RS105瞬態(tài)電磁場輻射的線纜耦合技術(shù)研究

朱緒垚，孔 耀，王晉忠

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

目前微電子器件的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]，這些敏感器件的性能下降或者毀傷會對整個設(shè)備造成嚴重的影響，為了使設(shè)備能夠順利通過瞬態(tài)電磁場輻射敏感度(RS105)測試，針對新標準修改的脈沖波形展開研究。以美國為首的發(fā)達國家對電磁輻射研究投入了大量的人力和財力。在國外，有Philips實驗室、LLNL、Sandia、Power Spectra Inc和PI等都在開展這方面的研究。基于當前對RS105研究現(xiàn)狀只針對脈沖波形進行特性分析和部分參數(shù)變化規(guī)律的情況，本文將RS105的雙指數(shù)模型進行了時頻域特性的深入研究以及頻譜能量的分析，得出重點需要防護的頻段，然后通過傳輸線原理建立Agrawal模型[3]進行仿真分析，研究所有參數(shù)的變化對線纜耦合電流的影響，通過選擇合理的防護器件指導設(shè)計。

1 RS105脈沖的時頻域特性

RS105瞬態(tài)脈沖波形強度較大、上升沿陡、頻譜很寬，對于設(shè)備的影響最為嚴重[4]。

對RS105用雙指數(shù)函數(shù)波形來近似所示：

E(t)=E0k(e-αt-e-βt) (t>0)。

(1)

通過對上述時域波形傅里葉變換，得到頻域表達式為：

(2)

式中，E0為時域峰值；k為相位常數(shù)；α和β為角頻率。根據(jù)GJB151B的要求[5]，對RS105脈沖波形要求的參數(shù)為E0=5×104V/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1，k=1.3，時域波形如圖1所示。

圖1 RS105時頻波形Fig.1 RS105 time-frequency waveform

從時域波形和頻域波形[6]可以看出，RS105瞬態(tài)脈沖具有上升沿特別快、峰值特別高等特點，而且90%以上的能量集中在200 MHz以下。因此，對RS105瞬態(tài)電磁場輻射的干擾重點在200 MHz以下做好防護設(shè)計即可，大于200 MHz以上的能量可忽略不計，不足以對敏感器件造成損傷[7]。

1.1 RS105能量分析

通過前面對RS105脈沖時頻特性的分析，RS105瞬態(tài)脈沖的主要能量基本集中在200 MHz以下，為了更有針對性地對其進行防護[8]，對RS105在200 MHz以下的能量分布進行研究，圖1中頻域波形的幅度是歸一化之后幅值，利用功率譜密度進行能量計算：

(3)

式中，波阻抗Zw≈377 Ω，總能量為：

(4)

RS105能量譜密度頻域分布情況如圖2所示。

圖2 RS105能量譜密度頻域分布情況Fig.2 RS105 frequency domain distribution

從圖2的能量度分布情況可以看出[9]，RS105瞬態(tài)脈沖在300 kHz～50 MHz頻段內(nèi)所占的能量已經(jīng)超過了總能量的89%，在這個頻段工作的通信電子設(shè)備受到的影響最大。因此，只要在這個頻段對RS105干擾做好防護設(shè)計，就可以阻止大部分能量耦合到敏感器件，避免對敏感部位造成不可預估的損傷[10]。

1.2 RS105的線纜耦合模型

電磁脈沖對電子信息系統(tǒng)的毀傷程度不可預測[11]，因此需要對其耦合量級進行仿真分析。本文通過建立場線耦合模型進行耦合求解，采用的求解模型是Agrawal模型，如圖3所示。主要原因是由于瞬態(tài)脈沖是以電場的方式進行描述，將其等效為一個電壓源較為簡單、直接。

在傳輸線上的分布電壓源表示電磁場通過傳輸線切線方向入射的電場分量。

圖3 Agrawal模型Fig.3 Agrawal model

電路的頻域方程可表示為：

(5)

對其中一個方程求導，帶入另一個方程，可以得到二階微分方程：

(6)

