大功率電磁裝置短時變頻磁場輻射測試系統(tǒng)

張向明 趙治華 孟 進 馬偉明 張 磊 胡安琪

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力國防科技重點實驗室 武漢 430033）

大功率電磁裝置短時變頻磁場輻射測試系統(tǒng)

張向明 趙治華 孟 進 馬偉明 張 磊 胡安琪

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力國防科技重點實驗室 武漢 430033）

使用電磁兼容標準中規(guī)定的測試系統(tǒng)測量短時變頻磁場信號代價過高，為了解決這一問題，論文設(shè)計了適用于大功率電磁裝置短時變頻磁場輻射測量的測試系統(tǒng)，并與電磁兼容標準中規(guī)定的測試系統(tǒng)進行了測試對比。所設(shè)計的測量系統(tǒng)由三維磁場探頭、多通道示波器和虛擬接收機軟件三部分組成，測試時，首先使用三維磁場探頭和多通道示波器獲取被測短時變頻磁場信號的時域波形，然后使用基于Matlab的虛擬接收機軟件分析被測信號的頻譜特性。實驗表明，所設(shè)計的測試系統(tǒng)能夠準確捕捉待測設(shè)備在各個頻率上的最大發(fā)射幅度，且具有測量成本低、測試耗時短的優(yōu)點。

短時變頻 磁場輻射 測試系統(tǒng) 虛擬接收機

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的革新，電磁發(fā)射器等瞬時方式工作的大功率電磁裝置必將逐漸被應(yīng)用[1-2]。電磁發(fā)射器是一類將電磁能變換為發(fā)射物體所需瞬時動能的能量變換裝置，工作時會產(chǎn)生較強的短時變頻磁場輻射。一方面，大功率電磁裝置產(chǎn)生的強磁場輻射可能會影響附近敏感設(shè)備的正常工作，造成預(yù)想不到的后果；另一方面，大功率電磁裝置產(chǎn)生的強磁場輻射還有可能對周圍人員的健康造成不良影響[3-4]。準確測試大功率電磁裝置產(chǎn)生的短時變頻磁場輻射，并有效地評估其對周圍敏感設(shè)備和人員的影響，有著重要的工程意義。

為了準確有效地測試電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射并評估其影響，國家制定了一系列的電磁兼容性標準和規(guī)范[5-6]。這些標準對電磁輻射的測試儀器和測試方法都作了明確規(guī)定，其根本目的在于準確捕捉待測設(shè)備在相應(yīng)頻率上的最大發(fā)射幅度，以評估其對周圍敏感設(shè)備和人員的影響。

對于穩(wěn)態(tài)周期信號，使用電磁兼容相關(guān)標準中規(guī)定的測試儀器和測試方法可以準確方便地獲取其頻譜特性，但是，對于短時變頻磁場信號，使用現(xiàn)有電磁兼容相關(guān)標準中規(guī)定的測試儀器和測試方法很難準確捕捉待測設(shè)備在相應(yīng)頻率上的最大發(fā)射幅度，這是因為：①測量接收機等頻域設(shè)備檢波時間長，而被測磁場信號存在時間很短，在這很短的時間內(nèi)，測量接收機不能完成一次測量。②測量接收機一般工作在掃頻模式，當掃描到某一頻點時，被測變頻信號的頻率可能并不在這一頻點上，因此，即便被測變頻信號存在的時間足夠長，測量接收機也很難準確地測出其在相應(yīng)頻率上的最大幅度。

對于瞬時方式工作的大功率電磁裝置，如果要實現(xiàn)“捕捉待測設(shè)備在相應(yīng)頻率上的最大發(fā)射幅度”這一目標，有兩種方法可以使用，一種是在待測設(shè)備的一次工作過程中，使用多臺測量接收機同時測量，每臺測量接收機測量一個頻率；另一種方法是使用一臺測量接收機，在待測設(shè)備的一次工作過程中，該測量接收機固定在一個頻率上進行測量，然后在待測設(shè)備的下一次工作過程中，測量接收機固定在另一頻率上進行測量，如此重復(fù)，多次運行待測設(shè)備，直至獲得干擾信號的完整頻譜。不難看出，這兩種測試方法獲取短時變頻干擾信號頻譜的代價都非常高，第一種方法需要多至上百臺接收機，第二種方法需要運行被測設(shè)備多至上百次。因此，需要一種簡單可行的測試大功率電磁裝置短時變頻磁場輻射的方法與裝置，即可以滿足“捕捉待測設(shè)備在各個頻率上最大發(fā)射幅度”的要求，又不必付出過高的代價。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計思路與基本組成

