潘曉東 魏光輝 盧新福 李新峰
(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北 石家莊050003)
隨著大功率用頻設(shè)備的不斷增多以及電子戰(zhàn)系統(tǒng)、電磁脈沖彈和高功率微波武器的出現(xiàn),有限空間內(nèi)的電磁環(huán)境將日趨惡劣[1],高強(qiáng)度輻射場(HIRF)已經(jīng)成為武器裝備和各類民用電子系統(tǒng)所面臨的新挑戰(zhàn)[2-3].GJB1389A-2005系統(tǒng)電磁兼容性要求[4]給出了系統(tǒng)所面臨的外部電磁環(huán)境,在大部分頻段場強(qiáng)遠(yuǎn)高于200V/m,在2.7~3.6GHz的頻段內(nèi),艦船上發(fā)射機(jī)主波束下或陸軍直升機(jī)外部電磁環(huán)境峰值場強(qiáng)甚至高達(dá)27 460V/m,均值場強(qiáng)達(dá)到2 630V/m.若對系統(tǒng)開展安全裕度試驗(yàn),則需要模擬更高的場強(qiáng),而這樣的指標(biāo)在目前實(shí)驗(yàn)室條件下無法實(shí)現(xiàn).因此,單純的輻照試驗(yàn)方法已經(jīng)難以滿足系統(tǒng)級電磁輻射敏感度及安全裕度試驗(yàn)的要求.
注入法是將電流直接注入到設(shè)備的殼體或電纜上來替代輻射場照射的效應(yīng)試驗(yàn)方法,其實(shí)質(zhì)是把高場強(qiáng)輻射敏感度試驗(yàn)采用電流傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)來替代.雖然傳統(tǒng)的大電流注入法(BCI)和直接電流注入法(DCI)已提出了近半個世紀(jì)[5],但將其應(yīng)用于全頻段的HIRF替代性試驗(yàn)仍存在以下問題:一是應(yīng)用頻率范圍受限.對于BCI而言,在較高頻率注入時,線纜上的駐波會使得注入和監(jiān)測電流值隨注入位置的變化十分敏感,同時鐵氧體注入探頭性能嚴(yán)重降低,使測試結(jié)果準(zhǔn)確性降低以及注入效率下降[6].對DCI而言,當(dāng)頻率升高到一定值時,完全回路導(dǎo)體裝置內(nèi)高階模的產(chǎn)生會使其內(nèi)部場強(qiáng)的大小和場均勻性發(fā)生很大的變化[7].大量研究表明,當(dāng)頻率高于400MHz時,BCI和DCI與輻照法的相關(guān)性明顯下降[8],無法滿足測試要求.二是兩種注入方法均無法準(zhǔn)確替代HIRF對非線性系統(tǒng)的輻照實(shí)驗(yàn).目前,BCI技術(shù)要求受試系統(tǒng)是線性的[9],即輻照場強(qiáng)和線纜上感應(yīng)的電流值之間是線性變化關(guān)系,因此可直接將兩者在低場強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系線性外推至高場強(qiáng),而在HIRF作用下大部分受試系統(tǒng)為非線性系統(tǒng),若BCI技術(shù)仍采用和線性系統(tǒng)相同的測試方法,由于線性外推條件不滿足而導(dǎo)致誤差較大.