合电路耦合到受测设备端的干扰信号在0-20ms时间内的波形图

图6b是电源线上没有电压源时，通过耦合电路耦合到受测设备端的干扰信号在0-5ns时间内的波形图

图7a是电源线上有电压源时，通过耦合电路耦合到受测设备端的干扰信号在0-20ms时间内的波形图

图7b是电源线上有电压源时，通过耦合电路耦合到受测设备端的干扰信号在0-20μs时间内的波形图

图7c是电源线上有电压源时，通过耦合电路耦合到受测设备端的干扰信号在0-5ns时间内的波形图

图8是干扰信号通过耦合电路施加在信号线之间时，信号测的浪涌信号电压图

图9是仿真该CDN网络的共模抑制阻抗时的电路连接示意图

图10是该CDN网络的共模抑制阻抗曲线图

图11是本发明结构示意图

图中符号说明如下：

Out:信号发生器产生干扰信号输出端的电压探针

Vc:干扰信号经耦合网络耦合到受测设备端信号线上的电压探针

Vd:干扰信号经去耦网络在信号侧的浪涌信号电压探针。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明针对电磁敏感性实验设计了一种新型CDN去耦耦合网络。该CDN网络的设计区别于传统纯电容耦合的CDN网络设计，加入了LC谐振电路、匹配电阻、串联变压器等因素，实现了大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲干扰信号的注入，并保证涌入信号测浪涌信号很少。该高斯偶脉冲信号比常规的脉冲骚扰信号能够更有效的代表复杂电磁环境下的干扰信号，对于开展传导敏感度实验具有重要的意义。

见图11，本发明中的CDN去耦耦合网络由耦合网络和去耦网络组成，他们的拓扑结构分别如图2和图3所示。耦合网络由LC谐振电路、匹配电阻、耦合变压器组成。图2中耦合网络的参数如下：电感L2值为0.5-1.5nH,电容C2为0.5-1.5uF，电阻R3，R4均为20-30ohm。去耦网络由LC二阶低通滤波器和变压器组成，图3中去耦网络的参数如下：LC低通滤波器电路中电感线圈的电感L3，L4值均为4-6nH，并联电容C3，C4值均为0.5-1.5uF，串联变压器采用的是二级抽头变压器XFer2，变压器一级线圈L1电感值为400nH,一级线圈与二级两线圈之间的线圈比N12,N13均为1.414，并且一级线圈与二级线圈之间的耦合系数为0.9。该拓扑结构中LC低通滤波器可滤除高频噪声，串联变压器可并同时保证较小的插入损耗和较大的共模阻抗，抑制共模信号传输，有效的抑制信号线上可能存在的共模噪声。

为了验证该新型CDN电路的性能，我们在ADS中搭建电路进行仿真分析。大电流高功率宽频带的高斯偶脉冲干扰信号由干扰信号发生电路提供，如图1所示。该电路中输入一个宽脉冲序列，经过微分电路转换，得到高斯偶脉冲信号。图1中干扰信号发生电路的参数如下：R1为68kohm，R2为25ohm，C1为32pF，L1为1400uH，输入电压源幅度为600V，延迟为0ns，脉冲宽度2ns，周期为1ms，电路最终可产生幅度为500V，偶脉冲宽度为4ns，周期为1ms的高斯偶脉冲干扰信号。

在进行传导敏感度试验仿真的时候，信号线与上述去耦网络相连，然后接到负载端。信号发生器提供高斯偶脉冲干扰信号，然后通过上述耦合网络注入到负载端。传导敏感度试验仿真电路如图4所示。

按照图4中电路连接，设好元器件参数之后，我们来仿真传导敏感度试验中这种新型的CDN耦合去耦网络的耦合和去耦性能。步骤如下：

步骤一：将信号发生器电路中的信号设置为幅值为600V，脉冲宽度为2ns，周期为1ms的脉冲信号。经过信号发生器电路，我们以期得到一个脉冲宽度为4ns,周期为1ms的大电流高功率宽频带高斯偶脉冲干扰信号。在图4中电阻R2端口设置一个电压探针，命名为out，使用transient控件仿真out探针处的输出电压，即信号发生器的输出干扰信号，如图5a-b所示。其中图5a是在0-20ms时间段的干扰信号波形，图5b是将时间段缩短，观察该高斯偶脉冲信号的波形。可以看到我们得到了所需的脉冲幅度最大值为500V，宽度为4ns,周期为1ms的大电流高功率宽频带高斯偶脉冲干扰信号。

