此ci外wai
，通tong過guo不bu同tong輻fu射she場chang強qiang下xia的de測ce量liang結jie果guo可ke知zhi，濾lv波bo器qi無wu源yuan互hu調tiao還hai出chu現xian了le非fei線xian性xing現xian象xiang
，使shi得de測ce量liang結jie果guo的de普pu適shi性xing受shou到dao一yi定ding限xian製zhi。基ji於yu傳chuan遞di函han數shu的de預yu測ce結jie果guo表biao明ming，連lian續xu波bo測ce量liang結jie果guo的de預yu測ce波bo形xing無wu論lun是shi從cong能neng量liang上shang還hai是shi從cong峰feng值zhi功gong率lv上shang都dou明ming顯xian小xiao於yu實shi測ce結jie果guo。這zhe些xie都dou反fan映ying出chu，濾lv波bo器qi在zai超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong環huan境jing下xia的de響xiang應ying機ji理li與yu在zai連lian續xu波bo環huan境jing下xia的de響xiang應ying機ji理li明ming顯xian不bu同tong，其qi預yu測ce結jie果guo也ye差cha異yi較jiao大da。也ye就jiu是shi說shuo，連lian續xu波bo測ce量liang結jie果guo不bu可ke用yong於yu超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong的de效xiao應ying分fen析xi和he評ping估gu。

 

外部輻射的電磁環境可通過“前門”和“後門”耦合進入電子係統，使其發生幹擾
、擾亂或損傷。在“後門”耦合效應方麵，已研究了多種不同類型的孔縫、線纜
、腔體效應等。在“前門”耦合效應方麵，主要關注耦合通道中的濾波器
、限幅器等防護設備。其中
，對於濾波器
，人們主要關注其濾波和插損性能

，通常采用低功率連續波掃頻方法（如矢量網絡分析儀）開展相應測試。由此得到的測試結果是否適用於超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）脈衝電磁環境還需要進一步討論，這是因為UWB脈衝電磁環境與普通的連續波電磁環境明顯不同。主要區別為，UWB電磁環境的場強很高（峰值可達到幾十kV/m、耦合到濾波器的前端電壓也可達到幾kV）、頻譜範圍很寬（幾百MHz）。在這種環境下，濾波器響應的研究很少。采用實驗研究了微帶線濾波器的對UWB脈衝的抑製性能
，但由於耦合的UWB信號強度不強，實驗中沒有觀測到非線性效應。研究結果表明，濾波器在強場、寬譜條件下可能會出現很強的非線性無源互調現象。由此可見，濾波器在UWB脈衝環境下的傳輸特性可能會與普通連續波環境下的傳輸特性不同。

 

本文采用實驗和理論方法重點研究射頻濾波器在UWB脈衝輻射環境下的響應特性，分析其與矢網掃頻測量結果的差異
，並討論這兩種測量結果對超寬帶信號的預測能力
，以判斷在UWB脈衝效應研究中，能否直接利用連續波掃頻測試方法獲得的結果。

 

1 實驗研究

 

濾波器常用於抑製不需要的電磁幹擾信號，工作原理主要是反射和/或吸收係統運行頻帶之外的信號，是一種非常有效的帶外“前門”防護器件
，在電磁兼容性設計中有著廣泛的應用。本文研究的射頻濾波器（型號為JD-10LC1A-E002）主(zhu)要(yao)由(you)電(dian)容(rong)和(he)電(dian)感(gan)組(zu)成(cheng)，是(shi)一(yi)種(zhong)反(fan)射(she)式(shi)的(de)集(ji)總(zong)無(wu)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)，可(ke)有(you)效(xiao)抑(yi)製(zhi)瞬(shun)態(tai)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)較(jiao)高(gao)的(de)衝(chong)擊(ji)電(dian)壓(ya)。為(wei)了(le)研(yan)究(jiu)其(qi)傳(chuan)輸(shu)性(xing)能(neng)，本(ben)文(wen)分(fen)別(bie)采(cai)用(yong)矢(shi)網(wang)和(he)超(chao)寬(kuan)帶(dai)脈(mai)衝(chong)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。

 

1.1 矢網測量

 

采用矢量網絡分析儀的掃頻測量方法，可直接測量得到濾波器的傳遞函數，如圖1所示。其帶通在為25～112 MHz範圍內。

 

圖1 矢網測量得到的傳遞函數

 

1.2 超寬帶脈衝測量

 

針對濾波器的實際使用情況，在超寬帶脈衝測試中
，本文采用插入式測試方法，如圖2所示。即利用天線將輻射場耦合到插入設備（被測設備）中，然後用示波器測量插入前後的時域信號。圖3給出了濾波器插入前測量得到耦合的超寬帶脈衝信號。其脈寬大約為1 ns，主要頻譜成份集中在100～700 MHz之間。此外，通過測量並計算得到插入前端的峰值電壓為2373 V。

 

圖2 濾波器瞬態響應測量示意圖

 

圖3 濾波器插入前耦合的超寬帶信號

 

