雷電電磁脈沖對(duì)便攜計(jì)算機(jī)終端的損傷分析

鮑永波，田楊萌，王彩霞，王宏偉

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雷電電磁脈沖對(duì)便攜計(jì)算機(jī)終端的損傷分析

鮑永波，田楊萌，王彩霞，王宏偉

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

使用電磁仿真軟件XFDTD，研究雷電磁脈沖(LEMP)對(duì)便攜計(jì)算機(jī)的電磁危害。給出腔體內(nèi)部采樣點(diǎn)處的電場(chǎng)時(shí)域波形圖和截面的電場(chǎng)分布圖，計(jì)算腔體內(nèi)不同位置處的屏蔽效能和瞬時(shí)坡印廷矢量的大小，分析雷電電磁脈沖與腔體正面孔陣和側(cè)面孔洞的耦合以及孔洞的互耦合。雷電電磁脈沖會(huì)與入射正面和側(cè)面上的小孔發(fā)生不同程度的耦合。雷電電磁脈沖對(duì)腔體內(nèi)部的電磁危害很小，電磁能量主要被限制在開(kāi)孔附近，腔體中心處受到的影響最小。開(kāi)孔面積越大，耦合進(jìn)的電磁能量越多。相鄰孔洞之間的互耦合效應(yīng)使得腔體的屏蔽性變差。雷電電磁脈沖對(duì)便攜計(jì)算機(jī)的危害一般很小。

雷電電磁脈沖；電磁危害；孔陣；屏蔽效能；互耦合

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，微電子設(shè)備正朝著高頻率、高速率、高集成度、高安裝密度、低功耗、小型化的方向發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了電磁敏感性高、絕緣強(qiáng)度差的弱點(diǎn)，使之對(duì)電磁脈沖的干擾與毀傷效應(yīng)越來(lái)越敏感，由雷電電磁脈沖(LEMP)帶來(lái)的危害也越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。

LEMP對(duì)微電子設(shè)備的毀傷作用主要通過(guò)兩個(gè)途徑：一是通過(guò)電線、電纜的耦合作用在終端產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流，從而毀傷設(shè)備，國(guó)內(nèi)外對(duì)此做了大量的研究[2]；另一方面直接通過(guò)屏蔽腔體的孔縫耦合進(jìn)入微電子設(shè)備內(nèi)部，國(guó)內(nèi)關(guān)于LEMP與微電子設(shè)備的孔縫耦合研究相對(duì)較少。

文中以基于時(shí)域有限差分法(FDTD)的電磁仿真軟件XFDTD和高處理速度的計(jì)算機(jī)為工具，依據(jù)一款便攜計(jì)算機(jī)外殼為模型，建立了合適的開(kāi)孔腔體幾何模型。以一次人工引雷獲得的雷電電磁場(chǎng)近場(chǎng)30 m處的電場(chǎng)時(shí)域波形為激勵(lì)源，模擬了雷電電磁脈沖與開(kāi)孔腔體的近場(chǎng)耦合情況，分析比較了腔體內(nèi)不同位置處的電磁環(huán)境，得出了雷電電磁脈沖與腔體的不同孔洞和孔陣的耦合規(guī)律，為研究LEMP對(duì)便攜計(jì)算機(jī)終端的損傷提供了有意義的參考。

1 雷電電磁脈沖波形及頻譜

在防雷過(guò)程中，主要關(guān)心的是雷云對(duì)大地的放電，也就是地閃。地閃發(fā)生時(shí)，在雷電流通道周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)，其中先導(dǎo)-回?fù)暨^(guò)程產(chǎn)生的電磁場(chǎng)為最強(qiáng)。

