直接电流注入(DCI)技术及表面电流测试系统研究

摘要

直接电流注入(DCI)技术作为一种高强度辐射场(HIRF)测试的替代方案，为EMC安全裕度测试开辟了一个新的领域，具有重要的应用价值。但DCI技术作为HIRF测试的替代技术仍存在不确定因素，其理论和实践应用需要进一步的研究。本文以DCI技术及其模拟装置为研究对象，通过理论分析与实验测试相结合、“路”“场”兼顾的方法，对DCI技术的模拟装置设计、模拟装置内部场分布、表面电流测试等内容展开了深入研究与探讨。
　　 本文首先研究了DCI技术提出的背景、DCI技术原理以及DCI技术研究现状;阐述了模拟装置设计的理论基础——传输线理论，为随后装置特性阻抗的计算做好理论准备。
　　 同轴DCI模拟装置特性阻抗的数值计算是本文的研究内容之一。鉴于保角变换等传统解析方法的复杂性及通用性差等不足，本文提出使用有限元算法计算同轴装置的特性阻抗，基于有限元算法所开发的求解模块具有较好的通用性及较高的精度。
　　 使用DCI装置进行EMC测试之前需要了解装置内部的场分布特性。本文基于有限元算法分析了同轴装置内部场分布的静态特性，结果表明:内圆外矩同轴装置与内圆外方同轴装置具有不同的场分布形式;装置结构上的对称性使得内部场分布表现出对称性;同轴装置在输入3W功率时，内部最大电场可达200V/m以上，具有非常高的效率，适于高电平安全裕度的测试。
　　 由于加工、装配及使用等原因常导致装置内外导体不再为同轴结构，因此研究内导体偏置的影响是有必要的。本文使用有限元算法分析内导体偏置对装置特性阻抗及内部静态场分布的影响，可为该类同轴或偏心传输线装置的设计提供参考。
　　 详细阐述了有限积分技术，基于时域有限积分理论分析了同轴装置内部场分布的频域特性。由高阶模的计算，结合电场纵向分布的计算及实验测试结果可知，本课题研制的内圆外矩同轴装置在430MHz以下内部传输的电磁场基本上是TEM模，场分布可按静态场分析。
　　 实测了电缆传输线对装置电压驻波比及内部场分布的影响，为减小电缆的影响，本文研发了一套基于模拟光纤传输的表面电流测试系统。完成测试系统各部分的设计，通过测试获得光纤电流探头的转移阻抗曲线。由光纤电流探头测得的电流值与理论计算值能够较好吻合，证明测试系统设计方案的可行性。
　　 设计了平面电流探头及平行板传输线校准装置。建立了信号检测等效电路模型，推导出转移阻抗的理论表达式。利用校准装置测量了平面电流探头的转移阻抗，测试结果与理论趋势吻合。从装置板宽和板长两方向对转移阻抗测试结果的有效性进行了验证。对探头转移阻抗的影响因素进行了理论分析，并给予实验验证。
　　 表面电流测试系统的研究为DCI技术与自由场照射、HIRF测试等技术之间的等效性关系的研究提供了重要技术支持。
　　 测试了探头壳体对同轴装置驻波比和特性阻抗的影响。从理论上分析了探头壳体对装置特性阻抗，场均匀性分布，内导体圆周电场、电流分布等基本特性的影响。所得结果可为表面电流探头的工程设计及应用提供理论依据。
　　 文中理论分析、计算结果与实测结果基本吻合。本论文的研究工作对DCI技术的理论研究、模拟装置设计、等效性研究和推广应用等方面提供了理论基础和实践参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 电磁兼容技术

