CN111034388B - 限压型亚纳秒电磁脉冲防护器件防护性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种限压型亚纳秒电磁脉冲防护器件防护性能评价方法，具体包括以下内容：内容(1)测试手段相同，采用附图所示的方波电磁脉冲TLP测试***；内容(2)测试条件统一，调整方波电磁脉冲发生器1输出波形的脉冲宽度为100ns；内容(3)评价指标为限幅电压，过冲峰值电压、峰值电流、限幅响应时间；内容(4)评价标准相同，以受保护电路的正常工作电压做为被评价防护器件的限幅电压，将该限幅电压对应的方波脉冲注入电压值、该注入电压下对应的限幅响应时间/过冲峰值电压值/峰值电流值等作为评价器件防护性能的阈值(标准)，该注入电压值越高、过冲峰值电压值/峰值电流值越小、限幅响应时间越短说明该器件防护性能越好。
Description
技术领域
本发明涉及电磁脉冲防护器件防护性能评价方法技术领域，具体说，涉及限压型亚纳秒电磁脉冲防护器件防护性能评价方法技术领域。
背景技术
相对于雷电电磁脉冲，静电放电电磁脉冲、超宽带等亚纳秒快沿电磁脉冲具有更丰富的高频成分，更易通过天线或机箱上的孔/缝、电源线、设备间的连接电缆和USB等接口进入电子设备的内部，从而使电子***失去效能，甚至出现更为有害的误操作或错误信息，严重制约着信息化武器装备战术性能的发挥和战场生存能力。通过对电源线路、通信线路或电子产品内部等电磁脉冲入侵路径加装电磁脉冲防护器件，能够有效阻止或减轻电磁脉冲对电源***、通讯等网络***及电子产品的冲击，提高武器装备抗电磁脉冲打击的生存能力。
过冲峰值电压、峰值电流、限幅电压和限幅响应时间等参数是反映电磁脉冲防护器件抗电磁脉冲干扰能力的重要指标。2011.07《Cross Strait Quad-Regional Radio Science andWireless Technology Conference》发表的“Research on the Suppressing Behaviour of EMP ProtectionDevice”、2012.09《高电压技术》发表的“TVS器件在快沿电磁脉冲作用下的响应”等文献给出了与人们一般认识不同的结果：电磁脉冲防护器件的限幅电压、过冲峰值电流不是固定不变，而是随注入脉冲电压的变化呈现不同的值。这一研究结果表明，统一亚纳秒级电磁脉冲防护器件防护性能的评价方法是评价电磁脉冲防护器件防护性能面临的一个重要问题。然而，目前国内外还没有关于亚纳秒级电磁脉冲防护器件防护性能评价的方法及其及其相关标准，可供参考的方法也仅有GJB 911-90电磁脉冲防护器件测试方法。该方法适用于核电磁脉冲防护器件的测试，虽然核电磁脉冲的上升时间很短，但也只是纳秒级。
亚纳秒电磁脉冲防护器件防护性能评估方法是我国电磁兼容与防护技术研究领域急需解决的关键科学问题之一，突出表现在以下三个方面：第一，亚纳秒电磁脉冲具有陡峭上升沿，频谱覆盖DC～GHz甚至更宽范围，峰值场强可达MV/m量级，因此，对亚纳秒电磁脉冲防护性能测试装置的带宽、动态范围等指标要求苛刻，同时要求其能够隔离瞬态脉冲对测试***的辐射影响；第二，电磁脉冲保护器件是非线性元件，在防护性能测试中要保证传输线阻抗匹配；第三，电磁脉冲防护器件的限幅电压、过冲峰值电流等参数随注入脉冲电压的变化呈现不同的值，评价防护性能时这些参数如何表征才能准确、客观且具有可操作性。
