段澤民，胡文文，張 松，李志寶

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009；2.安徽省飛機雷電防護(hù)省級實驗室，合肥 230031；3.強電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

戰(zhàn)爭信息化和武器裝備現(xiàn)代化使電磁環(huán)境與陸、海、空、天、網(wǎng)相并列成為了未來高技術(shù)戰(zhàn)爭的第六維戰(zhàn)場[1]。

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能信息化武器和人工智能裝備頻繁地出現(xiàn)局部戰(zhàn)爭中，在戰(zhàn)場主動性和機動性大大提高的同時，武器裝備的電磁敏感性和易損性也不斷增強，這就對裝備抗電磁干擾的能力提出更高的要求[2,3]。電磁脈沖作為構(gòu)成復(fù)雜電磁環(huán)境的重要組成之一，極易通過天線、孔縫、線纜等途徑耦合到電子設(shè)備內(nèi)部，對電子設(shè)備元器件正常工作造成影響甚至永久毀壞[4～6]。

本文通過CST電磁仿真軟件對計算機機箱進(jìn)行物理建模，并用FITD算法在幾乎涵蓋電磁脈沖90%能量的0～100MHz頻帶范圍內(nèi)分析了外界入射波不同極化方向及入射角照射下機箱的耦合特性，同時進(jìn)行腔體諧振仿真分析，采用簡化后的腔體尺寸模型，針對腔體孔縫的形狀、面積、長寬比以及間距等展開研究，并結(jié)合試驗加以驗證，對比仿真分析和試驗數(shù)據(jù)的差異性，分析誤差來源并提出減小誤差的措施，進(jìn)而為電子設(shè)備的電磁防護(hù)設(shè)計提供了定量的數(shù)值依據(jù)，也為相關(guān)電子電氣設(shè)備的電磁防護(hù)提供了一些有價值的借鑒[7]。

1 電磁脈沖的形式及其對設(shè)備的影響

1.1 強電磁脈沖的類型及特點

從產(chǎn)生的形式上主要有靜電放電電磁脈沖、雷電電磁脈沖、核電磁脈沖和其他非核電磁脈沖等。不同電磁脈沖源的特性和耦合途徑不盡相同，在設(shè)計和電磁防護(hù)時要綜合考慮。在未來戰(zhàn)場上由于以核電磁脈沖和一些非核電磁武器為主，所以電場強度很大、上升沿時間極短、頻譜寬、覆蓋范圍廣的高空核電磁脈沖（HEMP）具有較實際的研究意義[8]。

1.2 高空核電磁脈沖對設(shè)備的影響

從高空核電磁脈沖的能量上看，核爆炸產(chǎn)生的以電磁脈沖形式釋放的能量巨大，足以造成電子設(shè)備的工作故障和永久性毀壞；核電磁脈沖具有很高的峰值場強，耦合進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的電壓足以對燒毀大多元器件；同時其頻譜覆蓋了較寬的頻段，對設(shè)備系統(tǒng)極易造成威脅。

根據(jù)電磁脈沖的峰值場強、頻率、上升時間、持續(xù)時間及功率大小等特性的不同，需要對不同電子設(shè)備加以特定的電磁防護(hù)手段，提高設(shè)備的安全性和可靠性。

2 試驗測試和仿真設(shè)置

2.1 瞬態(tài)電磁場輻射測試

采用由Longmire計算完成，經(jīng)Radashy分析后擬合而得出的場強表達(dá)式，目前國內(nèi)外大多也是采用此式來表征高空核電磁脈沖輻射環(huán)境即：

式中：E0為峰值場強，k為修正系數(shù)；α、β為表征脈沖前、后沿的參數(shù)。K、α、β的不同對應(yīng)不同的時域波形。為滿足最新的GJB 151B-2013中規(guī)定的RS105瞬態(tài)電磁場輻射敏感度測試方法，波形參數(shù)選取為k=1.3，E0=5×104V/m，α=4×107/s，β=6×108/s。具體波形如圖1所示。其電場峰值為E0=5×104V/m，上升時間（10%～90%電場峰值）tr=2.5ns，脈寬（50%電場峰值）thw=23 ns，衰落時間tf=55ns。

圖1 高空核電磁脈沖波形

為了實現(xiàn)上述雙指數(shù)電磁脈沖波形，針對電子電氣設(shè)備進(jìn)行電磁脈沖輻射模擬測試試驗，構(gòu)建了一套傳輸線型有界波電磁脈沖模擬測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由瞬態(tài)脈沖發(fā)生器、傳輸天線、終端匹配阻抗和數(shù)字存儲示波器等組成[9]，圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 電磁脈沖模擬測試系統(tǒng)

