【導(dǎo)讀】實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),射頻濾波器在連續(xù)波和超寬帶脈沖條件下其帶外傳輸性能基本一致,但在帶內(nèi)某些頻段,超寬帶脈沖環(huán)境下濾波器的傳遞函數(shù)遠(yuǎn)大于1。此外,濾波器在超寬帶脈沖下的時(shí)域響應(yīng)還出現(xiàn)了脈沖振蕩特征。針對(duì)這些現(xiàn)象,從濾波器的非線性無源互調(diào)和Q值效應(yīng)的兩個(gè)方面,分析了濾波器在超寬帶脈沖作用下的響應(yīng)機(jī)理,初步解釋了上述現(xiàn)象。
此外,通過不同輻射場(chǎng)強(qiáng)下的測(cè)量結(jié)果可知,濾波器無源互調(diào)還出現(xiàn)了非線性現(xiàn)象,使得測(cè)量結(jié)果的普適性受到一定限制?;趥鬟f函數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果表明,連續(xù)波測(cè)量結(jié)果的預(yù)測(cè)波形無論是從能量上還是從峰值功率上都明顯小于實(shí)測(cè)結(jié)果。這些都反映出,濾波器在超寬帶脈沖環(huán)境下的響應(yīng)機(jī)理與在連續(xù)波環(huán)境下的響應(yīng)機(jī)理明顯不同,其預(yù)測(cè)結(jié)果也差異較大。也就是說,連續(xù)波測(cè)量結(jié)果不可用于超寬帶脈沖的效應(yīng)分析和評(píng)估。
外部輻射的電磁環(huán)境可通過“前門”和“后門”耦合進(jìn)入電子系統(tǒng),使其發(fā)生干擾、擾亂或損傷。在“后門”耦合效應(yīng)方面,已研究了多種不同類型的孔縫、線纜、腔體效應(yīng)等。在“前門”耦合效應(yīng)方面,主要關(guān)注耦合通道中的濾波器、限幅器等防護(hù)設(shè)備。其中,對(duì)于濾波器,人們主要關(guān)注其濾波和插損性能,通常采用低功率連續(xù)波掃頻方法(如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)開展相應(yīng)測(cè)試。由此得到的測(cè)試結(jié)果是否適用于超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)脈沖電磁環(huán)境還需要進(jìn)一步討論,這是因?yàn)閁WB脈沖電磁環(huán)境與普通的連續(xù)波電磁環(huán)境明顯不同。主要區(qū)別為,UWB電磁環(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)很高(峰值可達(dá)到幾十kV/m、耦合到濾波器的前端電壓也可達(dá)到幾kV)、頻譜范圍很寬(幾百M(fèi)Hz)。在這種環(huán)境下,濾波器響應(yīng)的研究很少。采用實(shí)驗(yàn)研究了微帶線濾波器的對(duì)UWB脈沖的抑制性能,但由于耦合的UWB信號(hào)強(qiáng)度不強(qiáng),實(shí)驗(yàn)中沒有觀測(cè)到非線性效應(yīng)。研究結(jié)果表明,濾波器在強(qiáng)場(chǎng)、寬譜條件下可能會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的非線性無源互調(diào)現(xiàn)象。由此可見,濾波器在UWB脈沖環(huán)境下的傳輸特性可能會(huì)與普通連續(xù)波環(huán)境下的傳輸特性不同。
本文采用實(shí)驗(yàn)和理論方法重點(diǎn)研究射頻濾波器在UWB脈沖輻射環(huán)境下的響應(yīng)特性,分析其與矢網(wǎng)掃頻測(cè)量結(jié)果的差異,并討論這兩種測(cè)量結(jié)果對(duì)超寬帶信號(hào)的預(yù)測(cè)能力,以判斷在UWB脈沖效應(yīng)研究中,能否直接利用連續(xù)波掃頻測(cè)試方法獲得的結(jié)果。
1 實(shí)驗(yàn)研究
濾波器常用于抑制不需要的電磁干擾信號(hào),工作原理主要是反射和/或吸收系統(tǒng)運(yùn)行頻帶之外的信號(hào),是一種非常有效的帶外“前門”防護(hù)器件,在電磁兼容性設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。本文研究的射頻濾波器(型號(hào)為JD-10LC1A-E002)主要由電容和電感組成,是一種反射式的集總無源濾波器,可有效抑制瞬態(tài)電磁干擾,并且能夠承受較高的沖擊電壓。為了研究其傳輸性能,本文分別采用矢網(wǎng)和超寬帶脈沖進(jìn)行測(cè)量。
1.1 矢網(wǎng)測(cè)量
