电子设备的强电磁脉冲耦合特性研究

段泽民，胡文文，张 松，李志宝

（1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，合肥 230009；2.安徽省飞机雷电防护省级实验室，合肥 230031；3.强电磁环境防护技术航空科技重点实验室，合肥 230031）

0 引言

战争信息化和武器装备现代化使电磁环境与陆、海、空、天、网相并列成为了未来高技术战争的第六维战场[1]。

随着现代信息化技术的迅速发展，高性能信息化武器和人工智能装备频繁地出现局部战争中，在战场主动性和机动性大大提高的同时，武器装备的电磁敏感性和易损性也不断增强，这就对装备抗电磁干扰的能力提出更高的要求[2,3]。电磁脉冲作为构成复杂电磁环境的重要组成之一，极易通过天线、孔缝、线缆等途径耦合到电子设备内部，对电子设备元器件正常工作造成影响甚至永久毁坏[4～6]。

本文通过CST电磁仿真软件对计算机机箱进行物理建模，并用FITD算法在几乎涵盖电磁脉冲90%能量的0～100MHz频带范围内分析了外界入射波不同极化方向及入射角照射下机箱的耦合特性，同时进行腔体谐振仿真分析，采用简化后的腔体尺寸模型，针对腔体孔缝的形状、面积、长宽比以及间距等展开研究，并结合试验加以验证，对比仿真分析和试验数据的差异性，分析误差来源并提出减小误差的措施，进而为电子设备的电磁防护设计提供了定量的数值依据，也为相关电子电气设备的电磁防护提供了一些有价值的借鉴[7]。

1 电磁脉冲的形式及其对设备的影响

1.1 强电磁脉冲的类型及特点

从产生的形式上主要有静电放电电磁脉冲、雷电电磁脉冲、核电磁脉冲和其他非核电磁脉冲等。不同电磁脉冲源的特性和耦合途径不尽相同，在设计和电磁防护时要综合考虑。在未来战场上由于以核电磁脉冲和一些非核电磁武器为主，所以电场强度很大、上升沿时间极短、频谱宽、覆盖范围广的高空核电磁脉冲（HEMP）具有较实际的研究意义[8]。

1.2 高空核电磁脉冲对设备的影响

从高空核电磁脉冲的能量上看，核爆炸产生的以电磁脉冲形式释放的能量巨大，足以造成电子设备的工作故障和永久性毁坏；核电磁脉冲具有很高的峰值场强，耦合进入设备内部的电压足以对烧毁大多元器件；同时其频谱覆盖了较宽的频段，对设备系统极易造成威胁。

根据电磁脉冲的峰值场强、频率、上升时间、持续时间及功率大小等特性的不同，需要对不同电子设备加以特定的电磁防护手段，提高设备的安全性和可靠性。

2 试验测试和仿真设置

2.1 瞬态电磁场辐射测试

采用由Longmire计算完成，经Radashy分析后拟合而得出的场强表达式，目前国内外大多也是采用此式来表征高空核电磁脉冲辐射环境即：

式中：E0为峰值场强，k为修正系数；α、β为表征脉冲前、后沿的参数。K、α、β的不同对应不同的时域波形。为满足最新的GJB 151B-2013中规定的RS105瞬态电磁场辐射敏感度测试方法，波形参数选取为k=1.3，E0=5×104V/m，α=4×107/s，β=6×108/s。具体波形如图1所示。其电场峰值为E0=5×104V/m，上升时间（10%～90%电场峰值）tr=2.5ns，脉宽（50%电场峰值）thw=23 ns，衰落时间tf=55ns。

图1 高空核电磁脉冲波形

为了实现上述双指数电磁脉冲波形，针对电子电气设备进行电磁脉冲辐射模拟测试试验，构建了一套传输线型有界波电磁脉冲模拟测试系统，该系统主要由瞬态脉冲发生器、传输天线、终端匹配阻抗和数字存储示波器等组成[9]，图2为系统结构示意图。

