CN105223440B - 一种电磁抗扰度测试系统的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁抗扰度测试系统的建立方法，所述测试系统包括依次连接的测量系统、控制系统、脉冲高压源和有界波导传输线，所述脉冲高压源设置为两个；所述测试系统的建立方法为：步骤一：根据理论电磁脉冲辐射场中的长脉冲和短脉冲，分别确定瞬变电磁场的技术参数；步骤二：根据所述技术参数，进行有界波导传输线和两个脉冲高压源的参数设定；步骤三：将所述两个脉冲高压源分别与有界波导传输线连接；步骤四：验证实际电磁脉冲辐射场的技术参数偏差是否符合设计标准，本发明能够提高被测设备的使用寿命和环境适应性，节约成本，具有设计精准度高，系统参数的实际参考价值大，能够灵活配置各种实验环境，实用性强的特点。

Description

一种电磁抗扰度测试系统的建立方法

技术领域

本发明涉及一种激光设备技术领域，具体而言涉及一种电磁抗扰度测试系统的建立方法。

背景技术

电场和磁场的交互变化产生电磁波，电磁波向空中发射或泄露的现象，叫电磁辐射。电磁辐射是以一种看不见、摸不着的特殊形态存在的物质。电气设备工作在瞬态强放电场合下，在运行过程中易受到电磁干扰，尤其，在脉冲发生过程中，会受到严重的电磁干扰，进而影响设备的采样、反馈、触发等信号控制操作，降低设备的技术性能指标。

“电磁污染”已成为继大气污染、水污染、固体废弃物污染和噪声污染之后的第五大污染，它直接作用于设备或人体，是危害严重的“隐形杀手”。因此，电磁辐射问题越来越受到世界各国的普遍重视。

在实验室条件下，短脉冲、长脉冲对设备造成电磁干扰的结果不同，为了抑制电磁干扰对设备的影响，需要开展电磁兼容技术研究，为提高设备抗电磁脉冲干扰能力提供技术支持。为此，需要研发一套用于模拟实际辐射环境的瞬态电磁抗扰度试验系统，用于检测被测设备的抗干扰能力。

发明内容

本发明提供了一种电磁抗扰度测试系统的建立方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电磁抗扰度测试系统的建立方法，所述测试系统包括依次连接的测量系统、控制系统、脉冲高压源和有界波导传输线，所述脉冲高压源设置为两个；

所述测试系统的建立方法为：

步骤一：根据理论电磁脉冲辐射场中的长脉冲和短脉冲，分别确定瞬变电磁场的技术参数；

步骤二：根据所述技术参数，进行有界波导传输线和两个脉冲高压源的参数设定；

步骤三：将所述两个脉冲高压源分别与有界波导传输线连接；

步骤四：验证实际电磁脉冲辐射场的技术参数偏差是否符合设计标准。

进一步，所述步骤一中的技术参数包括脉冲电场幅值、脉冲宽度T_h、脉冲上升时间T_r。

进一步，所述有界波导传输线设置为线栅锥状、分布式结构，其包括子辐射线缆和支撑框架，所述子辐射线缆包括导线、吸收电阻R₁和绞杠。

进一步，所述有界波导传输线的参数包括特性阻抗Z，其设定方法为：所述支撑框架的高度为H，所述有界波导传输线的宽度为W，则所述有界波导传输线的特性阻抗

进一步，所述支撑框架的高度H为试验区域高度的3-4倍，所述试验区域设置为0.5m*0.5m*0.5m，所述有界波导传输线的宽度W设置为2.3-2.6m。

进一步，所述吸收电阻R₁设置为固体电阻，并且所述吸收电阻R₁等于有界波导传输线的特性阻抗Z。

进一步，所述脉冲高压源包括高压直流充电电源、Marx发生器，所述Marx发生器包括外壳体、电容器C_m、气体间隙开关和放电电阻R₂，所述脉冲高压源的参数设定包括电容值C、电感值L和脉冲电压幅值，所述脉冲电压幅值与脉冲电场幅值、支撑框架的高度H匹配，所述放电电阻R₂与吸收电阻R₁相等。

