高功率电磁环境效应检测技术范文

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摘要：

对电子系统强电磁环境实验效应检测技术研究现状进行了系统的研究分析，提出通过对内部电路节点电压信号实时监测实现无人机电子系统强电磁环境效应检测判断的方法。设计了以阻抗变换和电光转换电路为核心的光纤输出型电压探头，实现1MΩ高输入阻抗、DC–450MHz带宽、数百m传输距离等技术要求。在无人机系统强电磁脉冲环境实验中利用所设计的电压探头实现了无人机舵机、飞控、链路等电路节点工作电压信号波形的远程监测，获取了无人机电路节点耦合的电压脉冲波形。

关键词：

高功率电磁环境；效应；检测；电压探头

电子器件／系统在强电磁环境（HPEM）下会产生扰乱、翻转、中断、损伤等效应现象［1－2］，强电磁环境生成技术的发展已经可以对直升机、计算机等军／民用设备电子系统构成威胁，开展电子系统强电磁环境适应性测试已成为现实需要。电子系统在强电磁环境下发生的效应现象既有长期效应（中断、损伤等），也有短期甚至瞬态效应［1］。美国MURI计划效应研究专项［3］指出电子系统强电磁环境实验的难点在于检测、鉴别、跟踪和确认各种效应现象。瞬态效应因为持续时间短、随机性和突发性强，检测跟踪确认的难度最大，但是其所需要的电磁环境强度低，对电子系统强电磁环境适应性分析评估和可靠性设计具有重要价值［2］。国内一些单位近年来针对无人机抗电磁干扰问题开展了一系列理论分析、仿真建模和效应评估研究［4－5］，本文根据准确定位强电磁环境下无人机系统发生异常的部位，为机理分析和防护加固设计提供电路层面检测数据等实验需求专门研究效应检测技术，期望实现无人机系统各种HPEM效应的有效检测。

1效应检测方法研究

电子系统强电磁环境实验方法已有一些规范标准［6］，但是此类实验所采用的效应检测方法目前尚无规范和标准，专门研究强电磁环境实验效应检测方法的文献也较少。为设计无人机系统强电磁环境效应检测方法，对散见于文献中关于器件级、电路级和系统级强电磁环境效应实验效应检测方法的信息进行分析。文献［7］研究了高功率微波（HPM）脉冲对CMOS反相器集成电路产生翻转（Upset）效应的机理，文献［8］研究了瞬态抑制二极管（TVS）、静电放电二极管（ESD）等防护器件对HPM脉冲信号的抑制效果。文献作者均针对被测器件设计了专用测试电路，并预留HPM信号注入端口和检测点，采用常规的示波器电压探头（见图1（b）中probe1，2）对被测器件节点电压信号进行监测，如图1所示。文献［9］对某加密电路开展了电磁脉冲瞬态干扰实验，如图2所示。在电路板上预留SMA形式的观察端口，对电源VDD／GND及加密芯片（FPGA）引脚电压进行检测，文献观察到电磁脉冲瞬态干扰导致的加密失败和错误。文献［1］在微控制器和微处理器HPM敏感度测试中在I／O芯片引脚上接入LED灯，作为效应检测装置，通过LED灯判断系统在HPM作用下是否重启，运行状态是否正常。通过对比实验和逐级跟踪，最终发现重置引脚线路长度对微控制器效应阈值影响最大，电源、时钟等线长度也有影响，而时钟频率、数据线长度等影响不大。文献［10］提到美国外场直升机系统HPM环境试验监测内容包括以下四项：①直升机附近HPM场强；②直升机壳体内部HPM场强；③直升机线缆上耦合的HPM脉冲信号；④直升机不同部位工作信号。文章特别指出对直升机不同部位工作信号的监测是检测“Upset”等效应现象的唯一手段，是某些系统（直升机操控界面无显示）健康状况的唯一指示。以上研究表明，通过监测电子系统（无论器件、电路或系统级设备）关键电路节点电压信号，可以检测电子系统在强电磁环境下发生的长／短期效应，记录瞬态效应现象发生过程，最终实现各种效应现象的鉴别、跟踪和确认，这个过程与电子电路故障诊断的一般方法类似［11］。根据以上认识，拟通过对无人机飞控计算机、舵机、传感器（包括陀螺和磁航向传感器等）、数传链路和电源等主要机载电子设备电路节点电压信号的监测，实现无人机系统强电磁环境效应的检测。

常规示波器电压探头在无人机系统强电磁环境实验中应用存在以下困难：①探头输出电信号难以远距离传送，如果接常规的电光转换模块，则会显著增大探头的体积，难以放入被测设备壳体内部；②如果将FET电压探头同轴导线穿过设备壳体外接电光转换模块，不仅电压探头同轴线自身会感应很强的信号［12］，干扰待测信号，而且会显著改变被测设备的电磁耦合特性，文献［13－14］对此有专门介绍。在无人机系统强电磁环境实验中，需要一种光纤输出的电压探头，同时满足高输入阻抗、宽带、远距传输、小体积、抗电磁干扰等技术要求。文献［15－16］介绍了两种基于电光晶体的电压探头，用于高速电路PCB故障检测诊断，文献［17］介绍了一种基于反射式电致吸收调制器的电压探头，用于集成电路管芯测试。此类探头多采用专用芯片和光学器件，工艺复杂，并未商用化，难以在无人机系统强电磁环境实验中应用。本文借鉴示波器电压探头和电光转换模块电路，专门设计一款高阻输入、光纤输出的电压探头，用于无人机系统强电磁环境实验效应检测。