图2 电磁脉冲模拟测试系统

试验开始前将地面场强探头放置在系统测试区域，将高压探头接在瞬态脉冲发生器的输出端口和辐射系统的输入口之间，并将探头通过积分器连接到数字存储示波器上，进行测试系统的校准[10,11]；试验过程中将计算机机箱（EUT）置于测试区域，为了研究不同入射方向机箱受电磁脉冲影响的情况，定义一个机箱位置的体轴坐标系（如图3所示），试验现场布置如图4所示。

图3 体轴坐标系

图4 试验现场布置图

2.2 计算机机箱仿真

对计算机机箱建立物理模型，在机箱内部加电场探针。从上至下、左到右的顺序分别为探针1（0，131，124.25）、探针2（0，29.5，124.25）、探针3（0，-101.5，124.25）、探针4（0，-101.5，-3.75）、探针5（0，-101.5，-124.25）。具体示意见如图5所示。

图5 机箱模型和探针位置

激励信号设置为IEC 61000-2-9或GJB 151B-2013标准中规定的的双指数脉冲波[12]，如图1所示。仿真中，设置双指数脉冲平面波来模拟核电磁脉冲波作为入射波，由于在0～100MHz频段内核电磁脉冲几乎没有衰减，包含了约90%以上的能量，所以将仿真频率范围设为0～100MHz，采用六面体网格对仿真模型进行一定精细度的划分。为了模拟真实的试验环境，采用较大金属平板作为地面，边界条件设置为open（add space）即PLM吸收边界，计算至能量衰减完全[13,14]。

3 仿真结果与试验数据分析

3.1 外界电磁波对机箱的耦合影响

当计算机机箱结构保持不变时，在0～100MHz频带范围内对计算机机箱进行仿真。分别在电场极化方向为X轴正方向的水平极化和电场极化方向为Y轴正方向的垂直极化两种方式下，针对不同电磁脉冲入射方向（入射角为0°，30°，45°，90°）进行仿真分析，其中水平极化入射角0°示意如图6所示，机箱内探针电场耦合波形如图7所示。

图6 水平极化-入射角0°

图7 电场探针耦合波形

综合图7中各曲线对比发现，水平极化耦合进入机箱的场强远小于垂直极化波，这是由于平行极化波的主要耦合通道为探针1、2、3位置矩形孔缝的窄边，窄边的长度不如机箱上平行y轴的长缝，同时比较图中各曲线可知在随着入射角度在0°～90°的范围增大，机箱内耦合的场强减少，在不同极化下入射角均在0°耦合进机箱的场强值达到最大，原因是入射角为0°时，入射波垂直机箱主平面，耦合通道比较多，电磁波更容易传播进机箱内部，从而导致机箱内部场强值大。

利用上述传输线型有界波电磁脉冲模拟测试系统和CST电磁仿真软件进一步研究孔缝对机箱腔体的耦合影响。为减少仿真时间方便试验计算，将腔体机箱的尺寸设计为280mm×160mm×150mm，改变机箱上孔缝形状、大小、长宽比及孔洞间距，具体分析其不同电磁脉冲耦合效应的影响。

3.2 不同孔缝形状

分别选取孔缝面积大小相等（小孔面积为4cm2）、中心位置相同的正方形、长方形和圆形孔缝进行仿真分析，探针位置固定设置为探针1（0，0，135）以及探针2（0，0，0）。

图9 各孔缝形状耦合电场-探针1

利用电磁脉冲模拟试验系统如图2所示，对不同形状孔缝的相同尺寸机箱进行试验，为了保证试验更加可靠准确，对机箱同一位置辐照下进5～10次试验，提取试验数据的平均值作为最终结果。试验数据如表1所示。

表1 各孔缝形状耦合电场平均峰值大小

对比仿真曲线图8、图9、和试验数据表1可以看出：仿真和试验均表明同一探针位置，长方形孔机箱探针耦合场强比其他形状耦合到的场强大得多，圆形孔较正方形孔机箱腔体内耦合场强稍小一点，两者耦合场强几乎一致。试验数据均大于仿真曲线耦合电场峰值，这是由于仿真考虑的时理想情况，单一的电磁波干扰，而试验时场地包括附近的干扰，促使各种耦合叠加造成数值偏高，但总体规律趋势两者相符合。在设计电子设备上的孔缝时应尽可能开成圆形或正方形。

