同軸線耦合強電磁脈沖特性及其防護措施的研究

李祥超,歐陽文,文巧莉,王 兵,陳勇偉

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044;2.甘肅省氣象服務(wù)中心, 蘭州 730020)

0 引言

強電磁脈沖產(chǎn)生的電磁場與傳輸線纜相互作用時,在傳輸線纜的內(nèi)導(dǎo)體上會出現(xiàn)感應(yīng)電流和電壓,這些感應(yīng)電壓和電流可能破壞那些和線纜相連接的電子設(shè)備[1-3]。隨著電子通信技術(shù)的迅速發(fā)展,大量的半導(dǎo)體器件和高度集成化電路被也越來越多應(yīng)用于各類信息通信領(lǐng)域,這些系統(tǒng)元件對強電磁脈沖承受能力非常脆弱且其容易受到損傷。而本文所提的強電磁脈沖是指核電磁脈沖,而這種信號的強電磁脈沖有著幅度大,波形上升陡度高,作用范圍廣等特點[4-7]。它會對電子系統(tǒng)的正常工作構(gòu)成了極大的威脅。因此,研究傳輸線耦合強電磁脈沖特性及其防護措施具有重要的實際意義。

針對傳輸線纜耦合強電磁脈沖的特性及其防護措施問題,國內(nèi)外科研工作者進行了相關(guān)的研究。M.V.Ianoz采用格林函數(shù)計算出處在強電磁場輻射下架空線纜上任意位置處的響應(yīng)電流[8]。D’Amore等人運用電路模型得到外界電磁場與屏蔽電纜之間的集總參數(shù)矩陣方程[9]。Michel Aguet等人則是采用傳輸線理論來計算芯線和屏蔽層上的響應(yīng)電流[10]。而國內(nèi)研究起步較晚,丁昱等人則利用FIT法研究核磁脈沖同軸線終端的耦合特性[11]。國防科技技術(shù)大學(xué)采用FDTD研究了在飛行狀態(tài)下的導(dǎo)彈系統(tǒng)在核電磁下的場線耦合效應(yīng),分析了強電磁脈沖對不同線纜長度和線徑大小的耦合特性[12]。黃聰順等人采用數(shù)值模擬的方法研究了強電磁脈沖作用下傳輸電纜屏蔽層皮電流,并分析了屏蔽層皮上的感應(yīng)電流大小與線纜長度、線纜兩端是否接地以及入射場方向的關(guān)系[13]。詹鐵堅等人設(shè)計了一種非線性濾波器并通過仿真分析其抑制核電磁脈沖的效果[14]。柳光福等人設(shè)計了一種不加瞬變保護器件的EMI濾波器任對核電磁脈沖具有很好的抑制效果[15]。王麗等人通過網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計分析濾波電路從而建立濾波器插入損耗仿真模型設(shè)計EMI電源濾波器,再通過實測驗證抑制效果[16]。以上學(xué)者對傳輸線耦合強電磁脈沖特性和防護措施的研究大多數(shù)采用數(shù)值計算和仿真的方法,缺少構(gòu)建場線耦合的試驗?zāi)Ｐ偷姆绞街苯尤ヲ炞C,同時對于信號線纜后端的電磁脈沖防護研究甚少。

鑒于此,筆者采用實驗驗證的方式研究了同軸線在強電磁脈沖下的耦合電壓峰值、能量大小以及頻譜分布,并設(shè)計一種針對同軸線終端防護裝置,并且通過ADS仿真軟件設(shè)計合適的防護電路性能參數(shù)能夠泄放同軸線中的大部分耦合能量以及抑制其耦合電壓峰值。最后用實物電路進行試驗,驗證其防護性能的好壞。

1 強電磁脈沖的耦合途徑及損傷形式

目前,隨著電子通信系統(tǒng)的不斷普及, 強電磁脈沖對于通信系統(tǒng)的威脅越來越凸顯。強電磁脈沖對于電子通信系統(tǒng)主要耦合方式見圖1,主要分為通過天線的前門耦合,通過線纜和孔縫的后門耦合[17-19]。對于后門耦合而言,線纜耦合對于強電磁脈沖對于電子通信系統(tǒng)產(chǎn)生耦合的關(guān)鍵要素。本研究主要是針對具體的線纜—同軸線的耦合。