試驗開始前將地面場強探頭放置在系統(tǒng)測試區(qū)域，將高壓探頭接在瞬態(tài)脈沖發(fā)生器的輸出端口和輻射系統(tǒng)的輸入口之間，并將探頭通過積分器連接到數(shù)字存儲示波器上，進(jìn)行測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)[10,11]；試驗過程中將計算機機箱（EUT）置于測試區(qū)域，為了研究不同入射方向機箱受電磁脈沖影響的情況，定義一個機箱位置的體軸坐標(biāo)系（如圖3所示），試驗現(xiàn)場布置如圖4所示。

圖3 體軸坐標(biāo)系

圖4 試驗現(xiàn)場布置圖

2.2 計算機機箱仿真

對計算機機箱建立物理模型，在機箱內(nèi)部加電場探針。從上至下、左到右的順序分別為探針1（0，131，124.25）、探針2（0，29.5，124.25）、探針3（0，-101.5，124.25）、探針4（0，-101.5，-3.75）、探針5（0，-101.5，-124.25）。具體示意見如圖5所示。

圖5 機箱模型和探針位置

激勵信號設(shè)置為IEC 61000-2-9或GJB 151B-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的的雙指數(shù)脈沖波[12]，如圖1所示。仿真中，設(shè)置雙指數(shù)脈沖平面波來模擬核電磁脈沖波作為入射波，由于在0～100MHz頻段內(nèi)核電磁脈沖幾乎沒有衰減，包含了約90%以上的能量，所以將仿真頻率范圍設(shè)為0～100MHz，采用六面體網(wǎng)格對仿真模型進(jìn)行一定精細(xì)度的劃分。為了模擬真實的試驗環(huán)境，采用較大金屬平板作為地面，邊界條件設(shè)置為open（add space）即PLM吸收邊界，計算至能量衰減完全[13,14]。

3 仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 外界電磁波對機箱的耦合影響

當(dāng)計算機機箱結(jié)構(gòu)保持不變時，在0～100MHz頻帶范圍內(nèi)對計算機機箱進(jìn)行仿真。分別在電場極化方向為X軸正方向的水平極化和電場極化方向為Y軸正方向的垂直極化兩種方式下，針對不同電磁脈沖入射方向（入射角為0°，30°，45°，90°）進(jìn)行仿真分析，其中水平極化入射角0°示意如圖6所示，機箱內(nèi)探針電場耦合波形如圖7所示。

圖6 水平極化-入射角0°

圖7 電場探針耦合波形

綜合圖7中各曲線對比發(fā)現(xiàn)，水平極化耦合進(jìn)入機箱的場強遠(yuǎn)小于垂直極化波，這是由于平行極化波的主要耦合通道為探針1、2、3位置矩形孔縫的窄邊，窄邊的長度不如機箱上平行y軸的長縫，同時比較圖中各曲線可知在隨著入射角度在0°～90°的范圍增大，機箱內(nèi)耦合的場強減少，在不同極化下入射角均在0°耦合進(jìn)機箱的場強值達(dá)到最大，原因是入射角為0°時，入射波垂直機箱主平面，耦合通道比較多，電磁波更容易傳播進(jìn)機箱內(nèi)部，從而導(dǎo)致機箱內(nèi)部場強值大。

利用上述傳輸線型有界波電磁脈沖模擬測試系統(tǒng)和CST電磁仿真軟件進(jìn)一步研究孔縫對機箱腔體的耦合影響。為減少仿真時間方便試驗計算，將腔體機箱的尺寸設(shè)計為280mm×160mm×150mm，改變機箱上孔縫形狀、大小、長寬比及孔洞間距，具體分析其不同電磁脈沖耦合效應(yīng)的影響。

3.2 不同孔縫形狀

分別選取孔縫面積大小相等（小孔面積為4cm2）、中心位置相同的正方形、長方形和圓形孔縫進(jìn)行仿真分析，探針位置固定設(shè)置為探針1（0，0，135）以及探針2（0，0，0）。

圖9 各孔縫形狀耦合電場-探針1

利用電磁脈沖模擬試驗系統(tǒng)如圖2所示，對不同形狀孔縫的相同尺寸機箱進(jìn)行試驗，為了保證試驗更加可靠準(zhǔn)確，對機箱同一位置輻照下進(jìn)5～10次試驗，提取試驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各孔縫形狀耦合電場平均峰值大小

對比仿真曲線圖8、圖9、和試驗數(shù)據(jù)表1可以看出：仿真和試驗均表明同一探針位置，長方形孔機箱探針耦合場強比其他形狀耦合到的場強大得多，圓形孔較正方形孔機箱腔體內(nèi)耦合場強稍小一點，兩者耦合場強幾乎一致。試驗數(shù)據(jù)均大于仿真曲線耦合電場峰值，這是由于仿真考慮的時理想情況，單一的電磁波干擾，而試驗時場地包括附近的干擾，促使各種耦合疊加造成數(shù)值偏高，但總體規(guī)律趨勢兩者相符合。在設(shè)計電子設(shè)備上的孔縫時應(yīng)盡可能開成圓形或正方形。