3.3 不同面积大小孔缝

由上可知，圆形孔和正方形孔耦合效应几乎一致，这里选取中心位置相同的正方形孔缝，分别对2cm2、4cm2、8cm2、10cm2四种不同面积孔缝的电磁脉冲耦合仿真，探针位置保持不变。

图10 各面积孔缝耦合电场-探针2

图11 各面积孔缝耦合电场-探针1

对不同面积大小正方形孔缝的相同尺寸机箱进行试验，试验方法和数据采集同上述保持一致，试验数据如表2所示。

表2 各孔缝面积耦合电场峰值大小

由仿真波形图10、图11和试验电场峰值表2分析可知：当孔缝形状固定时，同一探针上耦合的场强随着面积的增大而增加，当孔缝面积过大时，屏蔽效能很低，耦合进入机箱内部的电场峰值很大，应在设计机箱孔缝时不应开孔过大并采取有效电磁防护手段保证机箱内部元件正常工作。

3.4 不同长宽比孔缝

选取面积大小4cm2的长方形孔缝，分别在水平极化和垂直极化下对2:1、3:1、4:1以8:1四种不同长宽比的长方形小孔进行耦合仿真。探针位置保持不变。

图12 水平极化时不同长宽比耦合电场--探针1

对不同长宽比的长方形小孔进行脉冲模拟试验，探头放置于小孔后5mm处即探针1的位置，试验方法和数据采集同上述保持一致，试验数据如表3所示。

表3 不同孔缝长宽比耦合电场峰值

由仿真波形图12和试验数据表3可得：与电磁波入射电场极化的方向垂直的孔缝越长，耦合进入机箱内部的场强越大；不同极化方式下都满足这个规律。再次验证了图4计算机机箱在不同极化方向的孔缝耦合规律。试验数值略高于仿真数值，且试验曲线波动较大，这都是由于试验环境与仿真理想环境的差异所致，但规律性吻合。

3.5 不同孔缝间距

保持机箱结构不变，改变面板上的孔缝间距，对机箱的耦合特性进行规律性的总结。其探针1（0，0，135）处耦合电场曲线如图11所示。

图13 不同孔洞间距下耦合电场--探针1

由图13仿真曲线可以看出，当机箱面板上为了散热或穿线缆开的多个孔缝按阵列排布时，孔洞的间距越大，机箱的屏蔽效果越好，反之孔间距越小进入机箱内的场强能量越大，这是由于小孔间排布紧密时，各孔间互耦增强，场强叠加导致机箱内耦合场强增大，这就给我们设计电子产品时要合理设置孔洞间距，在保持孔洞散热、穿线等功能不变下，尽量排布稀疏从而避免互耦情况的发生。

4 误差分析

对比分析上述仿真曲线和试验数据，试验数据比仿真波形峰值略大，波形与试验存在差异性，概括导致差异性的因素以及改善措施主要为以下几点：

1）仿真软件中的波形为理想化波形参数，而试验系统产生的波形由于现场试验环境的复杂性，与仿波形存在差异；为改善差异，利用试验系统产生的波形导入仿真软件使其保持一致，可以避免因波形的差异导致的误差。

2）由于现实试验场地的限制，导致试验区域的有限和周围其他物体的影响，同仿真自由空间的试验环境不同；为最大限度保持试验和仿真环境一致，设置外场模拟试验系统，减少其他因素的影响。

3）试验系统中的测量设备存在误差范围，与仿真理想化测量性能方面存在差异；为提高测量精度，改用高敏感性高精度测量设备，保证数据的准确性。

5 结语

本文提供了一种针对电子设备研究其电磁脉冲耦合特性，可以预先利用理论数值计算结合仿真软件对电子设备机箱进行仿真分析，进而开展电磁脉冲模拟辐照试验验证其有效性，形成理论计算、仿真分析及试验验证的三维一体的研究思路，仿真与试验规律性大体吻合，在数值方面存在的差异是由于试验环境所致，三种手段相辅相成较全面研究分析机箱的电磁脉冲耦合机理，为电子设备的本体设计和电磁防护提供了一定的参考。