采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃頻測(cè)量方法,可直接測(cè)量得到濾波器的傳遞函數(shù),如圖1所示。其帶通在為25~112 MHz范圍內(nèi)。
圖1 矢網(wǎng)測(cè)量得到的傳遞函數(shù)
1.2 超寬帶脈沖測(cè)量
針對(duì)濾波器的實(shí)際使用情況,在超寬帶脈沖測(cè)試中,本文采用插入式測(cè)試方法,如圖2所示。即利用天線將輻射場(chǎng)耦合到插入設(shè)備(被測(cè)設(shè)備)中,然后用示波器測(cè)量插入前后的時(shí)域信號(hào)。圖3給出了濾波器插入前測(cè)量得到耦合的超寬帶脈沖信號(hào)。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(cè)量并計(jì)算得到插入前端的峰值電壓為2373 V。
圖2 濾波器瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量示意圖
圖3 濾波器插入前耦合的超寬帶信號(hào)
在這個(gè)環(huán)境下,插入濾波器后測(cè)量得到的輸出波形如圖4所示。由此可見,濾波器插入后的耦合信號(hào)發(fā)生了明顯變化,出現(xiàn)了脈沖振蕩,延長(zhǎng)了脈沖作用時(shí)間,說明濾波器對(duì)耦合的超寬帶脈沖信號(hào)具有腔體的儲(chǔ)能特征。此外,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可得到濾波器對(duì)超寬帶脈沖信號(hào)的峰值抑制能力約為31 dB。
根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果,利用傅里葉變換和下列傳遞函數(shù)T (ω)的表達(dá)式,可得到濾波器在該環(huán)境下的傳遞函數(shù)如圖5所示。
式中:Vin為濾波器的前端輸入電壓;Vout為后端輸出電壓。由圖5可見,在超寬帶脈沖環(huán)境下,濾波器的帶外抑制性能依然很好,與矢網(wǎng)測(cè)量結(jié)果基本一致。但帶內(nèi)的傳遞函數(shù)出現(xiàn)了大于1的情況,說明濾波器對(duì)超寬帶脈沖的響應(yīng)有非線性效應(yīng)。
圖4 濾波器插入后耦合的超寬帶信號(hào)
圖5 超寬帶脈沖環(huán)境測(cè)量得到的傳遞函數(shù)
2 響應(yīng)分析
根據(jù)射頻濾波器的電磁特性,本文將從非線性無源互調(diào)和Q值方面分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究射頻濾波器對(duì)超寬帶脈沖的響應(yīng)。
2.1 非線性無源互調(diào)效應(yīng)
真實(shí)的濾波器具有固有的非線性特征,如接觸非線性、材料非線性等。在實(shí)際應(yīng)用中,這些非線性會(huì)導(dǎo)致濾波器產(chǎn)生無源互調(diào)效應(yīng)。在超寬帶脈沖環(huán)境下,由于耦合感應(yīng)的電壓更高,頻譜更寬,因此將會(huì)不可避免的出現(xiàn)這種非線性無源互調(diào)響應(yīng)。通常情況下,這種響應(yīng)的關(guān)系用多項(xiàng)式可表示為
式中:a,b,c,d為多項(xiàng)式系數(shù)。在超寬帶脈沖作用下,其輸入電壓可表示為
式中:Vin (ωi)為傅里葉變換頻域量。以兩頻率點(diǎn)為例,將式(2)代入式(1)即可得到非線性無源互調(diào)的各階產(chǎn)物為
式中:m,n為整數(shù),(|m|+|n|)為互調(diào)階數(shù)。不同于通信系統(tǒng)主要關(guān)注的是兩個(gè)頻點(diǎn)的 3 階互調(diào)產(chǎn)物,本文的超寬帶脈沖含有連續(xù)頻譜,需要考慮的連續(xù)譜的互調(diào)產(chǎn)物,因此計(jì)算難度更大。當(dāng)互調(diào)產(chǎn)物落在帶內(nèi)時(shí),將會(huì)通過濾波器,從而導(dǎo)致傳遞函數(shù)大于 1。當(dāng)互調(diào)產(chǎn)物落在通帶之外時(shí),濾波器將會(huì)抑制其通過。
除此之外,互調(diào)產(chǎn)物隨著輸入功率的變化還將會(huì)出現(xiàn)線性-非線性相互作用。針對(duì)同一濾波器,圖6給出了在超寬帶脈沖波形相同、峰值場(chǎng)強(qiáng)較小環(huán)境下濾波器的傳遞函數(shù)(耦合到前端的輸入電壓約為 214 V)。由此可見,在不同場(chǎng)強(qiáng)的超寬帶脈沖輻射環(huán)境下,濾波器的傳輸特性也不同。其主要互調(diào)產(chǎn)物不但不同,而且還具有非線性。因此,在超寬帶脈沖作用下,對(duì)濾波器的互調(diào)產(chǎn)物預(yù)測(cè)非常困難。
