不同輻射源瞬態(tài)電磁信號輻射場特性研究

張 悅 劉尚合 胡小鋒 劉衛(wèi)東

不同輻射源瞬態(tài)電磁信號輻射場特性研究

張 悅 劉尚合 胡小鋒 劉衛(wèi)東

（軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊050003）

為研究不同輻射源瞬態(tài)電磁輻射信號輻射場特性，建立了圓柱形導體傳輸線模型，基于頻域法對電暈放電的遠場輻射場進行了理論計算，計算結果表明放電信號的時域波形衰減振蕩時間隨導體尺寸的增加而增大，輻射場頻譜高頻分量減少，且隨著導體長度的增加，輻射場振蕩頻率逐漸降低.設計瞬態(tài)電磁輻射信號測試實驗，驗證了理論計算結果.同時，實驗采集了摩托車火花塞打火時的時域與頻域信息，結果表明火花塞放電時域波形與電暈放電相近，但頻譜差別很大，火花放電頻譜能達到GHz以上.

瞬態(tài)電磁輻射；傳輸線模型；輻射場；電暈放電；火花放電

引 言

隨著空間電磁環(huán)境的日益復雜，針對瞬態(tài)電磁輻射信號檢測等方面的研究越來越受到人們的重視.由于瞬態(tài)電磁輻射是一種常見的瞬變電磁現(xiàn)象，其存在較為普遍；另一方面則是由于瞬態(tài)電磁輻射信號蘊含了大量反映輻射源特征的相關信息.例如在電力系統(tǒng)領域，利用各類電氣設備所產生的高壓放電瞬態(tài)電磁輻射信號，能實現(xiàn)電力系統(tǒng)的早期故障預警［1］、故障點定位［2］以及故障類型識別［3］.在航天領域，空中飛行體與空間粒子撞擊產生的沉積靜電放電等也會產生較強的瞬態(tài)電磁輻射［4－5］，通過對此類信號的探測和信號處理，可以獲取瞬態(tài)電磁輻射源的空間位置、運動狀態(tài)等豐富信息.但同時，此類電磁輻射信號會產生較強烈的空間電磁騷擾，對民用廣播電視信號以及通訊設備造成電磁干擾［6－7］，研究不同輻射源瞬態(tài)電磁輻射信號的輻射場特性具有重要意義.

目前，對瞬態(tài)電磁輻射信號的研究主要集中在高壓電器局部放電的特性分析［4，8－9］、檢測及故障診斷識別等技術［3］.但對于飛行體、機動車發(fā)動機工作過程中產生的放電，放電時間隨機，頻次少，遠不能滿足短時間內的統(tǒng)計數(shù)量，因此，需要研究單次放電脈沖的輻射場特性.本文在課題組前期對其實驗現(xiàn)象定性分析的基礎上［9－10］，建立瞬態(tài)電磁信號輻射場遠場計算模型，理論分析了其遠場輻射場特性，并改進實驗測試系統(tǒng)，對理論計算進行了驗證.

1 理論計算

1.1遠場輻射場模型

電暈放電是高壓輸電線路和飛行體放電過程中存在的主要瞬態(tài)電磁輻射信號，以其為例建立遠場輻射場模型.電暈脈沖電流具有很快的上升沿，導體上的電暈脈沖電流非均勻分布，利用長導體解析模型和偶極子模型計算誤差很大.本節(jié)采用傳輸線模型研究電暈放電導體傳輸線遠場輻射規(guī)律，基于頻域法來推導脈沖電流注入導體的輻射場解析表達式.圖1為圓柱導體放電模型，L和a為導體長度和半徑，P（r，θ，φ）為觀察點，R為觀察點與電暈注入點的距離，r為導體電流元dz′與P點的距離，θ為r與導體軸線的夾角，R＝r－z′cosθ.

根據(jù)麥克斯韋方程

圖1 圓柱導體傳輸線放電模型

及空氣中的波阻抗

可由Eθ求得Hφ.導體傳輸線電流可看作由若干微電流元組成，所謂電流元是指電流均勻分布的一段小長度導體，通過對小電流元輻射場的沿線積分可求得整個導體的輻射場.在遠場，r?l，電流源Idz′的輻射場可視為球面波，微電流元Idz′在遠區(qū)P（r，θ，φ）處輻射場的貢獻為［11］

從式（3）可見，要得到遠場輻射場首先要確定沿導體的電流分布I（z′）.假設導體L?a，則電流分布主要與z′有關，導體電流分布可以近似為長度為L的傳輸線上電流分布.