综上所述，针对武器装备电磁防护需求，研发快沿电磁脉冲防护性能测试装置，提出可靠的测试手段与评估方法，对于提高武器装备的战场生存能力、充分发挥武器装备的作战效能具有重要意义和广阔的军事应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种限压型亚纳秒快沿电磁脉冲防护器件防护性能评价方法，解决现有技术中亚纳秒快沿电磁脉冲产生的辐射场对测试***的影响及传输线阻抗不匹配引起的高频反射、电磁脉冲防护器件的限幅电压/过冲峰值电流等参数随注入脉冲电压的变化呈现不同的值等问题。
为解决因传输线阻抗不匹配引起的高频反射问题，本发明基于微带传输线设计原理，研制了适合亚纳秒电磁脉冲防护器件防护性能测试的专用夹具。该测试夹具包括50Ω的微带传输线、顶部可拆卸的屏蔽金属腔体及连接微带到同轴的转接头；该同轴转接头固定于上述屏蔽金属腔体的两侧；所述50Ω微带线包括导体带、介质基片(基材)、2个管脚套管、接地片；该接地片固定在所述屏蔽金属腔体的内底面，二者保持电气连接；所述微带线的导体带两端分别与屏蔽金属腔体两侧同轴转接头的芯线连接；所述的2个管脚套管，一个固定在导体带上、与导体带电气连接，另一个贯穿基材、与接地片电气连接；被测器件的测试引线则通过管脚套管接入微带电路。本发明可以起到以下三点作用：①固定被测器件；②保证传输线匹配；③隔离瞬态脉冲的辐射。
为解决亚纳秒快沿电磁脉冲产生的辐射场对测试***的影响，本发明所采用的测试***为方波脉冲TLP测试***，该测试***包括：上升沿小于1ns的方波电磁脉冲发生器、同轴适配器、同轴电缆、测试夹具、脉冲衰减器、数字存储示波器、电磁屏蔽室。该屏蔽室的后壁装有同轴适配器，屏蔽室内放置测试夹具、被测器件、脉冲衰减器、示波器及设备连接所用的同轴电缆。所述测试夹具一端接示波器，另一端与屏蔽室后壁同轴适配器的输出端连接；该同轴适配器的输入端与金属屏蔽室后壁紧密连接；上述方波电磁脉冲发生器在屏蔽室外，其电磁脉冲输出端与屏蔽室后壁同轴适配器的输入端连接，则发生器输出的方波电磁脉冲就可以接入微带电路、加在被测器件的两端。本发明可以保证屏蔽室的完整性，提高屏蔽室的电磁屏蔽效能，减少亚纳秒快沿电磁脉冲产生的辐射场对测试***的影响，提高了测试结果的精确度。
为解决亚纳秒电磁脉冲防护器件的限幅电压、过冲峰值电流等参数随注入脉冲电压的变化而变化的问题，本发明用于评价限压型亚纳秒快沿电磁脉冲防护器件防护性能的方法具体包括以下内容：内容(1)测试手段相同，测试***采用方波脉冲TLP测试***；内容(2)测试条件统一，注入脉宽100ns；内容(3)评价指标为限幅电压，过冲峰值电压、峰值电流、限幅响应时间；内容(4)评价标准相同，以受保护电路的正常工作电压做为被评价防护器件的限幅电压，将该限幅电压对应的方波脉冲注入电压值、该注入电压下对应的限幅响应时间/过冲峰值电压值/峰值电流值等作为评价器件防护性能的阈值(标准)，该注入电压值越高、过冲峰值电压值/峰值电流值越小、限幅响应时间越短说明该器件防护性能越好。
作为本发明的一种优选方案，所述的方波电磁脉冲发生器上升沿要小于1ns、脉冲宽度要可调，最高输出电压要达到kV以上；所述示波器的带宽大于1GHz、采样频率大于5GHz，这样，能够保证测试波形的上升沿有4～5个以上的采样点；测试夹具、同轴电缆、脉冲衰减器的特性阻抗为50Ω、带宽为DC～1GHz以上。在实际应用过程中，要使50Ω试验夹具感抗效应达到最小；如果被测的保护器件带有引线，则在测试期间应指定引线的长度，并在实际应用中将引线缩至最短。
作为本发明进一步的优选方案，所述的测试夹具与前面所述的脉冲衰减器、同轴适配器、同轴电缆、示波器的特性阻抗匹配，解决了测试过程因阻抗不匹配引起的高频反射问题；所述的屏蔽金属腔体、屏蔽室，对被测器件、微带、示波器等起电磁屏蔽作用，抑制了瞬态脉冲产生的辐射场对测试结果的影响，提高了测试结果的精确度。
