带有孔缝结构壳体的电磁脉冲屏蔽性能研究

2011-12-26姜铁华张三庆

河北科技大学学报 2011年1期

关键词：电磁脉冲壳体屏蔽

姜铁华，李虹，张三庆

（北京宇航系统工程研究所，北京 100000）

带有孔缝结构壳体的电磁脉冲屏蔽性能研究

姜铁华，李虹，张三庆

（北京宇航系统工程研究所，北京 100000）

孔缝结构是电磁脉冲进入壳体内部的主要途径之一。本文以带有不同形状孔缝的壳体结构为研究对象，通过试验方法，对壳体内部电场和磁场脉冲的幅值－时间参数进行了测量，并分析了不同形状孔缝结构对壳体电磁脉冲屏蔽性能的影响，可为金属壳体的电磁脉冲防护设计提供参考。

屏蔽性能；电磁脉冲；试验

雷电、静电等产生的电磁脉冲，因其场强大、频率成分高等因素对电子设备的危害十分巨大。对于封闭在壳体内部的电子设备，电磁脉冲进入壳体内部的途径主要有2种：一是通过线缆和天线的耦合，产生感应电流和电压；二是通过孔缝结构的耦合，在壳体内部形成电磁场分布。2种耦合方式的机理不同，孔缝耦合引入的电磁干扰分布范围更广，对壳体内部电子设备构成的威胁不容忽视，提高壳体对电磁脉冲的屏蔽性能对于提升电子设备的电磁防护能力具有重要作用。文献［1］—文献［3］对壳体、线缆等的电磁脉冲屏蔽效能测试方法进行了介绍。本文以金属圆柱壳体为试验对象，比较了几种不同孔缝结构对电磁脉冲屏蔽效果的影响，可为壳体结构的电磁脉冲防护设计提供参考。

1 壳体结构模型

以带有不同结构孔缝的金属壳体为研究对象，壳体为圆柱形状，两端封闭，壳体侧面带有长方形孔，尺寸为350 mm×400 mm，其上用可替换挡板盖住。金属壳体模型如图1所示。

为验证孔缝结构对壳体屏蔽效果的影响，采用图2所示的可替换挡板，挡板的材料和厚度与壳体模型相同。挡板上不同孔缝的形状和尺寸见表1。壳体内部电场和磁场的测量位置见图3，测点坐标P1（0，0.225，0.25）。

图2 挡板上孔缝的形状

图1 金属壳体模型结构图

表1 可替换挡板上的孔缝形状和尺寸

2 壳体脉冲电磁场屏蔽性能试验研究

2.1 屏蔽性能试验

2.1.1 脉冲电场屏蔽性能测试系统

脉冲电场屏蔽性能测试系统由电场脉冲发生器、电场产生系统、电场测量设备等组成，可在测试区域内产生幅值为50 k V／m，上升沿持续时间为0.1 ms，半下降沿持续时间为10 ms的电场脉冲。脉冲电场屏蔽性能测试系统示意图见图4。

外部电场测量设备通过光纤与屏蔽室内示波器相连，可由下列公式确定外部电场强度的脉冲幅值。

图3 测点位置布局图

图4 脉冲电场屏蔽性能测试系统示意图

在外部电场强度脉冲的幅值－时间参数符合波形要求的情况下，则可开始壳体内部电场的测量。

2.1.2 不同孔缝结构壳体的脉冲电场屏蔽性能测试分析

在壳体模型分别为A，B，C 3种孔缝结构的情况下，进行壳体模型内部电场的测量。通过改变测量设备的方向，可测量不同方向上的脉冲电压值。因电场强度主要为Z方向，X，Y方向的分量十分微弱，故此处仅给出Z方向的电场强度测量结果，见表2。其中：Umax为示波器显示的脉冲电压峰值；EZ为电场强度幅值；TΦ为脉冲上升沿持续时间；TC为脉冲半下降沿持续时间。

表2 加载波形为0.1／10 ms的外部电场时，壳体模型内部电场脉冲的幅值－时间参数测量结果

图5 测试波形图

图6 测试波形图

图7 测试波形图

从上述试验结果可以看出，在加载波形为0.1／10 ms的外部电场时，由于孔缝结构的耦合作用，外部电场进入壳体内部，其中缝隙结构A耦合的电场强度最大，C次之，B最小。由于孔缝的存在，对于A和C结构，壳体内部脉冲电场的上升沿持续时间有所减小。

2.2 壳体的脉冲磁场屏蔽性能试验研究

2.2.1 脉冲磁场屏蔽性能测试系统

脉冲磁场屏蔽性能测试系统由磁场脉冲发生器、磁场产生系统、磁场测量设备等组成，可在测试区域内产生幅值为300 A／m，上升沿持续时间为2μs，半下降沿持续时间为50μs的磁场脉冲。脉冲磁场屏蔽性能测试系统示意图见图8。

图8 脉冲磁场屏蔽性能测试系统示意图

外部磁场测量设备通过光纤与屏蔽室内示波器相连，可由下列公式确定外部磁场强度的脉冲幅值。

在外部磁场强度脉冲的幅值－时间参数符合波形要求的情况下，则可开始壳体内部磁场的测量。

2.2.2 不同孔缝结构壳体的脉冲磁场屏蔽性能测试分析

在壳体模型分别为A，B，C 3种孔缝结构的情况下，进行壳体模型内部磁场的测量。通过改变测量设备的方向，可测量不同方向上的脉冲电压值。因磁场强度主要为X方向，Y，Z方向的分量十分微弱，故此处仅给出X方向的磁场强度测量结果，见表3。其中：Umax为示波器显示的脉冲电压峰值；Hx为磁场强度幅值；TΦ为脉冲上升沿持续时间；TC为脉冲半下降沿持续时间。