进一步，所述电容器C_m的电容值C的设定方法为：

(1)忽略整个放电回路的电感参数，得到简化的电容器C_m放电等效电路；

(2)等效电路满足一阶齐次微分方程：

(3)气体间隙开关动作前，电容器C_m的初始电压为U₀，求得步骤(2)中微分方程的解：

(4)放电电阻R₂上的电压为U_R2，则

(5)U_R2的峰值为U₀，当U_R2＝U₀/2时，T＝T_h，且T_h＝0.693R₂C。

进一步，根据步骤一中确定的技术参数，对电容器C_m的电感值L进行参数设定，电感值L与脉冲上升时间T_r、放电电阻R₂匹配，且T_r＝2.2L/R₂。

进一步，所述步骤四中，验证实际电磁脉冲辐射场的技术参数偏差是否符合设计标准的方法为：

(1)采用PSPICE电路仿真软件，建立所述Marx发生器的全电路仿真模型；

(2)利用所述测量系统获取负载电阻R_f处的电压，绘制电压波形图，其中，所述负载电阻R_f与特性阻抗Z相等；

(3)通过所述电压波形图，获取脉冲宽度T′_h、脉冲上升时间T′_r；

(4)判断T′_h、T′_r是否分别位于T_h、T_r的±10％范围内。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对特定实验室的电磁辐射，建立了辐射长脉宽、短脉宽瞬态电磁场的电磁抗扰度测试系统，可以充分地检测被测设备的抗干扰能力，有助于对被测设备进行电磁兼容设计，改善被测设备性能，提高被测设备的使用寿命和环境适应性，节约成本。

2、本发明中两个脉冲高压源，可以共用一套有界波导传输线，并且，有界波导传输线设置为线栅锥状，可以有效减少测试系统占用的空间，节约设备经费。

3、本发明中测试系统的实际技术参数控制在设计标准参数的±10％范围内，有助于提高设计精准度，提高系统参数的实际参考价值。

4、本发明的吸收电阻设置为固体电阻，具有阻值稳定的特点。

5、本发明中脉冲高压源输出幅值可调的电压，可以适应脉冲电场幅度变化的要求，能够灵活配置各种实验环境，实用性强。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的Marx发生器的结构示意图；

图3是本发明的电容器C_m放电等效电路；

图4是本发明的Marx发生器的全电路仿真模型；

图5是本发明的负载电阻R_f处的一种电压波形图；

图6是本发明的负载电阻R_f处的另一种电压波形图。

附图中：测量系统1、控制系统2、脉冲高压源3、有界波导传输线4、支撑框架5、高压直流充电电源6、Marx发生器7、绞杠8、吸收电阻R₁9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-2所示，所述测试系统包括依次连接的测量系统1、控制系统2、脉冲高压源3和有界波导传输线4，所述脉冲高压源3设置为两个。

所述脉冲高压源3输出幅值可调的电压，可以适应电磁场幅度变化的要求，能够灵活配置各种实验环境，实用性强，所述脉冲高压源3包括高压直流充电电源6、Marx发生器7，所述Marx发生器7包括外壳体、电容器C_m、气体间隙开关和放电电阻R₂，所述放电电阻R₂与吸收电阻R₁相等。

所述控制系统2主要有电气控制与气路控制两方面功能，所述电气控制作用于高压直流充电电源6，实现实验过程中的合闸、升降压及其速率、分闸接地、相应充电电压设定及电压数字显示、突发故障接地保护措施等；所述气路控制主要用于实现气体间隙开关的隔离与导通。

所述有界波导传输线4设置为线栅锥状、分布式结构，其包括子辐射线缆和支撑框架5，所述子辐射线缆包括导线、吸收电阻R₁9和绞杠8，行业内常用吸收电阻R₁9为液体电阻，其电阻液极易结块，导致其电阻值不稳定，需要经常更换，增加成本投入，本发明中将吸收电阻R₁9设置为固体电阻，具有阻值稳定的特点，所述绞杠8用于调整有界波导传输线4的平整度，所述子辐射线缆的间距设置为100-300mm，所述脉冲高压源3产生高压脉冲信号，激励有界波导传输线4形成瞬变电磁脉冲场。

在所述吸收电阻R₁等于有界波导传输线4的特性阻抗Z条件下，电磁波将会被吸收电阻R₁9无反射吸收，否则将会在阻抗突变点发生反射，导致电磁场的畸变。

所述测试系统的建立方法为：

步骤一：在实验室条件下，设备的最大尺寸为0.5m*0.5m*0.5m，因此，辐射场试验区域为0.5m*0.5m*0.5m，根据设备受到的电磁脉冲辐射场的脉冲类型，在实验室条件下，所述设备主要受到短脉冲和长脉冲的干扰，所述长脉冲的脉宽T_h为100-900μs，所述短脉冲的脉宽T_h为100-900ns，本发明针对实验室的电磁辐射，建立了辐射长脉宽、短脉宽瞬态电磁场的电磁抗扰度测试系统，可以充分地检测被测设备的抗干扰能力，有助于对被测设备进行电磁兼容设计，改善被测设备性能，提高被测设备的使用寿命和环境适应性，节约成本，确定瞬变电磁场的技术参数：脉冲电场幅值、脉冲宽度T_h、脉冲上升时间T_r。

步骤二：根据所述技术参数，进行有界波导传输线4、脉冲高压源3的参数设定，所述脉冲高压源3的参数设定包括电容器C_m的电容值C、电容器C_m的电感值L和脉冲电压幅值；