本发明的优点是：
1.TLP测试方法为两端测试，测试脉冲为方波，具有较高的可操作性和可重复性；
2.方波的脉宽和幅度均可调，能够满足大多数测试要求；
3.方波波形比较稳定，可以精确地测试器件的脉冲电流、电压参数；
4.以受保护电路的正常工作电压做为被评价防护器件的限幅电压，将该限幅电压对应的方波脉冲注入电压值、该注入电压下对应的限幅响应时间/过冲峰值电压值/峰值电流值等作为评价器件防护性能的标准，能够真实、准确评价其电磁脉冲性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是该屏蔽金属腔体截面结构示意图。
图2是该50Ω微带线的结构示意图。
图3是亚纳秒快沿电磁脉冲保护器件防护性能测试***(方波电磁脉冲TLP测试***)的电路连接示意图。
具体实施方式
图1是本发明用于解决瞬态电磁脉冲产生的辐射场对被测器件、微带线的影响而研制的屏蔽金属腔体19。该金属屏蔽腔体的顶部可拆卸，两侧各有一个用金属螺钉固定的同轴到微带线的转接头，分别为转接头11、转接头12。
图2是本发明用于解决因阻抗不匹配引起的高频反射问题而研制的50Ω微带线20的结构示意图。该微带线由接地片16、基材17、金属导体带18、管脚套管13、管脚套管14组成。接地片16固定在图1所示金属腔体19的内底面；金属导体带18的两端分别与图1所示金属腔体19两侧的转接头11、转接头12的芯线相连；管脚套管13固定在导体带上18，与导体带18电气连接；管脚套管14贯穿基材17，与接地片16电气连接。测试时，被测器件15的测试引线则通过管脚套管13、管脚套管14接入微带电路。
图3是亚纳秒快沿电磁脉冲保护器件防护性能测试***的电路连接示意图，该***解决了亚纳秒快沿电磁脉冲产生的辐射场对测试***的影响及传输线阻抗不匹配引起的高频反射等问题。该测试***的设备包括：方波电磁脉冲发生器1、同轴电缆2、接地线3、电磁屏蔽室4、同轴适配器5、同轴电缆6、测试夹具7、同轴电缆8、脉冲衰减器9、脉冲衰减器10、电流探头11、数字存储示波器12等。测试夹具7由屏蔽金属腔体19和微带线20构成；同轴适配器5固定于电磁屏蔽室4的后壁；被测器件的两个管脚分别***测试夹具7的管脚套管13、管脚套管14；同轴电缆6、测试夹具7、同轴电缆8、脉冲衰减器9、脉冲衰减器10、电流探头11、数字存储示波器12、被测器件15等均置于电磁屏蔽室4内；方波电磁脉冲发生器1的电磁脉冲输出端通过同轴电缆2接同轴适配器5、同轴电缆6，与测试夹具7的转接头11相连；测试夹具7的转接头12接同轴电缆8、脉冲衰减器9，接入数字存储示波器12，进而监测被测器件两端的电压波形；电流探头11的测试探头端引入被测器件15的一个管脚，另一端BNC通过脉冲衰减器10接示波器，用以监测通过被测器件15的脉冲电流。
测试时，方波电磁脉冲发生器1输出波形的脉冲宽度为100ns，调整方波电磁脉冲发生器1的输出电压，将快沿电磁脉冲直接注入到微带线20上被测器件15的两个管脚，示波器可以记录通过被测器件的电流波形及其两端的电压全波形，也可以只记录与限幅响应时间和过冲峰值电压有关的波形的前端。通过示波器记录的电流波形和电压波形，可以得到被测器件的过冲峰值电压、峰值电流、限幅电压和限幅响应时间等防护性能参数。
