CN113447742A - 一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统 - Google Patents

一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统 Download PDF

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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/001—Measuring interference from external sources to, or emission from, the device under test, e.g. EMC, EMI, EMP or ESD testing

Abstract

本发明公开了一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，该系统中：传感器将电场信号转换为电压信号输出；传感器的输出经衰减器后传输至高速积分匹配电路；高速积分匹配电路的输出经电光转换模块后，由电信号转换光信号；光电转换模块将光信号还原为电信号，并送给采集卡或示波器；采集卡或示波器将电信号数字化并传递给控制计算机，控制计算机计算波形的场强幅度、脉冲上升/下降时间、脉冲半高宽并显示。高速积分匹配电路中，采用高压摆率的电流反馈运算放大器及外围电路完成信号的积分还原处理，同时电路的输出阻抗与电光转换模块的阻抗匹配。本发明可快速准确的测量峰值场强幅度、脉冲上升/下降时间、脉冲半高宽。

Description

一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统
技术领域
本发明涉及电磁环境效应试验领域，尤其涉及一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统。
背景技术
超宽谱高功率微波是一种脉宽极窄的瞬态电磁脉冲，无载波，脉冲宽度(半高宽)在纳秒量级，脉冲上升/下降时间在亚纳秒量级，典型时域波形和频谱分布如图1所示。
宽谱高功率微波与超宽谱高功率微波类似，但脉冲半高宽为数十纳秒量级，脉冲上升/下降时间在纳秒量级，典型时域波形和频谱分布如图2所示。
宽谱高功率微波和超宽谱高功率微波产生的电磁环境场强非常高(一般在1kV/m～100kV/m范围内)，为保证信号的准确传输和降低强电磁环境对测试人员、仪表的影响，通常采用光纤作为传输介质，并将测试设备放置于远离测点的屏蔽室内。
常见的宽谱/超宽谱电磁环境测试系统框图如图3所示。传感器采用渐进圆锥D-dot，经衰减后的信号通过电光、光电转换后再由高速采集卡或数字示波器进行波形采集，控制计算机对采集到的波形进行数字积分后，计算得到峰值场强幅度、脉冲上升/下降时间、脉冲半高宽。
采用上述系统进行电磁环境测试有以下不足之处。
一方面，在未知被测信号上升/下降时间的大概范围时，传感器的输出信号幅度变化较大，以商用D-dot探头SFE3-5G为例，不同峰值场强、不同脉冲上升时间的探头输出电压见下表。
表1不同参数时探头的输出电压
Figure BDA0003131022440000011
Figure BDA0003131022440000021
由上表可以看出，脉冲上升时间0.5ns～2.5ns、脉冲峰值场强为1kV/m～100kV/m范围内，SFE3-5G的输出电压在0.78V～389.2V范围内，动态范围约54dB，且脉冲上升/下降时间的范围越大，输出电压的动态范围越大。一般高速采集卡或数字示波器在的电压动态范围约40dB，在脉冲上升/下降时间未知范围的情况下，对于单次猝发的宽谱/超宽谱电磁环境，采集卡或示波器的动态无法覆盖传感器的输出电压范围。
另一方面，采用数字积分方式还原的波形易受直流偏置的影响，直流偏置值设置不合适，还原的波形产生畸变(图4～图5为还原后产生畸变的波形，图6为正常还原的波形)。
若将数字积分改为无源RC积分方式的话，有以下问题。
若将无源RC积分器放置于电光转换模块之前，一方面，无源RC积分输出的阻抗为电容，与后级电光转换模块的阻抗不匹配，严重影响电信号光传输的幅频、相频特性；另一方面，无源RC积分与电光转换模块之间连接线缆的电感导致积分器的高频响应明显变差。
若将无源RC积分器放置于光电转换模块之后，由于光电模块输出的电压受限(一般为不高于1V)，积分后的电压最大值为微伏至毫伏量级，采集卡或示波器无法准确采集弱小电压信号。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，该系统包括依次连接的传感器、衰减器、高速积分匹配电路、电光转换模块、光电转换模块、采集卡或示波器、控制计算机；其中：
传感器将电场信号转换为电压信号输出；传感器的输出经衰减器后传输至高速积分匹配电路；高速积分匹配电路的输出经电光转换模块后，由电信号转换光信号；光电转换模块将光信号还原为电信号，并送给采集卡或示波器；采集卡或示波器将电信号数字化并传递给控制计算机，控制计算机计算波形的场强幅度、脉冲上升/下降时间、脉冲半高宽并显示。
进一步地，本发明的所述高速积分匹配电路中，采用高压摆率的电流反馈运算放大器及外围电路完成信号的积分还原处理，同时电路的输出阻抗与电光转换模块的阻抗匹配。
进一步地，本发明的所述高速积分匹配电路中：
