李新峰 魏光輝 潘曉東 李 凱 孫肖寧

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北 石家莊050003）

引 言

電子設(shè)備所面臨的電磁環(huán)境日益復(fù)雜和惡劣［1］，同時(shí)微電子技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致電子部件及電路的工作頻率不斷提高、工作電壓卻逐漸降低［2］.這些因素均對(duì)電子設(shè)備的安全性和可靠性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［3］.由于信號(hào)傳輸、顯示及通風(fēng)散熱等的需要，電子設(shè)備機(jī)箱不可避免地開(kāi)有孔縫，若孔縫中有導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)，導(dǎo)線(xiàn)引入的電磁能量將影響內(nèi)部敏感電路的正常工作［4］.因此，有必要對(duì)金屬腔體加載貫通導(dǎo)線(xiàn)后的電磁耦合特性開(kāi)展研究.

文獻(xiàn)［5］采用傳輸線(xiàn)法建立了短貫通導(dǎo)線(xiàn)的電磁耦合等效電路模型，但該方法限定于導(dǎo)線(xiàn)與腔體相連接且腔體為矩形腔體的情形；文獻(xiàn)［6］運(yùn)用快速多級(jí)子算法對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為輻射頻率半波長(zhǎng)時(shí)腔內(nèi)屏蔽效能進(jìn)行了研究，其導(dǎo)線(xiàn)末端未連接電路；Syarfa對(duì)帶有孔縫及貫通導(dǎo)線(xiàn)的金屬腔體的屏蔽效能進(jìn)行了研究［7-8］；國(guó)內(nèi)有關(guān)人員主要采用時(shí)域有限差分（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）法對(duì)電磁脈沖輻射條件下貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路電流耦合響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值建模分析［9-11］.文獻(xiàn)［12］運(yùn)用瞬態(tài)電磁拓?fù)淅碚撆cSpice軟件的混合方法對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部電路的電磁脈沖響應(yīng)開(kāi)展了研究.分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)主要是采用數(shù)值計(jì)算方法從時(shí)域角度對(duì)電磁脈沖輻射條件下導(dǎo)體貫通腔體內(nèi)部連接電路響應(yīng)進(jìn)行了研究，而關(guān)于貫通導(dǎo)線(xiàn)連接電路后腔體內(nèi)部的電磁耦合方面的研究文獻(xiàn)較少.

針對(duì)上述問(wèn)題，采用時(shí)域有限積分（Finite Integration Time Domain，F(xiàn)IT）算法建立了金屬腔體含貫通導(dǎo)線(xiàn)及負(fù)載時(shí)的電磁耦合計(jì)算模型，對(duì)平面波輻射條件下貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路對(duì)金屬腔體內(nèi)部的電磁耦合進(jìn)行了研究，分析了電路負(fù)載、電路連接方式等參數(shù)對(duì)腔體內(nèi)部屏蔽效能的影響，提出了基于吉赫橫電磁波傳輸室（Gigaherz Transverse Electromagnetic cell，GTEM室）構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試方法，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 數(shù)值計(jì)算模型

在工程實(shí)踐中，腔內(nèi)貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路比較復(fù)雜，可以為簡(jiǎn)單電阻或電容負(fù)載電路，也有可能為印制電路板等復(fù)雜的集成電路，由于集成電路布局、電路構(gòu)成及芯片等原因的影響分析較為困難，這里僅對(duì)常見(jiàn)的電阻或電容負(fù)載進(jìn)行分析.