對DCI技術(shù)而言,在被試設(shè)備附近激發(fā)的電磁波基本為橫電磁波(TEM),電場方向垂直于被試設(shè)備表面,但在輻照試驗(yàn)時,電場僅在導(dǎo)體表面與其垂直,而在孔洞、縫隙等電磁耦合比較強(qiáng)烈的部位,往往電磁場具有較大的平行分量,這一點(diǎn)不可避免地導(dǎo)致二者試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異[10].
綜上所述,大范圍空間內(nèi)構(gòu)建HIRF在目前實(shí)驗(yàn)室條件下難以實(shí)現(xiàn),采用傳統(tǒng)的電流注入技術(shù)對受試系統(tǒng)開展寬頻帶的HIRF替代性試驗(yàn)又存在諸多不足.因此,有必要探索一種能夠在理論上保證注入與輻照嚴(yán)格等效的注入試驗(yàn)新方法,進(jìn)而對互聯(lián)系統(tǒng)開展電磁易損性及安全裕度試驗(yàn),彌補(bǔ)單一輻照測試方法在試驗(yàn)場地及輻射強(qiáng)度等方面的不足.
從嚴(yán)格意義上來說,注入和輻照過程不能完全等效,因?yàn)檩椪者^程相當(dāng)于諸多分布源作用于受試系統(tǒng),而注入過程相當(dāng)于集總源的作用[6].但是,對于一些干擾耦合通道十分明確的受試系統(tǒng),比如互聯(lián)系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)等,電磁能量主要以傳導(dǎo)干擾的形式經(jīng)線纜(天線)端口作用于受試系統(tǒng)的內(nèi)部電路[11-12],由于試驗(yàn)考核的是線纜兩端所連接設(shè)備的電磁敏感性,因此,此種條件下可以采用注入的方法來等效替代輻照效應(yīng)試驗(yàn).
對于互聯(lián)系統(tǒng)而言,注入與輻照試驗(yàn)嚴(yán)格等效的依據(jù)是兩者對受試系統(tǒng)的響應(yīng)相等,工程上等效的依據(jù)是兩者產(chǎn)生的效應(yīng)相同.基于這一考慮,若能夠保證作用于設(shè)備電纜(天線)端口的響應(yīng)電壓或注入電流信號相同就可以保證兩者試驗(yàn)方法的等效性[6,13].因此,本文將以設(shè)備端口的響應(yīng)電壓信號相等作為注入法和輻照法等效的依據(jù).
典型互聯(lián)系統(tǒng)在外界電磁場輻照條件下,可以簡化成如圖1所示的傳輸網(wǎng)絡(luò),其中ZA為設(shè)備A的等效阻抗,ZL為受試設(shè)備B的等效阻抗.
為求得等效阻抗ZL上的響應(yīng)電壓,A-A′左側(cè)的分支可以等效為戴維南等效電路,如圖2所示.
這種方法把受試設(shè)備外部端口的干擾等效為無源阻抗元件ZSR和等效電壓源USR.將左側(cè)戴維南等效電路與右側(cè)受試設(shè)備B的等效阻抗ZL結(jié)合起來,得到受試系統(tǒng)輻照響應(yīng)等效電路,如圖3所示.


