MIL-STD-461G标准的新要求CS117涉及到瞬态雷电感应，它是将DO-160G第22节标准应用于商用飞机之前已经应用的一组测试。然而，军用飞机和水面舰艇的要求与第22节的要求略有不同。这两个标准规定了在测试期间应用的6个脉冲波形。在第22节中波形显示为下面3种事件类型的一部分：单冲击（SS），多冲击（MS）和多爆发（MB）。CS117中的要求仅指MS和MB，不包括SS。第22节规定了针对干扰的三种应用方法：探针注入（PIN），电缆感应（CI）和接地注入（GI），而CS117需要使用CI方法的应用脉冲。

 

与第22节相比，上述修改的原理与MIL标准中一般使用的规范一致，旨在减少和简化决策过程。飞机分区是建立适用波形集和测试级别所必需的程序，相对复杂和耗时。此外，标准化测试装置被认为是非常重要的。

 

在下一节中，将对来自两种标准的测试电平进行广泛比较。

 

测试电平比较：第22节与CS117

在两个标准中，每个波形都要定义测试电平。在第22节中，对于一个波形有五个测试电平，而在CS117只有两个测试电平。 此外，CS117定义了针对低计数电线束或电源线的特殊（简化）测试电平。然而，来自CS117的简化测试电平在第22节中没有对应部分，所以将不包括在比较中。

最后，当将第22节的探针注入（PIN）测试电平与来自CS117的CI测试电平进行比较时，将看到信号发生器定义的重要区别：PIN发生器具有由开路电压和短路电流的比值确定了的固定虚拟阻抗，而在CI测试中，施加没有固定阻抗的电压或电流波形，并且设置电流或电压限幅器来防止超出设备极限。为了保持一致的方法，只对测试电平进行比较：WF1作为电流波形，WF2作为电压波形，WF3作为电压波形，WF4作为电压波形，WF5A作为电流波形，WF6作为电流波形。在此分析中，不考虑电缆束（CB）测试中对电流或电压的限制。

第22节PIN 与 CS117 CI比较

在DO-160G第22节中，用PIN方法施加三个波形：WF3（1 MHz），WF4和WF5A。将每个波形的PIN测试电平与CS117中为CI指定的相同波形的相对应电平（第一冲击）进行比较。

I.第22节PIN与CS117 CI (WF31MHz)的比较

WF3 1MHz
DO160G S22	MIL-STD-461G CS117
PIN	CI（第一冲击）
L1   100V	-
L2    250V	-
L3    600V	内部 600V
L4    1500V	外部 1500V
L5   3200V	-

在CS117中对于WF3 1 MHz（见表I）规定了两个测试电平（第一冲击），用CI方法的CB测试，具有和第22节PIN方法中电平3和电平4相同的电平幅度。对于PIN测试，由于10MHz波形没有在第22节中定义，本节中未考虑比较。 WF3的最高冲击峰值要求见第22节。WF4的类似比较见表II。CS117的试验电平相当于第22节的3级和4级。WF4的最高冲击峰值要求见第22节。

II.第22节PIN与CS117 CI（WF4）的比较

WF4
DO160G S22	MIL-STD-461G CS117
PIN	CI（第一冲击）
L1  50V	-
L2   125V	-
L3   300V	内部 300V
L4   750V	外部 750V
L5   1600V	-

表III介绍了第22节（PIN方法）和CS117（CI方法）中关于WF5A的峰值电平要求之间的比较。与WF3和WF4的PIN测试电平不同，在CS117中规定了WF5A情况下的最高冲击峰值要求。由于波形具有相对长的上升时间，并且电缆电感对从耦合器到EUT（Equipment Under Test，受试设备的简写）输入连接器的干扰传播具有较小的影响，因此可以断言：CI的CS117要求可以覆盖第22节关于WF5A的所有PIN要求。

III.第22节PIN与和CS117 CI （WF5A）的比较

WF5A
DO160G S22	MIL-STD-461G CS117
PIN	CI（第一冲击）
L150A	-
L2   125A	-
L3   300A	-
L4   750A	内部 1000A
L5   1600A	外部 2000A

作为部分结论，在WF3和WF4情况下，来自第22节的PIN电平5的振幅高于来自CS117的最高的第一冲击振幅；而在WF5A的情况下，来自第22节的PIN电平5的振幅较低。在CI方法的情况下，将出现本文第3节中对所有3个波形估计连接器处的有效测试电平。只要对连接器施加PIN干扰，使用CS117的CI方法在电缆束上施加扰动，比如在距离连接器一定距离处施加，则该电平估计对于更精确地比较测试电平是非常必要的。下面的表格将对第22节CB测试（CI和GI）所要求的测试电平与CS117要求的测试电平进行比较。在MS事件情形下，仅需考虑第一冲击的振幅。