FIT方法采用變步長(zhǎng)矩形結(jié)合三角亞元技術(shù)，在計(jì)算過(guò)程中不需對(duì)矩陣求逆，計(jì)算所需的時(shí)間更少，對(duì)內(nèi)存耗費(fèi)更小.選用基于FIT方法的電磁數(shù)值計(jì)算軟件CST建立的計(jì)算模型如圖1所示，原點(diǎn)O坐標(biāo)為（0，0，0），金屬腔體尺寸為40cm×40cm×40cm，壁厚0.2cm，在腔體壁中心位置開(kāi)有半徑r1為1cm的圓孔，貫通導(dǎo)線(xiàn)總長(zhǎng)度P1P3為100 cm，半徑r2為0.1cm，其中金屬腔體外部P1P2長(zhǎng)度為80cm，內(nèi)部P2P3長(zhǎng)度為20cm，貫通導(dǎo)線(xiàn)終端P3處連接負(fù)載阻抗Z，在點(diǎn)A（25，20，20）處放置電場(chǎng)探頭測(cè)試其屏蔽效能，入射平面電磁波垂直于貫通導(dǎo)線(xiàn)，電場(chǎng)與貫通導(dǎo)線(xiàn)方向平行，頻率范圍為50～550MHz.

圖1 貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路電磁耦合模型

腔體諧振頻率的計(jì)算公式［13］為

式中：a、b、d分別為金屬腔體的長(zhǎng)、寬、高；i、j、k為諧振波的模；c為光速.腔體的最低諧振頻率f110＝約為530.3MHz.通過(guò)改變貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路的連接方式和負(fù)載阻抗等參數(shù)設(shè)置分析貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路對(duì)金屬腔體耦合的影響.

2 貫通導(dǎo)線(xiàn)端接負(fù)載對(duì)腔體的影響分析

為系統(tǒng)研究貫通導(dǎo)線(xiàn)端接負(fù)載Z對(duì)腔體內(nèi)部耦合的影響，在端接電路Z為純電阻及電容兩種條件下，對(duì)電路與箱體及地面的連接方式、不同負(fù)載等因素進(jìn)行分析，其中電路與箱體及地面的連接方式分以下四種情況：電路不接箱體且箱體不接地、電路接箱體箱體不接地、電路不接箱體箱體接地、電路接箱體且箱體接地.

2.1 端接負(fù)載為純電阻

2.1.1 接地方式影響

為分析負(fù)載Z為純電阻時(shí)，四種不同連接方式對(duì)腔體內(nèi)場(chǎng)的影響，選定負(fù)載Z為100Ω.測(cè)試點(diǎn)A（25，20，20）處的屏蔽效能曲線(xiàn)如圖2所示.

圖2 負(fù)載為100Ω時(shí)不同連接方式的屏蔽效能

從圖2曲線(xiàn)可知，在50～550MHz頻率范圍內(nèi)，四種接地方式情形下屏蔽效能最小值分別為-18.71、-10.87、-17.6、-9.76dB.對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)箱體不接地時(shí)，電路連接箱體使屏蔽效能最小值增加約8dB，這是由于連接箱體后，貫通導(dǎo)線(xiàn)耦合電流通過(guò)箱體向外輻射出電磁能量，導(dǎo)致屏蔽效能增加；箱體接地時(shí)，電路連接箱體使貫通導(dǎo)線(xiàn)耦合電流泄放到大地，腔體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)減弱，屏蔽效能最小值增加；電路不接箱體時(shí)，箱體接地導(dǎo)致屏蔽效能最小值增加，這是由于腔體內(nèi)部場(chǎng)是由電磁波通過(guò)孔縫進(jìn)入腔體的入射場(chǎng)、貫通導(dǎo)線(xiàn)引入的輻射場(chǎng)及電磁場(chǎng)作用于開(kāi)孔腔體的散射場(chǎng)三部分組成，當(dāng)箱體接地后，腔體表面感應(yīng)電流進(jìn)入地面，使內(nèi)部場(chǎng)減弱，屏蔽效能值增加；電路接箱體，箱體接地后使貫通導(dǎo)線(xiàn)耦合電流進(jìn)入大地，導(dǎo)致屏蔽效能最小值增加.