在這個環境下，插入濾波器後測量得到的輸出波形如圖4所(suo)示(shi)。由(you)此(ci)可(ke)見(jian)，濾(lv)波(bo)器(qi)插(cha)入(ru)後(hou)的(de)耦(ou)合(he)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)了(le)明(ming)顯(xian)變(bian)化(hua)，出(chu)現(xian)了(le)脈(mai)衝(chong)振(zhen)蕩(dang)
，延(yan)長(chang)了(le)脈(mai)衝(chong)作(zuo)用(yong)時(shi)間(jian)，說(shuo)明(ming)濾(lv)波(bo)器(qi)對(dui)耦(ou)合(he)的(de)超(chao)寬(kuan)帶(dai)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)具(ju)有(you)腔(qiang)體(ti)的(de)儲(chu)能(neng)特(te)征(zheng)。此(ci)外(wai)，根(gen)據(ju)實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)還(hai)可(ke)得(de)到(dao)濾(lv)波(bo)器(qi)對(dui)超(chao)寬(kuan)帶(dai)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)的(de)峰(feng)值(zhi)抑(yi)製(zhi)能(neng)力(li)約(yue)為(wei)31 dB。

 

根據上述測量結果，利用傅裏葉變換和下列傳遞函數T (ω)的表達式，可得到濾波器在該環境下的傳遞函數如圖5所示。

 

 

式中：Vin為濾波器的前端輸入電壓
；Vout為後端輸出電壓。由圖5可見
，在超寬帶脈衝環境下
，濾波器的帶外抑製性能依然很好，與矢網測量結果基本一致。但帶內的傳遞函數出現了大於1的情況，說明濾波器對超寬帶脈衝的響應有非線性效應。

 

圖4 濾波器插入後耦合的超寬帶信號

 

圖5 超寬帶脈衝環境測量得到的傳遞函數

 

2 響應分析

 

根據射頻濾波器的電磁特性，本文將從非線性無源互調和Q值方麵分析上述實驗結果，研究射頻濾波器對超寬帶脈衝的響應。

 

2.1 非線性無源互調效應

 

真實的濾波器具有固有的非線性特征，如接觸非線性、材cai料liao非fei線xian性xing等deng。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong，這zhe些xie非fei線xian性xing會hui導dao致zhi濾lv波bo器qi產chan生sheng無wu源yuan互hu調tiao效xiao應ying。在zai超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong環huan境jing下xia，由you於yu耦ou合he感gan應ying的de電dian壓ya更geng高gao，頻pin譜pu更geng寬kuan，因yin此ci將jiang會hui不bu可ke避bi免mian的de出chu現xian這zhe種zhong非fei線xian性xing無wu源yuan互hu調tiao響xiang應ying。通tong常chang情qing況kuang下xia
，這zhe種zhong響xiang應ying的de關guan係xi用yong多duo項xiang式shi可ke表biao示shi為wei

 

 

式中：a，b，c
，d為多項式係數。在超寬帶脈衝作用下，其輸入電壓可表示為

 

 

式中：Vin (ωi)為傅裏葉變換頻域量。以兩頻率點為例，將式(2)代入式(1)即可得到非線性無源互調的各階產物為

 

 

式中：m，n為整數，（|m|＋|n|）為互調階數。不同於通信係統主要關注的是兩個頻點的 3 jiehutiaochanwu，benwendechaokuandaimaichonghanyoulianxupinpu，xuyaokaolvdelianxupudehutiaochanwu
，yincijisuannandugengda。danghutiaochanwuluozaidaineishi，jianghuitongguolvboqi，congerdaozhichuandihanshudayu 1。當互調產物落在通帶之外時，濾波器將會抑製其通過。

 

除此之外，互調產物隨著輸入功率的變化還將會出現線性-非線性相互作用。針對同一濾波器，圖6給出了在超寬帶脈衝波形相同、峰值場強較小環境下濾波器的傳遞函數（耦合到前端的輸入電壓約為 214 V）。由you此ci可ke見jian
，在zai不bu同tong場chang強qiang的de超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong輻fu射she環huan境jing下xia，濾lv波bo器qi的de傳chuan輸shu特te性xing也ye不bu同tong。其qi主zhu要yao互hu調tiao產chan物wu不bu但dan不bu同tong

，而er且qie還hai具ju有you非fei線xian性xing。因yin此ci

，在zai超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong作zuo用yong下xia，對dui濾lv波bo器qi的de互hu調tiao產chan物wu預yu測ce非fei常chang困kun難nan。

 

圖6 較小強度的超寬帶脈衝環境測量得到的傳遞函數

 

2.2 Q值效應

 

根據濾波器的耦合諧振器理論，它具有一定的Qzhi。yejiushishuo
，lvboqijuyouchunenghexiezhenshuchutezheng。dangchaokuandaimaichongxinhaoouhejinrulvboqihou，lvboqijianghuicunchuchaokuandaimaichongxinhaodenengliang，ranhouzhujianshuchu。zaichunengdeguochengzhong，jianghuichuxianfeixianxingwuyuanhutiao。zaishuchuguochengzhong，jianghuichuxianlvbohezhendang
，bingqiezhendangzhouqizhujianquxiangyutongdaipinlvdezhouqi。ciwai，maichongzhendangxinhaodeshuaijianshijianyuQ值密切相關，其衰減時間常數τ可表示為

