電磁脈沖下電纜耦合及屏蔽效能試驗淺析

王 彥，馮柏潤，孫海航，張 文

(沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧沈陽，110144)

1 引言

隨著科技的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)：雷電與核爆炸均可產生電磁脈沖(Electromagnetic Pulse)。電磁脈沖所攜帶的電磁場具有高強度，快瞬時等特點，極易被電子系統(tǒng)接收，從而產生不利影響。生活中的雷電現(xiàn)象產生的脈沖就是電磁脈沖中的一種，對于雷電磁脈沖的研究相對較早，并早已制定了明確的標準要求，防護措施已較為成熟?？蒲腥藛T的目光投向核爆炸產生的副產品--核電磁脈沖(Nuclear Electromagnetic Pulse)(以下簡稱電磁脈沖)，它具有比雷電磁脈沖更強的破壞能力，所以更加受關注。上個世紀六十年代，美國在距離夏威夷群島1300km處爆炸了一顆核裝置，使夏威夷群島上大量路燈燒毀，大量防盜報警裝置無端報警，許多電力線路發(fā)生斷路跳閘。除此之外，它還能使處于影響范圍內的無人機跌落，使正在運行的汽車發(fā)動機熄火。高空核爆產生的電磁脈沖有如此威力，一旦作用在城市之中，銀行的電子金融系統(tǒng)、運營商的通信系統(tǒng)及我們每個人的終端設備都不能幸免，將會給我們日常生活帶來極大不便。

2 電磁脈沖耦合路徑分析

為了避免敏感的系統(tǒng)受到威脅，需要分析電磁脈沖的耦合路徑。電磁脈沖可以通過系統(tǒng)的接收天線感應到系統(tǒng)內部，沿著設計路線匯聚電磁能量，這種方式稱為"前門耦合"；另一方面，透過殼體孔縫或互連線纜進入系統(tǒng)稱為"后門耦合"。后門耦合中通過線纜的天線效應接收能量的方式稱為電磁場到線纜的耦合(簡稱"場線耦合")。

線纜耦合：一個系統(tǒng)內必然存在不止一個模塊，各個模塊未必在同一個機械結構的屏蔽之下。不同模塊之間電源、控制和信號的傳遞大部分依靠線纜完成。線纜往往比較長，而且暴露在空氣中。電磁脈沖輻照時，線纜通過天線效應接收電磁波，尤其當線纜長度和電磁波波長可比擬時，耦合尤為嚴重。圖1是線纜遭受脈沖輻射的示意圖。

圖1 模塊間互連線纜遭受電磁脈沖輻射示意圖

線纜在系統(tǒng)互連中被大量使用。處在電磁脈沖打擊范圍內，互連線纜會耦合大量電磁能量，并將其傳導到工作電路中，對工作電路產生毀傷效應。高密度的MOS芯片靠極窄的內部"芯線"來連接稠密的部件，當遇到了超過十倍的設計電壓它將永久損壞。測試表明10kV/m的脈沖就足以引起廣泛的破壞，感應電荷的能量比系統(tǒng)設計的要大10億倍。這不僅能燒壞器件，某些情況下可以將關鍵部件熔化。因此，未加固的計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)、顯示器、信號處理器、導航設備等都容易受到電磁脈沖毀傷。

熟知不同脈沖對電子設備的耦合量以及該設備所要求的防護級，才能選擇合理的加固措施及恰當?shù)姆雷o器件。當電磁脈沖作用在線纜上時，線纜通過天線效應接收電磁波，尤其當線纜長度和電磁波波長可比擬時，耦合尤為嚴重,可以耦合到百安甚至千安的電流到導線芯線上，普通設備根本無法耐受，而且不同的工況所得的耦合量也不盡相同。所以確切地把握場線耦合規(guī)律是合理加固設計的前提。