在輻照試驗(yàn)條件下,由分布場激勵源形成的等效電路開路電壓USR可應(yīng)用BLT方程進(jìn)行求解[14].令A(yù)-A′端口開路,即ρB=1,可求得x=l處的開路電壓為

式中S1和S2分別為BLT方程中的源矢量,若采用Agrawal模型[15],源矢量與入射電場E成線性變化關(guān)系,為簡化表述方式,令式(1)中的等效開路電壓USR與入射電場E之間的傳遞函數(shù)為f,則式(1)可簡化表示為

且滿足f(k·E)=k·f(E),通過求得無源阻抗元件ZSR和等效電壓源USR,根據(jù)圖3的等效電路,可以計算出等效阻抗ZL的輻照響應(yīng)為

參照上述分析過程,容易得出受試設(shè)備B在注入試驗(yàn)條件下的等效電路,如圖4所示,其中:USI為注入電壓源,ZSI為注入電壓源的內(nèi)阻,為受試設(shè)備B在注入試驗(yàn)條件下的響應(yīng).

圖3 輻照響應(yīng)等效電路

圖4 注入響應(yīng)等效電路
根據(jù)圖4等效電路,受試設(shè)備B在注入試驗(yàn)條件下等效阻抗上的響應(yīng)可表示為

根據(jù)前面提出的注入與輻照兩種試驗(yàn)方法等效的依據(jù):受試系統(tǒng)的響應(yīng)相同,即uLR=uLI,可得

根據(jù)式(1)可計算輻照條件下的集總電壓源USR,通過式(6)最終確定了理論上等效的注入電壓源USI與輻照場強(qiáng)E之間的對應(yīng)關(guān)系,保證了注入與輻照試驗(yàn)的等效性.對于單頻點(diǎn)連續(xù)波輻照試驗(yàn),ZSR、ZSI和ZL是固定值,采用式(6)可以得到等效注入電壓源USI;但對于寬帶脈沖輻照試驗(yàn),ZSR、ZSI和ZL是隨著頻率變化的量,只有當(dāng)ZSR=ZSI時,根據(jù)式(6)才能得出USI=USR=f (E),此時等效注入電壓源與頻率無關(guān),可以實(shí)現(xiàn)注入與輻照試驗(yàn)的等效性.
強(qiáng)場試驗(yàn)條件下大多數(shù)系統(tǒng)為非線性系統(tǒng),即由于模塊、器件工作狀態(tài)的改變(如進(jìn)入飽和區(qū)、限幅區(qū)等)以及材料性能、寄生參數(shù)的變化等因素的影響導(dǎo)致受試系統(tǒng)的端口響應(yīng)已經(jīng)不再與輸入信號成線性比例變化.因此,注入激勵源如何外推是能否實(shí)現(xiàn)注入等效替代強(qiáng)場輻照試驗(yàn)的關(guān)鍵問題.
為此,在對典型非線性系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,我們將互聯(lián)系統(tǒng)受外界電磁輻照并出現(xiàn)干擾(降級、失效、毀傷等)效應(yīng)的情況分為兩個過程:即場線耦合過程(對于天饋系統(tǒng),則為天線接收過程)和模塊、器件的電路響應(yīng)過程,如圖5所示.

圖5 非線性互聯(lián)系統(tǒng)輻照響應(yīng)過程
由電磁場理論可知:場線耦合過程為線性過程,模塊、器件的電路響應(yīng)過程為非線性過程.若能夠保證注入激勵源與輻照等效的集總電壓源在模塊、器件的輸入前端激勵效果相同,則注入試驗(yàn)同樣會出現(xiàn)與輻照試驗(yàn)相同的非線性電路響應(yīng),此時由低場強(qiáng)到高場強(qiáng)試驗(yàn)的等效注入電壓源仍然可以采用線性外推.而為保證高場強(qiáng)下注入激勵源與輻照等效的集總電壓源激勵效果相同,需要滿足兩個條件:第一,高場強(qiáng)條件下注入電壓源與輻照等效的集總電壓源開路電壓相同,即USI=USR;第二,輻照與注入等效電路中模塊、器件響應(yīng)的分壓比相同,即由于USR是場線耦合線性過程中得到的等效集總電壓源,因此高功率注入激勵源可以通過對預(yù)先試驗(yàn)中得到的低功率等效注入源線性外推得到;第二個條件,由于受試系統(tǒng)阻抗ZL在高場強(qiáng)輻照或高功率注入試驗(yàn)條件下會發(fā)生改變,為保證電路響應(yīng)的分壓比相同,則必需要求兩個激勵源的輸出阻抗相同,即ZSI=ZSR.滿足了這兩個條件,高場強(qiáng)試驗(yàn)的等效注入電壓源可以采用低場強(qiáng)下二者的對應(yīng)關(guān)系線性外推得到.
從工程實(shí)際出發(fā),根據(jù)上述等效替代理論及激勵源外推方法,提出將互聯(lián)傳輸線上的前向電壓u+(0)作為中間過程等效參量,以注入和低場強(qiáng)輻照兩次預(yù)先試驗(yàn)中u+(0)相等為依據(jù),進(jìn)而提取低場強(qiáng)等效注入電壓源USI,通過線性外推USI獲取滿足高場強(qiáng)試驗(yàn)的等效注入電壓源VSI(VSI=kUSI,其中k為輻射場強(qiáng)放大的倍數(shù)).
為了能夠?qū)ヂ?lián)傳輸線上的前向電壓(功率)進(jìn)行監(jiān)測,同時保證注入與輻照等效電路中激勵源的輸出阻抗相同(條件二),提出采用“注入耦合模塊”來實(shí)現(xiàn)注入替代輻照試驗(yàn)的等效性.
“注入耦合模塊”是用于互聯(lián)系統(tǒng)寬頻帶電磁注入敏感度試驗(yàn)的輔助設(shè)備,其典型連接方式如圖6所示,在A、B構(gòu)成的系統(tǒng)正常工作的前提下,通過模塊的注入端口對受試系統(tǒng)B開展電磁注入試驗(yàn).