 

 

式中：ω為角頻率。一般情況下
，射頻濾波器在通帶內的Q值約為幾十
，由此可計算得到衰減時間常數約為10 −7 s量級。另外
，由圖4可知
，經過濾波器後輸出的信號時長（最大值的1/e）約3×10−7 s，這與上述的測量結果基本一致。

 

3 應用分析

 

tongguoshangshufenxikezhi，lvboqizaidigonglvlianxubohuanjingxiahegaogonglvchaokuandaimaichonghuanjingxiadexiangyingjilibutong，dedaodechuandihanshuyebuxiangtong。weilejinyibufenxiqizaiyingyongshangdechayi，kefenxitamenyucedeshuchudianyaboxing。genjutu2中的輸入電壓V in (t)和圖5中傳遞函數的傅裏葉逆變換T (t)，利用下式可得預測結果如圖7所示。

 

 

式中：Vpred預測結果；⊕為卷積運算符。

 

圖7 基於兩個傳遞函數的預測波形與實測波形比較

 

圖7中zhong的de實shi線xian為wei實shi測ce波bo形xing

，虛xu線xian為wei基ji於yu傳chuan遞di函han數shu的de預yu測ce波bo形xing。由you此ci可ke見jian
，基ji於yu超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong測ce得de的de傳chuan遞di函han數shu
，其qi預yu測ce結jie果guo與yu實shi測ce結jie果guo基ji本ben一yi致zhi。而er基ji於yu矢shi網wang掃sao頻pin測ce得de的de傳chuan遞di函han數shu，其qi預yu測ce結jie果guo無wu論lun是shi從cong能neng量liang上shang、峰feng值zhi上shang，還hai是shi振zhen蕩dang特te征zheng上shang都dou明ming顯xian小xiao於yu實shi測ce結jie果guo。這zhe主zhu要yao因yin為wei矢shi網wang測ce得de的de傳chuan遞di函han數shu幅fu度du譜pu明ming顯xian小xiao於yu真zhen實shi的de幅fu度du譜pu
，並bing且qie在zai相xiang位wei上shang也ye存cun在zai較jiao大da差cha異yi。以yi上shang結jie果guo也ye反fan映ying出chu連lian續xu波bo掃sao頻pin方fang法fa測ce量liang的de結jie果guo不bu可ke用yong於yu超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong耦ou合he效xiao應ying分fen析xi。

 

4 結論

 

wenzhongfenbiezaidigonglvlianxubohechaokuandaimaichongtiaojianxiakaizhanleshepinlvboqixiangyingdeshiyanyanjiuhelilunfenxi。zaichaokuandaimaichongtiaojianxia
，gaixinglvboqinenggouxianzhudijiangdichaokuandaixinhaofengzhifudu，danshilvboqideshiyuxiangyingboxingchuxianlemaichongzhendangtezheng
，bingqieqichuandihanshuzaidaineimouxiepinduanyuandayu1。這主要是濾波器固有的非線性效應和Q值效應引起的
，由此導致在超寬帶脈衝作用下濾波器出現了非線性無源互調、儲(chu)能(neng)振(zhen)蕩(dang)等(deng)現(xian)象(xiang)，其(qi)響(xiang)應(ying)機(ji)理(li)與(yu)連(lian)續(xu)波(bo)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)響(xiang)應(ying)機(ji)理(li)明(ming)顯(xian)不(bu)同(tong)。另(ling)外(wai)

，基(ji)於(yu)連(lian)續(xu)波(bo)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)預(yu)測(ce)的(de)超(chao)寬(kuan)譜(pu)脈(mai)衝(chong)激(ji)勵(li)響(xiang)應(ying)在(zai)能(neng)量(liang)上(shang)和(he)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)上(shang)都(dou)明(ming)顯(xian)小(xiao)於(yu)實(shi)測(ce)結(jie)果(guo)。由(you)此(ci)可(ke)知(zhi)，在(zai)超(chao)寬(kuan)帶(dai)脈(mai)衝(chong)效(xiao)應(ying)分(fen)析(xi)和(he)評(ping)估(gu)中(zhong)，如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)中(zhong)存(cun)在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)，則(ze)不(bu)可(ke)采(cai)用(yong)連(lian)續(xu)波(bo)掃(sao)頻(pin)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。另(ling)外(wai)
，由(you)於(yu)核(he)電(dian)磁(ci)脈(mai)衝(chong)與(yu)本(ben)文(wen)研(yan)究(jiu)的(de)超(chao)寬(kuan)帶(dai)脈(mai)衝(chong)具(ju)有(you)相(xiang)似(si)特(te)性(xing)：寬譜和強場，因此本文的結論同樣適用於核爆炸電磁脈衝效應的研究。

 

本文內容轉載自《強激光與粒子束》2020年第3期
，版權歸《強激光與粒子束》編輯部所有。

 

陸希成，邱揚，武靜
，田錦，楊誌強，西安電子科技大學，上海航天控製技術研究所，西北核技術研究院

 

 

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