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4suoshi。youcikejian，lvboqicharuhoudeouhexinhaofashenglemingxianbianhua
，chuxianlemaichongzhendang，yanchanglemaichongzuoyongshijian，shuominglvboqiduiouhedechaokuandaimaichongxinhaojuyouqiangtidechunengtezheng。ciwai，genjushiyanjieguohaikededaolvboqiduichaokuandaimaichongxinhaodefengzhiyizhinengliyuewei31 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 階(jie)互(hu)調(tiao)產(chan)物(wu)，本(ben)文(wen)的(de)超(chao)寬(kuan)帶(dai)脈(mai)衝(chong)含(han)有(you)連(lian)續(xu)頻(pin)譜(pu)，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)連(lian)續(xu)譜(pu)的(de)互(hu)調(tiao)產(chan)物(wu)
，因(yin)此(ci)計(ji)算(suan)難(nan)度(du)更(geng)大(da)。當(dang)互(hu)調(tiao)產(chan)物(wu)落(luo)在(zai)帶(dai)內(nei)時(shi)，將(jiang)會(hui)通(tong)過(guo)濾(lv)波(bo)器(qi)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)大(da)於(yu) 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Q值zhi。也ye就jiu是shi說shuo，濾lv波bo器qi具ju有you儲chu能neng和he諧xie振zhen輸shu出chu特te征zheng。當dang超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong信xin號hao耦ou合he進jin入ru濾lv波bo器qi後hou


，濾lv波bo器qi將jiang會hui存cun儲chu超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong信xin號hao的de能neng量liang，然ran後hou逐zhu漸jian輸shu出chu。在zai儲chu能neng的de過guo程cheng中zhong
，將jiang會hui出chu現xian非fei線xian性xing無wu源yuan互hu調tiao。在zai輸shu出chu過guo程cheng中zhong，將jiang會hui出chu現xian濾lv波bo和he振zhen蕩dang，並bing且qie振zhen蕩dang周zhou期qi逐zhu漸jian趨qu向xiang於yu通tong帶dai頻pin率lv的de周zhou期qi。此ci外wai，脈mai衝chong振zhen蕩dang信xin號hao的de衰shuai減jian時shi間jian與yuQ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

 

通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)分(fen)析(xi)可(ke)知(zhi)，濾(lv)波(bo)器(qi)在(zai)低(di)功(gong)率(lv)連(lian)續(xu)波(bo)環(huan)境(jing)下(xia)和(he)高(gao)功(gong)率(lv)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)不(bu)同(tong)
，得(de)到(dao)的(de)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)也(ye)不(bu)相(xiang)同(tong)。為(wei)了(le)進(jin)一(yi)步(bu)分(fen)析(xi)其(qi)在(zai)應(ying)用(yong)上(shang)的(de)差(cha)異(yi)，可(ke)分(fen)析(xi)他(ta)們(men)預(yu)測(ce)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)。根(gen)據(ju)圖(tu)2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

 

文wen中zhong分fen別bie在zai低di功gong率lv連lian續xu波bo和he超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong條tiao件jian下xia開kai展zhan了le射she頻pin濾lv波bo器qi響xiang應ying的de實shi驗yan研yan究jiu和he理li論lun分fen析xi。在zai超chao寬kuan帶dai脈mai衝chong條tiao件jian下xia
，該gai型xing濾lv波bo器qi能neng夠gou顯xian著zhu地di降jiang低di超chao寬kuan帶dai信xin號hao峰feng值zhi幅fu度du
，但dan是shi濾lv波bo器qi的de時shi域yu響xiang應ying波bo形xing出chu現xian了le脈mai衝chong振zhen蕩dang特te征zheng，並bing且qie其qi傳chuan遞di函han數shu在zai帶dai內nei某mou些xie頻pin段duan遠yuan大da於yu1。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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