1．1．1 电磁兼容的含义

1．1．2 构成电磁干扰的三要素

1．1．3 电磁兼容学科的研究内容

1．2 电磁兼容测试

1．2．1 认证测试

1．2．2 科研测试

1．2．3 测试场地

1．3 DCI技术在EMC测试中的研究进展

1．3．1 国内外研究现状

1．3．2 未来进展

1．4 本文的研究工作

1．4．1 本文的研究目的

1．4．2 本文的结构框架

1．4．3 本文的研究内容

1．4．4 本文的创新点及难点

1．4．5 本文的研究意义

第一章 DCI技术的应用研究

2．1 BCI技术的发展与局限

2．1．1 BCI技术原理

2．1．2 BCI技术的研究成果

2．1．3 BCI技术的局限

2．2 DCI技术原理

2．3 DCI装置设计的理论基础

2．3．1 均匀传输线方程

2．3．2 均匀传输线方程的解

2．3．3 传输线的特性参数

2．3．4 传输线的工作状态参数

2．4 DCI测试装置

2．4．1 同轴线DCI装置

2．4．2 接地平板DCI装置

2．4．3 两种测试装置的比较

2．5 DCI技术的认可原则

2．6 DCI技术的研究成果

2．7 本章小结

第三章 内圆外矩同轴装置特性阻抗的计算

3．1 边界条件

3．1．1 有界场域的边界条件

3．1．2 不同媒质分界面上的边界条件

3．2 特性阻抗的计算原理

3．3 有限元算法原理

3．3．1 概述

3．3．2 变分原理

3．3．3 有限元计算原理

3．4 特性阻抗计算结果及分析

3．5 内导体偏置的影响

3．5．1 内导体在x轴向偏置的影响

3．5．2 内导体在y轴向偏置的影响

3．6 本章小结

第四章 同轴DCI装置内部场分布的静态分析

4．1 装置主传输段截面尺寸设计

4．2 接头及过渡段的设计

4．3 总体尺寸的确定

4．4 同轴DCI装置主要性能参数的测试

4．4．1 特性阻抗的测试

4．4．2 VSWR的测试

4．5 装置内部场分布的准静态分析

4．5．1 TEM波的波动特点

4．5．2 静态场分布的计算原理

4．5．3 场分布的计算结果与分析

4．5．4 内导体偏置对内部电场的影响

4．6 本章小结

第五章 同轴DCI装置的频域分析

5．1 有限积分技术原理

5．1．1 场域离散

5．1．2 积分形式的麦克斯韦方程组

5．1．3 积分方程组的网格离散

5．1．4 网格方程的时域离散

5．1．5 时间离散数值稳定性

5．1．6 数值色散特性

5．1．7 电场、磁场的求解

5．1．8 边界条件

5．1．9 SPML

5．1．10 激励源的设置

5．2 本征值与非本征值问题

5．3 同轴DCI装置内部高阶模式的计算

5．3．1 计算原理

5．3．2 装置内高阶模式的计算

5．3．3 高阶模式的计算结果

5．4 内圆外矩装置内部场分布的频率特性

5．4．1 时谐场幅值的计算

5．4．2 中心截面场均匀性分布

5．4．3 内导体圆周上电场的纵向分布

5．4．4 内导体圆周上电流密度的纵向分布

5．4．5 装置内部场分布频率特性的实验验证

5．5 内圆外方装置内部电场均匀性分布的频率特性

5．6 本章小结

第六章 基于光纤传输的表面电流测试系统的研究

6．1 测试系统整体方案设计

6．2 信号检测电路模型

6．3 磁芯材料的选择

6．3．1 软磁铁氧体材料的主要技术参数

6．3．2 磁芯结构

6．3．3 磁芯磁导率的测试

6．4 电缆对装置电特性的影响

6．4．1 对VSWR的影响

6．4．2 对内部场分布的影响

6．5 光纤测试系统的原理设计

6．5．1 测试用与通信用光纤系统的区别

6．5．2 测试系统的工作原理

6．5．3 光发射模块内置电源设计

6．5．4 光发射电路设计

6．5．5 光接收电路设计

6．6 光纤测试系统的PCB设计

6．6．1 PCB元件的非理想行为

6．6．2 贴片电容器谐振频率的测试

6．6．3 PCB元器件布局与EMC

6．6．4 PCB布线的EMC设计

6．7 探头壳体结构设计

6．8 测试系统的转移阻抗

6．9 测试系统的校准

6．9．1 校准原理

6．9．2 转移阻抗的测试结果

6．10 测试系统性能评估及应用

6．10．1 性能评估

6．10．2 表面电流的测量

6．11 本章小结

第七章 平面电流探头的分析与校准

7．1 平面电流探头设计

7．1．1 磁芯设计

7．1．2 探头壳体设计

7．2 平行板传输线校准装置设计

7．2．1 设计理论基础

7．2．2 装置的关键参数

7．2．3 基本电参数的测试

7．3 装置内部电磁场分布的计算

7．3．1 电磁场的计算

7．3．2 中心截面A处场分布

7．3．3 过渡段B、C截面上的场分布

7．3．4 磁芯附近及内部的磁场分布

7．4 电流探头转移阻抗的理论计算

7．4．1 信号检测等效电流模型

7．4．2 次级线圈电感Lm的求解

7．4．3 转移阻抗的计算

7．4．4 转移阻抗变化曲线

7．5 平面电流探头的校准

7．5．1 校准原理

7．5．2 测量结果

7．5．3 测量结果的有效性验证

7．6 转移阻抗影响因素的理论分析

7．6．1 理论分析的前提条件

7．6．2 线圈匝数的影响

7．6．3 磁芯尺寸的影响

7．6．4 磁芯磁导率的影响

7．6．5 分布电容的影响

7．6．6 多种参数变化的共同影响

7．6．7 实验验证

7．7 本章小结

第八章 探头壳体对同轴DCI装置电特性的影响

8．1 探头壳体对装置输入端VSWR的影响

8．2 探头壳体对装置特性阻抗的影响

8．2．1 计算模型

8．2．2 计算原理

8．2．3 计算结果

8．2．4 测量结果

8．3 探头壳体对同轴装置内部场均匀性分布的影响

8．3．1 壳体对内圆外矩装置场均匀性分布的影响

8．3．2 壳体对内圆外方装置场均匀性分布的影响

8．4 探头壳体对装置内导体圆周表面电场的影响

8．4．1 内圆外矩装置

8．4．2 内圆外方装置

8．5 探头壳体对装置内导体圆周表面电流的影响

8．6 本章小结

第九章 工作总结与研究展望

9．1 工作总结

9．2 本文主要创新点

9．3 未来展望

致谢

参考文献

博士期间的学术成果