圖6 較小強(qiáng)度的超寬帶脈沖環(huán)境測(cè)量得到的傳遞函數(shù)
2.2 Q值效應(yīng)
根據(jù)濾波器的耦合諧振器理論,它具有一定的Q值。也就是說,濾波器具有儲(chǔ)能和諧振輸出特征。當(dāng)超寬帶脈沖信號(hào)耦合進(jìn)入濾波器后,濾波器將會(huì)存儲(chǔ)超寬帶脈沖信號(hào)的能量,然后逐漸輸出。在儲(chǔ)能的過程中,將會(huì)出現(xiàn)非線性無源互調(diào)。在輸出過程中,將會(huì)出現(xiàn)濾波和振蕩,并且振蕩周期逐漸趨向于通帶頻率的周期。此外,脈沖振蕩信號(hào)的衰減時(shí)間與Q值密切相關(guān),其衰減時(shí)間常數(shù)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(nèi)的Q值約為幾十,由此可計(jì)算得到衰減時(shí)間常數(shù)約為10 −7 s量級(jí)。另外,由圖4可知,經(jīng)過濾波器后輸出的信號(hào)時(shí)長(zhǎng)(最大值的1/e)約3×10−7 s,這與上述的測(cè)量結(jié)果基本一致。
3 應(yīng)用分析
通過上述分析可知,濾波器在低功率連續(xù)波環(huán)境下和高功率超寬帶脈沖環(huán)境下的響應(yīng)機(jī)理不同,得到的傳遞函數(shù)也不相同。為了進(jìn)一步分析其在應(yīng)用上的差異,可分析他們預(yù)測(cè)的輸出電壓波形。根據(jù)圖2中的輸入電壓V in (t)和圖5中傳遞函數(shù)的傅里葉逆變換T (t),利用下式可得預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。
式中:Vpred預(yù)測(cè)結(jié)果;⊕為卷積運(yùn)算符。
圖7 基于兩個(gè)傳遞函數(shù)的預(yù)測(cè)波形與實(shí)測(cè)波形比較
圖7中的實(shí)線為實(shí)測(cè)波形,虛線為基于傳遞函數(shù)的預(yù)測(cè)波形。由此可見,基于超寬帶脈沖測(cè)得的傳遞函數(shù),其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。而基于矢網(wǎng)掃頻測(cè)得的傳遞函數(shù),其預(yù)測(cè)結(jié)果無論是從能量上、峰值上,還是振蕩特征上都明顯小于實(shí)測(cè)結(jié)果。這主要因?yàn)槭妇W(wǎng)測(cè)得的傳遞函數(shù)幅度譜明顯小于真實(shí)的幅度譜,并且在相位上也存在較大差異。以上結(jié)果也反映出連續(xù)波掃頻方法測(cè)量的結(jié)果不可用于超寬帶脈沖耦合效應(yīng)分析。
4 結(jié)論
文中分別在低功率連續(xù)波和超寬帶脈沖條件下開展了射頻濾波器響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。在超寬帶脈沖條件下,該型濾波器能夠顯著地降低超寬帶信號(hào)峰值幅度,但是濾波器的時(shí)域響應(yīng)波形出現(xiàn)了脈沖振蕩特征,并且其傳遞函數(shù)在帶內(nèi)某些頻段遠(yuǎn)大于1。這主要是濾波器固有的非線性效應(yīng)和Q值效應(yīng)引起的,由此導(dǎo)致在超寬帶脈沖作用下濾波器出現(xiàn)了非線性無源互調(diào)、儲(chǔ)能振蕩等現(xiàn)象,其響應(yīng)機(jī)理與連續(xù)波條件下的響應(yīng)機(jī)理明顯不同。另外,基于連續(xù)波測(cè)量結(jié)果預(yù)測(cè)的超寬譜脈沖激勵(lì)響應(yīng)在能量上和峰值功率上都明顯小于實(shí)測(cè)結(jié)果。由此可知,在超寬帶脈沖效應(yīng)分析和評(píng)估中,如果系統(tǒng)中存在濾波器,則不可采用連續(xù)波掃頻測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。另外,由于核電磁脈沖與本文研究的超寬帶脈沖具有相似特性:寬譜和強(qiáng)場(chǎng),因此本文的結(jié)論同樣適用于核爆炸電磁脈沖效應(yīng)的研究。
本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《強(qiáng)激光與粒子束》2020年第3期,版權(quán)歸《強(qiáng)激光與粒子束》編輯部所有。
陸希成,邱揚(yáng),武靜,田錦,楊志強(qiáng),西安電子科技大學(xué),上海航天控制技術(shù)研究所,西北核技術(shù)研究院
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀: