高功率電磁環境效應檢測技術范文

本站小編為你精心準備了高功率電磁環境效應檢測技術參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：

對電子系統強電磁環境實驗效應檢測技術研究現狀進行了系統的研究分析，提出通過對內部電路節點電壓信號實時監測實現無人機電子系統強電磁環境效應檢測判斷的方法。設計了以阻抗變換和電光轉換電路為核心的光纖輸出型電壓探頭，實現1MΩ高輸入阻抗、DC–450MHz帶寬、數百m傳輸距離等技術要求。在無人機系統強電磁脈沖環境實驗中利用所設計的電壓探頭實現了無人機舵機、飛控、鏈路等電路節點工作電壓信號波形的遠程監測，獲取了無人機電路節點耦合的電壓脈沖波形。

關鍵詞：

高功率電磁環境；效應；檢測；電壓探頭

電子器件／系統在強電磁環境（HPEM）下會產生擾亂、翻轉、中斷、損傷等效應現象［1－2］，強電磁環境生成技術的發展已經可以對直升機、計算機等軍／民用設備電子系統構成威脅，開展電子系統強電磁環境適應性測試已成為現實需要。電子系統在強電磁環境下發生的效應現象既有長期效應（中斷、損傷等），也有短期甚至瞬態效應［1］。美國MURI計劃效應研究專項［3］指出電子系統強電磁環境實驗的難點在于檢測、鑒別、跟蹤和確認各種效應現象。瞬態效應因為持續時間短、隨機性和突發性強，檢測跟蹤確認的難度最大，但是其所需要的電磁環境強度低，對電子系統強電磁環境適應性分析評估和可靠性設計具有重要價值［2］。國內一些單位近年來針對無人機抗電磁干擾問題開展了一系列理論分析、仿真建模和效應評估研究［4－5］，本文根據準確定位強電磁環境下無人機系統發生異常的部位，為機理分析和防護加固設計提供電路層面檢測數據等實驗需求專門研究效應檢測技術，期望實現無人機系統各種HPEM效應的有效檢測。

1效應檢測方法研究

電子系統強電磁環境實驗方法已有一些規范標準［6］，但是此類實驗所采用的效應檢測方法目前尚無規范和標準，專門研究強電磁環境實驗效應檢測方法的文獻也較少。為設計無人機系統強電磁環境效應檢測方法，對散見于文獻中關于器件級、電路級和系統級強電磁環境效應實驗效應檢測方法的信息進行分析。文獻［7］研究了高功率微波（HPM）脈沖對CMOS反相器集成電路產生翻轉（Upset）效應的機理，文獻［8］研究了瞬態抑制二極管（TVS）、靜電放電二極管（ESD）等防護器件對HPM脈沖信號的抑制效果。文獻作者均針對被測器件設計了專用測試電路，并預留HPM信號注入端口和檢測點，采用常規的示波器電壓探頭（見圖1（b）中probe1，2）對被測器件節點電壓信號進行監測，如圖1所示。文獻［9］對某加密電路開展了電磁脈沖瞬態干擾實驗，如圖2所示。在電路板上預留SMA形式的觀察端口，對電源VDD／GND及加密芯片（FPGA）引腳電壓進行檢測，文獻觀察到電磁脈沖瞬態干擾導致的加密失敗和錯誤。文獻［1］在微控制器和微處理器HPM敏感度測試中在I／O芯片引腳上接入LED燈，作為效應檢測裝置，通過LED燈判斷系統在HPM作用下是否重啟，運行狀態是否正常。通過對比實驗和逐級跟蹤，最終發現重置引腳線路長度對微控制器效應閾值影響最大，電源、時鐘等線長度也有影響，而時鐘頻率、數據線長度等影響不大。文獻［10］提到美國外場直升機系統HPM環境試驗監測內容包括以下四項：①直升機附近HPM場強；②直升機殼體內部HPM場強；③直升機線纜上耦合的HPM脈沖信號；④直升機不同部位工作信號。文章特別指出對直升機不同部位工作信號的監測是檢測“Upset”等效應現象的唯一手段，是某些系統（直升機操控界面無顯示）健康狀況的唯一指示。以上研究表明，通過監測電子系統（無論器件、電路或系統級設備）關鍵電路節點電壓信號，可以檢測電子系統在強電磁環境下發生的長／短期效應，記錄瞬態效應現象發生過程，最終實現各種效應現象的鑒別、跟蹤和確認，這個過程與電子電路故障診斷的一般方法類似［11］。根據以上認識，擬通過對無人機飛控計算機、舵機、傳感器（包括陀螺和磁航向傳感器等）、數傳鏈路和電源等主要機載電子設備電路節點電壓信號的監測，實現無人機系統強電磁環境效應的檢測。

常規示波器電壓探頭在無人機系統強電磁環境實驗中應用存在以下困難：①探頭輸出電信號難以遠距離傳送，如果接常規的電光轉換模塊，則會顯著增大探頭的體積，難以放入被測設備殼體內部；②如果將FET電壓探頭同軸導線穿過設備殼體外接電光轉換模塊，不僅電壓探頭同軸線自身會感應很強的信號［12］，干擾待測信號，而且會顯著改變被測設備的電磁耦合特性，文獻［13－14］對此有專門介紹。在無人機系統強電磁環境實驗中，需要一種光纖輸出的電壓探頭，同時滿足高輸入阻抗、寬帶、遠距傳輸、小體積、抗電磁干擾等技術要求。文獻［15－16］介紹了兩種基于電光晶體的電壓探頭，用于高速電路PCB故障檢測診斷，文獻［17］介紹了一種基于反射式電致吸收調制器的電壓探頭，用于集成電路管芯測試。此類探頭多采用專用芯片和光學器件，工藝復雜，并未商用化，難以在無人機系統強電磁環境實驗中應用。本文借鑒示波器電壓探頭和電光轉換模塊電路，專門設計一款高阻輸入、光纖輸出的電壓探頭，用于無人機系統強電磁環境實驗效應檢測。