步骤二：将模拟信号线上电压的电压源设置为deactive的状态。通过耦合网络将信号发生器中的高斯偶脉冲信号耦合到受测设备端的信号线上。如图4所示，在用来代表受测设备的R5一端添加一个电压探针，命名为Vc，再次仿真，观察干扰信号在受测设备负载端耦合的电压值，如图6a-b所示。其中图6a代表0-20ms时间段内的耦合干扰信号，图6b代表将a图中的尖峰信号放大时，观察到的干扰信号波形。可以看到，耦合到负载端的干扰信号仍然是一个高斯偶脉冲波形，脉冲最大值为380V，宽度为4ns,周期为1ms。将其与输入的干扰信号作比较，耦合效率较高，信号波形不失真，耦合情况良好。

步骤三：去掉步骤二中电压源的deactive状态，将其设置为幅值为10V，频率为1MHz，模拟日常中的信号线电压。再次仿真，观察探针Vc端的电压。此时的电压即为受测设备正常工作时，信号线上耦合干扰信号后的波形。如图7a-c所示，其中图7a为0-20ms时间段内的波形信号，图7b为0-20us时间段内的波形信号；图7c为将该波形上的0-5ns处尖峰信号放大后的波形信号。我们可以看到，正常工作时施加干扰信号，受测设备端的信号为信号电压和干扰信号的叠加。

步骤四：继续将模拟信号线上电压的电压源设置为deactive的状态。按照图4中去耦网络中的耦合电容C5端添加电压探针，命名为Vd。再次仿真，此时观察干扰信号在信号侧残留的浪涌信号大小。观察到的波形如图8所示，可以看到500V的高斯偶脉冲信号经过去耦网络的滤波只在信号一侧残留极少的mV级的浪涌信号。仿真结果证明该耦合去耦网络能够满足国家关于“去耦网络对浪涌信号的衰减要≥16dB”的规定。

步骤五：将图4中的干扰信号发生器网络去掉，用一个端接电阻来代替。去掉模拟信号线上电压的电压源，将其开路。在负载端添加共模阻抗仿真电路，如图9所示，为仿真CDN网络共模阻抗的连接电路示意图。去掉模拟受测设备负载的电阻，并添加一个4端口巴伦balun，分别与原负载的两端相连。在4-port Balun的Common输出端加上Term1，在DIFF输出端添加Term2，通过S parameter控件仿真得到Common输出端的共模阻抗。如图10所示，可知该CDN网络具有较大的共模抑制阻抗。

Claims (2)

1.一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带信号线注入耦合网络，其特征在于：它是由耦合单元和去耦单元组成；其耦合单元由电感、电容、电阻组成，其中电感电容串联添加串联谐振点，增大耦合干扰信号的频带，然后与两个并联的电阻串联，分别添加到信号线的正负两端；去耦单元由电感、电容、变压器组成，电感电容组成低通滤波器，用以滤除高频的噪声信号，串联变压器在不增加插入损耗的条件下增加共模抑制阻抗，有效抑制信号线中的共模噪声。

2.一种高斯偶脉冲大电流高功率宽频带的信号线注入耦合网络的构建方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：建立大电流高功率宽频带高斯偶脉冲干扰信号发生器电路，该电路由R、L、C电路连接组成微分电路，将输入到该电路中的宽脉冲序列，经过此微分电路转换，得到需要的高斯偶脉冲信号，微分电路参数的选取将影响着脉冲信号的带宽；

步骤二：设计耦合网络，它由LC谐振电路，串联电阻组成，耦合网络设计的作用是将干扰信号耦合到信号线上；

步骤三：设计去耦网络，它包括了电感电容组成的二阶低通滤波器，以及串联变压器；去耦网络设计的作用是避免浪涌窜入电网对由同一电源供电的非受试设备产生不利影响；

步骤四：添加电压源，设置其频率、幅值参数，模拟信号线给出的电压，添加负载，设置其阻抗参数，模拟受测仪器EUT端；

步骤五：将步骤一到步骤四中电路级联组成电磁敏感性测试电路，分别在信号发生器输出端，受测设备处添加电压探针，观测耦合到EUT上的信号，得到耦合系数；

步骤六：去掉信号源上的信号，观测干扰信号通过耦合网络、去耦网络后耦合到信号测的浪涌电压，得到去耦系数；

步骤七：仿真该网络的共模抑制阻抗，将干扰信号发生器电路用一个端接电阻代替，信号线测电压源开路，在负载端测量整个CDN网络的共模抑制阻抗。