圖1 強電磁脈沖3種耦合途徑

同軸線主要是由金屬芯線、屏蔽層、絕緣層構(gòu)成。將同軸線的耦合問題簡化成如圖2所示的電路耦合模型,當(dāng)受到強電磁脈沖的輻射時,首先由屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓并與大地形成一個完整的回路,這樣極大的減少了對芯線的干擾。而此時芯線通過轉(zhuǎn)移阻抗Z與外回路系統(tǒng)相聯(lián)系,芯線上也會產(chǎn)生耦合電流[20-22]。

圖2 同軸線的場線電路耦合模型

圖3 有界波模擬器的典型結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)強電磁脈沖耦合到線纜上時,主要以兩種形式來破壞后端設(shè)備。一種是在線纜上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓和感應(yīng)過電流,另一種就是強電磁脈沖的耦合能量,它可能會造成一些較敏感的器件的永久性失效。表1是一些常用的元器件損傷閾值。

表1 一些常用元器件的損傷閾值

通過對同軸線場線電路耦合模型的建立對接下來的試驗?zāi)Ｐ痛畹慕ê头桨傅脑O(shè)計提供了思路,同時通過對強電磁脈沖的兩種損傷形式的研究得到同軸線纜上耦合的電壓峰值和能量是電磁脈沖防護的兩個重要的關(guān)鍵因素。

2 試驗分析

2.1 試驗設(shè)備介紹

試驗采用NP-EMP/BW2/23-100型電磁脈沖電場模擬系統(tǒng)模擬高空核爆炸源區(qū)外自由空間的輻射場環(huán)境。在電磁脈沖模擬系統(tǒng)工作區(qū)間,產(chǎn)生了較理想的單一平面波環(huán)境。這種強電磁脈沖模擬系統(tǒng)的特點就是把能量限制在傳輸線間的有限空間,即相當(dāng)于一個垂直極化的有界波模擬器[23],其典型結(jié)構(gòu)圖見3。

最新的國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IE C61000-2-9規(guī)定了高空核電磁脈沖波形為雙指數(shù)函數(shù),其解析式為

Ei(t)=E0k(e-at-e-bt)

(1)

其中:E0=5×104V/m為峰值電場強度,k=1.3為修正因子,a=4×106,b=6×108分別為上升沿和下降沿的相關(guān)參數(shù)。此模擬器模擬強電磁脈沖波形指標(biāo):上升沿的時間寬度為2.3±0.5 ns;半峰值時間寬度為23±5 ns[24]。但在實際環(huán)境中,用示波器測得的空間電場波形見圖4,電場波形在由于實驗場地過小的限制,這是因為電磁波在傳輸過程中在地面和墻面上發(fā)生折反射,入射場和反射場疊加所造成的。觀察發(fā)現(xiàn)輻射的電場波形與標(biāo)準(zhǔn)波形基本吻合,對試驗的影響較小。

圖4 有界波模擬器的電場波形

2.2 試驗方案

同軸線耦合試驗結(jié)構(gòu)圖見圖5,把一根4 m長的同軸線通過與垂直于地面的固定木架放置于有界波模擬器的工作空間內(nèi),由于工作空間內(nèi)的電場方向垂直向下,同軸線耦合到的電場長度為0.5 m(此部分同軸線放置方向與電場方向都是垂直向下的)。試驗采用的是SVY-75-3型同軸線,其特征阻抗為75 Ω,因此在同軸線的一端接75 Ω匹配負載,另一端連接設(shè)備所提供的屏蔽電纜后接入屏蔽箱內(nèi)示波器時,需要通過40 dB的衰減器再連接Tektronix數(shù)字示波器來防止同軸線耦合的電壓過大而損傷示波器。示波器的另一通道通過積分器連接置于工作空間的電場儀來測量工作空間中的電場大小。試驗過程中,可以調(diào)節(jié)示波器上的輸入阻抗為75 Ω,使同軸電纜測量終端阻抗設(shè)置為75 Ω。最后利用origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析,得到試驗耦合到的電壓波形,再對耦合電壓波形和設(shè)備電場波形做傅里葉變化分析其頻譜關(guān)系,因為電磁脈沖的干擾往往是通過線纜耦合到后端器件上從而造成損壞,因此還需計算線纜終端負載上耦合能量大小。本研究耦合試驗的結(jié)果對線纜終端的防護設(shè)計是具有一定的參考價值。

