終端負(fù)載對同軸電纜超寬帶輻照效應(yīng)的影響

李新峰，魏光輝，潘曉東

（軍械工程學(xué)院強電磁場環(huán)境模擬與防護國防科技重點實驗室，河北石家莊 050003）

終端負(fù)載對同軸電纜超寬帶輻照效應(yīng)的影響

李新峰，魏光輝，潘曉東

（軍械工程學(xué)院強電磁場環(huán)境模擬與防護國防科技重點實驗室，河北石家莊 050003）

為研究同軸電纜對超寬帶高功率微波的電磁耦合特性及其對終端電氣設(shè)備的影響，將同軸電纜終端連接設(shè)備等效為集總負(fù)載，構(gòu)建了超寬帶輻照實驗系統(tǒng)，設(shè)計了同軸電纜耦合實驗平臺，實驗研究了不同終端負(fù)載條件下同軸電纜終端負(fù)載耦合響應(yīng)電壓變化規(guī)律，并分析了同軸電纜電磁耦合機理，研究結(jié)果表明：終端負(fù)載響應(yīng)電壓波形的振蕩周期及耦合響應(yīng)頻率點只與同軸電纜特性有關(guān)，與終端負(fù)載情況無關(guān)；終端負(fù)載變化對終端負(fù)載耦合響應(yīng)電壓有較大影響。

同軸電纜；超寬帶高功率微波；屏蔽室；終端負(fù)載；耦合電壓

當(dāng)電纜受到外界電磁場激勵時，就會成為外界電磁能量的“收集器”并將這些電磁能傳遞到與電纜相接的終端電氣設(shè)備或系統(tǒng)中，使其中電路產(chǎn)生干擾甚至損壞［1］。因此必須深入進行高功率微波對同軸電纜的耦合效應(yīng)研究，以便采取相應(yīng)的措施減少同軸電纜引入的電磁脈沖能量［2］。目前，研究學(xué)者對電纜電磁耦合效應(yīng)的研究主要運用傳輸線方法、時域有限差分法（FDTD方法）等方法進行數(shù)值計算及仿真究，，且對象主要是高空核電磁脈沖（HEMP）、高斯脈沖（Gaussian pulse）、靜電放電脈沖（ESD）等［3－5］，對于超寬帶高功率微波（UWS-HPM）的研究卻比較少，且其系統(tǒng)性不強，實驗數(shù)據(jù)支撐不夠。目前超寬帶脈沖峰值功率可達100 GW，峰值電場強度達幾百k V／m，重復(fù)頻率可達1 MHz［6－7］。UWS-HPM 脈寬窄，上升沿陡（＜1 ns），頻帶寬（100 MHz～50 GHz），所含頻譜極其豐富，對同軸電纜端接設(shè)備的威脅更大。

為研究同軸電纜的超寬帶耦合效應(yīng)特性及對終端設(shè)備的影響，設(shè)計了同軸電纜耦合實驗平臺，構(gòu)建了超寬帶輻照實驗系統(tǒng)，實驗研究了不同終端負(fù)載條件下同軸電纜對超寬帶輻照的耦合規(guī)律，研究結(jié)果對電氣設(shè)備抗電磁干擾具有工程應(yīng)用價值。

1 實驗設(shè)備及方法

1.1 超寬帶電磁脈沖產(chǎn)生原理分析

實驗裝置選用強電磁場環(huán)境模擬與防護技術(shù)國防科技重點實驗室GW級超寬帶電磁脈沖輻射系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)主要有3部分組成：緊湊Tesla型初級脈沖功率源，Peaking-chopping型高功率超寬帶亞納秒脈沖產(chǎn)生器和拋物反射面超寬帶輻射天線。圖1為超寬帶電磁脈沖輻射場測試波形及其頻譜圖?？芍渲髅}沖為雙指數(shù)微分脈沖函數(shù)形式［2］：

其中E0為脈沖幅度，為常數(shù)。由圖1（b）可知，超寬帶的頻譜出現(xiàn)了許多尖峰值，且大部分能量都集中在2 GHz之前，且主要在500 MHz附近出現(xiàn)了許多較大的電場分量。