由傳輸線理論可知，導體電流分布為

式中：A1、A2為常數(shù)；γ為導體等效傳輸線常數(shù)，γ＝a＋i b，a為衰減常數(shù)，b是每單位長度的相位常數(shù).假設傳輸線為無耗傳輸線，周圍介質為理想介質，則a＝0，b＝k＝ω／c；I（0，t）為輸入端靜電放電電流.研究者給出了多種形式的ESD解析表達式［1213］，其中雙指數(shù)電流解析式［14］最精確

式中：α、β取決于電流脈沖的上升和下降時間；I0為電流的峰值；k為修正系數(shù).

式（4）中第一項為入射波，第二項為反射波，令入射波導體電流分布為

將上式傅里葉變換，得其頻域形式

對于L?a的孤立圓柱導體發(fā)生電暈放電輻射場的計算，假設導體兩端開放，導體尖端反射系數(shù)為Γ0，終端反射系數(shù)為Γ1.導體任意點的電流包括入射波和反射波，則由式（4）、（6）可得導體電流分布的頻域形式為［15］

式中：第一項表示注入導體的脈沖電流沿導體到達z′處的入射行波；第二項表示脈沖電流經(jīng)導體終端反射后沿導體到達z′處的一次反射行波，其對應的傳播距離為2L－z′，其它項以此類推.

對于遠場輻射場，r＝R＋z′cosθ≈R，將式（8）代入式（3），并對式（3）進行沿線積分，求得頻域的遠區(qū)輻射場為

式中：z1，2＝L（1±cosθ）／2；sin kz1、sin kz2表示為

代入式（9）得

式中，k＝ω／c.假設初始電流脈沖為δ（t），則I（0，ω）＝1，對式（11）進行傅里葉逆變換，得到δ（t）電流脈沖的時域遠區(qū)輻射場為

式中，τ＝t－R／c.當尖端導體注入放電脈沖電流I（t）時，根據(jù)卷積公式得出尖端導體電暈放電輻射場電場時域表達式

由式（2）可求得輻射場的磁場表達式.

1.2輻射場特性仿真分析

從式（10）、（11）可見，導體時域與頻域特性都與導體尺寸有關，為定量分析其輻射場特性，對理論推導進行仿真分析.假設尖端導體的反射系數(shù)Γ0＝Γ1＝－0.6，觀察距離L為10m，θ＝π／6，脈沖電流為i（t）＝18（1－e－t／1.04）2e－t／5.04.仿真計算得到的導體放電時域與頻域波形如圖2和3所示.圖中，黑色實線為5cm導體放電時域波形，紅色和藍色虛線分別表示15cm與45cm導體放電波形.

圖2 不同尺寸導體放電時域波形仿真結果

圖3 三種長度導體的放電頻譜仿真圖

可見，放電電流注入導體的遠場輻射場為衰減振蕩波，第一脈沖是脈沖電流注入導體尖端時產生的，第二脈沖是脈沖電流經(jīng)導體終端反射產生的，第三脈沖是電暈脈沖電流經(jīng)導體尖端反射產生的，依次類推.且峰峰值之間的間隔恰好為電流沿兩倍長導體傳輸所用的時間.因此，導體電暈放電產生的衰減振蕩波是由于放電脈沖電流的反射造成的，且脈沖持續(xù)時間很短，大約在幾個微秒量級，屬于瞬態(tài)的電磁輻射信號.靜電放電信號輻射場具有寬頻帶特性，短導體的頻譜能達到GHz；較低頻段處的放電強度明顯高于高頻段處放電強度，隨著導體長度的增加，輻射場振蕩頻率逐漸降低，因此對于未知長度的放電導體，探測頻段應選在200MHz以內.