圖5 同軸線耦合試驗結(jié)構(gòu)圖

2.3 同軸線終端耦合試驗結(jié)果

改變示波器的輸入阻抗為75 Ω使同軸線和示波器阻抗匹配,將3.9 m的同軸線垂直置于有界波模擬器的電場中,通過改變控制發(fā)生器的沖擊電壓的大小 模擬在不同場強下同軸線終端耦合電壓大小,圖6為不同空間電場時耦合到的典型電壓波形。觀察得到在改變電場強度時線纜終端耦合到的電壓大致呈現(xiàn)不斷衰減的阻尼振蕩波形,且電壓衰減時間大約為1 μs,之后的波形呈平坦趨勢。在空間電場為4 kV、9 kV和14 kV時耦合電壓峰值分別為3.76 V、7.6 V和11 V。

圖6 不同空間電場典型電壓波形

為了從頻域角度進行分析,對耦合電壓時域波形進行傅里葉變化,得到圖7所示不同空間電場時同軸線耦合電壓頻譜圖,發(fā)現(xiàn)在不同空間電場下同軸線耦合電磁場的頻率主要分布在0～100 MHz之間,說明強電磁脈沖的能量主要分布在0～100 MHz之間,在圖(a)、(b)、(c)3種不同大小的情況下,0～50 MHz頻段間都出現(xiàn)了多個能量峰值,其中最大的能量峰值集中在21 MHz左右,但次能量峰則分布在不同頻率,在50 MHz～100 MHz頻段間只出現(xiàn)了一個能量峰,且都集中在66 MHz之間。

圖7 不同空間電場時波形頻譜圖

圖8為對同軸線所在的工作空間施加不同強度的空間電場時耦合電壓,從圖中可知隨著同軸線所在的空間電場的強度的增大發(fā)現(xiàn)線纜終端耦合電壓也隨之增大。為了更好的研究電場強度和電壓的關(guān)系,將曲線進行擬合發(fā)現(xiàn)它們呈現(xiàn)線性關(guān)系,其關(guān)系式y(tǒng)=0.19+0.78x,其中x代表空間電場強度,y為線纜終端耦合電壓峰值。高空爆炸的強電磁脈沖的強度往往可達50 kV/m,由于受到一些試驗因素的影響,試驗中的空間場強往往達不到真實環(huán)境那么大的強度,通過試驗數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式大概推算在空間場強達到50 kV/m時,同軸線終端耦合到的電壓峰值可達到39 V。同軸線的屏蔽性能良好,但這個電壓峰值仍然會對后端的一些敏感性器件造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。在通信系統(tǒng)中存在大量的半導(dǎo)體器件,這些器件的耐壓程度往往很低,像常用砷化鎵場效應(yīng)管的擊穿電壓只有10 V左右[25-26],試驗中同軸線耦合電壓峰值遠大于一些半導(dǎo)體器件的擊穿電壓,因此對同軸線后端防護是及其必要的。

圖8 不同空間電場時同軸線耦合電壓

同軸線作為一種最常見的信號傳輸線,后端往往連接一些敏感性元器件,而耦合能量往往是衡量器件損壞一個重要的參數(shù)指標(biāo),電磁脈沖的能量耦合會對通信系統(tǒng)的電子器件造成永久性損壞。器件自身都會存在能量損傷閾值,從表1中可知微波二極管的能量損傷閾值在10-8J～10-4J之間,而集成電路的能量損傷閾值在10-8J～10-2J之間。這里我們利用公式(2)對同軸線終端75 Ω的負載耦合的能量進行計算。