式中，γ2=ZY，Z和Y分別為傳輸線對地的單位長度阻抗和導納。

2 RS105的線纜耦合仿真與試驗驗證

2.1 線纜耦合仿真

基于建立的Agrawal模型進行線纜耦合電流的仿真，影響耦合量級的參數(shù)主要有線纜長度、架設(shè)高度、入射仰角、大地電導率、相對介電常數(shù)和終端阻抗等[12]。

對RS105作為脈沖源進行仿真分析，并根據(jù)控制變量法，對耦合電流大小隨參數(shù)變化的規(guī)律進行研究。

各參數(shù)變化的耦合電流如圖4所示。

圖4 各參數(shù)變化的耦合電流Fig.4 Coupling current variable parameters

根據(jù)圖4中各參數(shù)對線纜耦合量級[13]的影響，可以得出結(jié)論：

① 感應(yīng)電流峰值隨電纜長度增加而增大，超過200 m之后不再增加；

② 感應(yīng)電流峰值隨架高電纜高度增加而增大，超過10 m之后逐漸減小；

③ 入射仰角為90°時感應(yīng)電流最大；

④ 大地電導率越高感應(yīng)電流越小；

⑤ 相對介電常數(shù)對感應(yīng)電流大小影響不大；

⑥ 負載阻抗匹配時感應(yīng)電流最大。

通過上述控制變量法的仿真分析，得到最惡劣的情況下各參數(shù)的選取確定，如表1所示。

表1 最大耦合量級的參數(shù)確定

確定上述參數(shù)，對最大耦合電流的仿真結(jié)果如圖5所示，得到最大耦合電流為345 A。因此，對RS105防護器件的通流量選擇可基于最大耦合電流值進行合理選取，對防護設(shè)計具有重要指導意義[14]。

圖5 最大耦合電流Fig.5 Maximun coupled current

2.2 RS105試驗驗證

針對某產(chǎn)品的實際安裝環(huán)境[15]對參數(shù)進行設(shè)定。其中，線纜長度為5 m，對地架高高度為3 m，電磁脈沖輻射[16]方向和線纜擺放的方向平行，通過仿真分析得出，平行放置時耦合量級最大，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 線纜耦合電流Fig.6 Cable coupling current

根據(jù)圖6的仿真結(jié)果，耦合電流為150 A左右，如果不做脈沖防護設(shè)計，該電流足以對敏感器件造成不可預估的毀傷。

通過RS105試驗進行測試[17]，脈沖波形各參數(shù)選取與仿真參數(shù)相同，被測設(shè)備的試驗狀態(tài)如圖7所示。

圖7 被測設(shè)備的試驗狀態(tài)Fig.7 The device under test

試驗過程中，電流卡鉗測到的電流是153 A，而且設(shè)備出現(xiàn)了異常，連接線纜的連接器燒毀，檢查發(fā)現(xiàn)是由于連接器的設(shè)計缺陷導致毀傷[18]，如圖8所示。

圖8 連接器被打壞Fig.8 The connector was broken

通過試驗驗證可得，仿真結(jié)果和試驗結(jié)果得到的耦合電流基本吻合，仿真結(jié)果可以作為設(shè)計的參考指標。前期在電磁兼容防護設(shè)計時必須考慮設(shè)備的防電磁脈沖設(shè)計[19]，否則，設(shè)計出的產(chǎn)品在使用階段會存在嚴重的隱患。

3 結(jié)束語

通過RS105試驗，對RS105瞬態(tài)脈沖進行線纜耦合仿真以及各參數(shù)對耦合量級的影響，最后通過試驗驗證和仿真結(jié)果的比對，耦合電流基本吻合，仿真結(jié)果可以作為產(chǎn)品防護設(shè)計的要求指標，通過指標要求選擇滿足相應(yīng)量級的防護器件，對前期設(shè)計具有指導意義；另外，考慮到RS105試驗費用昂貴，如果提前做好仿真指導設(shè)計工作，不但可以節(jié)省費用，同時還能使產(chǎn)品的電磁兼容性得到保障[20]。