時域測試設(shè)備的動態(tài)范圍一般不如頻域測試設(shè)備高，噪聲通常也比頻域測試設(shè)備大，因此，時域測試設(shè)備較少用于電磁兼容性測試。但是，大功率電磁裝置產(chǎn)生的磁場輻射一般較強，不需要太高的動態(tài)范圍和太低的噪聲即可實現(xiàn)其磁場輻射的準確測試。與頻域測試設(shè)備相比，時域測試設(shè)備具有響應(yīng)速度快、能夠快速捕捉瞬時信號的優(yōu)點，因此比較適合于大功率電磁裝置產(chǎn)生的短時變頻磁場輻射的測量。

在電磁干擾的分析與測試中，僅僅得到干擾信號的時域波形是不夠的，為了評估干擾信號對敏感設(shè)備和人員的影響，還必須獲取干擾信號的頻譜特性，即干擾信號在各個頻率上的最大幅值。對于穩(wěn)態(tài)周期信號，可以通過傅里葉變換準確獲取一段時域波形的頻譜，但是，對于短時變頻信號，無法使用傅里葉變換獲得其頻譜。

綜合考慮上述因素，本文設(shè)計了適用于大功率電磁裝置瞬時變頻磁場輻射測量的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先通過三維磁場探頭和多通道示波器獲取被測信號的時域波形，然后通過基于Matlab的虛擬接收機軟件分析被測信號的頻譜特性，圖1為測試系統(tǒng)的基本組成框圖。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Schematic of the measurement system

在圖1測試系統(tǒng)的三個主要組成部分中，多通道示波器為成熟的商業(yè)產(chǎn)品，論文針對短時變頻干擾信號的特點，制作了適合于短時變頻磁場測量的三維磁場探頭，基于Matlab設(shè)計了適合于短時變頻信號頻譜分析的虛擬接收機軟件。

3 三維磁場探頭設(shè)計

為了獲得短時變頻磁場信號直觀的時域波形，測量探頭最好有平坦的頻率響應(yīng)曲線，而常見磁場天線的頻率響應(yīng)曲線一般是隨頻率變化的。此外，常見的磁場天線一般是一維的，至少需要3次測試才能獲取輻射磁場在空間三個方向的大小，大功率電磁裝置不僅功耗大，而且運行一次需要大量的人員配合，多次測試對人力和財力都是非常大的浪費。為此，本文設(shè)計了具有平坦頻率響應(yīng)特性的三維磁場探頭，只需一次測試即可獲得輻射磁場在空間三個方向的大小。

如圖2所示，三維磁場探頭由磁阻傳感器、放大電路、信號輸出接口、置位電路和電源變換模塊組成。雙軸磁阻傳感器將空間 X、Y方向的磁場信號轉(zhuǎn)化為兩路電壓信號，分別輸出到通道X放大電路和通道Y放大電路；單軸磁阻傳感器將空間Z方向的磁場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，輸出到通道Z放大電路；放大電路將三路電壓信號放大后分別通過對應(yīng)通道的輸出接口輸出到多通道示波器；置位電路在磁阻傳感器受強磁場干擾后為它們提供置位脈沖電流使它們恢復(fù)性能；電源變換模塊為磁阻傳感器、放大電路及置位電路提供所需直流電源。

圖2 三維磁場測量探頭組成框圖Fig.2 Schematic of the 3-D magnetic field sensor

磁阻傳感器選用霍尼韋爾公司的二維傳感器HMC1022和一維傳感器HMC1021Z。如圖3所示，磁阻傳感器的每維由四個磁阻元件組成一個惠斯通電橋，四個磁阻元件各端部由金屬相連，供電電源Vb加在電橋的頂部連接點和底部連接點之間，兩個側(cè)面的連接點用作測量端。無外加磁場時，側(cè)面兩端點的電壓值相同，輸出電壓為 0；加上外部磁場后，其中兩個相對放置的磁阻元件阻值增加，另外兩個相對放置的磁阻元件阻值減小，從而使側(cè)面兩端點輸出一個差分電壓信號[7]

圖3 惠斯通電橋電路Fig.3 Wheatstone bridge circuit

放大電路由儀表放大器AD624搭建而成，三路放大電路在電氣參數(shù)上完全對稱，圖4為其中一路放大電路的電路圖。

圖5為置位電路電路圖，圖中①和②分別表示雙軸磁阻傳感器 HMC1022的兩個置位電阻帶，③表示單軸磁阻傳感器HMC1021Z的置位電阻帶。當磁阻傳感器受強磁干擾而出現(xiàn)性能下降時，按下置位電路觸點開關(guān)，置位電路便可提供磁阻傳感器所需的置位脈沖電流，使磁阻傳感器恢復(fù)性能。