根據(jù)人工引發(fā)雷電和自然雷電的觀測(cè)結(jié)果，在距閃電通道幾十到幾百米范圍，地閃先導(dǎo)回?fù)綦妶?chǎng)變化波形呈不對(duì)稱“V”形結(jié)構(gòu)[3-4]。圖1為山東濱州2009年8月5日14:39:16的一次人工引雷獲得的近場(chǎng)30 m處電場(chǎng)時(shí)域波形[5]中的一部分。該波形反映的是直竄先導(dǎo)到繼后回?fù)暨@一過(guò)程中，空間電場(chǎng)強(qiáng)度的變化量。

圖1 一次先導(dǎo)與回?fù)暨^(guò)程的電場(chǎng)波形

文中將利用XFDTD軟件，研究雷電電磁場(chǎng)與便攜計(jì)算機(jī)的耦合。由于微電子設(shè)備尺寸較小，需要在空間中劃分很小的網(wǎng)格，允許的最大時(shí)間步長(zhǎng)很小，計(jì)算量會(huì)隨著仿真的時(shí)域長(zhǎng)度的增加而增加，能仿真的時(shí)域長(zhǎng)度有限，因此在導(dǎo)入激勵(lì)源波形時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行截取。根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)的理論，波形中的尖峰部分所含的高頻成分相對(duì)豐富，激勵(lì)源的幅值越大，產(chǎn)生的響應(yīng)也越大，而電磁波在與腔體小孔耦合時(shí)，高頻的電磁波波長(zhǎng)更接近孔的尺寸，更容易耦合進(jìn)腔體，對(duì)腔體的電磁危害也越大。因此，考慮到以上因素，截取了圖1中波形的尖峰部分，截取后的幅值為原波形的75%，時(shí)間為5.7 μs。該部分能大體反映出雷電電磁脈沖帶來(lái)的主要電磁危害。

圖2為將負(fù)電場(chǎng)變?yōu)檎岛筮M(jìn)行截取，隨后導(dǎo)入XFDTD的激勵(lì)源波形圖，圖3為對(duì)截取的時(shí)域電場(chǎng)波形進(jìn)行快速傅里葉變換獲得的頻譜圖。從圖2和圖3可知，雷電電磁脈沖所含的頻率成分大多分布在1 MHz以下。

圖2 激勵(lì)源時(shí)域波形

圖3 激勵(lì)源頻譜

2 便攜計(jì)算機(jī)的建模與仿真介紹

XFDTD是一款三維全波分析電磁學(xué)仿真軟件，具有計(jì)算功能強(qiáng)、可視化以及建模方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜物體的幾何建模和電磁環(huán)境的時(shí)域分析。

依照一款DELL筆記本電腦的外形，在軟件中建立了寬25 cm，長(zhǎng)35 cm，厚2 cm(Δ=250 mm，Δ=350 mm，Δ=20 mm)的空心腔體，幾何模型與坐標(biāo)方向如圖4所示，腔體上各部分的開(kāi)孔情況如圖5所示。將筆記本外殼的合金材料近似為理想導(dǎo)體。如果將腔體厚度選為1 mm需要更細(xì)的網(wǎng)格劃分，而考慮到計(jì)算量，能夠接受的最小網(wǎng)格為Δ=Δ=Δ=1 mm均勻網(wǎng)格。在該網(wǎng)格劃分下能夠精確計(jì)算的腔體厚度至少為2 mm，因此將壁厚選為2 mm。邊界條件選擇吸收邊界。

圖4 便攜計(jì)算機(jī)模型

圖5 腔體上的小孔的外形及尺寸

由于便攜計(jì)算機(jī)尺寸相對(duì)雷電通道很小，因此選擇平面波作激勵(lì)源并導(dǎo)入上文中截取后的電場(chǎng)波形，來(lái)模擬距雷擊位置30 m處受到的雷電電磁危害。LEMP的入射方向?yàn)檎S方向，極化方向沿軸方向。