圖6 注入耦合模塊的連接方式示意圖
模塊的1#、2#為直通端口,用于互聯(lián)設(shè)備之間正常工作信號的傳輸;4#為注入端口,用于對受試設(shè)備B進(jìn)行電磁注入試驗(yàn),5#為監(jiān)測端口,用于對互聯(lián)傳輸線上的前向電壓信號進(jìn)行監(jiān)測.要求模塊具有一定的工作帶寬,可以完成電磁脈沖試驗(yàn);同時,4#和5#端口與主通道保持同相位或反相位,保證瞬態(tài)脈沖信號注入與監(jiān)測不失真.
上述耦合模塊引入后,互聯(lián)系統(tǒng)的等效電路如圖7所示,Z4為注入激勵源內(nèi)阻,Z5為監(jiān)測端口示波器輸入阻抗,UDCI為所加注入激勵源的開路電壓.

圖7 互聯(lián)系統(tǒng)連接注入耦合裝置的等效電路
根據(jù)戴維南等效電路理論,注入與輻照等效電壓源的內(nèi)阻ZSR和ZSI等于將所有激勵源除去后所得到的無源網(wǎng)絡(luò)A-A′兩端之間的等效阻抗.分析可知:注入與輻照試驗(yàn)具有相同的無源網(wǎng)絡(luò),注入耦合模塊在保證互聯(lián)系統(tǒng)正常工作的前提下,能夠滿足注入與輻照等效電路中激勵源輸出阻抗相同.因此,利用耦合模塊來實(shí)現(xiàn)注入等效替代輻照試驗(yàn)是可行的.
為驗(yàn)證耦合模塊注入法與電磁輻照法的等效性,以典型天線接收系統(tǒng)射頻前端為受試對象,開展單頻連續(xù)波輻照與等效注入試驗(yàn)研究.
受試系統(tǒng)為典型非線性互聯(lián)系統(tǒng),由接收天線、同軸電纜及射頻前端組件等構(gòu)成,其整體連接方式如圖8所示.射頻前端組件包括:限幅濾波組件、定向耦合器、低噪聲放大器、靈敏度控制組件、限幅放大器等,將其集成在一個機(jī)箱內(nèi)作為一個整體.假定接收天線為設(shè)備A,射頻前端組件箱為受試設(shè)備B,A、B之間通過同軸電纜進(jìn)行連接,由于B中限幅濾波器、低噪聲放大器等組件的非線性響應(yīng)特性,因此上述系統(tǒng)可用于驗(yàn)證注入替代輻照試驗(yàn)的等效性.