(2)

其中:U為同軸線終端耦合的電壓,R為同軸線終端負載阻值,τ為耦合電壓波形寬度[27-28]。

表2為在不同電場強度下終端接75 Ω的匹配阻抗時耦合到的能量大小。為了更好的觀察能量趨勢,繪制能量趨勢圖,見圖9。由圖表可知同軸線耦合能量時隨著電場強度的增大是上升的趨勢,電場強度大于7 kV/m時終端耦合能量已經(jīng)達到一些微波二極管和集成電路的能量損傷閾值,會破壞這些器件和電路。以上的研究結(jié)果進一步證明對同軸線后端進行防護的必要性,同時也為后文中的防護電路的設(shè)計提供了思路。

表2 不同電場強度下耦合能量大小

圖9 不同電場強度下能量趨勢圖

2.4 同軸線終端耦合防護

2.4.1 防護電路設(shè)計

針對同軸線纜的強電磁脈沖防護,首先考慮采用瞬態(tài)防護器件進行防護,而不同瞬態(tài)保護器件的響應(yīng)時間、限壓泄流能力也不同,因此只能根據(jù)實際的情況選擇合適的器件。常用的瞬態(tài)保護器件主要有pin二極管組成的限幅器、氣體放電管、瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)、壓敏電阻等。考慮到對同軸信號線電磁脈沖防護的復(fù)雜性,應(yīng)采取瞬態(tài)防護器件和濾波穩(wěn)態(tài)電路相結(jié)合的方法,實行多級防護,本研究設(shè)計的同軸線三級防護電路見圖10。

圖10 3級防護電路結(jié)構(gòu)圖

通過對常用的瞬態(tài)保護器件壓敏電阻、氣體放電管、TVS管等性能參數(shù)的分析與研究,同時也考慮到強電磁脈沖頻率高能量大等特點,對于第一級防護器件的選擇采用氣體放電管,這樣可以將耦合到的大部分能量泄放掉,以防止后端的穩(wěn)態(tài)電路直接損壞,壓敏電阻的結(jié)電容很大,會對同軸線傳輸?shù)母哳l信號造成衰減,這種防護器件適合在對電源線的防護中,不適合對信號線的防護。而TVS管是一種二極管其耐壓能力遠低于氣體放電管和壓敏電阻,如果放在第一級防護時,在受到強電磁脈沖耦合時,耦合電流大于其通流量就會受到破壞。但TVS管響應(yīng)時間在ps級,強電磁脈沖處于納秒級別,有充足的響應(yīng)時間,且TVS管可以將電壓限制在一定范圍內(nèi)起到過電壓保護作用,所以在這里選擇用作第三級防護。而濾波器中含有電容和電感等耐壓值低的元件,不能直接用來防護瞬時高功率的干擾信號。在這里將濾波器用作第二級穩(wěn)態(tài)防護。

試驗所用的同軸線一般用于視頻信號傳輸,其傳輸帶寬一般在0～10 MHz之間,因此,所設(shè)計的濾波器應(yīng)濾掉大于10 MHz的干擾信號。此外,考慮不干擾正常信號在線纜上的傳輸和強電磁脈沖能量大等問題,應(yīng)選擇插入損耗小和承受能量高的濾波器?；诖?筆者所設(shè)計的濾波器選用3階巴特沃斯型低通濾波器,這種濾波器與其他濾波器相比,其通帶衰減特性平坦,性能良好。濾波器設(shè)計的具體思路是根據(jù)上文同軸線耦合強電磁脈沖的波形的峰值大小和頻譜和能量大小來確定濾波器設(shè)計指標(biāo),一般要求設(shè)計的濾波器滿足插入損耗≥-3 dB,回波損耗≤-10 dB。同時要求工作信號能正常通過濾波器,濾掉處于正常工作信號頻率之外的信號。

