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wei31 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

 

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
、fengzhishang，haishizhendangtezhengshangdoumingxianxiaoyushicejieguo。zhezhuyaoyinweishiwangcededechuandihanshufudupumingxianxiaoyuzhenshidefudupu，bingqiezaixiangweishangyecunzaijiaodachayi。yishangjieguoyefanyingchulianxubosaopinfangfaceliangdejieguobukeyongyuchaokuandaimaichongouhexiaoyingfenxi。

 

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(yu)1。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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