终端负载对同轴电缆超宽带辐照效应的影响

李新峰，魏光辉，潘晓东

（军械工程学院强电磁场环境模拟与防护国防科技重点实验室，河北石家庄 050003）

终端负载对同轴电缆超宽带辐照效应的影响

李新峰，魏光辉，潘晓东

（军械工程学院强电磁场环境模拟与防护国防科技重点实验室，河北石家庄 050003）

为研究同轴电缆对超宽带高功率微波的电磁耦合特性及其对终端电气设备的影响，将同轴电缆终端连接设备等效为集总负载，构建了超宽带辐照实验系统，设计了同轴电缆耦合实验平台，实验研究了不同终端负载条件下同轴电缆终端负载耦合响应电压变化规律，并分析了同轴电缆电磁耦合机理，研究结果表明：终端负载响应电压波形的振荡周期及耦合响应频率点只与同轴电缆特性有关，与终端负载情况无关；终端负载变化对终端负载耦合响应电压有较大影响。

同轴电缆；超宽带高功率微波；屏蔽室；终端负载；耦合电压

当电缆受到外界电磁场激励时，就会成为外界电磁能量的“收集器”并将这些电磁能传递到与电缆相接的终端电气设备或系统中，使其中电路产生干扰甚至损坏［1］。因此必须深入进行高功率微波对同轴电缆的耦合效应研究，以便采取相应的措施减少同轴电缆引入的电磁脉冲能量［2］。目前，研究学者对电缆电磁耦合效应的研究主要运用传输线方法、时域有限差分法（FDTD方法）等方法进行数值计算及仿真究，，且对象主要是高空核电磁脉冲（HEMP）、高斯脉冲（Gaussian pulse）、静电放电脉冲（ESD）等［3－5］，对于超宽带高功率微波（UWS-HPM）的研究却比较少，且其系统性不强，实验数据支撑不够。目前超宽带脉冲峰值功率可达100 GW，峰值电场强度达几百k V／m，重复频率可达1 MHz［6－7］。UWS-HPM 脉宽窄，上升沿陡（＜1 ns），频带宽（100 MHz～50 GHz），所含频谱极其丰富，对同轴电缆端接设备的威胁更大。

为研究同轴电缆的超宽带耦合效应特性及对终端设备的影响，设计了同轴电缆耦合实验平台，构建了超宽带辐照实验系统，实验研究了不同终端负载条件下同轴电缆对超宽带辐照的耦合规律，研究结果对电气设备抗电磁干扰具有工程应用价值。

1 实验设备及方法

1.1 超宽带电磁脉冲产生原理分析

实验装置选用强电磁场环境模拟与防护技术国防科技重点实验室GW级超宽带电磁脉冲辐射系统。试验系统主要有3部分组成：紧凑Tesla型初级脉冲功率源，Peaking-chopping型高功率超宽带亚纳秒脉冲产生器和抛物反射面超宽带辐射天线。图1为超宽带电磁脉冲辐射场测试波形及其频谱图。可知其主脉冲为双指数微分脉冲函数形式［2］：

其中E0为脉冲幅度，为常数。由图1（b）可知，超宽带的频谱出现了许多尖峰值，且大部分能量都集中在2 GHz之前，且主要在500 MHz附近出现了许多较大的电场分量。

图1 超宽带电磁脉冲辐射场波形及其频谱图

1.2 同轴电缆耦合实验平台

试验平台如图2所示，在同轴电缆两端用屏蔽室和屏蔽盒进行屏蔽，防止辐射源对终端负载直接进行辐照。为减少屏蔽室金属墙体对辐射电磁波的反射作用，在屏蔽室面向电磁波的入射方向放置吸波墙，减小对测试结果的影响。同轴电缆外皮分别与屏蔽室和屏蔽盒的壳体进行连接，屏蔽盒大小为40 cm×40 cm×40 cm正方体，外壳采用金属材料。屏蔽盒内部配置50Ω射频终端匹配负载，屏蔽盒内放置吸波材料，以免电磁波在内部产生谐振作用。同轴电缆终端响应电压测试在移动式屏蔽室内完成。在屏蔽室内部，示波器直接与屏蔽室接口板连接，示波器的输入阻抗（50Ω／1 MΩ）作为同轴电缆的终端负载。