圖1 超寬帶電磁脈沖輻射場波形及其頻譜圖

1.2 同軸電纜耦合實驗平臺

試驗平臺如圖2所示，在同軸電纜兩端用屏蔽室和屏蔽盒進行屏蔽，防止輻射源對終端負(fù)載直接進行輻照。為減少屏蔽室金屬墻體對輻射電磁波的反射作用，在屏蔽室面向電磁波的入射方向放置吸波墻，減小對測試結(jié)果的影響。同軸電纜外皮分別與屏蔽室和屏蔽盒的殼體進行連接，屏蔽盒大小為40 cm×40 cm×40 cm正方體，外殼采用金屬材料。屏蔽盒內(nèi)部配置50Ω射頻終端匹配負(fù)載，屏蔽盒內(nèi)放置吸波材料，以免電磁波在內(nèi)部產(chǎn)生諧振作用。同軸電纜終端響應(yīng)電壓測試在移動式屏蔽室內(nèi)完成。在屏蔽室內(nèi)部，示波器直接與屏蔽室接口板連接，示波器的輸入阻抗（50Ω／1 MΩ）作為同軸電纜的終端負(fù)載。

圖2 超寬帶輻照實驗平臺

2 輻射場強一致性研究

實驗前首先使用TEM接收天線進行場強距離標(biāo)定，通過對測試數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到UWB-HPM輻射場強與天線的關(guān)系接近反比，如圖3所示，擬合度為99.2%，擬合方程為

式中：Epp為輻射場強峰峰值；x為天線距離UWB輻射源的位置。

圖3 UWS-HPM輻射場強度隨距離的變化關(guān)系曲線

為考察同一距離處輻射場強E的一致性，在一組標(biāo)定中，由式（3）和式（4）可知樣本為10的測量波形最大值的均值為42.8 KV／m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.917 6 k V／m，說明輻射場一致性較好。

3 實驗結(jié)果及分析

假定測試平臺屏蔽室端為受試同軸電纜的1端口，屏蔽盒端為受試同軸電纜的2端口，實驗一：研究超寬帶輻照條件下2端口負(fù)載匹配1端口終端負(fù)載變化，對1端口響應(yīng)電壓的影響；實驗二：研究同軸電纜1端口負(fù)載匹配時，2端口負(fù)載變化，對1端口響應(yīng)電壓的影響。同軸電纜采用TPC公司type88型2 m長同軸電纜，其特性阻抗為50Ω。同軸電纜與超寬帶電場極化夾角為600，屏蔽室單點接地。

3.1 1 端口負(fù)載變化對1端口響應(yīng)電壓的影響

采用阻值為25，50，150Ω的通過式負(fù)載，連接示波器（輸入阻抗50Ω或者1 MΩ）進行測試，則1端口負(fù)載分別為16.7，25，50，150Ω，1 MΩ，2端口始終為50Ω射頻負(fù)載。由于實驗結(jié)果中只是響應(yīng)電壓峰值的變化，此處只給出1端口為50Ω時的實驗結(jié)果波形及頻譜如圖5所示，16.7，25，50，150Ω，1 MΩ終端負(fù)載耦合電壓分別為4，4.2，7.4，8.6，8.9 m V，振蕩周期均為13.3 ns。

圖4 1端口負(fù)載為50Ω條件下1端口響應(yīng)波形及頻譜圖

從理論上分析，當(dāng)同軸電纜受外部電磁波輻照時，沿同軸電纜方向的電場分量在電纜屏蔽層感應(yīng)出電流，感應(yīng)電流通過同軸電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納而耦合到同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體上，在終端負(fù)載上形成電壓降，屏蔽層感應(yīng)電流由于諧振的作用形成駐波而增強，從而在電纜終端負(fù)載上形成了峰值感應(yīng)電壓。由圖4（a）可以看到，終端負(fù)載感應(yīng)電壓波形有時延且為衰減振蕩波，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于導(dǎo)線上感應(yīng)電流流動導(dǎo)致電荷積累，電荷積累形成的場又引起電壓這樣一個循環(huán)過程，同時伴著場的輻射。其衰減振蕩周期為同軸電纜感應(yīng)皮電流在電纜長度上流動一周的時間，即T＝2l／c，其中l(wèi)為受試電纜長度，此處為2 m，c為電磁波在自由空間的傳播速度。通過計算可知其周期為T＝13.3 ns，且1端口負(fù)載變化不影響1端口耦合響應(yīng)電壓波形振蕩周期。終端負(fù)載電阻上的脈沖電壓的最大值隨電阻的大小而變化，這種變化是非線性變化，即在1端口終端負(fù)載電阻較小時，隨著負(fù)載電阻的增大，終端響應(yīng)電壓也隨之增大，當(dāng)終端負(fù)載電阻較大時，終端響應(yīng)電壓增大速度明顯變慢。