圖4 放大電路電路圖Fig.4 Amplification circuit

圖5 置位電路電路圖Fig.5 Setting circuit

圖6為電源變換模塊電路圖，電源變換模塊由±12V～±18V 的外部直流電源供電，首先利用LM7809和LM7909產(chǎn)生±9V電壓，給放大電路供電，同時作為LM7805和LM7905的輸入；LM7805和LM7905產(chǎn)生的±5V電壓給磁阻傳感器供電；此外，LM7809輸出的+9V電壓為置位電路供電。

圖6 電源變換模塊電路圖Fig.6 Power regulation circuit

定義輸出電壓和輸入磁場的比為磁場探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)，使用亥姆線圈對所設(shè)計的磁場探頭進行校準[8-9]，圖7為磁場探頭三個通道的頻率響應(yīng)曲線，可以看出，所設(shè)計的磁場探頭在直流到10kHz頻段內(nèi)有平坦的響應(yīng)特性，波動小于0.1dB。

圖7 磁場探頭頻率響應(yīng)曲線Fig.7 Frequency characteristic of the 3-D magnetic field sensor

4 虛擬接收機軟件設(shè)計

圖8是基于Matlab設(shè)計的虛擬接收機軟件的工作流程圖，主要由數(shù)據(jù)擴展、頻率預(yù)選濾波、混頻、中頻帶通濾波、中頻整流、低通濾波和檢波輸出等功能模塊組成。

圖8 虛擬接收機軟件組成框圖Fig.8 Schematic diagram of the vtiual EMI receiver

4.1 數(shù)據(jù)擴展

設(shè)濾波器的時延為 t，則對一段波形進行濾波后，原波形后端 t時間內(nèi)的信息會丟失[10]，因此，不難理解，濾波前應(yīng)該在原波形的后端進行數(shù)據(jù)擴展，所擴展數(shù)據(jù)的時間長度為所有濾波器時延的總和。但是，當被分析的短時變頻磁場信號中疊加有地磁場引起的直流偏置時（地磁場作用在三維磁場探頭上會引起直流電壓輸出，這部分直流信號為環(huán)境，但測試時會疊加在被測磁場信號上），濾波前僅在原波形的后端進行數(shù)據(jù)擴展還不夠，還應(yīng)該在原波形的前端進行數(shù)據(jù)擴展。以圖9一段理想直流信號經(jīng)過帶通濾波器為例，說明當被分析的短時變頻信號中疊加有地磁場引起的直流偏置時，濾波前在原波形前端進行數(shù)據(jù)擴展的必要性。

圖9 帶通濾波的“端部跳變”效應(yīng)Fig.9 End-jumping of the band-pass filter

圖9a中，帶通濾波器的中心頻率為2kHz，帶寬為10Hz，濾波點數(shù)為2×N0，對應(yīng)的時延為0.1s；直流信號數(shù)據(jù)長度為 NN，對應(yīng)的時間為 0.2s（圖中CB段）。為了防止濾波器時延效應(yīng)造成后端數(shù)據(jù)信息的丟失，濾波時在原波形的后端進行數(shù)據(jù)擴展，擴展數(shù)據(jù)的時間長度等于濾波器的時延，即0.1s（圖中BA段）。

理想情況下，一段直流信號經(jīng)過中心頻率為2kHz的帶通濾波器后，信號會衰減為零，但圖 9a的濾波結(jié)果并不是如此。這是因為，帶通濾波時，原直流信號前端相當于有一個從零到直流值的跳變，而這種“端部跳變”含有豐富的高頻分量，這部分高頻分量并不是原波形中的真實信息，但進行帶通濾波時會疊加到輸出結(jié)果中，從而影響頻譜分析的準確性。為了能夠在補償濾波時延時去掉波形前端“端部跳變”引起的高頻分量，濾波時不僅要在原波形的后端進行數(shù)據(jù)擴展，還應(yīng)該在原波形的前端進行相同時間長度的數(shù)據(jù)擴展，如圖 9b中的DC段。從圖9b濾波效果可以看出，濾波前若在原波形的前后兩端都進行數(shù)據(jù)擴展，則補償濾波延遲時能夠去掉“端部跳變”引起的高頻分量。

4.2 頻率預(yù)選濾波

假設(shè)待測短時變頻信號為

根據(jù)被分析信號的特性和所關(guān)心的頻率范圍，對y(t) 采用低通濾波器進行頻率預(yù)選，取低通濾波器的截止頻率為flow，則y(t) 經(jīng)頻率預(yù)選濾波器后輸出為

4.3 混頻

以分析信號y1(t) 在頻率fX上對應(yīng)的幅值為例，設(shè)定中頻帶通濾波器的中心頻率為fIF＞flow，本振頻率fLO根據(jù)fX和fIF進行選擇，fLO=fIF?fX，則信號y1(t)與本振信號混頻后輸出為

