電子設備的強電磁脈沖耦合特性研究

段澤民，胡文文，張 松，李志寶

（1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.安徽省飛機雷電防護省級實驗室，合肥 230031；3.強電磁環(huán)境防護技術航空科技重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

戰(zhàn)爭信息化和武器裝備現(xiàn)代化使電磁環(huán)境與陸、海、空、天、網(wǎng)相并列成為了未來高技術戰(zhàn)爭的第六維戰(zhàn)場[1]。

隨著現(xiàn)代信息化技術的迅速發(fā)展，高性能信息化武器和人工智能裝備頻繁地出現(xiàn)局部戰(zhàn)爭中，在戰(zhàn)場主動性和機動性大大提高的同時，武器裝備的電磁敏感性和易損性也不斷增強，這就對裝備抗電磁干擾的能力提出更高的要求[2,3]。電磁脈沖作為構成復雜電磁環(huán)境的重要組成之一，極易通過天線、孔縫、線纜等途徑耦合到電子設備內部，對電子設備元器件正常工作造成影響甚至永久毀壞[4～6]。

本文通過CST電磁仿真軟件對計算機機箱進行物理建模，并用FITD算法在幾乎涵蓋電磁脈沖90%能量的0～100MHz頻帶范圍內分析了外界入射波不同極化方向及入射角照射下機箱的耦合特性，同時進行腔體諧振仿真分析，采用簡化后的腔體尺寸模型，針對腔體孔縫的形狀、面積、長寬比以及間距等展開研究，并結合試驗加以驗證，對比仿真分析和試驗數(shù)據(jù)的差異性，分析誤差來源并提出減小誤差的措施，進而為電子設備的電磁防護設計提供了定量的數(shù)值依據(jù)，也為相關電子電氣設備的電磁防護提供了一些有價值的借鑒[7]。

1 電磁脈沖的形式及其對設備的影響

1.1 強電磁脈沖的類型及特點

從產(chǎn)生的形式上主要有靜電放電電磁脈沖、雷電電磁脈沖、核電磁脈沖和其他非核電磁脈沖等。不同電磁脈沖源的特性和耦合途徑不盡相同，在設計和電磁防護時要綜合考慮。在未來戰(zhàn)場上由于以核電磁脈沖和一些非核電磁武器為主，所以電場強度很大、上升沿時間極短、頻譜寬、覆蓋范圍廣的高空核電磁脈沖（HEMP）具有較實際的研究意義[8]。

1.2 高空核電磁脈沖對設備的影響

從高空核電磁脈沖的能量上看，核爆炸產(chǎn)生的以電磁脈沖形式釋放的能量巨大，足以造成電子設備的工作故障和永久性毀壞；核電磁脈沖具有很高的峰值場強，耦合進入設備內部的電壓足以對燒毀大多元器件；同時其頻譜覆蓋了較寬的頻段，對設備系統(tǒng)極易造成威脅。

根據(jù)電磁脈沖的峰值場強、頻率、上升時間、持續(xù)時間及功率大小等特性的不同，需要對不同電子設備加以特定的電磁防護手段，提高設備的安全性和可靠性。

2 試驗測試和仿真設置

2.1 瞬態(tài)電磁場輻射測試

采用由Longmire計算完成，經(jīng)Radashy分析后擬合而得出的場強表達式，目前國內外大多也是采用此式來表征高空核電磁脈沖輻射環(huán)境即：

式中：E0為峰值場強，k為修正系數(shù)；α、β為表征脈沖前、后沿的參數(shù)。K、α、β的不同對應不同的時域波形。為滿足最新的GJB 151B-2013中規(guī)定的RS105瞬態(tài)電磁場輻射敏感度測試方法，波形參數(shù)選取為k=1.3，E0=5×104V/m，α=4×107/s，β=6×108/s。具體波形如圖1所示。其電場峰值為E0=5×104V/m，上升時間（10%～90%電場峰值）tr=2.5ns，脈寬（50%電場峰值）thw=23 ns，衰落時間tf=55ns。

圖1 高空核電磁脈沖波形

為了實現(xiàn)上述雙指數(shù)電磁脈沖波形，針對電子電氣設備進行電磁脈沖輻射模擬測試試驗，構建了一套傳輸線型有界波電磁脈沖模擬測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由瞬態(tài)脈沖發(fā)生器、傳輸天線、終端匹配阻抗和數(shù)字存儲示波器等組成[9]，圖2為系統(tǒng)結構示意圖。

圖2 電磁脈沖模擬測試系統(tǒng)