圖2 被損傷的電路板

3 電磁脈沖波形及能量分布

電磁場影響電氣電子系統(tǒng)途徑有兩個：

1)通過導線耦合形成感應電流，該電流經過導線進入電氣電子設備，即傳導耦合，一般情況下，最大感應電流出現(xiàn)在導線尺寸為電磁波波長的1/4或者1/2時。在較高的頻率上，耦合會以波長的平方成正比例降低。

2) 隨著頻率繼續(xù)增大，電磁波在電纜上的損耗增大，主要的耦合路徑由線纜傳導變?yōu)樵跉んw、連接器、導線接口孔隙上的透射，即輻照耦合。

以此考慮外界電磁環(huán)境的影響，包括電磁脈沖EMP、雷電磁脈沖LEMP、高強輻射場HIRF，在10KHz～400MHz需要考慮傳導耦合，在100MHz～40GHz需要考慮輻照耦合(100MHz～400MHz為重疊區(qū))。

電磁脈沖特征參考GJB1389A-2005和GJB151B-2013的相關規(guī)定，具體見圖3。

極限值峰值場強為50000V/m、前沿2.5ns、0.1倍場強值寬度小于75ns干擾

其波形表達式為：E(t)=kE0(e-at-e-βt)，其中：k=1.3，E0=50kV/m，a=4×107s-1，β=6×108s-1。根據(jù)電磁脈沖的形成機理，電磁脈沖從時間上分為E1、E2和E3 共三個階段，不同階段的波形不盡相同。而E1階段由于上升沿最為陡峭，故所含高頻分量最豐富，可以耦合到低頻(30kHz～300kHz)、中頻(0.3MHz～3MHz)、高頻(3MHz～30MHz)和甚高頻(30MHz～300MHz)等波段的電子通信設備中。核電磁脈沖能量分布見表1。

表1 核電磁脈沖能量占比表

由上表可見，電磁脈沖的主要能量分布在100MHz頻段以下。

4 電纜在電磁脈沖作用下的耦合特性趨勢分析

在實際中，系統(tǒng)互連所用線纜的長度、架設高度、線纜半徑均易變化，外界瞬態(tài)電磁場的入射角也因環(huán)境而定，這些因素都會決定耦合電流的大小。如果能把握其中變化規(guī)律，那么實際系統(tǒng)使用中就能規(guī)避風險。

為了探究單根導體在電磁脈沖輻照下不同參數(shù)的響應規(guī)律，選取高空核電磁脈沖E1階段的波形作為激勵。采用傳輸線法通過仿真軟件對線纜不同長度、同架設高度、線纜半徑、入射角對產生耦合電流的影響進行仿真分析。

線纜不同長度對耦合電流的影響，線纜離地高度、線纜半徑、兩端負載阻抗、極化角、入射角、方位角條件不變時。得到線長與電流峰值的關系，線纜長度在0.1m～6m范圍內，耦合量隨線長增加而增加。

線纜不同架設高度對耦合電流的影響，在其它條件不變，計算不同高度下的耦合電流峰值，線纜高度在0.25m～8m區(qū)間時，耦合電流隨高度的增大而增大。

線纜半徑對耦合電流的影響，在其它條件不變，計算線纜終端處的耦合電流值，線纜半徑在0.5mm～7.5mm 范圍內，隨著線纜半徑增大，耦合電流峰值隨之增大。

入射角對耦合電流的影響，在其它條件不變，計算線纜終端處的耦合電流值，入射角在π/6～π/2范圍內，隨著入射角增大，耦合電流逐漸上升。

5 轉移阻抗測試

在實際應用過程中線纜種類繁多，同時還有不同電纜與不同屏蔽套組合使用情況，由于屏蔽層模型復雜(尤其是編織型屏蔽層)，實際使用中的屏蔽層形狀未必高度規(guī)則，而且建模時不能把所有實際因素均考慮在內，所以解析計算得到的值與實際情況會存在偏差。在結果要求嚴格的場合，就要進行實際測量。

