高功率電磁環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)范文
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摘要：
對(duì)電子系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，提出通過對(duì)內(nèi)部電路節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)電子系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)判斷的方法。設(shè)計(jì)了以阻抗變換和電光轉(zhuǎn)換電路為核心的光纖輸出型電壓探頭，實(shí)現(xiàn)1MΩ高輸入阻抗、DC–450MHz帶寬、數(shù)百m傳輸距離等技術(shù)要求。在無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境實(shí)驗(yàn)中利用所設(shè)計(jì)的電壓探頭實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)舵機(jī)、飛控、鏈路等電路節(jié)點(diǎn)工作電壓信號(hào)波形的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，獲取了無人機(jī)電路節(jié)點(diǎn)耦合的電壓脈沖波形。
關(guān)鍵詞：
高功率電磁環(huán)境；效應(yīng)；檢測(cè)；電壓探頭
電子器件／系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境（HPEM）下會(huì)產(chǎn)生擾亂、翻轉(zhuǎn)、中斷、損傷等效應(yīng)現(xiàn)象［1－2］，強(qiáng)電磁環(huán)境生成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以對(duì)直升機(jī)、計(jì)算機(jī)等軍／民用設(shè)備電子系統(tǒng)構(gòu)成威脅，開展電子系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試已成為現(xiàn)實(shí)需要。電子系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下發(fā)生的效應(yīng)現(xiàn)象既有長(zhǎng)期效應(yīng)（中斷、損傷等），也有短期甚至瞬態(tài)效應(yīng)［1］。美國(guó)MURI計(jì)劃效應(yīng)研究專項(xiàng)［3］指出電子系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于檢測(cè)、鑒別、跟蹤和確認(rèn)各種效應(yīng)現(xiàn)象。瞬態(tài)效應(yīng)因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間短、隨機(jī)性和突發(fā)性強(qiáng)，檢測(cè)跟蹤確認(rèn)的難度最大，但是其所需要的電磁環(huán)境強(qiáng)度低，對(duì)電子系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境適應(yīng)性分析評(píng)估和可靠性設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值［2］。國(guó)內(nèi)一些單位近年來針對(duì)無人機(jī)抗電磁干擾問題開展了一系列理論分析、仿真建模和效應(yīng)評(píng)估研究［4－5］，本文根據(jù)準(zhǔn)確定位強(qiáng)電磁環(huán)境下無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生異常的部位，為機(jī)理分析和防護(hù)加固設(shè)計(jì)提供電路層面檢測(cè)數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)需求專門研究效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，期望實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)各種HPEM效應(yīng)的有效檢測(cè)。
1效應(yīng)檢測(cè)方法研究
電子系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法已有一些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)［6］，但是此類實(shí)驗(yàn)所采用的效應(yīng)檢測(cè)方法目前尚無規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，專門研究強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)效應(yīng)檢測(cè)方法的文獻(xiàn)也較少。為設(shè)計(jì)無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)方法，對(duì)散見于文獻(xiàn)中關(guān)于器件級(jí)、電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)強(qiáng)電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)檢測(cè)方法的信息進(jìn)行分析。文獻(xiàn)［7］研究了高功率微波（HPM）脈沖對(duì)CMOS反相器集成電路產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)（Upset）效應(yīng)的機(jī)理，文獻(xiàn)［8］研究了瞬態(tài)抑制二極管（TVS）、靜電放電二極管（ESD）等防護(hù)器件對(duì)HPM脈沖信號(hào)的抑制效果。文獻(xiàn)作者均針對(duì)被測(cè)器件設(shè)計(jì)了專用測(cè)試電路，并預(yù)留HPM信號(hào)注入端口和檢測(cè)點(diǎn)，采用常規(guī)的示波器電壓探頭（見圖1（b）中probe1，2）對(duì)被測(cè)器件節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖1所示。文獻(xiàn)［9］對(duì)某加密電路開展了電磁脈沖瞬態(tài)干擾實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。