試驗開始前將地面場強探頭放置在系統(tǒng)測試區(qū)域，將高壓探頭接在瞬態(tài)脈沖發(fā)生器的輸出端口和輻射系統(tǒng)的輸入口之間，并將探頭通過積分器連接到數(shù)字存儲示波器上，進行測試系統(tǒng)的校準[10,11]；試驗過程中將計算機機箱（EUT）置于測試區(qū)域，為了研究不同入射方向機箱受電磁脈沖影響的情況，定義一個機箱位置的體軸坐標系（如圖3所示），試驗現(xiàn)場布置如圖4所示。

圖3 體軸坐標系

圖4 試驗現(xiàn)場布置圖

2.2 計算機機箱仿真

對計算機機箱建立物理模型，在機箱內部加電場探針。從上至下、左到右的順序分別為探針1（0，131，124.25）、探針2（0，29.5，124.25）、探針3（0，-101.5，124.25）、探針4（0，-101.5，-3.75）、探針5（0，-101.5，-124.25）。具體示意見如圖5所示。

圖5 機箱模型和探針位置

激勵信號設置為IEC 61000-2-9或GJB 151B-2013標準中規(guī)定的的雙指數(shù)脈沖波[12]，如圖1所示。仿真中，設置雙指數(shù)脈沖平面波來模擬核電磁脈沖波作為入射波，由于在0～100MHz頻段內核電磁脈沖幾乎沒有衰減，包含了約90%以上的能量，所以將仿真頻率范圍設為0～100MHz，采用六面體網(wǎng)格對仿真模型進行一定精細度的劃分。為了模擬真實的試驗環(huán)境，采用較大金屬平板作為地面，邊界條件設置為open（add space）即PLM吸收邊界，計算至能量衰減完全[13,14]。

3 仿真結果與試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 外界電磁波對機箱的耦合影響

當計算機機箱結構保持不變時，在0～100MHz頻帶范圍內對計算機機箱進行仿真。分別在電場極化方向為X軸正方向的水平極化和電場極化方向為Y軸正方向的垂直極化兩種方式下，針對不同電磁脈沖入射方向（入射角為0°，30°，45°，90°）進行仿真分析，其中水平極化入射角0°示意如圖6所示，機箱內探針電場耦合波形如圖7所示。

圖6 水平極化-入射角0°

圖7 電場探針耦合波形

綜合圖7中各曲線對比發(fā)現(xiàn)，水平極化耦合進入機箱的場強遠小于垂直極化波，這是由于平行極化波的主要耦合通道為探針1、2、3位置矩形孔縫的窄邊，窄邊的長度不如機箱上平行y軸的長縫，同時比較圖中各曲線可知在隨著入射角度在0°～90°的范圍增大，機箱內耦合的場強減少，在不同極化下入射角均在0°耦合進機箱的場強值達到最大，原因是入射角為0°時，入射波垂直機箱主平面，耦合通道比較多，電磁波更容易傳播進機箱內部，從而導致機箱內部場強值大。

利用上述傳輸線型有界波電磁脈沖模擬測試系統(tǒng)和CST電磁仿真軟件進一步研究孔縫對機箱腔體的耦合影響。為減少仿真時間方便試驗計算，將腔體機箱的尺寸設計為280mm×160mm×150mm，改變機箱上孔縫形狀、大小、長寬比及孔洞間距，具體分析其不同電磁脈沖耦合效應的影響。

3.2 不同孔縫形狀

分別選取孔縫面積大小相等（小孔面積為4cm2）、中心位置相同的正方形、長方形和圓形孔縫進行仿真分析，探針位置固定設置為探針1（0，0，135）以及探針2（0，0，0）。

圖9 各孔縫形狀耦合電場-探針1

利用電磁脈沖模擬試驗系統(tǒng)如圖2所示，對不同形狀孔縫的相同尺寸機箱進行試驗，為了保證試驗更加可靠準確，對機箱同一位置輻照下進5～10次試驗，提取試驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終結果。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各孔縫形狀耦合電場平均峰值大小

對比仿真曲線圖8、圖9、和試驗數(shù)據(jù)表1可以看出：仿真和試驗均表明同一探針位置，長方形孔機箱探針耦合場強比其他形狀耦合到的場強大得多，圓形孔較正方形孔機箱腔體內耦合場強稍小一點，兩者耦合場強幾乎一致。試驗數(shù)據(jù)均大于仿真曲線耦合電場峰值，這是由于仿真考慮的時理想情況，單一的電磁波干擾，而試驗時場地包括附近的干擾，促使各種耦合疊加造成數(shù)值偏高，但總體規(guī)律趨勢兩者相符合。在設計電子設備上的孔縫時應盡可能開成圓形或正方形。