IV．第22节 CI和GI（SS，MS，MB）与CS117 CI比较

WF1 电流波形
D0160G S22				MIL-STD-461G CS117
CI				CI（FS）
	SS	MS（FS）	MB	MS
L1[A]	100	50	-	-
L2[A]	250	125	-	-
L3[A]	600	300	-	内部 600
L4[A]	1500	750	-	外部1500
L5[A]	3200	1600	-	-

V．第22节 CB/CI 与CS117（WF2）比较

WF2 电压波形
D0160G S22				MIL-STD-461G CS117
CI				CI（FS）
	SS	MS（FS）	MB	MS
L1[V]	50	50	-	-
L2[V]	125	125	-	-
L3[V]	300	300	-	内部 300
L4[V]	750	750	-	外部750
L5[V]	1600	1600	-	-

VI．第22节 CB/CI 与CS117 CI（WF3）比较

WF3,1和10MHz 电压波形
D0160G S22				MIL-STD-461G CS117
CI				CI（FS）
	SS	MS（FS）	MB	MS
L1[V]	100	100	60	-
L2[V]	250	250	150	-
L3[V]	600	600	360	内部 600（MB  360V）
L4[V]	1500	1500	900	外部1500（MB  900V）
L5[V]	3200	3200	1920	-

表VII和VIII涉及波形4和5A，其中DO-160G第22节将GI指定为首选的注入方法。然而，如果在某些情况下CI方法更合适，则允许使用CI方法，并且一些产品标准要求唯一使用CI方法注入波形5A。

VII．第22节 CB/GI 与CS117 CI（WF4）对比

WF4 -电压波形
D0160G S22				MIL-STD-461G CS117
CI				CI（FS）
	SS	MS（FS）	MB	MS
L1[V]	50	25	-	-
L2[V]	125	62.5	-	-
L3[V]	300	150	-	内部 300
L4[V]	750	375	-	外部750
L5[V]	1600	800	-	-

VIII.第22节CB/GI 与CS117 CI（WF5A）的比较

WF5A 电流波形
D0160G S22				MIL-STD-461G CS117
优先GI				CI（FS）
	SS	MS（FS）	MB	MS
L1[A]	150	60	-	-
L2[A]	400	160	-	-
L3[A]	1000	400	-	内部 1000
L4[A]	2000	800	-	外部2000
L5[A]	5000	2000	-	-

IX． 第22节CB/CI与CS117 CI（WF6）的比较

WF6 - 电流波形
D0160G S22				MIL-STD-461G CS117
CI				CI（FS）
	SS	MS（FS）	MB	MS
L1[A]	-	-	5	-
L2[A]	-	-	12.5	-
L3[A]	-	-	30	内部 30
L4[A]	-	-	75	外部75
L5[A]	-	-	160	-

对表IV至表IX的分析表明：

•对于所有波形，第22节中SS测试电平3的振幅，对应于航空器内部设备和船舶甲板以下设备（来自CS117）的MS要求中的第一冲击的振幅。

•对于所有波形，第22节SS测试电平4的幅度，对应于航空器外部设备和船舶甲板以上设备（来自CS117）的MS要求中的第一冲击的振幅。

•在第22节中指定波形2和3的情况下，SS事件的幅度等同于来自MS事件的第一冲击的幅度。由于CS117将MS事件指定为测试要求，因此可以考虑这些波形的测试电平在两种标准（在通用测试电平）下是等效的。

•在第22节中指定的波形1,4和5A的情况下，SS事件的幅度高于MS事件的第一冲击的幅度。在指定的测试水平下，两种标准的等效性不能直接确立。

•对于MB要求，CS117的测试电平和限值与第22节（分别为3级和4级）的测试电平和限值是直接等效的。

测试要求和测试电平的分析

本节将涉及两个主题，即PIN，CI和GI注入方法之间的相关差异，以及相应案例的分析。案例研究将比较PIN和CI方法应用于波形3,4,5A的场景。

探针注入与电缆感应

DO-160G第22节中规定的注入方法或测试类型基本上分为两类：探针注入和电缆束（测试）。

在探针注入测试的情况下：

•EUT必须“通电”，脉冲施加在有电或无电的引脚上。

•在指定的引脚和外壳之间施加正脉冲和负脉冲。

•信号发生器具有固定阻抗，即WF3为25Ω，WF4为10Ω，WF5A为1Ω。

•在OC和SC条件下用一定电平装置校准发生器后，在测试期间可施加脉冲而不进行任何调整。

•在施加脉冲时监控电压和电流，以确认是否发生波形变化或电介质击穿。

电压校准在测试体的末端执行，如图1所示，以确保在测试期间不在校准点和EUT接口之间添加额外的阻抗。

 

