基于矢量網絡分析儀的改進型CE102測試系統校驗方法探討

高剛，朱宜生，王一飛

（1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，揚州 225001；2．中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗中心，揚州 225001）

引言

由于我國海軍新型艦艇裝備信息化水平及各系統復雜程度逐步提升，對艦艇各系統、設備之間的電磁兼容性、信息化高效安全使用性產生了很大的威脅，控制電子裝備通過電源線以傳導或輻射的方式對外造成干擾顯得尤其重要。

項目CE102電源線傳導發射[1]測量的目的是在較低頻段控制電子裝備工作時通過電源線向公共電網注入傳導干擾；在較高頻段，控制干擾通過電源線向外輻射，保護靈敏接收機。項目CE102的測試配置如圖1所示，使用LISN（阻抗穩定網絡）來隔離電源干擾并為EUT（受試設備）提供規定的電源阻抗。在每次發射測試開始前，為保證測量結果的質量及準確性，應對測試系統（包括測量接收機、電纜、衰減器等）進行校驗以確定測試系統是否正常。

1 CE 102測試系統校驗方法以及存在的不足

1.1 CE 102測試系統校驗方法

GJB 151B-2013中提供的CE 102測試系統校驗配置如圖2所示，具體校驗方法步驟如下：①信號發生器輸出信號到LISN電源輸出端，其頻率分別為10 kHz、100 kHz、2 MHz和10 MHz，電平至少低于限值6 dB，其中在10 kHz和100 kHz ，通過示波器確認其為正弦波并測量信號有效電平，在2 MHz和10 MHz，直接使用從50 Ω信號發生器輸出的信號電平；②接收機測量值應在注入信號電平的±3 dB范圍之內。

1.2 存在的不足

GJB 151B-2013中提供的CE 102測試系統校驗方法只能針對單個LISN，無法校驗包括接地、50 Ω終端阻抗等在內的整個LISN系統，因此無法發現整個LISN系統存在的潛在包括接地問題、50 Ω終端阻抗故障問題以及同軸電纜問題，以上任何一個問題的存在都會導致錯誤的測試結果。

2 改進方案

本文提出了一種基于矢量網絡分析儀的改進型[2]雙電流探頭校驗測試系統的方法，該方法把LISN系統作為一個整體（包括接地、50 Ω終端阻抗等）進行校驗，能夠發現并解決LISN系統可能存在的潛在的共模以及差模阻抗問題。

2.1 雙電流探頭法測量原理

雙電流探頭法[3]最早是作為測量待測設備的輸入阻抗提出來的，但電流雙探頭法在測試待測設備的輸入阻抗的同時，也解決了共模和差模分別測量的問題。

由注入探頭、接收探頭和耦合電容器構成的測量LISN的電路如圖3所示。

該測試方法包括一個注入電流探頭，一個接收電流探頭，一臺矢量網絡分析儀（等效于一臺信號源和一臺電磁干擾接收機）。兩個電流探頭和一個耦合電容器構成射頻耦合電路，用來測量未知阻抗ZX的阻抗的大小。從圖3可以看出，耦合電容器由射頻耦合電路元器件內部的寄生效應而產生的寄生參數等效串聯電阻RC、等效串聯電感LC和電容組成。

電路的注入探頭端可以等效成在端口1和2之間的一個電壓源VM1和一個阻抗ZM1的串聯，故整個測試電路的等效電路圖如圖4所示。其中，ZC為耦合電容的阻抗，ZM為接收探頭對耦合電路進行感應而產生的阻抗。

根據傳輸線理論，在導線長度遠小于電磁波波長時，可以認為導線上的電流是一致的，因此可得：

圖1 CE102測試配置

圖2 CE102測試校驗系統配置圖

圖3 雙電流探頭法原理圖

移項可得：

式中：

IM—耦合電路的電流。

由接收探頭獲得：

式中：

VT—接收探頭獲得的電壓；

ZT—接收探頭校準轉移阻抗。

由式（2）可以看出，如果能夠獲得VM1和（ZM1+ZM+ZC）兩個未知數，就能夠得出未知阻抗ZX，采用以下兩個方法可以獲得VM1和（ZM1+ZM+ZC）兩個未知數，用一個已知的標準的阻抗R（R＞|（ZM1+ZM+ZC）|）來代替ZX，建立一個二元方程；短路ZX，建立第二個二元方程，通過以上兩個方程可以求出未知阻抗ZX。

2.2 CE102測試系統共模和差模校驗模型

CE102測試系統共模阻抗測量線路模型和差模阻抗測量電路模型分別如圖5和圖6所示，其中，共模阻抗測量線路模型中兩個LISN（等效50 Ω阻抗，實際上在整個頻段不可能均為50 Ω阻抗）并聯，差模阻抗測量電路模型中兩個LISN（等效50 Ω阻抗，實際上在整個頻段不可能均為50 Ω阻抗）串聯。

電路的注入探頭端電路可等效成在端口1和2之間的一個電壓源VEUT-CM和一個阻抗ZEUT-CM的串聯，ZC-CM為測量過程中使用的電纜以及線路中耦合電容器的阻抗，ZR-CM為接收探頭對耦合回路進行感應而產生的阻抗，共模阻抗測量電路的等效電路模型如圖5所示；同理，電路的注入探頭端電路可等效成在端口1和2之間的一個電壓源VEUT-DM和一個阻抗ZEUT-DM的串聯，ZC-DM為測量過程中使用的電纜以及線路中耦合電容器的阻抗，ZR-DM為接收探頭對耦合回路進行感應而產生的阻抗，差模阻抗測量電路的等效電路模型如圖6所示。

2.3 CE102測試系統共模和差模校驗方法

圖4 雙電流探頭法等效電路圖

圖5 共模阻抗測量電路模型

圖6 差模阻抗測量電路模型

基于矢量網絡分析儀的改進型CE102測試系統校驗方法把LISN系統作為一個整體（包括接地、50 Ω終端阻抗等）進行校驗，采用雙電流探頭法測量原理分別校驗測試系統的共模和差模阻抗，共模阻抗測量電路模型如圖5所示，將LISN系統的輸入端口分別通過地線短接到地平面；差模阻抗測量電路模型如圖6所示，根據標準上的配置，可以分別獲得差模和共模阻抗的理想校驗結果，實驗室和技術人員在試驗前校驗不需要計算阻抗的具體數值大小，只需要將差模和共模校驗結果曲線與理想的結果進行比較，就能顯而易見的發現LISN系統存在的共模或差模問題。

3 結論

為了驗證該方法的可行性，實驗室分別校驗了LISN系統良好接地/接地不良、LISN系統輸出端接50 Ω負載/不接負載等不同情況下的差模和共模阻抗，通過與理想校驗結果對比，能夠發現LISN系統存在的共模或差模問題，驗證了本文所提出方法的可行性。