在電路板上預(yù)留SMA形式的觀察端口，對(duì)電源VDD／GND及加密芯片（FPGA）引腳電壓進(jìn)行檢測(cè)，文獻(xiàn)觀察到電磁脈沖瞬態(tài)干擾導(dǎo)致的加密失敗和錯(cuò)誤。文獻(xiàn)［1］在微控制器和微處理器HPM敏感度測(cè)試中在I／O芯片引腳上接入LED燈，作為效應(yīng)檢測(cè)裝置，通過LED燈判斷系統(tǒng)在HPM作用下是否重啟，運(yùn)行狀態(tài)是否正常。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和逐級(jí)跟蹤，最終發(fā)現(xiàn)重置引腳線路長(zhǎng)度對(duì)微控制器效應(yīng)閾值影響最大，電源、時(shí)鐘等線長(zhǎng)度也有影響，而時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度等影響不大。文獻(xiàn)［10］提到美國(guó)外場(chǎng)直升機(jī)系統(tǒng)HPM環(huán)境試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括以下四項(xiàng)：①直升機(jī)附近HPM場(chǎng)強(qiáng)；②直升機(jī)殼體內(nèi)部HPM場(chǎng)強(qiáng)；③直升機(jī)線纜上耦合的HPM脈沖信號(hào)；④直升機(jī)不同部位工作信號(hào)。文章特別指出對(duì)直升機(jī)不同部位工作信號(hào)的監(jiān)測(cè)是檢測(cè)“Upset”等效應(yīng)現(xiàn)象的唯一手段，是某些系統(tǒng)（直升機(jī)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(jiān)測(cè)電子系統(tǒng)（無論器件、電路或系統(tǒng)級(jí)設(shè)備）關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)，可以檢測(cè)電子系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下發(fā)生的長(zhǎng)／短期效應(yīng)，記錄瞬態(tài)效應(yīng)現(xiàn)象發(fā)生過程，最終實(shí)現(xiàn)各種效應(yīng)現(xiàn)象的鑒別、跟蹤和確認(rèn)，這個(gè)過程與電子電路故障診斷的一般方法類似［11］。根據(jù)以上認(rèn)識(shí)，擬通過對(duì)無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)、舵機(jī)、傳感器（包括陀螺和磁航向傳感器等）、數(shù)傳鏈路和電源等主要機(jī)載電子設(shè)備電路節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境效應(yīng)的檢測(cè)。
常規(guī)示波器電壓探頭在無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用存在以下困難：①探頭輸出電信號(hào)難以遠(yuǎn)距離傳送，如果接常規(guī)的電光轉(zhuǎn)換模塊，則會(huì)顯著增大探頭的體積，難以放入被測(cè)設(shè)備殼體內(nèi)部；②如果將FET電壓探頭同軸導(dǎo)線穿過設(shè)備殼體外接電光轉(zhuǎn)換模塊，不僅電壓探頭同軸線自身會(huì)感應(yīng)很強(qiáng)的信號(hào)［12］，干擾待測(cè)信號(hào)，而且會(huì)顯著改變被測(cè)設(shè)備的電磁耦合特性，文獻(xiàn)［13－14］對(duì)此有專門介紹。在無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，需要一種光纖輸出的電壓探頭，同時(shí)滿足高輸入阻抗、寬帶、遠(yuǎn)距傳輸、小體積、抗電磁干擾等技術(shù)要求。文獻(xiàn)［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(cè)診斷，文獻(xiàn)［17］介紹了一種基于反射式電致吸收調(diào)制器的電壓探頭，用于集成電路管芯測(cè)試。此類探頭多采用專用芯片和光學(xué)器件，工藝復(fù)雜，并未商用化，難以在無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。本文借鑒示波器電壓探頭和電光轉(zhuǎn)換模塊電路，專門設(shè)計(jì)一款高阻輸入、光纖輸出的電壓探頭，用于無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)效應(yīng)檢測(cè)。
2電壓探頭設(shè)計(jì)
電壓探頭的設(shè)計(jì)思路是：阻抗變換器提取待測(cè)電路節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)，輸出信號(hào)調(diào)制激光二極管（LD），將節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高阻輸入和光纖輸出兩個(gè)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(jìn)行集成設(shè)計(jì)，如圖3所示。阻抗變換器是電壓探頭實(shí)現(xiàn)高阻輸入特性的核心部件，節(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）器件構(gòu)成的源極跟隨電路（SFC）是目前唯一成熟的實(shí)現(xiàn)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(fù)載。利用FET器件柵極電壓與漏－源極電流之間的跨導(dǎo)特性實(shí)現(xiàn)電壓－電流轉(zhuǎn)換，可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的輸入阻抗。本設(shè)計(jì)在基本源極跟隨電路電源軌加入自舉電路，進(jìn)一步減小寄生電容對(duì)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(shè)計(jì)盡量減小布線寄生電容。激光二極管是完成待測(cè)信號(hào)電／光轉(zhuǎn)換的核心，本設(shè)計(jì)選擇某型激光二極管，其閾值電流約1mA，是傳統(tǒng)DFB型激光二極管閾值電流的1／10，轉(zhuǎn)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(duì)阻抗變換器輸出電流驅(qū)動(dòng)能力的要求，簡(jiǎn)化激光二極管偏置耦合電路，實(shí)現(xiàn)寬帶直流耦合調(diào)制，同時(shí)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(chǔ)能密度較高的鋰電池為電壓探頭供電，集成設(shè)計(jì)板載電源調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)鋰電池輸出（3．