3.3 不同面積大小孔縫

由上可知，圓形孔和正方形孔耦合效應(yīng)幾乎一致，這里選取中心位置相同的正方形孔縫，分別對2cm2、4cm2、8cm2、10cm2四種不同面積孔縫的電磁脈沖耦合仿真，探針位置保持不變。

圖10 各面積孔縫耦合電場-探針2

圖11 各面積孔縫耦合電場-探針1

對不同面積大小正方形孔縫的相同尺寸機箱進(jìn)行試驗，試驗方法和數(shù)據(jù)采集同上述保持一致，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各孔縫面積耦合電場峰值大小

由仿真波形圖10、圖11和試驗電場峰值表2分析可知：當(dāng)孔縫形狀固定時，同一探針上耦合的場強隨著面積的增大而增加，當(dāng)孔縫面積過大時，屏蔽效能很低，耦合進(jìn)入機箱內(nèi)部的電場峰值很大，應(yīng)在設(shè)計機箱孔縫時不應(yīng)開孔過大并采取有效電磁防護(hù)手段保證機箱內(nèi)部元件正常工作。

3.4 不同長寬比孔縫

選取面積大小4cm2的長方形孔縫，分別在水平極化和垂直極化下對2:1、3:1、4:1以8:1四種不同長寬比的長方形小孔進(jìn)行耦合仿真。探針位置保持不變。

圖12 水平極化時不同長寬比耦合電場--探針1

對不同長寬比的長方形小孔進(jìn)行脈沖模擬試驗，探頭放置于小孔后5mm處即探針1的位置，試驗方法和數(shù)據(jù)采集同上述保持一致，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同孔縫長寬比耦合電場峰值

由仿真波形圖12和試驗數(shù)據(jù)表3可得：與電磁波入射電場極化的方向垂直的孔縫越長，耦合進(jìn)入機箱內(nèi)部的場強越大；不同極化方式下都滿足這個規(guī)律。再次驗證了圖4計算機機箱在不同極化方向的孔縫耦合規(guī)律。試驗數(shù)值略高于仿真數(shù)值，且試驗曲線波動較大，這都是由于試驗環(huán)境與仿真理想環(huán)境的差異所致，但規(guī)律性吻合。

3.5 不同孔縫間距

保持機箱結(jié)構(gòu)不變，改變面板上的孔縫間距，對機箱的耦合特性進(jìn)行規(guī)律性的總結(jié)。其探針1（0，0，135）處耦合電場曲線如圖11所示。

圖13 不同孔洞間距下耦合電場--探針1

由圖13仿真曲線可以看出，當(dāng)機箱面板上為了散熱或穿線纜開的多個孔縫按陣列排布時，孔洞的間距越大，機箱的屏蔽效果越好，反之孔間距越小進(jìn)入機箱內(nèi)的場強能量越大，這是由于小孔間排布緊密時，各孔間互耦增強，場強疊加導(dǎo)致機箱內(nèi)耦合場強增大，這就給我們設(shè)計電子產(chǎn)品時要合理設(shè)置孔洞間距，在保持孔洞散熱、穿線等功能不變下，盡量排布稀疏從而避免互耦情況的發(fā)生。

4 誤差分析

對比分析上述仿真曲線和試驗數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)比仿真波形峰值略大，波形與試驗存在差異性，概括導(dǎo)致差異性的因素以及改善措施主要為以下幾點：

1）仿真軟件中的波形為理想化波形參數(shù)，而試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的波形由于現(xiàn)場試驗環(huán)境的復(fù)雜性，與仿波形存在差異；為改善差異，利用試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的波形導(dǎo)入仿真軟件使其保持一致，可以避免因波形的差異導(dǎo)致的誤差。

2）由于現(xiàn)實試驗場地的限制，導(dǎo)致試驗區(qū)域的有限和周圍其他物體的影響，同仿真自由空間的試驗環(huán)境不同；為最大限度保持試驗和仿真環(huán)境一致，設(shè)置外場模擬試驗系統(tǒng)，減少其他因素的影響。

3）試驗系統(tǒng)中的測量設(shè)備存在誤差范圍，與仿真理想化測量性能方面存在差異；為提高測量精度，改用高敏感性高精度測量設(shè)備，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

本文提供了一種針對電子設(shè)備研究其電磁脈沖耦合特性，可以預(yù)先利用理論數(shù)值計算結(jié)合仿真軟件對電子設(shè)備機箱進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而開展電磁脈沖模擬輻照試驗驗證其有效性，形成理論計算、仿真分析及試驗驗證的三維一體的研究思路，仿真與試驗規(guī)律性大體吻合，在數(shù)值方面存在的差異是由于試驗環(huán)境所致，三種手段相輔相成較全面研究分析機箱的電磁脈沖耦合機理，為電子設(shè)備的本體設(shè)計和電磁防護(hù)提供了一定的參考。