贯通导线端接负载对腔体电磁耦合影响分析

李新峰 魏光辉 潘晓东 李 凯 孙肖宁

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北 石家庄050003）

引 言

电子设备所面临的电磁环境日益复杂和恶劣［1］，同时微电子技术的发展导致电子部件及电路的工作频率不断提高、工作电压却逐渐降低［2］.这些因素均对电子设备的安全性和可靠性构成了严重威胁［3］.由于信号传输、显示及通风散热等的需要，电子设备机箱不可避免地开有孔缝，若孔缝中有导线穿过，导线引入的电磁能量将影响内部敏感电路的正常工作［4］.因此，有必要对金属腔体加载贯通导线后的电磁耦合特性开展研究.

文献［5］采用传输线法建立了短贯通导线的电磁耦合等效电路模型，但该方法限定于导线与腔体相连接且腔体为矩形腔体的情形；文献［6］运用快速多级子算法对贯通导线长度为辐射频率半波长时腔内屏蔽效能进行了研究，其导线末端未连接电路；Syarfa对带有孔缝及贯通导线的金属腔体的屏蔽效能进行了研究［7-8］；国内有关人员主要采用时域有限差分（Finite Difference Time Domain，FDTD）法对电磁脉冲辐射条件下贯通导线端接电路电流耦合响应进行了数值建模分析［9-11］.文献［12］运用瞬态电磁拓扑理论与Spice软件的混合方法对贯通导线内部电路的电磁脉冲响应开展了研究.分析发现，国内外已有文献主要是采用数值计算方法从时域角度对电磁脉冲辐射条件下导体贯通腔体内部连接电路响应进行了研究，而关于贯通导线连接电路后腔体内部的电磁耦合方面的研究文献较少.

针对上述问题，采用时域有限积分（Finite Integration Time Domain，FIT）算法建立了金属腔体含贯通导线及负载时的电磁耦合计算模型，对平面波辐射条件下贯通导线端接电路对金属腔体内部的电磁耦合进行了研究，分析了电路负载、电路连接方式等参数对腔体内部屏蔽效能的影响，提出了基于吉赫横电磁波传输室（Gigaherz Transverse Electromagnetic cell，GTEM室）构建实验平台的测试方法，对数值计算结果进行了实验验证.

1 数值计算模型

在工程实践中，腔内贯通导线端接电路比较复杂，可以为简单电阻或电容负载电路，也有可能为印制电路板等复杂的集成电路，由于集成电路布局、电路构成及芯片等原因的影响分析较为困难，这里仅对常见的电阻或电容负载进行分析.

FIT方法采用变步长矩形结合三角亚元技术，在计算过程中不需对矩阵求逆，计算所需的时间更少，对内存耗费更小.选用基于FIT方法的电磁数值计算软件CST建立的计算模型如图1所示，原点O坐标为（0，0，0），金属腔体尺寸为40cm×40cm×40cm，壁厚0.2cm，在腔体壁中心位置开有半径r1为1cm的圆孔，贯通导线总长度P1P3为100 cm，半径r2为0.1cm，其中金属腔体外部P1P2长度为80cm，内部P2P3长度为20cm，贯通导线终端P3处连接负载阻抗Z，在点A（25，20，20）处放置电场探头测试其屏蔽效能，入射平面电磁波垂直于贯通导线，电场与贯通导线方向平行，频率范围为50～550MHz.

图1 贯通导线端接电路电磁耦合模型

腔体谐振频率的计算公式［13］为

式中：a、b、d分别为金属腔体的长、宽、高；i、j、k为谐振波的模；c为光速.腔体的最低谐振频率f110＝约为530.3MHz.通过改变贯通导线端接电路的连接方式和负载阻抗等参数设置分析贯通导线端接电路对金属腔体耦合的影响.

2 贯通导线端接负载对腔体的影响分析

为系统研究贯通导线端接负载Z对腔体内部耦合的影响，在端接电路Z为纯电阻及电容两种条件下，对电路与箱体及地面的连接方式、不同负载等因素进行分析，其中电路与箱体及地面的连接方式分以下四种情况：电路不接箱体且箱体不接地、电路接箱体箱体不接地、电路不接箱体箱体接地、电路接箱体且箱体接地.

2.1 端接负载为纯电阻

2.1.1 接地方式影响

为分析负载Z为纯电阻时，四种不同连接方式对腔体内场的影响，选定负载Z为100Ω.测试点A（25，20，20）处的屏蔽效能曲线如图2所示.