1、所述有界波导传输线4的参数包括特性阻抗Z，其设定方法为：所述支撑框架5的高度为H，所述有界波导传输线4的宽度为W，则所述有界波导传输线4的特性阻抗

其中，所述支撑框架5的高度H为试验区域高度的3-4倍，所述有界波导传输线的宽度W设置为2.3-2.6m；

2、所述电容器C_m的电容值C的设定方法为：

(1)忽略整个放电回路的电感参数，得到简化的电容器C_m放电等效电路；

(2)等效电路满足一阶齐次微分方程：

(3)气体间隙开关动作前，电容器C_m的初始电压为U₀，求得微分方程的解：

(4)放电电阻R₂上的电压为U_R2，则

(5)U_R2的峰值为U₀，当U_R2＝U₀/2时，T＝T_h，且T_h＝0.693R₂C；

3、所述电容器C_m的电感值L的设定方法为：

根据脉冲上升时间T_r与放电电阻R₂，得出T_r＝2.2L/R₂；

4、所述脉冲电压幅值与脉冲电场幅值、支撑框架的高度H匹配，即脉冲电压幅值＝脉冲电场幅值*支撑框架的高度H。

步骤三：将所述两个脉冲高压源分别与有界波导传输线连接，实现脉冲类型的变换，分别建立长脉冲和短脉冲的电磁辐射场。

步骤四：验证实际电磁脉冲辐射场的技术参数偏差是否符合设计标准；

(1)采用PSPICE电路仿真软件，建立所述Marx发生器7的全电路仿真模型；

(2)利用所述测量系统1获取负载电阻R_f处的电压，绘制电压波形图，其中，所述负载电阻Rf与特性阻抗Z相等；

(3)通过所述电压波形图，获取脉冲宽度T′_h、脉冲上升时间T′_r；

(4)判断T′_h、T′_r是否分别位于T_h、T_r的±10％范围内的。

本发明中测试系统的实际技术参数控制在设计标准参数的±10％范围内，有助于提高设计精准度，提高系统参数的实际参考价值。

实施例二：

根据实施例一所述的一种电磁抗扰度测试系统的建立方法，模拟神光-III主机装置的瞬态强放电环境，选取9m*6m*3.6m的实验室，根据被测试试验设备的最大尺寸，确定辐射场试验区域为0.5m*0.5m*0.5m。

所述神光-III主机装置的电磁脉冲辐射场有两种类型：

(1)放电电压2万伏，T_r为1微秒，T_h为600微秒，输出脉冲电场幅值为100V/m～1000V/m，脉冲电压幅值为200V～15KV；

(2)放电电压2万伏，T_r小于20纳秒，T_h为200纳秒，输出脉冲电场幅值为1000V/m～8000V/m，脉冲电压幅值为200V～15KV。

所述有界波导传输线4设置为线栅锥状、分布式结构，有利于高频波的直接透射，其锥度设置为30°，其高度约为试验区域高度的3-4倍，因此，作为优选，所述有界波导传输线4的长度为3.6m，其高度为1.8m，即所述支撑框架5高度H＝1.8m，为了提高输出脉冲电场幅值的均匀性，在试验区域为0.5m*0.5m*0.5m的条件下，作为优选，所述有界波导传输线4的宽度W＝2.5m，并且，对应的将子辐射线缆设置成12条，相邻子辐射线缆的间距分别设置为100mm、150mm、250mm、250mm、250mm、260mm、250mm、250mm、250mm、150mm、100mm。

根据所述有界波导传输线4的特性阻抗得出特性阻抗Z＝107.9Ω，另外，发明人考虑到测试系统所依据的理论、公式的近似性，系统测试条件、系统所用设备等方面考虑不全面，造成测试系统存在一定的误差，并将所述误差设置为±(3-5)％，因此，选取吸收电阻R₁＝110Ω，放电电阻R₂＝110Ω，负载电阻R_f＝110Ω。

忽略整个放电回路的电感参数，得到简化的电容器C_m放电等效电路，如图3所示：

C_m为Marx发生器7建立的电容，初始电压20kV；

Switch1为气体间隙开关，击穿电压设置为18kV，击穿时间设置为15ns；

R₂为放电电阻，其阻值为110Ω。

等效电路满足一阶齐次微分方程：动作前，电容器C_m的初始电压为U₀，求得微分方程的解：放电电阻R₂上的电压为U_R2，则U_R2的峰值为U₀，当U_R2＝U₀/2时，T＝T_h，且T_h＝0.693R₂C。