图1. PIN电压校准。

如图2所示，使用和连接到信号发生器一样的电缆和端子，可以使用具有最短分流的短路进行电流校准。信号发生器装置必须保持和电压校准所需的装置一样。短路电流的测量允许计算信号发生器的有效阻抗。

图2. PIN电流校准

 

执行测试时，校准点必须直接连接到EUT引脚上。该测试仅在共模模式下进行，如图3所示。

 

图3.简化的PIN测试设备。

 

当存在有源引脚时，需要额外的保护元件以防止EUT电源损坏信号发生器。同样的，电源与测试脉冲解耦也需要保护的元件。 这些元件在图中没有给出，因为它们与要比较内容的相关性相对讲是较低的。

当与CI和GI方法相比较时，一个重要的方面是该注入方法不需要接地平面。

在电缆束（CI和GI方法）测试的情况下：

• EUT必须在测试期间全功能运行，连接所有子系统，通电和通信。

• 正负脉冲在带耦合器的电缆束中被感应，或注入到接地点和EUT外壳之间。

•   信号发生器不一定需要具有固定的输出阻抗，在测试期间需监控电流和电压波形。

•   在测试期间，必须达到指定的测试电平，并且注入的波形必须达到该测试电平。可以增加信号发生器装置以达到已建立的测试电平。

•   在施加电压波形时，必须在增加信号发生器装置的同时监控电流。为了避免EUT过载，规定了电流限值，如果在达到电压测试电平之前达到此限值，必须停止测试，并且用电流波形测试代替电压波形测试。施加电流波形时亦使用相同的原理。

•   对于波形1，2，3和6，推荐使用CI方法，而对于波形4和5A，GI是“首选”方法。需要进行分析以便为不同配置建立其等价性。

 

图4.简化的CI电压校准装置示例。

 

在图4和图5中给出了用于CI方法的简化校准装置，针对波形3给出了示例。在耦合器的输出处执行校准，因此认为雷电冲击的入口点可以位于电缆束。这在现实中是可以实现的。尽管第22节规定了实际测试设置的接地层，但在校准设置中不予考虑。地平面的影响在校准期间当有快速上升时间的波形时将更清晰，因为接地平面的存在可能影响注入和校准环路的高频阻抗。然而，在CS117中也出现相同的简化校准装置。

 

图5.简化的CI电流校准装置示例。

在图6中，给出了使用CI方法的测试装置的示例。第22节要求在施加脉冲时进行电压和电流监测。此外除非另有规定，接地平面和电缆束之间应保持最小为5厘米的绝缘层。EUT，以及辅助设备或LISN，应放置在绝缘支架上。

 

图6.简化的CI测试装置示例。

与PIN测试（其中校准点直接应用于EUT接口）相比，CI测试通过电缆束将测试信号施加到接口。

 

图7.电缆束的简化传输线模型。

EUT和电流监测探头（d1）之间的距离应在5~15cm范围内，而监测探头和注入变换器（d2）之间的距离应在5~50cm范围内。在这方面，另一个重要参数是电缆束的长度，第22节建议长度不小于3.3m，不大于15m。为了更好地评估在直接注入接口处和经由电缆束注入之间的差异，将考虑电缆束中的电缆的传输线模型（图7）。

为了简化演示的效果，只考虑共模电容和每个导体的串联电感（分布参数），不考虑互感和差模电容。

已经对接地平面上的壳线进行了电感和电容的测量，以确定哪个效应是主要的。结果示于表X中。预期电缆束的电感将是主要效应，但电容效应也在降低电缆束的EUT和AE端的电压中起作用。

X.地上方1线的电感和电容

长度	横截面	高度	电容（估计）	电感（估计）
3.3m	1.5mm2	5 cm	40 pF	2μH
15m	1.5mm2	5 cm	120 pF	14μH

此外，电缆束中电线的接地电容和串联电感随着EUT和辅助设备之间的电缆长度而增加。随着电压信号朝向EUT或AE行进，电压振幅预期会减小。然而，EUT侧（靠近耦合器）的电压幅度预期高于AE侧的电压幅度（电缆束到耦合器的长度更长）。