限压型亚纳秒快沿电磁脉冲防护器件防护性能评价方法，具体包括以下内容：内容(1)测试手段相同，采用图3所示的方波电磁脉冲TLP测试***；内容(2)测试条件统一，调整方波电磁脉冲发生器1输出波形的脉冲宽度为100ns；内容(3)评价指标为限幅电压，过冲峰值电压、峰值电流、限幅响应时间；内容(4)评价标准相同，以受保护电路的正常工作电压做为被评价防护器件的限幅电压，将该限幅电压对应的方波脉冲注入电压值、该注入电压下对应的限幅响应时间/过冲峰值电压值/峰值电流值等作为评价器件防护性能的阈值(标准)，该注入电压值越高、过冲峰值电压值/峰值电流值越小、限幅响应时间越短说明该器件防护性能越好。
Claims (1)
1.一种限压型亚纳秒电磁脉冲防护器件防护性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：首先建立限压型亚纳秒电磁脉冲防护器件防护性能测试***；上述测试***包括方波电磁脉冲发生器(1)、测试夹具(7)和示波器(12)；
测试夹具(7)和示波器(12)置于电磁屏蔽室(4)内；所述测试夹具(7)包括50Ω微带线(20)和屏蔽金属腔体(19)；50Ω微带线(20)置于屏蔽金属腔体(19)内；
屏蔽金属腔体(19)顶部可拆卸，两侧分别有一个金属螺钉固定的转接头(11、22)；
50Ω微带线(20)由接地片(16)、基材(17)、金属导体带(18)、第一管脚套管(13)和第二管脚套管(14)组成；第一管脚套管(13)固定在金属导体带(18)上，与金属导体带(18)电气连接；第二管脚套管(14)贯穿基材(17)，与接地片(16)电气连接；金属导体带(18)的两端分别与所述金属腔体(19)两侧的转接头的芯线相连；
同轴适配器(5)固定于电磁屏蔽室(4)的后壁，方波电磁脉冲发生器(1)的电磁脉冲输出端通过同轴电缆接同轴适配器(5)，所述同轴适配器(5)通过同轴电缆与测试夹具(7)的转接头(11)相连；测试夹具(7)的转接头(22)通过同轴电缆、脉冲衰减器接入示波器(12)；电流探头(23)的测试探头端引入被测器件(15)的一个管脚，另一端BNC通过脉冲衰减器接示波器(12)；
S2：将被测器件(15)的测试引线分别连接S1步骤所述的第一管脚套管(13)和第二管脚套管(14)；
S3：调整方波电磁脉冲发生器(1)输出波形的脉冲宽度为100ns；
S4：以受保护电路的正常工作电压作为被测器件(15)的限幅电压，将该限幅电压对应的方波脉冲注入电压直接注入到50Ω微带线(20)上被测器件(15)的两个管脚，通过示波器记录的电流波形和电压波形，得到该注入电压下对应的限幅响应时间、过冲峰值电压值和峰值电流值，将上述限幅电压、限幅电压对应的方波脉冲注入电压值、限幅响应时间、过冲峰值电压值和峰值电流值作为评价被测器件(15)防护性能的阈值。
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|---|---|---|---|---|
| CN107727980A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-02-23 | 中国人民解放军61489部队 | 一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试*** |
| CN113899962A (zh) * | 2021-08-24 | 2022-01-07 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种后门防护装置高功率微波防护效能测试***与方法 |
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