2 放電源輻射場測試實驗

2.1測試系統(tǒng)及實驗方法

實驗時，利用接收天線獲取放電輻射信號，接收信號經(jīng)濾波、噪聲抑制以及前置放大等處理，傳輸至頻譜儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行頻譜分析和數(shù)據(jù)保存，測試系統(tǒng)設置如圖4所示.采用3種不同頻段的接收天線對0至1GHz頻段內的信號進行測試：30 MHz以下選用鞭狀天線；25～190MHz選用雙錐天線；190MHz～1.5GHz頻段選用對數(shù)周期天線.頻譜儀采用了羅德施瓦茨公司的R＆S FSVR實時頻譜分析儀，具有頻譜駐留功能，其主要原理是對探測到的信號進行頻域的能量累計，當信號出現(xiàn)頻次較多時，其能量疊加，同一頻譜特性的信號累加結果能很清晰地顯示出來，因此，很適用于瞬態(tài)非周期信號的檢測；同時，采用TDS－7404B型四通道示波器，最大采樣率為20GS／s.實驗分別對5cm、15cm和45cm的放電極時域波形和頻譜進行測試，分析電極尺寸對放電特性的影響.

圖4 測試系統(tǒng)結構圖

2.2放電極電暈放電輻射場測試

放電系統(tǒng)采用實驗室模擬高壓放電源，結構如圖4左所示，高壓源由高壓塔和放電極組成，放電極一端裝一束金屬絲，另一端用螺紋與高壓塔聯(lián)接，通過高壓塔給放電刷加直流高壓，當達到一定電位時，放電極發(fā)生電暈放電.高壓塔由直流高壓源充電，最高輸出電壓可達300kV.

實驗對背景噪聲的強度和頻譜進行了測試，逐漸升高高壓源的加載電壓，當放電信號重復性較好且信號強度明顯高于背景噪聲時，認為此時放電干擾源達到放電閾值，且正常工作.參數(shù)設置：高壓源直流高壓為＋30kV，測試距離為10m，示波器采樣頻率為1GS／s.采用對周天線，采集得到三種不同尺寸放電極時域波形如圖5所示.黑色實線為5cm放電極的時域波形，脈寬約0.1μs；紅色虛線為15 cm放電極時域波形，脈寬約為0.3μs；藍色虛線為45cm放電極時域波形，衰減振蕩持續(xù)時間很長，約0.5μs.對比三種尺寸的放電極時域波形可見，幅值沒有太大的變化，放電持續(xù)時間隨著尺寸的增加明顯變長.根據(jù)公式（8）和（12）的理論推導結果分析，這是由于隨著導體長度的增大，電磁波來回反射的時間增加，脈沖持續(xù)時間逐漸增大.從時域測試結果可見，實測時域波形基本與仿真結果相符，導體放電源單次放電時間很短，脈寬為幾個微秒，屬于瞬態(tài)電磁輻射信號.由于仿真過程中設置反射次數(shù)為5次，因此，在波形上看衰減震蕩次數(shù)不同.

圖5 放電極時域波形圖

對三個頻段內的頻譜進行測試，測試結果如圖6～8所示.圖6為5cm放電極概率頻譜圖，探測頻帶可達350MHz.100kHz～30MHz頻段內放電強度最大為－50dB，明顯高于其它頻段－70dB的水平.當背景信號較強，或放電信號較弱時，30MHz以上頻段的放電信息將難以探測到.圖7、圖8為15cm和45cm放電極概率頻譜圖，15cm放電極至260MHz已檢測不到放電信息，45cm放電極在200MHz以上已無明顯放電信息，且放電頻次明顯減少.對比三種尺寸的放電極頻譜圖可見，隨著導體長度的增加，輻射場振蕩頻率逐漸降低，放電頻次減少，由于實測過程受背景信號、信號衰減以及探測設備靈敏度的影響，和仿真結果比較，較高頻帶的放電信息可能淹沒在背景噪聲與設備本底噪聲中.因此，實驗結果與理論計算結果是基本相符的.

圖6 5cm放電極概率頻譜圖

圖7 15cm放電極概率頻譜圖

圖8 45cm放電極概率頻譜圖

2.3機動車輛火花塞放電及其它火花放電類型輻射場測試

在高壓線電磁輻射場測試及實驗模擬電暈放電輻射場測試過程中，會經(jīng)常受到某些寬頻瞬態(tài)信號的影響（頻率可達GHz以上），其時域波形與電暈放電相似，且放電強度很大，很容易從背景噪聲中檢測出來.經(jīng)過重復性實驗測試，發(fā)現(xiàn)此類信號來自于過往機動車輛火花塞打火以及電子機械類開關動作產生的火花放電.為研究此類干擾信號的輻射場特性，對指定摩托車火花塞打火放電進行測試.時域波形及頻譜如圖9和10所示.