4.4 中頻帶通濾波

中頻帶通濾波器對混頻信號 y2(t) 以 fIF為中心頻率進行帶通濾波，設(shè)定濾波帶寬為fRBW。當fX＞2fRBW時，混頻信號 y2(t) 經(jīng)過中頻帶通濾波器后輸出為

4.5 中頻整流

對信號y3(t) 進行中頻整流，則產(chǎn)生直流分量和頻率在2fIF以上的諧波分量，其中的直流分量為

4.6 低通濾波

對中頻整流后的信號進行低通濾波，濾除其中頻率大于 2fIF的諧波分量，并對其直流分量進行系數(shù)修正，則可以得出變頻信號y(t) 在頻率fX上等效功率的幅值為

4.7 檢波輸出

對低通濾波后的直流分量y5(t) 進行檢波輸出，根據(jù)需要可選擇采樣檢波（sample），有效值檢波（RMS），最大值檢波（max），最小值檢波（min）等不同檢波方式[11]。

5 實驗對比

為了驗證所設(shè)計測試系統(tǒng)的準確性，在亥姆線圈中產(chǎn)生短時變頻磁場信號，使用所設(shè)計的測試系統(tǒng)和電磁兼容標準[6]中規(guī)定的測試系統(tǒng)分別測試亥姆線圈中的磁場。

使用所設(shè)計的系統(tǒng)測試時，亥姆線圈單次產(chǎn)生短時變頻磁場，多通道示波器與三維磁場探頭連接捕捉短時變頻磁場信號的時域波形，然后使用基于Matlab的虛擬接收機軟件進行頻譜分析。使用文獻[6]中規(guī)定的測試系統(tǒng)測試時，亥姆線圈以一定周期連續(xù)不斷地發(fā)出短時變頻磁場信號（相當于多次運行被測設(shè)備），測量接收機 ESIB26和磁場天線HZ-10連接，逐個頻率掃描短時變頻磁場信號的頻譜特性，掃描時，測量接收機在每個頻率點上的駐留時間大于亥姆線圈發(fā)出短時變頻磁場信號的周期，保證能夠測得每個頻點上的最大幅值。

圖10a為所設(shè)計測試系統(tǒng)獲取的短時變頻磁場信號時域波形，使用虛擬接收機軟件分析該時域波形的頻譜，并與測量接收機 ESIB26和磁場天線HZ-10的測試結(jié)果對比于圖10b。

圖10 測試系統(tǒng)的實驗驗證Fig.10 Experimental verification

從圖 10b可以看出，除7～10kHz外，本文所設(shè)計測試系統(tǒng)和電磁兼容標準[6]中規(guī)定頻域測試系統(tǒng)的測試結(jié)果基本一致。而 7～10kHz的差異是由于示波器本底噪聲較高，超出了該頻段內(nèi)被測磁場通過三維磁場探頭后產(chǎn)生的電壓信號。圖10c為示波器本底噪聲電壓測試結(jié)果，示波器本底噪聲電壓通過虛擬接收機折算為磁場信號的結(jié)果，則在圖10b中與所測磁場信號進行了對比。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了適用于大功率電磁裝置短時變頻磁場輻射測量的測試系統(tǒng)，并與電磁兼容相關(guān)標準中規(guī)定的測試系統(tǒng)進行了測試對比，測試結(jié)果吻合較好。所設(shè)計的測量系統(tǒng)能夠準確測量出待測設(shè)備在各個頻率上的最大發(fā)射幅度，既不需要多臺測量接收機，又不需要多次運行待測設(shè)備，具有測量準確、成本低、耗時短等優(yōu)點。

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Measurement System for Short-Time and Frequency-Conversion Magnetic Field Radiated by High-Power Electromagnetic Equipment

Zhang Xiangming Zhao Zhihua Meng Jin Ma Weiming Zhang Lei Hu Anqi
（Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

The cost is too high when measuring short-time and frequency-conversion magnetic field signals with the measurement systems recommended in electromagnetic compatibility(EMC) standards. To solve this problem, a novel magnetic field measurement system, which is composed of 3-D magnetic-filed detector, multi-channel oscilloscope and virtual EMI receiver software, is designed in this paper. To measure the short-time and frequency-conversion magnetic field signal radiated by high-power electromagnetic equipments, time domain waveform of the signal is firstly obtained by the 3-D magnetic-field detector and multi-channel oscilloscope, and then frequency spectrum of the captured waveform is analyzed using the virtual EMI receiver software which is designed based on Matlab. The experimental result indicates that the result obtained by the designed measurement system matches well with the measurement result of the systems recommended in EMC standards.

Short-time and frequency-conversion, magnetic-field emission, measurement system, virtual EMI receiver

TM93

張向明 男，1983年生，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)中的電磁兼容。

國家自然科學(xué)基金資助項目（50721063，50677070）。

2010-03-14 改稿日期 2010-06-30

趙治華 男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電磁場及電磁兼容性等。