圖8 天線接收互聯(lián)系統(tǒng)連接方式示意圖
2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
通過對天線接收互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行輻照與注入效應(yīng)試驗(yàn)研究,驗(yàn)證輻照場強(qiáng)和等效注入電壓源之間為線性變化關(guān)系,替代高場強(qiáng)輻照試驗(yàn)的等效注入電壓源可以采用低場強(qiáng)下的對應(yīng)關(guān)系線性外推得到.
2.2.2 試驗(yàn)方法
總體思路:分別對受試互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行輻照與注入效應(yīng)試驗(yàn),使圖8中的受試設(shè)備B在輻照與注入試驗(yàn)中均出現(xiàn)非線性的響應(yīng)過程.記錄輻照場強(qiáng)、注入電壓值與設(shè)備B響應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系,由于設(shè)備B的響應(yīng)電壓值可監(jiān)測,因此直接以設(shè)備B響應(yīng)相同作為等效依據(jù),可得到設(shè)備B出現(xiàn)線性及非線響應(yīng)時輻射場強(qiáng)與等效注入電壓值之間的對應(yīng)關(guān)系,若此關(guān)系保持線性變化,則可以驗(yàn)證高場強(qiáng)下注入等效替代輻照試驗(yàn)方法的有效性.
具體方法:分別按圖9、10所示的配置方式,對受試互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行輻照與注入效應(yīng)試驗(yàn).采用頻譜分析儀對設(shè)備B的響應(yīng)信號直接進(jìn)行測試,作為注入與輻照等效的依據(jù).以耦合度為10dB,插入損耗為1.5dB的單定向耦合器作為電磁注入耦合模塊.在輻照試驗(yàn)中,用于對互聯(lián)通道前向電壓信號進(jìn)行監(jiān)測;在注入試驗(yàn)中,通過耦合器的前向隔離端口對受試設(shè)備B進(jìn)行電磁注入,即注入電壓源輸出的功率衰減10dB后進(jìn)入受試設(shè)備B.單定向耦合器的引入能夠保證注入與輻照試驗(yàn)等效電路中激勵源的輸出阻抗相同,同時互聯(lián)系統(tǒng)在試驗(yàn)中能夠正常工作.


選取射頻前端內(nèi)不同非線性組件構(gòu)成設(shè)備B,分別設(shè)為B1和B2.其中,B1的核心為低噪聲放大器組件,B2的核心為限幅濾波組件,另外系統(tǒng)中還包括機(jī)箱、電源、風(fēng)扇、衰減器等輔助設(shè)備或模塊.在互聯(lián)系統(tǒng)的工作頻段2~8GHz范圍內(nèi),選取多個頻點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),B1試驗(yàn)時取3.3GHz、4.6GHz和7.2GHz,B2試驗(yàn)時取4.6GHz、5.6GHz和7.2 GHz.
2.3.1 輻照效應(yīng)試驗(yàn)
按照2.2.2提出的方法進(jìn)行輻照效應(yīng)試驗(yàn),得出不同頻點(diǎn)B1和B2輸出響應(yīng)與輻照電場強(qiáng)度之間的曲線關(guān)系,分別如圖11、12所示.


從圖11、12可以看出:不同頻點(diǎn)受試設(shè)備B1和B2的輸出響應(yīng)與輻照電場強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線變化趨勢相同.當(dāng)輻照電場強(qiáng)度較低時,受試設(shè)備B1和B2的輸出響應(yīng)與輻照場強(qiáng)成線性變化關(guān)系;隨著輻照電場強(qiáng)度的增大,設(shè)備B1和B2開始出現(xiàn)非線性的響應(yīng)過程;若輻照電場強(qiáng)度繼續(xù)增大,則B1和B2的輸出響應(yīng)進(jìn)入飽和區(qū)直至損壞.因此,輻照電場強(qiáng)度與設(shè)備B1和B2的輸出響應(yīng)為典型的非線性關(guān)系,選擇B1和B2作為試驗(yàn)受試設(shè)備是比較合適的.
2.3.2 注入效應(yīng)試驗(yàn)
按照2.2.2提出的方法進(jìn)行注入效應(yīng)試驗(yàn),為方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析,得出輻照場強(qiáng)與等效注入電壓之間的曲線關(guān)系,因此需調(diào)整注入電壓源的輸出功率值,使相同頻率條件下,設(shè)備B的輸出響應(yīng)與輻照試驗(yàn)相同,從而得出不同頻點(diǎn)B1和B2輸出響應(yīng)與注入電壓之間的曲線關(guān)系,如圖13、14所示.