 

图8.使用15 m电缆束的测试装置。

将考虑以下情况：

XI. 实验装置情况。

	d1	d2	l	h	ZT
情形1	5cm	5cm	3.3m	5cm	OC
情形2	5cm	5cm	3.3m	5cm	SC
情形3	15cm	50cm	15cm	5cm	OC
情形4	15cm	50cm	15cm	5cm	SC

测量如下进行：

•   开路和短路中的校准是在测试电平600V下进行。

•   依据CS117，波形3、1MHz、600V用作测试电平1。

•   信号发生器已在开路和短路条件下校准。在整个测试期间保持用相同的信号发生器。

•   电缆束和接地平面之间为5cm绝缘，μr≈2。

•   对两个电缆束进行了测试和测量。第一束由4根电线组成，直径1.8mm，长度3.3m，而第二束具有15m长度。选择的长度反映了第22节建议的最小和最大尺寸。

•   在情况1和3（图8）中，电缆束的末端是开路的（对应于对地的高阻抗），而在情况2和4中，已经设置了对地短路（对应于对地的低阻抗）。

测量结果其峰值示于表XII中。

XII．案例1至4的测量结果。

	VEUT 终端	IEUT	VAE 终端
情形1	519 V	n/a	213V
情形2	n/a	30A	n/a
情形3	~ 505 V	n/a	~ 107 V
情形4	n/a	12.4 A	n/a

图9. EUT侧旁情形1中测得的WF3电压。

 

图10.在AE侧旁情形3中测得的WF3电压。

可以得出部分结论：

•在EUT高输入阻抗的情况下，施加到EUT端子的电压取决于电缆束的长度和主要电感。

•在EUT低输入阻抗的情况下，电缆束中的电流随着束的长度增加而减小。

•在情形2和4中，电缆束的电感阻止信号发生器输送的所有电流流过，因此在耦合器输出端测量的电压可能保持较高。在这里不对这种现象做出解释，因为它需要更详细的数据。

•按情况1和3中已经测量了耦合器两侧的电流。由于对地的电容耦合，按情形3在耦合器输出到辅助设备处测得高达10 A的电流。该值表示在校准期间测量的短路电流的10％以上，表明在长电缆束的情况下对地的电容效应是显著的。

•在EUT端和AE / LISN端测量的电流具有相似的波形和幅度。因此，在表XII中仅包括IEUT是可接受的。

•在情形1和2中，电压（图9所示）和电流波形都类似于校准波形。然而，在情形3（图10所示）和4中，可以注意到有显著的叠加振荡，这表明长的电缆束可以形成谐振电路。在所有情形下，可使用DO-357（第22节用户指南）的流程来评估峰值。谐振现象是常见的，并且对于电缆束的情况不需要额外的论证。

结论

本文介绍了两组比较，即第22节PIN测试电平和CS117 CI测试电平之间比较，以及第22节CI测试电平和CS117 CI测试电平之间比较。

一般来说，CS117测试电平代表来自第22节针对PIN或CI简单冲击要求的3级和4级。

波形2和3的CI要求类似于对于电平3和4处的MS事件的SS和首次冲击。

在电缆感应测试的情况下，当EUT和测量探头之间的距离达到最小（5cm），并且注入探头和测量探头之间的距离最小（5cm）时，使得注入（电流）幅度和EUT连接器上幅度有最小差值。

这CS117特别专注于电流波形。这表现在如下事实上，即MS要求的规范，和下降的测试电平总是用电流表示（但波形3通常认为是电压波形）。

在CS117中通过CI测试来涵盖PIN需求的主张大多是可验证的。然而，测量表明，在最差情况下施加到EUT端子的电压（耦合器离EUT输入65cm远）减少了大约16％（在耦合器上施加600V，在EUT输入处测量得505V）。这种现象是正常的，并且再现了耦合到电缆束中的雷电冲击的实际情况。但是，如果必须使用CI方法在EUT输入端验证某个测试电平，则必须增加信号发生器框架以补偿电缆束的阻抗。电压和/或电流的必要增加取决于电缆束的阻抗。如果超过极限电平，增加测试电平可能导致过度测试。

对于其他波形，测试电平和电缆束，测试信号发生器中必要的能量储备可能是不同的。