2電壓探頭設計

電壓探頭的設計思路是：阻抗變換器提取待測電路節點電壓信號，輸出信號調制激光二極管（LD），將節點電壓信號轉換為光信號，實現高阻輸入和光纖輸出兩個主要特性。為控制探頭體積，將探頭分壓限幅電路、電源電路、激光二極管偏置耦合電路等進行集成設計，如圖3所示。阻抗變換器是電壓探頭實現高阻輸入特性的核心部件，節型場效應管（JFET）器件構成的源極跟隨電路（SFC）是目前唯一成熟的實現形式［18］，其基本電路原理如圖4所示，其中I為偏置電流源，RL為激光器等效負載。利用FET器件柵極電壓與漏－源極電流之間的跨導特性實現電壓－電流轉換，可以在較寬的頻帶范圍內實現較高的輸入阻抗。本設計在基本源極跟隨電路電源軌加入自舉電路，進一步減小寄生電容對電路輸入阻抗的影響，提高緩沖電路的寬帶高輸入阻抗特性［19］。阻抗變換器PCB設計盡量減小布線寄生電容。激光二極管是完成待測信號電／光轉換的核心，本設計選擇某型激光二極管，其閾值電流約1mA，是傳統DFB型激光二極管閾值電流的1／10，轉換效率0．6mW／mA，是典型DFB型LD的2．5倍，該選型可顯著降低對阻抗變換器輸出電流驅動能力的要求，簡化激光二極管偏置耦合電路，實現寬帶直流耦合調制，同時降低電壓探頭功耗，減小探頭電池容量要求，從而顯著減小探頭的體積。采用儲能密度較高的鋰電池為電壓探頭供電，集成設計板載電源調理電路，實現鋰電池輸出（3．6～4．0V）雙極化、升壓、穩壓和紋波凈化，為核心電路提供DC±5V電源。圖5是設計實現的光纖輸出型電壓探頭，探頭尺寸62mm×28mm×18mm，SMA接口輸入，FC／PC光纖插口輸出。根據電壓探頭輸出光信號特征匹配設計五通道直流耦合光電轉換模塊，如圖6所示。電壓探頭（含光電轉換模塊）實測技術指標如下：帶寬DC－450MHz（見圖7），瞬時動態范圍23dB（見圖8），基線噪聲Vpp≤10mV，續航時間超過3h。

3實驗測試

電壓探頭設計輸入阻抗1MΩ，與商用示波器電壓探頭輸入阻抗相同。采用商用探頭和本文設計的光纖輸出型電壓探頭分別檢測無人機數傳鏈路關鍵節點電壓信號，如圖9所示。測試結果表明電壓探頭對無人機電路負載效應很小，不影響無人機電路工作，檢測波形與商用探頭檢測波形相似，通過該波形可以判斷無人機鏈路工作狀態。電壓探頭采用直流耦合設計，因此在圖9（c）中波形存在基線高度，通過該基線可以實時判斷電壓探頭是否正常，為效應實驗結果判別提供便利。調整電壓探頭分壓電路分壓比，接入無人機飛控計算機、舵機、傳感器、數傳鏈路和電源等電路模塊關鍵節點，在HEMP環境模擬器生成強場下開展測試。圖10是利用電壓探頭檢測的無人機電路模塊關鍵節點處耦合的HEMP脈沖信號（通道1，2是無人機控制電路節點檢測的耦合脈沖，通道4是用于示波器觸發的HEMP場監測波形）。由圖可見無人機電路節點上耦合有電壓脈沖，波形與文獻［3］仿真結果類似。圖11是不同場強下無人機舵機控制電路節點耦合電壓脈沖峰峰值監測結果，由圖可見在測試范圍內，該節點耦合電壓與場強接近線性關系，對該測試結果進行數據擬合，計算出無人機縱軸Z與電場E平行時舵機控制電路節點HEMP耦合等效電長度約5．8cm。在55．3kV／m場強下，當Z平行于E時，該節點耦合電壓2．87kV，當E與Z夾角45°時，該節點耦合電壓1．95kV，比例關系符合cos45°預期。

4結論

本文通過對文獻中電子元器件、電路板、設備等不同層面電子系統HPEM測試效應檢測方法的跟蹤研究以及電子電路常規故障診斷方法的分析，選定在系統內部電路節點布設電壓探頭，獲取系統在電路層面工作狀態信息和耦合脈沖參數，實現無人機強電磁環境實驗效應現象跟蹤定位及機理分析的檢測方法。分析了商用示波器電壓探頭的應用限制，針對性的設計了光纖輸出型電壓探頭，實現1MΩ高輸入阻抗、DC－450MHz帶寬、數百m傳輸距離、小尺寸等技術要求。在無人機系統強電磁環境實驗中利用所設計的電壓探頭實現了無人機舵機、飛控、鏈路等電路節點工作電壓信號波形的遠程監測，測試獲取了無人機電路節點在HEMP強場中耦合的電壓脈沖波形，初步分析了耦合電壓脈沖幅度變化規律。實驗結果表明，本文采用的效應檢測方法及設計的電壓探頭可以用于復雜設備系統級HPEM環境效應實驗，通過進一步優化改進，可能滿足更高要求設備的HPEM環境效應檢測需要。

作者：閆軍凱 郝文析 劉小龍 燕有杰 劉真 單位：西北核技術研究所，高功率微波技術重點實驗室