天线或天线后端衰减器的阻抗等效为电阻R1，电阻R2、电容C1组成无源积分电路，电阻R2、电容C1的乘积影响系统的低频带宽和灵敏度，电阻R2、电容C1的公共端连接到电流反馈放大器U1的正输入端；电流反馈放大器U1的输出端连接高速积分匹配电路的匹配电阻R3，用于和后级输入电阻R4进行匹配。
进一步地，本发明的所述电流反馈放大器U1的压摆率不小于5000V/us，带宽不小于0.35/Tr，Tr为瞬态脉冲信号的上升/下降时间。
进一步地，本发明的所述电流反馈放大器U1的正输入端输入阻抗为数百千欧到兆欧量级，信号频率高于无源积分的低频转折频率的条件下，电流反馈放大器U1的正输入端输入阻抗远大于积分电容C1的阻抗。
本发明产生的有益效果是：本发明的宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，可快速准确的测量峰值场强幅度、脉冲上升/下降时间、脉冲半高宽；高速积分匹配电路完成信号积分还原的同时，与后级电路进行阻抗匹配，可实现信号的远距离光传输；外围电阻电容容易调整，在天线参数已知的条件下，便于调整系统的灵敏度；高速积分匹配电路的电流反馈运算放大器可提供一定的电压增益。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是典型的超宽谱高功率微波的时域波形和归一化能量谱分布图。
图2是典型的宽谱高功率微波的时域波形和归一化能量谱分布图。
图3是常用的宽谱/超宽谱测试系统框图。
图4是宽谱波形经数字积分还原后的畸变图(直流偏置过大)。
图5是宽谱波形经数字积分还原后的畸变图(直流偏置过小)。
图6是宽谱波形经数字积分还原后的正常还原图。
图7是高速积分匹配电路的原理图。
图8是基于高速积分匹配电路的测试系统框图。
图9是典型D-dot天线的幅频响应图。
图10是高速积分匹配电路的幅频响应图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例采用高压摆率的电流反馈运算放大器及外围电路完成信号的积分还原处理，同时电路的输出阻抗与电光转换模块的阻抗匹配。高速积分匹配电路如图7所示。
R1为天线或天线后端衰减器的阻抗，R2、C1组成无源积分电路，R2C1的乘积影响系统的低频带宽和灵敏度，R2、C1的公共端连接到电流反馈放大器U1的正输入端。电流反馈放大器U1的压摆率不小于5000V/us，带宽不小于0.35/Tr(Tr为瞬态脉冲信号的上升/下降时间)。U1的正输入端输入阻抗通常为数百千欧到兆欧量级，信号频率高于无源积分的低频转折频率的条件下，U1的正输入端输入阻抗远大于积分电容C1的阻抗。R3为高速积分匹配电路的匹配电阻，用于和后级输入阻抗R4进行匹配。
采用高速积分匹配电路的测试系统框图如图8所示。
如图8所示，D-dot传感器将电场信号转换为电压信号输出，传感器的典型幅频响应如图9所示，可以看出传感器的输出电压正比于为被测电场的微分(每10倍频程20dB增益)。
传感器的输出经衰减器(也可能不用)后到高速积分匹配电路，高速积分匹配电路的幅频响应如图10所示，可以看出高速积分匹配电路的输出为输入信号的积分(每10倍频程20dB衰减)。
高速积分匹配电路的输出经电光转换模块后，由电信号转换光信号。
光电转换模块将光信号还原为电信号，并送给高速采集卡或数字示波器。
高速采集卡或数字示波器将模型信号数字化并传递给控制计算机，计算机计算波形的场强幅度、脉冲上升/下降时间、脉冲半高宽并显示。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，其特征在于，该系统包括依次连接的传感器、衰减器、高速积分匹配电路、电光转换模块、光电转换模块、采集卡或示波器、控制计算机；其中：
传感器将电场信号转换为电压信号输出；传感器的输出经衰减器后传输至高速积分匹配电路；高速积分匹配电路的输出经电光转换模块后，由电信号转换光信号；光电转换模块将光信号还原为电信号，并送给采集卡或示波器；采集卡或示波器将电信号数字化并传递给控制计算机，控制计算机计算波形的场强幅度、脉冲上升/下降时间、脉冲半高宽并显示。
2.根据权利要求1所述的宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，其特征在于，所述高速积分匹配电路中，采用高压摆率的电流反馈运算放大器及外围电路完成信号的积分还原处理，同时电路的输出阻抗与电光转换模块的阻抗匹配。
3.根据权利要求2所述的宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，其特征在于，所述高速积分匹配电路中：
天线或天线后端衰减器的阻抗等效为电阻R1，电阻R2、电容C1组成无源积分电路，电阻R2、电容C1的乘积影响系统的低频带宽和灵敏度，电阻R2、电容C1的公共端连接到电流反馈放大器U1的正输入端；电流反馈放大器U1的输出端连接高速积分匹配电路的匹配电阻R3，用于和后级输入电阻R4进行匹配。
4.根据权利要求3所述的宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，其特征在于，所述电流反馈放大器U1的压摆率不小于5000V/us，带宽不小于0.35/Tr，Tr为瞬态脉冲信号的上升/下降时间。
5.根据权利要求3所述的宽谱/超宽谱电磁环境测试系统，其特征在于，所述电流反馈放大器U1的正输入端输入阻抗为数百千欧到兆欧量级，信号频率高于无源积分的低频转折频率的条件下，电流反馈放大器U1的正输入端输入阻抗远大于积分电容C1的阻抗。
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