表面轉移阻抗是評價屏蔽層屏蔽效能的重要參數(shù)，三同軸法測量屏蔽層表面轉移阻抗，已廣泛應用在航空電纜屏蔽層和線束屏蔽層電磁兼容測試中。目前使用較多也較成熟的標準是IEC62453-4-3-2013。三同軸法將影響影響屏蔽層性能的電磁場用等效的表面電流和表面電荷代替，使用三同軸裝置構建外回路。三同軸法將復雜的電磁感應機理轉化為電路參數(shù)，測試結果可重復性好。IEC62453-4-3-2013標準中規(guī)定了三種測試方法，對比三種測試方法，方法B可測試頻段(70MHz)略小于方法A(160MHz),但其工程操作簡單，不易引入測試誤差，測試出的數(shù)據(jù)更準確。

另測得轉移阻抗后可通過公式SE=20*log10[(Z1+Z2)/Zt*L]，推到出屏蔽效能。由公式可知，已知轉移阻抗Zt后，需要了解實際使用導線長度L和導線端接電阻Z1、Z2，可計算屏蔽效能。轉移阻抗越小，屏蔽效能越好。

選取部分典型導線及屏蔽套采用IEC62453-4-3-2013《金屬通信電纜試驗方法。電磁兼容性(EMC)表面轉移阻抗.三軸法》進行轉移阻抗測試,針對導線情況組成對比組分別為1與6、2與7、3與8、4與9、5與10、11與22、12與14、18與23不同屏蔽導線與增加同種防波套后進行對比，了解屏蔽(或同軸導線)與增加防波套后差別；2與3、4與5分別對比50Ω和75Ω兩種近似同軸線轉移阻抗差異；15、16、17、18、23對比4種防波套適配單芯屏蔽導線的區(qū)別；19、20、21、24對比4種防波套適配單芯導線的區(qū)別，即四種防波套屏蔽能力區(qū)別；11、13、22、25對比相同屏蔽導線增加防波套及不同接地形式的區(qū)別。通過以上形式可了解屏蔽導線(或同軸導線)自身與增加防波套后屏蔽能力，不同防波套的屏蔽能力以及實際使用時不同屏蔽處理屏蔽能力區(qū)別。

表2 典型導線及防波套分組及長度要求表

各分類組合導線的轉移阻抗測試結果見圖。

圖8 轉移阻抗測試結果圖

6 測試結果分析

由測試結果可知：

1)屏蔽導線(或射頻導線)增加防波套屏蔽能力加強，原屏蔽導線屏蔽效果好的導線，即使自身在低頻段(1MHz以下)不加防波套屏蔽效果好，但高于1MHz以后，增加防波套后屏蔽效果明顯變好趨勢。在屏蔽導線自身屏蔽能力滿足需求時可不增加屏蔽，但在實際使用或測試時發(fā)現(xiàn)導線自身屏蔽能力不能滿足屏蔽需求時，可增加防波套進行防護。

2)屏蔽端接方式對比，屏蔽單端浮地和屏蔽雙端浮地幾乎無區(qū)別。屏蔽導線(雙層屏蔽，屏蔽效果好)時，如采用以上兩種形式增加防波套來提升屏蔽能力與不采用差異不大。另經實際測試，僅僅為提升導線屏蔽能力，當雙層屏蔽間有絕緣隔離時，最外層屏蔽兩端接地效果最好，但僅為增加屏蔽效果再多增加屏蔽層，屏蔽效果增加不明顯。

3) 防波套對比，對比四種防波套屏蔽能力，其中混編防波套屏蔽效果較差，如采用屏蔽導線可不使用該防波套，L-1防波套效果最好，R-1與T-1效果近似，屏蔽效果比L-1略差，由此可見，雖然廠家給出屏蔽護套信息完全一致，但屏蔽護套轉移阻抗值仍不同，應與屏蔽護套編制工藝有關。