最后結(jié)合設(shè)計指標(biāo),利用ADS仿真軟件對濾波器進行設(shè)計,電路仿真原理圖見圖11。圖12為濾波器s參數(shù)的仿真結(jié)果,設(shè)計濾波器的截止頻率為10 MHz,從圖中可見,頻率在6.880 MHz時,其回波損耗為-10 dB;頻率在10.04 MHz時,其插入損耗為-10 dB,基本滿足設(shè)計指標(biāo)。為了減少濾波器在信號線路中的插入損耗,將濾波器的特征阻抗設(shè)置為75 Ω。濾波器的阻抗仿真計算結(jié)果見圖13,從圖中看到濾波器的阻抗為實部加虛部大約在75 Ω左右,保證信號線與濾波器阻抗匹配,減少信號在傳輸過程中的折反射。

圖12 濾波器的s參數(shù)的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of s parameter of the filter

圖13 濾波器的阻抗仿真計算結(jié)果

2.4.2 防護電路測試

將設(shè)計好的多級防護電路置于屏蔽箱中,同軸線通過防護電路再與示波器連接。示波器將顯示同軸線終端加入防護電路耦合到的波形,見圖14,在空間電場為14 kV/m時加防護電路后能把耦合電壓控制在2.4 V左右,觀察防護前后的耦合波形發(fā)現(xiàn),防護后耦合電壓波形的衰減時間要小于防護前耦合到的電壓波形。圖15為防護前后耦合電壓峰值的對比圖,在加防護前耦合電壓基本與施加的空間電場強度呈線性關(guān)系。當(dāng)加入防護后,發(fā)現(xiàn)隨空間電場強度的增大,耦合電壓峰值還是有著緩慢增大的趨勢,但耦合電壓峰值基本穩(wěn)定在3 V左右。

圖14 防護前后耦合波形對比圖

圖15 防護前后耦合電壓峰值對比圖

通過式(2)能量計算公式對不同電場強度下經(jīng)過防護后的同軸線終端示波器采集的數(shù)據(jù)進行處理,得到圖16所示的防護前后的能量對比圖,由圖可知在防護前同軸線終端耦合到的能量隨著電場強度的升高處于上升的趨勢,當(dāng)電場強度超過5 kV/m時,耦合能量可達到10-8量級及以上,但加入防護電路之后,耦合的能量基本維持在10-9量級,達不到大多數(shù)集成電路和器件的損傷閾值,這將會對同軸線后端電路形成一個較好的保護效果。

圖16 防護前后能量對比圖

3 結(jié) 論

本研究通過建立同軸線耦合強電磁脈沖的試驗?zāi)Ｐ?從同軸線耦合電壓峰值、頻譜和能量3方面進行定量分析,進而設(shè)計一種瞬態(tài)防護器件與濾波器相結(jié)合的防護電路對工作頻率在0～10 MHz的同軸線后端進行防護,可以從中得到以下結(jié)論:

1)同軸線兩端接75 Ω匹配阻抗,對其施加不同的空間電場強度時,同軸線終端耦合電壓波形呈阻尼振蕩形式,且耦合電壓峰值與空間電場呈現(xiàn)線性關(guān)系,擬合后得到關(guān)系式y(tǒng)=0.19+0.78x。進而可近似得到在空間場強50 kV/m時,同軸線軸端耦合電壓峰值可達到39 V左右。

2)分析同軸線耦合電壓波形頻譜得到,同軸線終端耦合到的能量主要集中在0～100 MHz之間,最高能量峰值在23 MHz左右,通過能量計算公式計算得到同軸線耦合能量大小基本處于10-8量級以上,會對后端一些器件造成一定的損傷。

3)從同軸線耦合電壓峰值、能量和頻率這3個角度進行分析,設(shè)計了瞬態(tài)抑制器件與3階低通濾波器結(jié)合的三級防護電路對其后端防護,通過防護試驗發(fā)現(xiàn),可以將同軸線終端耦合電壓和能量抑制在一個比較安全的范圍。試驗證明本研究所設(shè)計的防護電路具有較好效果。