在對(duì)仿真結(jié)果的觀察方面，如圖4所示，分別對(duì)過(guò)直線1與面平行的截面1以及過(guò)直線2與面平行的截面2上的電場(chǎng)進(jìn)行了觀察。其中截面2過(guò)腔體的中心，在截面2上又選取了若干采樣點(diǎn)來(lái)觀察腔體中不同位置處耦合電場(chǎng)的時(shí)域變化情況。采樣點(diǎn)的位置分布以及名稱如圖6所示。

3 仿真結(jié)果分析

文中主要對(duì)雷電電磁脈沖作用下，腔體內(nèi)不同點(diǎn)處屏蔽效能[7](SE)的計(jì)算來(lái)研究腔體對(duì)LEMP的屏蔽。對(duì)最大瞬時(shí)坡印廷矢量[8]進(jìn)行了計(jì)算，并和表1中的數(shù)據(jù)[9]進(jìn)行了對(duì)比，來(lái)研究電磁脈沖的毀傷效應(yīng)，并對(duì)腔體中的截面電場(chǎng)進(jìn)行了觀察。

圖6 采樣點(diǎn)的位置及名稱

式中：i為入射雷電電磁脈沖的場(chǎng)強(qiáng)峰值，i=84162 V/m；o為采樣點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)峰值；越大，屏蔽性越好；為真空波阻抗，=377 Ω；坡印廷矢量也叫功率密度。

表1 電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的毀傷能力

3.1 LEMP與入射正面孔陣的耦合

LEMP入射的正面分布有三種孔陣，其附近的采樣點(diǎn)有硬盤(pán)(yk1，yk2，yk3)、主板(zk1，zk2，zk3)、排風(fēng)扇(pk1，pk2，pk3)，如圖6所示。獲得的耦合電場(chǎng)波形如圖7所示。

從圖7中可以計(jì)算出不同采樣點(diǎn)處的屏蔽效能和最大瞬時(shí)坡印廷矢量，見(jiàn)表2。對(duì)激勵(lì)源達(dá)到最大值時(shí)截面1的電場(chǎng)觀察如圖8所示。

圖7 耦合的電場(chǎng)時(shí)域波形

圖8 截面1的電場(chǎng)分布

表2 孔陣附近采樣點(diǎn)電磁環(huán)境

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)孔陣附近的采樣點(diǎn)耦合的電場(chǎng)強(qiáng)度最多只會(huì)對(duì)電子設(shè)備構(gòu)成干擾。在這些采樣點(diǎn)中，位于腔體中心處的主板孔陣附近采樣點(diǎn)受到的電磁干擾最小。如圖8所示，對(duì)截面1的電場(chǎng)觀測(cè)，可以看出，LEMP的影響區(qū)域主要被局限在孔陣附近，影響深度從中間到兩邊逐漸增加，但是影響深度都很小。

以上的研究表明，腔體內(nèi)孔陣附近采樣點(diǎn)位置受到LEMP的電磁危害都很小，對(duì)電子設(shè)備的影響很小。腔體中心位置耦合的場(chǎng)強(qiáng)比腔體其他位置的弱。

3.2 LEMP與入射側(cè)面孔洞的耦合

腔體面上的3個(gè)USB插孔和電源插孔以及網(wǎng)線插孔均位于腔體的側(cè)面，與雷電電磁脈沖平面波的入射方向平行。開(kāi)孔尺寸與各個(gè)孔的間隔如圖5所示，采樣點(diǎn)位置如圖6所示。在側(cè)面開(kāi)孔的中心軸線上距離開(kāi)孔4 cm的位置分別設(shè)有采樣點(diǎn)USB1，USB2，USB3，line，DY。還對(duì)激勵(lì)源達(dá)到最大值時(shí)截面2的電場(chǎng)分布進(jìn)行了觀察，并且對(duì)孔洞附近采樣點(diǎn)的電磁環(huán)境進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖9—11和表3。

