雷電電磁脈沖對便攜計算機終端的損傷分析

鮑永波，田楊萌，王彩霞，王宏偉

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雷電電磁脈沖對便攜計算機終端的損傷分析

鮑永波，田楊萌，王彩霞，王宏偉

（北京信息科技大學，北京 100192）

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

雷電電磁脈沖；電磁危害；孔陣；屏蔽效能；互耦合

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

LEMP對微電子設備的毀傷作用主要通過兩個途徑：一是通過電線、電纜的耦合作用在終端產生過電壓、過電流，從而毀傷設備，國內外對此做了大量的研究[2]；另一方面直接通過屏蔽腔體的孔縫耦合進入微電子設備內部，國內關于LEMP與微電子設備的孔縫耦合研究相對較少。

文中以基于時域有限差分法(FDTD)的電磁仿真軟件XFDTD和高處理速度的計算機為工具，依據一款便攜計算機外殼為模型，建立了合適的開孔腔體幾何模型。以一次人工引雷獲得的雷電電磁場近場30 m處的電場時域波形為激勵源，模擬了雷電電磁脈沖與開孔腔體的近場耦合情況，分析比較了腔體內不同位置處的電磁環境，得出了雷電電磁脈沖與腔體的不同孔洞和孔陣的耦合規律，為研究LEMP對便攜計算機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

在防雷過程中，主要關心的是雷云對大地的放電，也就是地閃。地閃發生時，在雷電流通道周圍會產生強烈的電磁場，其中先導-回擊過程產生的電磁場為最強。

根據人工引發雷電和自然雷電的觀測結果，在距閃電通道幾十到幾百米范圍，地閃先導回擊電場變化波形呈不對稱“V”形結構[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30 m處電場時域波形[5]中的一部分。該波形反映的是直竄先導到繼后回擊這一過程中，空間電場強度的變化量。

圖1 一次先導與回擊過程的電場波形

文中將利用XFDTD軟件，研究雷電電磁場與便攜計算機的耦合。由于微電子設備尺寸較小，需要在空間中劃分很小的網格，允許的最大時間步長很小，計算量會隨著仿真的時域長度的增加而增加，能仿真的時域長度有限，因此在導入激勵源波形時需要對其進行截取。根據信號與系統的理論，波形中的尖峰部分所含的高頻成分相對豐富，激勵源的幅值越大，產生的響應也越大，而電磁波在與腔體小孔耦合時，高頻的電磁波波長更接近孔的尺寸，更容易耦合進腔體，對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%，時間為5.7 μs。該部分能大體反映出雷電電磁脈沖帶來的主要電磁危害。

圖2為將負電場變為正值后進行截取，隨后導入XFDTD的激勵源波形圖，圖3為對截取的時域電場波形進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 激勵源時域波形

圖3 激勵源頻譜

2 便攜計算機的建模與仿真介紹

XFDTD是一款三維全波分析電磁學仿真軟件，具有計算功能強、可視化以及建模方便等優點，能夠實現對復雜物體的幾何建模和電磁環境的時域分析。

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，幾何模型與坐標方向如圖4所示，腔體上各部分的開孔情況如圖5所示。將筆記本外殼的合金材料近似為理想導體。如果將腔體厚度選為1 mm需要更細的網格劃分，而考慮到計算量，能夠接受的最小網格為Δ=Δ=Δ=1 mm均勻網格。在該網格劃分下能夠精確計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 便攜計算機模型

圖5 腔體上的小孔的外形及尺寸

由于便攜計算機尺寸相對雷電通道很小，因此選擇平面波作激勵源并導入上文中截取后的電場波形，來模擬距雷擊位置30 m處受到的雷電電磁危害。LEMP的入射方向為正軸方向，極化方向沿軸方向。

在對仿真結果的觀察方面，如圖4所示，分別對過直線1與面平行的截面1以及過直線2與面平行的截面2上的電場進行了觀察。其中截面2過腔體的中心，在截面2上又選取了若干采樣點來觀察腔體中不同位置處耦合電場的時域變化情況。采樣點的位置分布以及名稱如圖6所示。