因此可得，負(fù)載為純電阻時(shí)，負(fù)載連接箱體或箱體接地均能使腔體內(nèi)部屏蔽效能最小值變大，即電磁耦合減弱.從諧振頻率來(lái)說(shuō)，連接箱體使諧振頻率增加且在100MHz以下出現(xiàn)諧振，但是對(duì)腔體自身的諧振頻率530.3MHz附近的影響不大，這是由于接地線(xiàn)和腔體參與了貫通導(dǎo)線(xiàn)的諧振引起的.

2.1.2 不同電阻值影響

為分析負(fù)載阻值對(duì)腔體內(nèi)部場(chǎng)影響，在負(fù)載連接箱體箱體接地條件下，選定負(fù)載Z分別為50、100、200、400、800、106Ω.測(cè)試點(diǎn)A（25，20，20）處的屏蔽效能曲線(xiàn)如圖3所示.

圖3 不同電阻時(shí)的屏蔽效能

從圖3中可以看出，隨著端接電阻值的增加，屏蔽效能最小值先增大，這是因?yàn)樵谪炌▽?dǎo)線(xiàn)耦合電流不變情況下，電阻值增大，導(dǎo)致電阻消耗能量增加，使屏蔽效能增加，而后隨著端接電阻值的增加，屏蔽效能最小值減小，當(dāng)電阻值增大到106Ω時(shí)，屏蔽效能值最小，由傳輸線(xiàn)反射系數(shù)Γ＝Zl-Z0／Zl＋Z0，其中Z0為傳輸線(xiàn)特性阻抗，Zl為負(fù)載阻抗，當(dāng)Zl即電阻Z值為106Ω時(shí)，反射系數(shù)約等于1，此時(shí)出現(xiàn)駐波狀態(tài).

2.2 端接負(fù)載為容性阻抗

2.2.1 接地方式影響

為分析負(fù)載為容性阻抗時(shí)，不同連接方式對(duì)腔體內(nèi)場(chǎng)的影響，選定負(fù)載Z為100Ω，電容為1.3 pF.測(cè)試點(diǎn)A處的屏蔽效能曲線(xiàn)如圖4所示.

圖4 負(fù)載為100Ω和電容1.3pF時(shí)不同連接方式的屏蔽效能

采用與2.1.1相同的分析方法發(fā)現(xiàn)：當(dāng)箱體不接地時(shí)，由于電路連接箱體后使屏蔽效能最小值增加約0.51dB；箱體接地，電路連接箱體后，貫通導(dǎo)線(xiàn)耦合電流泄放到大地，屏蔽效能最小值增加；電路不接箱體，箱體接地使表面感應(yīng)電流進(jìn)入地面，屏蔽效能最小值增加；電路接箱體，金屬腔體接地后導(dǎo)致屏蔽效能最小值增加.因此可以得到，電路連接箱體或接地箱體均均能使內(nèi)部屏蔽效能最小值增加.同樣，由于連接箱體后，接地線(xiàn)和箱體參與了貫通導(dǎo)線(xiàn)的諧振使諧振頻率改變.

2.2.2 不同電容值影響

在端接電路接箱體且箱體接地條件下，電阻值為100Ω，分別選擇0.13、1.3、13pF三個(gè)不同電容，結(jié)果如圖5所示.

圖5 端接不同電容的屏蔽效能

對(duì)比分析圖5中三個(gè)不同電容值條件下的屏蔽效能曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)：在370MHz頻率以上，三者曲線(xiàn)變化不大，這是因?yàn)榇藭r(shí)三個(gè)電容均呈現(xiàn)短路特性所造成的；隨著電容值的增大，屏蔽效能最小值增大，這是因?yàn)殡娙葜翟龃?，?fù)載消耗能量隨之增加.

2.3 純電阻與電阻加電容對(duì)比分析

選定純電阻Z為100Ω，加電容值為1.3pF，分別在貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路不接箱體箱體不接地及電路接箱體箱體接地兩種條件下，分析其屏蔽效能變化，結(jié)果如圖6、7所示.