6～4．0V）雙極化、升壓、穩(wěn)壓和紋波凈化，為核心電路提供DC±5V電源。圖5是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的光纖輸出型電壓探頭，探頭尺寸62mm×28mm×18mm，SMA接口輸入，F(xiàn)C／PC光纖插口輸出。根據(jù)電壓探頭輸出光信號(hào)特征匹配設(shè)計(jì)五通道直流耦合光電轉(zhuǎn)換模塊，如圖6所示。電壓探頭（含光電轉(zhuǎn)換模塊）實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)如下：帶寬DC－450MHz（見圖7），瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍23dB（見圖8），基線噪聲Vpp≤10mV，續(xù)航時(shí)間超過3h。
3實(shí)驗(yàn)測(cè)試
電壓探頭設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的光纖輸出型電壓探頭分別檢測(cè)無人機(jī)數(shù)傳鏈路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)，如圖9所示。測(cè)試結(jié)果表明電壓探頭對(duì)無人機(jī)電路負(fù)載效應(yīng)很小，不影響無人機(jī)電路工作，檢測(cè)波形與商用探頭檢測(cè)波形相似，通過該波形可以判斷無人機(jī)鏈路工作狀態(tài)。電壓探頭采用直流耦合設(shè)計(jì)，因此在圖9（c）中波形存在基線高度，通過該基線可以實(shí)時(shí)判斷電壓探頭是否正常，為效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判別提供便利。調(diào)整電壓探頭分壓電路分壓比，接入無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)、舵機(jī)、傳感器、數(shù)傳鏈路和電源等電路模塊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在HEMP環(huán)境模擬器生成強(qiáng)場(chǎng)下開展測(cè)試。圖10是利用電壓探頭檢測(cè)的無人機(jī)電路模塊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處耦合的HEMP脈沖信號(hào)（通道1，2是無人機(jī)控制電路節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的耦合脈沖，通道4是用于示波器觸發(fā)的HEMP場(chǎng)監(jiān)測(cè)波形）。由圖可見無人機(jī)電路節(jié)點(diǎn)上耦合有電壓脈沖，波形與文獻(xiàn)［3］仿真結(jié)果類似。圖11是不同場(chǎng)強(qiáng)下無人機(jī)舵機(jī)控制電路節(jié)點(diǎn)耦合電壓脈沖峰峰值監(jiān)測(cè)結(jié)果，由圖可見在測(cè)試范圍內(nèi)，該節(jié)點(diǎn)耦合電壓與場(chǎng)強(qiáng)接近線性關(guān)系，對(duì)該測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，計(jì)算出無人機(jī)縱軸Z與電場(chǎng)E平行時(shí)舵機(jī)控制電路節(jié)點(diǎn)HEMP耦合等效電長(zhǎng)度約5．8cm。在55．3kV／m場(chǎng)強(qiáng)下，當(dāng)Z平行于E時(shí)，該節(jié)點(diǎn)耦合電壓2．87kV，當(dāng)E與Z夾角45°時(shí)，該節(jié)點(diǎn)耦合電壓1．95kV，比例關(guān)系符合cos45°預(yù)期。
4結(jié)論
本文通過對(duì)文獻(xiàn)中電子元器件、電路板、設(shè)備等不同層面電子系統(tǒng)HPEM測(cè)試效應(yīng)檢測(cè)方法的跟蹤研究以及電子電路常規(guī)故障診斷方法的分析，選定在系統(tǒng)內(nèi)部電路節(jié)點(diǎn)布設(shè)電壓探頭，獲取系統(tǒng)在電路層面工作狀態(tài)信息和耦合脈沖參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)效應(yīng)現(xiàn)象跟蹤定位及機(jī)理分析的檢測(cè)方法。分析了商用示波器電壓探頭的應(yīng)用限制，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了光纖輸出型電壓探頭，實(shí)現(xiàn)1MΩ高輸入阻抗、DC－450MHz帶寬、數(shù)百m傳輸距離、小尺寸等技術(shù)要求。在無人機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)中利用所設(shè)計(jì)的電壓探頭實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)舵機(jī)、飛控、鏈路等電路節(jié)點(diǎn)工作電壓信號(hào)波形的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，測(cè)試獲取了無人機(jī)電路節(jié)點(diǎn)在HEMP強(qiáng)場(chǎng)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(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的效應(yīng)檢測(cè)方法及設(shè)計(jì)的電壓探頭可以用于復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)級(jí)HPEM環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，可能滿足更高要求設(shè)備的HPEM環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)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(shù)研究所，高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
