RS105瞬态电磁场辐射的线缆耦合技术研究

朱绪垚，孔 耀，王晋忠

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

目前微电子器件的应用越来越广泛[1-2]，这些敏感器件的性能下降或者毁伤会对整个设备造成严重的影响，为了使设备能够顺利通过瞬态电磁场辐射敏感度(RS105)测试，针对新标准修改的脉冲波形展开研究。以美国为首的发达国家对电磁辐射研究投入了大量的人力和财力。在国外，有Philips实验室、LLNL、Sandia、Power Spectra Inc和PI等都在开展这方面的研究。基于当前对RS105研究现状只针对脉冲波形进行特性分析和部分参数变化规律的情况，本文将RS105的双指数模型进行了时频域特性的深入研究以及频谱能量的分析，得出重点需要防护的频段，然后通过传输线原理建立Agrawal模型[3]进行仿真分析，研究所有参数的变化对线缆耦合电流的影响，通过选择合理的防护器件指导设计。

1 RS105脉冲的时频域特性

RS105瞬态脉冲波形强度较大、上升沿陡、频谱很宽，对于设备的影响最为严重[4]。

对RS105用双指数函数波形来近似所示：

E(t)=E0k(e-αt-e-βt) (t>0)。

(1)

通过对上述时域波形傅里叶变换，得到频域表达式为：

(2)

式中，E0为时域峰值；k为相位常数；α和β为角频率。根据GJB151B的要求[5]，对RS105脉冲波形要求的参数为E0=5×104V/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1，k=1.3，时域波形如图1所示。

图1 RS105时频波形Fig.1 RS105 time-frequency waveform

从时域波形和频域波形[6]可以看出，RS105瞬态脉冲具有上升沿特别快、峰值特别高等特点，而且90%以上的能量集中在200 MHz以下。因此，对RS105瞬态电磁场辐射的干扰重点在200 MHz以下做好防护设计即可，大于200 MHz以上的能量可忽略不计，不足以对敏感器件造成损伤[7]。

1.1 RS105能量分析

通过前面对RS105脉冲时频特性的分析，RS105瞬态脉冲的主要能量基本集中在200 MHz以下，为了更有针对性地对其进行防护[8]，对RS105在200 MHz以下的能量分布进行研究，图1中频域波形的幅度是归一化之后幅值，利用功率谱密度进行能量计算：

(3)

式中，波阻抗Zw≈377 Ω，总能量为：

(4)

RS105能量谱密度频域分布情况如图2所示。

图2 RS105能量谱密度频域分布情况Fig.2 RS105 frequency domain distribution

从图2的能量度分布情况可以看出[9]，RS105瞬态脉冲在300 kHz～50 MHz频段内所占的能量已经超过了总能量的89%，在这个频段工作的通信电子设备受到的影响最大。因此，只要在这个频段对RS105干扰做好防护设计，就可以阻止大部分能量耦合到敏感器件，避免对敏感部位造成不可预估的损伤[10]。

1.2 RS105的线缆耦合模型

电磁脉冲对电子信息系统的毁伤程度不可预测[11]，因此需要对其耦合量级进行仿真分析。本文通过建立场线耦合模型进行耦合求解，采用的求解模型是Agrawal模型，如图3所示。主要原因是由于瞬态脉冲是以电场的方式进行描述，将其等效为一个电压源较为简单、直接。

在传输线上的分布电压源表示电磁场通过传输线切线方向入射的电场分量。

图3 Agrawal模型Fig.3 Agrawal model

电路的频域方程可表示为：

(5)

对其中一个方程求导，带入另一个方程，可以得到二阶微分方程：

(6)

式中，γ2=ZY，Z和Y分别为传输线对地的单位长度阻抗和导纳。

2 RS105的线缆耦合仿真与试验验证

2.1 线缆耦合仿真

基于建立的Agrawal模型进行线缆耦合电流的仿真，影响耦合量级的参数主要有线缆长度、架设高度、入射仰角、大地电导率、相对介电常数和终端阻抗等[12]。

对RS105作为脉冲源进行仿真分析，并根据控制变量法，对耦合电流大小随参数变化的规律进行研究。

各参数变化的耦合电流如图4所示。

图4 各参数变化的耦合电流Fig.4 Coupling current variable parameters

根据图4中各参数对线缆耦合量级[13]的影响，可以得出结论：

① 感应电流峰值随电缆长度增加而增大，超过200 m之后不再增加；

② 感应电流峰值随架高电缆高度增加而增大，超过10 m之后逐渐减小；

③ 入射仰角为90°时感应电流最大；

④ 大地电导率越高感应电流越小；

⑤ 相对介电常数对感应电流大小影响不大；

⑥ 负载阻抗匹配时感应电流最大。

通过上述控制变量法的仿真分析，得到最恶劣的情况下各参数的选取确定，如表1所示。

表1 最大耦合量级的参数确定

确定上述参数，对最大耦合电流的仿真结果如图5所示，得到最大耦合电流为345 A。因此，对RS105防护器件的通流量选择可基于最大耦合电流值进行合理选取，对防护设计具有重要指导意义[14]。

图5 最大耦合电流Fig.5 Maximun coupled current

2.2 RS105试验验证

针对某产品的实际安装环境[15]对参数进行设定。其中，线缆长度为5 m，对地架高高度为3 m，电磁脉冲辐射[16]方向和线缆摆放的方向平行，通过仿真分析得出，平行放置时耦合量级最大，仿真结果如图6所示。

图6 线缆耦合电流Fig.6 Cable coupling current

根据图6的仿真结果，耦合电流为150 A左右，如果不做脉冲防护设计，该电流足以对敏感器件造成不可预估的毁伤。

通过RS105试验进行测试[17]，脉冲波形各参数选取与仿真参数相同，被测设备的试验状态如图7所示。

图7 被测设备的试验状态Fig.7 The device under test

试验过程中，电流卡钳测到的电流是153 A，而且设备出现了异常，连接线缆的连接器烧毁，检查发现是由于连接器的设计缺陷导致毁伤[18]，如图8所示。

图8 连接器被打坏Fig.8 The connector was broken

通过试验验证可得，仿真结果和试验结果得到的耦合电流基本吻合，仿真结果可以作为设计的参考指标。前期在电磁兼容防护设计时必须考虑设备的防电磁脉冲设计[19]，否则，设计出的产品在使用阶段会存在严重的隐患。

3 结束语

通过RS105试验，对RS105瞬态脉冲进行线缆耦合仿真以及各参数对耦合量级的影响，最后通过试验验证和仿真结果的比对，耦合电流基本吻合，仿真结果可以作为产品防护设计的要求指标，通过指标要求选择满足相应量级的防护器件，对前期设计具有指导意义；另外，考虑到RS105试验费用昂贵，如果提前做好仿真指导设计工作，不但可以节省费用，同时还能使产品的电磁兼容性得到保障[20]。