圖6 端接電路不接箱體箱體不接地時(shí)電容影響

圖6中，對(duì)比分析兩條曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)：100Ω純電阻負(fù)載與100Ω加1.3pF在325MHz頻率以下，兩者的屏蔽效能曲線(xiàn)基本一致，這是由在低頻條件下電容呈現(xiàn)開(kāi)路特性所造成的；當(dāng)頻率高于325 MHz時(shí)，電容耗能增加，導(dǎo)致貫通導(dǎo)線(xiàn)耦合能量降低，屏蔽效能隨之增加.

圖7 端接電路接箱體箱體接地時(shí)電容影響

從圖7可以看出，在貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路接箱體箱體接地條件下，當(dāng)頻率在325MHz以下時(shí)，純電阻與電阻加電容兩種情況下測(cè)試點(diǎn)屏蔽效能曲線(xiàn)兩者相差較大，且后者的屏蔽效能最小值遠(yuǎn)大于前者，這是由于電容在低頻條件下呈現(xiàn)開(kāi)路特性，導(dǎo)致貫通導(dǎo)線(xiàn)上電流無(wú)法泄放進(jìn)入地面，腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)；反之，當(dāng)頻率在325MHz以上時(shí)，純電阻與電阻加電容兩種情況下測(cè)試點(diǎn)屏蔽效能曲線(xiàn)變化不大，這是由于在325MHz以上，電容呈現(xiàn)短路特性所造成的.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建及測(cè)試方法

采用與圖1中相同規(guī)格的金屬腔體及貫通導(dǎo)線(xiàn).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示，包括GTEM室，工作頻率范圍可從直流至數(shù)吉赫茲以上；SML-01型信號(hào)發(fā)生 器，頻 率 范 圍 為9.1kHz～1.1GHz；AR50WD1000功率放大器，工作頻率DC～1 000 MHz，最大輸出功率50W；ETS全向場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試天線(xiàn)及上海華湘公司生產(chǎn)的射頻負(fù)載.SML-01型信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的連續(xù)波信號(hào)，經(jīng)AR50WD1000功放進(jìn)行放大后連接GTEM室輸入端在GTEM室內(nèi)產(chǎn)生近似TEM波，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀放置于室內(nèi)場(chǎng)均勻區(qū)通過(guò)光纖連接到GTEM室外的計(jì)算機(jī)上讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

在測(cè)試過(guò)程中，頻率范圍選定為50～550 MHz，步長(zhǎng)為5MHz.實(shí)驗(yàn)主要分為以下三個(gè)步驟：首先對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量不加屏蔽箱體、貫通導(dǎo)線(xiàn)及端接電路情況下測(cè)試點(diǎn)A場(chǎng)強(qiáng)E0；而后保持設(shè)置不變，測(cè)量加載金屬箱體后同一點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)E1即可得到金屬腔體自身的屏蔽效能ES＝-20 lg（E1／E0）［14］；最后，保持信號(hào)源輸出設(shè)置不變，加入金屬箱體、貫通導(dǎo)線(xiàn)和端接電路，改變端接電路阻值及電路連接方式，測(cè)試同一位置場(chǎng)強(qiáng)值E2，通過(guò)屏蔽效能公式E′S＝-20lg（E2／E0）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

圖8 實(shí)驗(yàn)配置圖

3.2 金屬腔體本身屏蔽效能測(cè)試

為研究貫通導(dǎo)線(xiàn)端接電路的影響，首先需要對(duì)金屬腔體自身的屏蔽效能進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.

圖9 腔體屏蔽效果

由圖9可知，測(cè)試點(diǎn)處腔體屏蔽效能值約為40 dB，這是由于在50～550MHz頻率范圍內(nèi)，腔體開(kāi)孔尺寸遠(yuǎn)小于入射電磁波的波長(zhǎng)，導(dǎo)致腔體自身屏蔽效果較好.