图2 负载为100Ω时不同连接方式的屏蔽效能

从图2曲线可知，在50～550MHz频率范围内，四种接地方式情形下屏蔽效能最小值分别为-18.71、-10.87、-17.6、-9.76dB.对比分析发现：当箱体不接地时，电路连接箱体使屏蔽效能最小值增加约8dB，这是由于连接箱体后，贯通导线耦合电流通过箱体向外辐射出电磁能量，导致屏蔽效能增加；箱体接地时，电路连接箱体使贯通导线耦合电流泄放到大地，腔体内部场强减弱，屏蔽效能最小值增加；电路不接箱体时，箱体接地导致屏蔽效能最小值增加，这是由于腔体内部场是由电磁波通过孔缝进入腔体的入射场、贯通导线引入的辐射场及电磁场作用于开孔腔体的散射场三部分组成，当箱体接地后，腔体表面感应电流进入地面，使内部场减弱，屏蔽效能值增加；电路接箱体，箱体接地后使贯通导线耦合电流进入大地，导致屏蔽效能最小值增加.

因此可得，负载为纯电阻时，负载连接箱体或箱体接地均能使腔体内部屏蔽效能最小值变大，即电磁耦合减弱.从谐振频率来说，连接箱体使谐振频率增加且在100MHz以下出现谐振，但是对腔体自身的谐振频率530.3MHz附近的影响不大，这是由于接地线和腔体参与了贯通导线的谐振引起的.

2.1.2 不同电阻值影响

为分析负载阻值对腔体内部场影响，在负载连接箱体箱体接地条件下，选定负载Z分别为50、100、200、400、800、106Ω.测试点A（25，20，20）处的屏蔽效能曲线如图3所示.

图3 不同电阻时的屏蔽效能

从图3中可以看出，随着端接电阻值的增加，屏蔽效能最小值先增大，这是因为在贯通导线耦合电流不变情况下，电阻值增大，导致电阻消耗能量增加，使屏蔽效能增加，而后随着端接电阻值的增加，屏蔽效能最小值减小，当电阻值增大到106Ω时，屏蔽效能值最小，由传输线反射系数Γ＝Zl-Z0／Zl＋Z0，其中Z0为传输线特性阻抗，Zl为负载阻抗，当Zl即电阻Z值为106Ω时，反射系数约等于1，此时出现驻波状态.

2.2 端接负载为容性阻抗

2.2.1 接地方式影响

为分析负载为容性阻抗时，不同连接方式对腔体内场的影响，选定负载Z为100Ω，电容为1.3 pF.测试点A处的屏蔽效能曲线如图4所示.

图4 负载为100Ω和电容1.3pF时不同连接方式的屏蔽效能

采用与2.1.1相同的分析方法发现：当箱体不接地时，由于电路连接箱体后使屏蔽效能最小值增加约0.51dB；箱体接地，电路连接箱体后，贯通导线耦合电流泄放到大地，屏蔽效能最小值增加；电路不接箱体，箱体接地使表面感应电流进入地面，屏蔽效能最小值增加；电路接箱体，金属腔体接地后导致屏蔽效能最小值增加.因此可以得到，电路连接箱体或接地箱体均均能使内部屏蔽效能最小值增加.同样，由于连接箱体后，接地线和箱体参与了贯通导线的谐振使谐振频率改变.

2.2.2 不同电容值影响

在端接电路接箱体且箱体接地条件下，电阻值为100Ω，分别选择0.13、1.3、13pF三个不同电容，结果如图5所示.

图5 端接不同电容的屏蔽效能

对比分析图5中三个不同电容值条件下的屏蔽效能曲线发现：在370MHz频率以上，三者曲线变化不大，这是因为此时三个电容均呈现短路特性所造成的；随着电容值的增大，屏蔽效能最小值增大，这是因为电容值增大，负载消耗能量随之增加.

2.3 纯电阻与电阻加电容对比分析

选定纯电阻Z为100Ω，加电容值为1.3pF，分别在贯通导线端接电路不接箱体箱体不接地及电路接箱体箱体接地两种条件下，分析其屏蔽效能变化，结果如图6、7所示.

图6 端接电路不接箱体箱体不接地时电容影响

图6中，对比分析两条曲线可以发现：100Ω纯电阻负载与100Ω加1.3pF在325MHz频率以下，两者的屏蔽效能曲线基本一致，这是由在低频条件下电容呈现开路特性所造成的；当频率高于325 MHz时，电容耗能增加，导致贯通导线耦合能量降低，屏蔽效能随之增加.

图7 端接电路接箱体箱体接地时电容影响

从图7可以看出，在贯通导线端接电路接箱体箱体接地条件下，当频率在325MHz以下时，纯电阻与电阻加电容两种情况下测试点屏蔽效能曲线两者相差较大，且后者的屏蔽效能最小值远大于前者，这是由于电容在低频条件下呈现开路特性，导致贯通导线上电流无法泄放进入地面，腔内场强较强；反之，当频率在325MHz以上时，纯电阻与电阻加电容两种情况下测试点屏蔽效能曲线变化不大，这是由于在325MHz以上，电容呈现短路特性所造成的.