3.3 不同面積大小孔縫

由上可知，圓形孔和正方形孔耦合效應幾乎一致，這里選取中心位置相同的正方形孔縫，分別對2cm2、4cm2、8cm2、10cm2四種不同面積孔縫的電磁脈沖耦合仿真，探針位置保持不變。

圖10 各面積孔縫耦合電場-探針2

圖11 各面積孔縫耦合電場-探針1

對不同面積大小正方形孔縫的相同尺寸機箱進行試驗，試驗方法和數(shù)據(jù)采集同上述保持一致，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各孔縫面積耦合電場峰值大小

由仿真波形圖10、圖11和試驗電場峰值表2分析可知：當孔縫形狀固定時，同一探針上耦合的場強隨著面積的增大而增加，當孔縫面積過大時，屏蔽效能很低，耦合進入機箱內部的電場峰值很大，應在設計機箱孔縫時不應開孔過大并采取有效電磁防護手段保證機箱內部元件正常工作。

3.4 不同長寬比孔縫

選取面積大小4cm2的長方形孔縫，分別在水平極化和垂直極化下對2:1、3:1、4:1以8:1四種不同長寬比的長方形小孔進行耦合仿真。探針位置保持不變。

圖12 水平極化時不同長寬比耦合電場--探針1

對不同長寬比的長方形小孔進行脈沖模擬試驗，探頭放置于小孔后5mm處即探針1的位置，試驗方法和數(shù)據(jù)采集同上述保持一致，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同孔縫長寬比耦合電場峰值

由仿真波形圖12和試驗數(shù)據(jù)表3可得：與電磁波入射電場極化的方向垂直的孔縫越長，耦合進入機箱內部的場強越大；不同極化方式下都滿足這個規(guī)律。再次驗證了圖4計算機機箱在不同極化方向的孔縫耦合規(guī)律。試驗數(shù)值略高于仿真數(shù)值，且試驗曲線波動較大，這都是由于試驗環(huán)境與仿真理想環(huán)境的差異所致，但規(guī)律性吻合。

3.5 不同孔縫間距

保持機箱結構不變，改變面板上的孔縫間距，對機箱的耦合特性進行規(guī)律性的總結。其探針1（0，0，135）處耦合電場曲線如圖11所示。

圖13 不同孔洞間距下耦合電場--探針1

由圖13仿真曲線可以看出，當機箱面板上為了散熱或穿線纜開的多個孔縫按陣列排布時，孔洞的間距越大，機箱的屏蔽效果越好，反之孔間距越小進入機箱內的場強能量越大，這是由于小孔間排布緊密時，各孔間互耦增強，場強疊加導致機箱內耦合場強增大，這就給我們設計電子產(chǎn)品時要合理設置孔洞間距，在保持孔洞散熱、穿線等功能不變下，盡量排布稀疏從而避免互耦情況的發(fā)生。

4 誤差分析

對比分析上述仿真曲線和試驗數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)比仿真波形峰值略大，波形與試驗存在差異性，概括導致差異性的因素以及改善措施主要為以下幾點：

1）仿真軟件中的波形為理想化波形參數(shù)，而試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的波形由于現(xiàn)場試驗環(huán)境的復雜性，與仿波形存在差異；為改善差異，利用試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的波形導入仿真軟件使其保持一致，可以避免因波形的差異導致的誤差。

2）由于現(xiàn)實試驗場地的限制，導致試驗區(qū)域的有限和周圍其他物體的影響，同仿真自由空間的試驗環(huán)境不同；為最大限度保持試驗和仿真環(huán)境一致，設置外場模擬試驗系統(tǒng)，減少其他因素的影響。

3）試驗系統(tǒng)中的測量設備存在誤差范圍，與仿真理想化測量性能方面存在差異；為提高測量精度，改用高敏感性高精度測量設備，保證數(shù)據(jù)的準確性。

5 結語

本文提供了一種針對電子設備研究其電磁脈沖耦合特性，可以預先利用理論數(shù)值計算結合仿真軟件對電子設備機箱進行仿真分析，進而開展電磁脈沖模擬輻照試驗驗證其有效性，形成理論計算、仿真分析及試驗驗證的三維一體的研究思路，仿真與試驗規(guī)律性大體吻合，在數(shù)值方面存在的差異是由于試驗環(huán)境所致，三種手段相輔相成較全面研究分析機箱的電磁脈沖耦合機理，為電子設備的本體設計和電磁防護提供了一定的參考。