2电压探头设计

电压探头的设计思路是：阻抗变换器提取待测电路节点电压信号，输出信号调制激光二极管（LD），将节点电压信号转换为光信号，实现高阻输入和光纤输出两个主要特性。为控制探头体积，将探头分压限幅电路、电源电路、激光二极管偏置耦合电路等进行集成设计，如图3所示。阻抗变换器是电压探头实现高阻输入特性的核心部件，节型场效应管（JFET）器件构成的源极跟随电路（SFC）是目前唯一成熟的实现形式［18］，其基本电路原理如图4所示，其中I为偏置电流源，RL为激光器等效负载。利用FET器件栅极电压与漏－源极电流之间的跨导特性实现电压－电流转换，可以在较宽的频带范围内实现较高的输入阻抗。本设计在基本源极跟随电路电源轨加入自举电路，进一步减小寄生电容对电路输入阻抗的影响，提高缓冲电路的宽带高输入阻抗特性［19］。阻抗变换器PCB设计尽量减小布线寄生电容。激光二极管是完成待测信号电／光转换的核心，本设计选择某型激光二极管，其阈值电流约1mA，是传统DFB型激光二极管阈值电流的1／10，转换效率0．6mW／mA，是典型DFB型LD的2．5倍，该选型可显著降低对阻抗变换器输出电流驱动能力的要求，简化激光二极管偏置耦合电路，实现宽带直流耦合调制，同时降低电压探头功耗，减小探头电池容量要求，从而显著减小探头的体积。采用储能密度较高的锂电池为电压探头供电，集成设计板载电源调理电路，实现锂电池输出（3．6～4．0V）双极化、升压、稳压和纹波净化，为核心电路提供DC±5V电源。图5是设计实现的光纤输出型电压探头，探头尺寸62mm×28mm×18mm，SMA接口输入，FC／PC光纤插口输出。根据电压探头输出光信号特征匹配设计五通道直流耦合光电转换模块，如图6所示。电压探头（含光电转换模块）实测技术指标如下：带宽DC－450MHz（见图7），瞬时动态范围23dB（见图8），基线噪声Vpp≤10mV，续航时间超过3h。

3实验测试

电压探头设计输入阻抗1MΩ，与商用示波器电压探头输入阻抗相同。采用商用探头和本文设计的光纤输出型电压探头分别检测无人机数传链路关键节点电压信号，如图9所示。测试结果表明电压探头对无人机电路负载效应很小，不影响无人机电路工作，检测波形与商用探头检测波形相似，通过该波形可以判断无人机链路工作状态。电压探头采用直流耦合设计，因此在图9（c）中波形存在基线高度，通过该基线可以实时判断电压探头是否正常，为效应实验结果判别提供便利。调整电压探头分压电路分压比，接入无人机飞控计算机、舵机、传感器、数传链路和电源等电路模块关键节点，在HEMP环境模拟器生成强场下开展测试。图10是利用电压探头检测的无人机电路模块关键节点处耦合的HEMP脉冲信号（通道1，2是无人机控制电路节点检测的耦合脉冲，通道4是用于示波器触发的HEMP场监测波形）。由图可见无人机电路节点上耦合有电压脉冲，波形与文献［3］仿真结果类似。图11是不同场强下无人机舵机控制电路节点耦合电压脉冲峰峰值监测结果，由图可见在测试范围内，该节点耦合电压与场强接近线性关系，对该测试结果进行数据拟合，计算出无人机纵轴Z与电场E平行时舵机控制电路节点HEMP耦合等效电长度约5．8cm。在55．3kV／m场强下，当Z平行于E时，该节点耦合电压2．87kV，当E与Z夹角45°时，该节点耦合电压1．95kV，比例关系符合cos45°预期。

4结论

本文通过对文献中电子元器件、电路板、设备等不同层面电子系统HPEM测试效应检测方法的跟踪研究以及电子电路常规故障诊断方法的分析，选定在系统内部电路节点布设电压探头，获取系统在电路层面工作状态信息和耦合脉冲参数，实现无人机强电磁环境实验效应现象跟踪定位及机理分析的检测方法。分析了商用示波器电压探头的应用限制，针对性的设计了光纤输出型电压探头，实现1MΩ高输入阻抗、DC－450MHz带宽、数百m传输距离、小尺寸等技术要求。在无人机系统强电磁环境实验中利用所设计的电压探头实现了无人机舵机、飞控、链路等电路节点工作电压信号波形的远程监测，测试获取了无人机电路节点在HEMP强场中耦合的电压脉冲波形，初步分析了耦合电压脉冲幅度变化规律。实验结果表明，本文采用的效应检测方法及设计的电压探头可以用于复杂设备系统级HPEM环境效应实验，通过进一步优化改进，可能满足更高要求设备的HPEM环境效应检测需要。

作者：闫军凯 郝文析 刘小龙 燕有杰 刘真 单位：西北核技术研究所，高功率微波技术重点实验室