圖9 摩托車火花塞打火放電時域波形

圖10 摩托車火花塞打火放電頻譜

對比火花塞放電與電暈放電的時域波形可見，兩類放電信號都呈衰減振蕩形式，持續(xù)時間較短，有幾百個ns，只從時域特征很難判斷出放電類型.尤其在背景信號復雜情況下，基于時域波形的信號識別幾乎失靈.從摩托車火花塞打火放電頻譜特征可見，火花放電頻譜很寬，能達到GHz的數(shù)量級，在高頻段放電強度很高，而電暈放電幾乎在400MHz以上已探測不到放電信息.可見，火花放電的頻譜特征與導體尖端電暈放電有很大的區(qū)別，可通過頻譜特征實現(xiàn)二者的識別.

3 結 論

針對多輻射源瞬態(tài)電磁輻射信號的輻射場特性，本文建立了圓柱形導體傳輸線模型，對電暈放電的遠場輻射場進行了理論計算實驗驗證，理論計算和實驗結果表明，放電源的輻射場特性與電極尺寸有關，尺寸越長電流傳播路徑越長，在時域波形上表現(xiàn)為衰減振蕩時間增加以及放電頻次的減少，在頻域上表現(xiàn)為高頻成分的減少.同時，三種尺寸的放電強度在低頻段最高，100kHz～5MHz之間的放電強度可達－50dB，但是此頻段內有較多廣播和電視信號的干擾，儀器供電線路產生的輻射干擾也主要集中在該頻段，因此對放電信號的檢測要合理規(guī)避窄帶信號的干擾.

實驗中還發(fā)現(xiàn)，對于電暈放電的探測，在低頻段會受電視廣播信號的影響，而在高頻段，會受周圍環(huán)境中機動車輛、電器機械開關等工作時火花放電帶來的干擾.因此實驗采集了摩托車火花塞打火的時域與頻域信息，結果表明火花塞放電時域波形與電暈放電相近，但頻譜差別很大，火花放電能達到GHz數(shù)量級，二者之間的模式識別可通過頻譜參量的提取來實現(xiàn).

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Properties of transient electromagnetic signals radiation field from various radiation sources

ZHANG Yue LIU Shanghe HU Xiaofeng LIU Weidong
（Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection，Ordnance Engineering College，Hebei Shijiazhuang050003，China）

To research the properties of transient electromagnetic signals radiation field from various radiation sources，the cylindrical conductor transmission line is modeled.The far radiation field of corona discharge is calculated based on frequency domain method.The calculated results indicate that as the length of conductor elongating，attenuation time of discharge signal increases，and the discharge components in high frequency decrease.The measurement experiment of transient electromagnetic signals is conducted，which verifies the calculated results.Meanwhile，the time domain and frequency domain frequency information of sparking from motorcycle spark plug are measured.The measured results show that properties of spark discharge are the same as corona，but different in frequency spectrum.The frequency spectrum of discharge could reach upon GHz.

transient electromagnetic radiation；transmission line model；radiation field；corona discharge；spark discharge

TM153

A

1005－0388（2015）02－0316－07

張 悅（1988－），女，河北人，軍械工程學院靜電與電磁防護研究所在讀博士研究生，主要從事靜電理論與防護方面的研究.

劉尚合（1937－），男，山西人，軍械工程學院靜電與電磁防護研究所教授、博導、中國工程院院士，研究方向為靜電與電磁防護理論與技術，主要從事靜電放電和電磁兼容測試研究.

胡小鋒（1977－），男，安徽人，博士，軍械工程學院靜電與電磁防護研究所講師，主要從事靜電與電磁防護理論研究.

張 悅，劉尚合，胡小鋒，等.不同輻射源瞬態(tài)電磁信號輻射場特性研究［J］.電波科學學報，2015，30（2）：316－322.

10.13443／j.cjors.2014051502

ZHANG Yue，LIU Shanghe，HU Xiaofeng，et al.Properties of transient electromagnetic signals radiation field from various radiation sources［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：316－322.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014051502

2014－05－15

國家自然科學基金（61172035）

聯(lián)系人：張悅E－amil：L＿forty＠163.com