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在貫通導(dǎo)線(xiàn)端接純電阻及端接電阻加電容兩種情況下，分別選取兩種不同連接方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即貫通導(dǎo)線(xiàn)端接100Ω電阻不接箱體箱體不接地、貫通導(dǎo)線(xiàn)端接100 Ω電阻接箱體箱體接地、貫通導(dǎo)線(xiàn)端接100Ω電阻和1.3pF電容不接箱體箱體不接地、貫通導(dǎo)線(xiàn)端接100Ω電阻和1.3pF電容接箱體箱體接地四種情況.實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖10（a）～（d）所示.

圖10 貫通導(dǎo)線(xiàn)端接負(fù)載實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)比分析圖9與圖10中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到屏蔽效能約為40dB金屬腔體中加入貫通導(dǎo)線(xiàn)及負(fù)載后，貫通導(dǎo)線(xiàn)端接100Ω電阻不接箱體箱體不接地、電阻接箱體箱體接地、貫通導(dǎo)線(xiàn)端接100Ω電阻和1.3pF電容不接箱體箱體不接地、電容接箱體箱體接地四種情況下，屏蔽效能最小值分別為-20、-9、-19、-15dB，可見(jiàn)加入貫通導(dǎo)線(xiàn)及負(fù)載后，腔體的屏蔽效能明顯下降，因此貫通導(dǎo)線(xiàn)及端接電路引入的電磁干擾不容忽視，同時(shí)也表明本文所用金屬腔體自身屏蔽性能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大.

通過(guò)分析圖10發(fā)現(xiàn)：數(shù)值計(jì)算結(jié)果曲線(xiàn)較為平滑，而實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)含有毛刺，這是由于：1）數(shù)值計(jì)算中所采用的腔體材料為PEC，即理想金屬材料，而實(shí)驗(yàn)所采用的是鐵箱體；2）GTEM室中產(chǎn)生的為近似平面波場(chǎng)，而數(shù)值計(jì)算中所采用的為理想的平面波輻射情形；3）實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中不可避免地存在測(cè)試誤差及噪聲，比如實(shí)驗(yàn)中采用的探頭放置位置的準(zhǔn)確性不如數(shù)值計(jì)算中放置的準(zhǔn)確，這些數(shù)值計(jì)算參數(shù)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)的些許不同均對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定影響，因此實(shí)驗(yàn)和結(jié)果之間存在一定誤差是正常的.數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在諧振頻點(diǎn)處存在一定程度偏差，這是由于實(shí)驗(yàn)中所選定的頻率變化步長(zhǎng)為5 MHz，而數(shù)值計(jì)算中則不存在這樣的問(wèn)題.總體來(lái)看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致性較好.

4 結(jié) 論

采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了導(dǎo)線(xiàn)貫通金屬腔體腔內(nèi)端接負(fù)載對(duì)腔體電磁耦合的影響，結(jié)果表明：屏蔽效果較好的金屬腔體加載貫通導(dǎo)線(xiàn)及負(fù)載后，腔體內(nèi)部電磁耦合明顯增強(qiáng)；腔內(nèi)貫通導(dǎo)線(xiàn)端接負(fù)載為純電阻或容性阻抗時(shí)，負(fù)載接腔體或腔體接地能有效降低腔內(nèi)的電磁耦合，且電阻值及電容值大小改變能夠顯著影響腔體的耦合效應(yīng).電阻及加載電容后發(fā)現(xiàn)：負(fù)載開(kāi)路且腔體不接地時(shí)，腔體的低頻電磁耦合效果基本不變，而負(fù)載短路且腔體接地時(shí)，端接電路變化對(duì)腔內(nèi)高頻耦合影響不大.負(fù)載連接腔體對(duì)腔內(nèi)電磁耦合的諧振頻率有一定影響.研究結(jié)果對(duì)提高設(shè)備的電磁兼容性能具有一定的理論研究意義和實(shí)踐指導(dǎo)意義.

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