3 仿真結果分析

文中主要對雷電電磁脈沖作用下，腔體內不同點處屏蔽效能[7](SE)的計算來研究腔體對LEMP的屏蔽。對最大瞬時坡印廷矢量[8]進行了計算，并和表1中的數據[9]進行了對比，來研究電磁脈沖的毀傷效應，并對腔體中的截面電場進行了觀察。

圖6 采樣點的位置及名稱

式中：i為入射雷電電磁脈沖的場強峰值，i=84162 V/m；o為采樣點的場強峰值；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 電磁脈沖對電子設備的毀傷能力

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，其附近的采樣點有硬盤(yk1，yk2，yk3)、主板(zk1，zk2，zk3)、排風扇(pk1，pk2，pk3)，如圖6所示。獲得的耦合電場波形如圖7所示。

從圖7中可以計算出不同采樣點處的屏蔽效能和最大瞬時坡印廷矢量，見表2。對激勵源達到最大值時截面1的電場觀察如圖8所示。

圖7 耦合的電場時域波形

圖8 截面1的電場分布

表2 孔陣附近采樣點電磁環境

通過表2可以發現，每個孔陣附近的采樣點耦合的電場強度最多只會對電子設備構成干擾。在這些采樣點中，位于腔體中心處的主板孔陣附近采樣點受到的電磁干擾最小。如圖8所示，對截面1的電場觀測，可以看出，LEMP的影響區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，腔體內孔陣附近采樣點位置受到LEMP的電磁危害都很小，對電子設備的影響很小。腔體中心位置耦合的場強比腔體其他位置的弱。

3.2 LEMP與入射側面孔洞的耦合

腔體面上的3個USB插孔和電源插孔以及網線插孔均位于腔體的側面，與雷電電磁脈沖平面波的入射方向平行。開孔尺寸與各個孔的間隔如圖5所示，采樣點位置如圖6所示。在側面開孔的中心軸線上距離開孔4 cm的位置分別設有采樣點USB1，USB2，USB3，line，DY。還對激勵源達到最大值時截面2的電場分布進行了觀察，并且對孔洞附近采樣點的電磁環境進行了計算，結果見圖9—11和表3。

圖9 USB1，line和DY處的電場強度

圖10 三個USB采樣點的電場強度對比

圖11 截面2的電場分布

表3 孔洞附近采樣點電磁環境

從圖9可以看出，對于相鄰的三個孔洞，面積最大的網線插孔對應采樣點場強最強，對電子設備的影響達到了削弱量級，但是不會引起電子器件的損壞；面積較小的電源插孔和USB1對應的采樣點場強較弱。在圖11中也能夠看出，網線插口受到LEMP的影響深度比其他兩個孔要深，也比USB2和USB3的要深，但是也都局限于開孔附近。

三個USB插孔面積雖然相同，但圖10中USB2和USB3兩個插孔處對應采樣點場強都比USB1的小很多。說明USB1與距離較近、面積較大的網線插孔和電源插孔的互耦合效應[10]比USB2和USB3的互耦合效應強。因此在采樣點USB1處的場強要強于USB2和USB3處的場強。

由以上分析可知：側面上的孔洞面積越大，耦合的電場強度越大；孔洞之間的距離越近、相鄰的孔洞面積越大，其互耦合效應也越明顯。

4 結論

從以上的研究可以得出如下結論。

1）LEMP會與便攜計算機正面和側面的孔發生不同程度的耦合，不過電磁脈沖能量被限制在開孔附近，耦合到腔體內部的電磁能量很小，對腔體內的電磁危害很小，至多只會對電子器件與芯片的工作造成干擾而不會引起腔體內部電子器件的損壞。

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發生互耦合，導致屏蔽性變差，因此開孔的間隔應該盡量大一些。

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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

國家自然科學基金面上項目(No. 41375012）；北京市自然科學基金項目（No. KZ201411232037）

鮑永波（1993—）,男，河南人，碩士研究生，主要研究方向為電磁兼容。

王彩霞（1963—）,女，北京人，博士，教授, 主要研究方向為雷電物理和雷暴電學。