從圖13、14可以看出:受試設(shè)備B1和B2在通過定向耦合器前向的隔離端口注入試驗(yàn)條件下,其輸出響應(yīng)曲線與輻照試驗(yàn)相類似,即低電壓注入時為線性響應(yīng)關(guān)系,隨著注入電壓的升高,B1和B2出現(xiàn)非線性的響應(yīng)過程.由此可見:只要選擇合適的注入激勵條件,注入試驗(yàn)同樣會出現(xiàn)與輻照試驗(yàn)相同的非線性響應(yīng)過程.
2.3.3 注入電壓與輻照場強(qiáng)的等效關(guān)系
為了定量分析注入電壓與輻照場強(qiáng)之間的等效對應(yīng)關(guān)系,在保證設(shè)備B1和B2輸出響應(yīng)相同的前提下,得出B1和B2在不同頻點(diǎn)注入電壓與輻照場強(qiáng)之間的對應(yīng)關(guān)系,如圖15和16所示.


分析圖15、16中實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化趨勢可知:輻照電場強(qiáng)度與注入電壓成線性變化關(guān)系,對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合(y=mx),得出受試設(shè)備B1和B2在不同頻率試驗(yàn)條件下線性擬合的斜率m及相關(guān)系數(shù)R,如表1中所示.可以看出:不同頻點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)線性擬合的斜率m存在一定差異,這主要是由于不同頻率互聯(lián)系統(tǒng)接收電磁輻射的能力不同所致.通過對相關(guān)系數(shù)R分析可知,圖15、16中各頻點(diǎn)數(shù)據(jù)線性擬合具有很高的精度(擬合精度是指趨勢線的估計值與對應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合精度,當(dāng)R2等于或接近1時,其可靠性最高),即等效注入電壓值與輻照場強(qiáng)值成線性變化關(guān)系.對于圖15、16中有少量數(shù)據(jù)點(diǎn)不完全符合線性關(guān)系(出現(xiàn)在受試系統(tǒng)進(jìn)入飽和區(qū)的數(shù)據(jù)點(diǎn)),這主要是由試驗(yàn)誤差造成的.解釋其原因?yàn)椋河捎谧⑷肱c輻照試驗(yàn)是以設(shè)備B的輸出響應(yīng)相同作為等效依據(jù),當(dāng)設(shè)備B進(jìn)入飽和區(qū)后,其輸出響應(yīng)值對輻照場強(qiáng)(或注入電壓)變化不敏感,差值較大的兩個輻照場強(qiáng)(或注入電壓)可能會出現(xiàn)幾乎相等的輸出響應(yīng),因此造成了少量數(shù)據(jù)點(diǎn)的試驗(yàn)誤差.

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)線性擬合的斜率及相關(guān)系數(shù)
綜上所述,即使對于非線性響應(yīng)受試系統(tǒng),若保證受試系統(tǒng)注入與輻照試驗(yàn)效應(yīng)相同,則不同頻點(diǎn)等效注入電壓與輻照場強(qiáng)成線性變化關(guān)系.從另一個角度來說,若能夠保證注入與輻照等效激勵源在受試系統(tǒng)前端激勵效果相同,則注入試驗(yàn)同樣會出現(xiàn)與輻照相同的非線性電路響應(yīng).因此,由低場強(qiáng)到高場強(qiáng)試驗(yàn)的等效注入電壓源可以進(jìn)行線性外推.
以典型互聯(lián)系統(tǒng)為研究對象,對注入法等效替代電磁輻照法的試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究.將設(shè)備端口的響應(yīng)電壓相等作為等效依據(jù),推導(dǎo)了注入電壓與輻照場強(qiáng)之間的等效對應(yīng)關(guān)系,確定了強(qiáng)場條件下注入電壓源線性外推應(yīng)滿足的條件,提出了基于耦合模塊的等效注入試驗(yàn)新方法.通過典型非線性互聯(lián)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究表明:輻照場強(qiáng)和等效注入電壓源之間為線性變化關(guān)系,替代高場強(qiáng)輻照試驗(yàn)的等效注入電壓源可以采用低場強(qiáng)下的對應(yīng)關(guān)系線性外推得到,試驗(yàn)結(jié)果同時驗(yàn)證了注入等效替代輻照試驗(yàn)方法的有效性.
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