從圖4（b）耦合響應(yīng)電壓的頻譜看出，在低頻段附近，同軸電纜響應(yīng)值較小，在較高頻率處才出現(xiàn)響應(yīng)峰值，這個頻率就是電纜長度的諧振頻率。對于2 m長同軸電纜其諧振頻率為f1＝75 MHz，f2＝150 MHz，這與連續(xù)波輻照實驗結(jié)果規(guī)律相同，即受試電纜終端響應(yīng)的峰值出現(xiàn)在電纜相對長度為1／2整數(shù)倍的頻點，ξ＝l／λ＝n／2（n＝1，2，…）。

3.2 2 端口負(fù)載變化對1端口響應(yīng)電壓的影響

在屏蔽盒端分別選擇短路及25，50，150Ω情況，屏蔽室內(nèi)接電阻為50Ω示波器，即屏蔽室端電阻與電纜特性阻抗匹配。實驗結(jié)果中只是響應(yīng)電壓峰值的變化，此處只給出2端口為開路時的實驗結(jié)果波形及頻譜如圖5所示，短路，25，50，150Ω終端負(fù)載耦合電壓分別為18，6，7.4，7.2 m V，振蕩周期均為13.3 ns。

分析可知不論2端口負(fù)載怎么變化，1端口負(fù)載響應(yīng)電壓均為衰減振蕩波形，且其振蕩周期不變，均為T＝13.3 ns。當(dāng)2端口負(fù)載為開路時，1端口響應(yīng)電壓峰值變化較大，在2端口電阻在25～150Ω期間響應(yīng)電壓數(shù)值變化不大，因此在工程實踐中應(yīng)盡量避免電纜一端設(shè)備短路情況發(fā)生。2端口負(fù)載變化只對1端口響應(yīng)電壓產(chǎn)生影響，而不影響電壓波形振蕩周期，因為振蕩周期與終端負(fù)載情況無關(guān)，只與受試電纜長度有關(guān)。從圖5（b）得出，超寬帶輻照條件下，同軸電纜終端耦合響應(yīng)電壓為多頻響應(yīng)信號，這是因為超寬帶本身頻譜成分豐富，耦合響應(yīng)頻率點在上面我們已經(jīng)研究過，受試電纜終端響應(yīng)的峰值仍出現(xiàn)在電纜相對長度為1／2整數(shù)倍的頻點。

圖5 2端口開路條件下1端口響應(yīng)波形及頻譜圖

4 結(jié) 論

通過實驗研究分析得到了終端負(fù)載變化時同軸電纜對超寬帶高功率微波的耦合特性，研究結(jié)果表明：終端負(fù)載耦合響應(yīng)電壓的波形振蕩周期及耦合頻率響應(yīng)點只與同住電纜本身長度有關(guān)，與終端負(fù)載情況無關(guān)，其中振蕩周期為T＝2l／c，耦合頻率點為ξ＝l／λ＝n／2（n＝1，2，…）處，對于2 m電纜其主要頻率響應(yīng)點為75 MHz；當(dāng)2端口負(fù)載匹配，隨著1端口終端負(fù)載的增大，1端口負(fù)載響應(yīng)電壓峰值變大，當(dāng)負(fù)載電阻較大時，終端響應(yīng)電壓增大速度變慢。當(dāng)1端口負(fù)載匹配，2端口短路時，1端口終端響應(yīng)電壓峰值最大，25～150Ω期間情況下峰值變化不大。

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TM15

A

1008-1542（2011）07-0187-04

2011-06-20；責(zé)任編輯:張 軍

國家安全重大基礎(chǔ)研究資助項目（6131380301）；國家自然科學(xué)基金資助項目（61040003）

李新峰（1987-），男，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事電磁防護理論與技術(shù)方面的研究。