圖9 USB1，line和DY處的電場(chǎng)強(qiáng)度

圖10 三個(gè)USB采樣點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

圖11 截面2的電場(chǎng)分布

表3 孔洞附近采樣點(diǎn)電磁環(huán)境

從圖9可以看出，對(duì)于相鄰的三個(gè)孔洞，面積最大的網(wǎng)線插孔對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，對(duì)電子設(shè)備的影響達(dá)到了削弱量級(jí)，但是不會(huì)引起電子器件的損壞；面積較小的電源插孔和USB1對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)較弱。在圖11中也能夠看出，網(wǎng)線插口受到LEMP的影響深度比其他兩個(gè)孔要深，也比USB2和USB3的要深，但是也都局限于開(kāi)孔附近。

三個(gè)USB插孔面積雖然相同，但圖10中USB2和USB3兩個(gè)插孔處對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)都比USB1的小很多。說(shuō)明USB1與距離較近、面積較大的網(wǎng)線插孔和電源插孔的互耦合效應(yīng)[10]比USB2和USB3的互耦合效應(yīng)強(qiáng)。因此在采樣點(diǎn)USB1處的場(chǎng)強(qiáng)要強(qiáng)于USB2和USB3處的場(chǎng)強(qiáng)。

由以上分析可知：側(cè)面上的孔洞面積越大，耦合的電場(chǎng)強(qiáng)度越大；孔洞之間的距離越近、相鄰的孔洞面積越大，其互耦合效應(yīng)也越明顯。

4 結(jié)論

從以上的研究可以得出如下結(jié)論。

1）LEMP會(huì)與便攜計(jì)算機(jī)正面和側(cè)面的孔發(fā)生不同程度的耦合，不過(guò)電磁脈沖能量被限制在開(kāi)孔附近，耦合到腔體內(nèi)部的電磁能量很小，對(duì)腔體內(nèi)的電磁危害很小，至多只會(huì)對(duì)電子器件與芯片的工作造成干擾而不會(huì)引起腔體內(nèi)部電子器件的損壞。

2）腔體中心處受到的電磁危害最小，適合放置一些重要電子器件。

3）由于距離較近的孔洞之間會(huì)發(fā)生互耦合，導(dǎo)致屏蔽性變差，因此開(kāi)孔的間隔應(yīng)該盡量大一些。

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Damage Analysis of Lightning Electromagnetic Pulse to Portable Computer Terminal

BAO Yong-boTIAN Yang-mengWANG Cai-xiaWANG Hongwei

(Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

To study electromagnetic hazards of lightning electromagnetic pulse (LEMP) on portable computers with electromagnetic simulation software XFDTD.The time domain waveform of electric field at sampling point and the sectional view of electric-field distribution inside the cavity were given. The shielding effectiveness and the instantaneous Poynting vector in different positions in the cavity were calculated. The coupling of the lightning electromagnetic pulse with the front aperture array and the side hole of the cavity and the mutual coupling of holes were analyzed.The electromagnetic pulse of lightning caused coupling of different degrees to the small holes on the front and sides. Lightning electromagnetic pulse had little electromagnetic harm to inside part of the cavity. The electromagnetic energy was mainly confined to the neighboring of the open hole. The center of the cavity was affected least. The larger the aperture area was; the more electromagnetic energy was coupled. The mutual coupling effect between adjacent holes leaded to poor shielding effectiveness of the cavity.Lightning electromagnetic pulses commonly do little harm to portable computers.

lightning electromagnetic pulse, electromagnetic hazard, aperture array, shielding effectiveness, mutual coupling

10.7643/ issn.1672-9242.2017.12.016

TJ07

A

1672-9242(2017)12-0083-05

2017-08-02；

2017-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No. 41375012）；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. KZ201411232037）

鮑永波（1993—）,男，河南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒荨?/p>

王彩霞（1963—）,女，北京人，博士，教授, 主要研究方向?yàn)槔纂娢锢砗屠妆╇妼W(xué)。