3 实验验证

3.1 实验系统构建及测试方法

采用与图1中相同规格的金属腔体及贯通导线.实验系统如图8所示，包括GTEM室，工作频率范围可从直流至数吉赫兹以上；SML-01型信号发生 器，频 率 范 围 为9.1kHz～1.1GHz；AR50WD1000功率放大器，工作频率DC～1 000 MHz，最大输出功率50W；ETS全向场强测试天线及上海华湘公司生产的射频负载.SML-01型信号发生器产生所需的连续波信号，经AR50WD1000功放进行放大后连接GTEM室输入端在GTEM室内产生近似TEM波，场强测试仪放置于室内场均匀区通过光纤连接到GTEM室外的计算机上读取实验数据.

在测试过程中，频率范围选定为50～550 MHz，步长为5MHz.实验主要分为以下三个步骤：首先对实验系统进行校准，测量不加屏蔽箱体、贯通导线及端接电路情况下测试点A场强E0；而后保持设置不变，测量加载金属箱体后同一点处场强E1即可得到金属腔体自身的屏蔽效能ES＝-20 lg（E1／E0）［14］；最后，保持信号源输出设置不变，加入金属箱体、贯通导线和端接电路，改变端接电路阻值及电路连接方式，测试同一位置场强值E2，通过屏蔽效能公式E′S＝-20lg（E2／E0）对实验数据进行处理.

图8 实验配置图

3.2 金属腔体本身屏蔽效能测试

为研究贯通导线端接电路的影响，首先需要对金属腔体自身的屏蔽效能进行分析，实验结果如图9所示.

图9 腔体屏蔽效果

由图9可知，测试点处腔体屏蔽效能值约为40 dB，这是由于在50～550MHz频率范围内，腔体开孔尺寸远小于入射电磁波的波长，导致腔体自身屏蔽效果较好.

3.3 数值计算结果实验验证

为验证数值计算结果的准确性，在贯通导线端接纯电阻及端接电阻加电容两种情况下，分别选取两种不同连接方式进行实验验证，即贯通导线端接100Ω电阻不接箱体箱体不接地、贯通导线端接100 Ω电阻接箱体箱体接地、贯通导线端接100Ω电阻和1.3pF电容不接箱体箱体不接地、贯通导线端接100Ω电阻和1.3pF电容接箱体箱体接地四种情况.实验与数值计算结果如图10（a）～（d）所示.

图10 贯通导线端接负载实验与数值计算结果

对比分析图9与图10中的实验结果，可以得到屏蔽效能约为40dB金属腔体中加入贯通导线及负载后，贯通导线端接100Ω电阻不接箱体箱体不接地、电阻接箱体箱体接地、贯通导线端接100Ω电阻和1.3pF电容不接箱体箱体不接地、电容接箱体箱体接地四种情况下，屏蔽效能最小值分别为-20、-9、-19、-15dB，可见加入贯通导线及负载后，腔体的屏蔽效能明显下降，因此贯通导线及端接电路引入的电磁干扰不容忽视，同时也表明本文所用金属腔体自身屏蔽性能对实验结果影响不大.

通过分析图10发现：数值计算结果曲线较为平滑，而实验曲线含有毛刺，这是由于：1）数值计算中所采用的腔体材料为PEC，即理想金属材料，而实验所采用的是铁箱体；2）GTEM室中产生的为近似平面波场，而数值计算中所采用的为理想的平面波辐射情形；3）实验测试过程中不可避免地存在测试误差及噪声，比如实验中采用的探头放置位置的准确性不如数值计算中放置的准确，这些数值计算参数与实验参数的些许不同均对实验结果有一定影响，因此实验和结果之间存在一定误差是正常的.数值计算结果和实验结果在谐振频点处存在一定程度偏差，这是由于实验中所选定的频率变化步长为5 MHz，而数值计算中则不存在这样的问题.总体来看，实验结果和数值计算结果一致性较好.

4 结 论

采用数值计算与实验相结合的方法分析了导线贯通金属腔体腔内端接负载对腔体电磁耦合的影响，结果表明：屏蔽效果较好的金属腔体加载贯通导线及负载后，腔体内部电磁耦合明显增强；腔内贯通导线端接负载为纯电阻或容性阻抗时，负载接腔体或腔体接地能有效降低腔内的电磁耦合，且电阻值及电容值大小改变能够显著影响腔体的耦合效应.电阻及加载电容后发现：负载开路且腔体不接地时，腔体的低频电磁耦合效果基本不变，而负载短路且腔体接地时，端接电路变化对腔内高频耦合影响不大.负载连接腔体对腔内电磁耦合的谐振频率有一定影响.研究结果对提高设备的电磁兼容性能具有一定的理论研究意义和实践指导意义.

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