当T_h＝200ns时，则当T_h＝600μs时，则

根据T_r＝2.2L/R₂，当T_r＝20ns时，则L＝1000nH；当T_r＝1μs时，则L＝50μH。

采用PSPICE电路仿真软件，建立所述Marx发生器7的全电路仿真模型，如图4所示：

C为Marx发生器7建立的电容，初始电压20kV，电容值C分别为2.5nF，8μF；

L为Marx发生器7建立的电感，电感值L分别为1000nH，50μH；

R为Marx发生器7的内阻，R＝0.001Ω，忽略不计；

Switch2为闭合开关，击穿电压设置为18kV，击穿时间设置为10ns；

Switch3为自击穿开关，电感值设置为20nH，击穿电压设置为18kV，击穿时间设置为15ns；

C_g为Marx发生器7对地杂散电容，Cg＝0.01pF(忽略不计)；

R_g为Marx发生器7并联接地电阻，Rg＝5kΩ；

R_f为110Ω的负载电阻。

如图4所示，分别接通所述脉冲高压源3与有界波导传输线4，以更换脉冲状态，即将所述高压直流充电电源6的输出端与所需输出脉冲参数的Marx发生器7输入端连接即可，利用所述测量系统1获取负载电阻R_f处的电压，绘制电压波形图，如图5、图6所示。

如图5所示，T′_h＝610μs，T′_r＝1.1μs，并且T′_h、T′_r分别位于T_h、T_r的±10％范围内；如图6所示，并获取T′_h＝193μs，T′_r＝19μs，并且T′_h、T′_r分别位于T_h、T_r的±10％范围内。

由此可见，所述测试系统能够真实的模拟神光-III主机装置的瞬态强放电环境，设计精准度高，系统参数的实际参考价值大。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种电磁抗扰度测试系统的建立方法，其特征在于，所述测试系统包括依次连接的测量系统、控制系统、脉冲高压源和有界波导传输线，所述脉冲高压源设置为两个，所述有界波导传输线设置为线栅锥状、分布式结构，其包括子辐射线缆和支撑框架，所述子辐射线缆包括导线、吸收电阻R₁和绞杠；

所述测试系统的建立方法为：

步骤一：根据理论电磁脉冲辐射场中的长脉冲和短脉冲，分别确定瞬变电磁场的技术参数，所述技术参数包括脉冲电场幅值、脉冲宽度T_h、脉冲上升时间T_r；

步骤二：根据所述技术参数，进行有界波导传输线和两个脉冲高压源的参数设定；

所述有界波导传输线的参数包括特性阻抗Z，其设定方法为：所述支撑框架的高度为H，所述有界波导传输线的宽度为W，则所述有界波导传输线的特性阻抗所述支撑框架的高度H为试验区域高度的3-4倍，所述试验区域设置为0.5m*0.5m*0.5m，所述有界波导传输线的宽度W设置为2.3-2.6m，所述吸收电阻R₁设置为固体电阻，并且所述吸收电阻R₁等于有界波导传输线的特性阻抗Z；

所述脉冲高压源包括高压直流充电电源、Marx发生器，所述Marx发生器包括外壳体、电容器C_m、气体间隙开关和放电电阻R₂，所述脉冲高压源的参数设定包括电容值C、电感值L和脉冲电压幅值，所述脉冲电压幅值与脉冲电场幅值、支撑框架的高度H匹配，所述放电电阻R₂与吸收电阻R₁相等，根据步骤一中确定的技术参数，对电容器C_m的电感值L进行参数设定，电感值L与脉冲上升时间T_r、放电电阻R₂匹配，且T_r＝2.2L/R₂，所述电容器C_m的电容值C的设定方法为：

(1)忽略整个放电回路的电感参数，得到简化的电容器C_m放电等效电路；

(2)等效电路满足一阶齐次微分方程：

(3)气体间隙开关动作前，电容器C_m的初始电压为U₀，求得步骤(2)中微分方程的解：

(4)放电电阻R₂上的电压为U_R2，则

(5)U_R2的峰值为U₀，当U_R2＝U₀/2时，T＝T_h，且T_h＝0.693R₂C；

步骤三：将所述两个脉冲高压源分别与有界波导传输线连接；

步骤四：验证实际电磁脉冲辐射场的技术参数偏差是否符合设计标准。

2.根据权利要求1所述的一种电磁抗扰度测试系统的建立方法，其特征在于，所述步骤四中，验证实际电磁脉冲辐射场的技术参数偏差是否符合设计标准的方法为：

(1)采用PSPICE电路仿真软件，建立所述Marx发生器的全电路仿真模型；

(2)利用所述测量系统获取负载电阻R_f处的电压，绘制电压波形图，其中，所述负载电阻R_f与特性阻抗Z相等；

(3)通过所述电压波形图，获取脉冲宽度T′_h、脉冲上升时间T′_r；

(4)判断T′_h、T′_r是否分别位于T_h、T_r的±10％范围内。