图2 超宽带辐照实验平台

2 辐射场强一致性研究

实验前首先使用TEM接收天线进行场强距离标定，通过对测试数据进行拟合，可以得到UWB-HPM辐射场强与天线的关系接近反比，如图3所示，拟合度为99.2%，拟合方程为

式中：Epp为辐射场强峰峰值；x为天线距离UWB辐射源的位置。

图3 UWS-HPM辐射场强度随距离的变化关系曲线

为考察同一距离处辐射场强E的一致性，在一组标定中，由式（3）和式（4）可知样本为10的测量波形最大值的均值为42.8 KV／m，标准偏差为0.917 6 k V／m，说明辐射场一致性较好。

3 实验结果及分析

假定测试平台屏蔽室端为受试同轴电缆的1端口，屏蔽盒端为受试同轴电缆的2端口，实验一：研究超宽带辐照条件下2端口负载匹配1端口终端负载变化，对1端口响应电压的影响；实验二：研究同轴电缆1端口负载匹配时，2端口负载变化，对1端口响应电压的影响。同轴电缆采用TPC公司type88型2 m长同轴电缆，其特性阻抗为50Ω。同轴电缆与超宽带电场极化夹角为600，屏蔽室单点接地。

3.1 1 端口负载变化对1端口响应电压的影响

采用阻值为25，50，150Ω的通过式负载，连接示波器（输入阻抗50Ω或者1 MΩ）进行测试，则1端口负载分别为16.7，25，50，150Ω，1 MΩ，2端口始终为50Ω射频负载。由于实验结果中只是响应电压峰值的变化，此处只给出1端口为50Ω时的实验结果波形及频谱如图5所示，16.7，25，50，150Ω，1 MΩ终端负载耦合电压分别为4，4.2，7.4，8.6，8.9 m V，振荡周期均为13.3 ns。

图4 1端口负载为50Ω条件下1端口响应波形及频谱图

从理论上分析，当同轴电缆受外部电磁波辐照时，沿同轴电缆方向的电场分量在电缆屏蔽层感应出电流，感应电流通过同轴电缆的转移阻抗和转移导纳而耦合到同轴电缆内导体上，在终端负载上形成电压降，屏蔽层感应电流由于谐振的作用形成驻波而增强，从而在电缆终端负载上形成了峰值感应电压。由图4（a）可以看到，终端负载感应电压波形有时延且为衰减振荡波，出现这种现象的原因主要是由于导线上感应电流流动导致电荷积累，电荷积累形成的场又引起电压这样一个循环过程，同时伴着场的辐射。其衰减振荡周期为同轴电缆感应皮电流在电缆长度上流动一周的时间，即T＝2l／c，其中l为受试电缆长度，此处为2 m，c为电磁波在自由空间的传播速度。通过计算可知其周期为T＝13.3 ns，且1端口负载变化不影响1端口耦合响应电压波形振荡周期。终端负载电阻上的脉冲电压的最大值随电阻的大小而变化，这种变化是非线性变化，即在1端口终端负载电阻较小时，随着负载电阻的增大，终端响应电压也随之增大，当终端负载电阻较大时，终端响应电压增大速度明显变慢。

从图4（b）耦合响应电压的频谱看出，在低频段附近，同轴电缆响应值较小，在较高频率处才出现响应峰值，这个频率就是电缆长度的谐振频率。对于2 m长同轴电缆其谐振频率为f1＝75 MHz，f2＝150 MHz，这与连续波辐照实验结果规律相同，即受试电缆终端响应的峰值出现在电缆相对长度为1／2整数倍的频点，ξ＝l／λ＝n／2（n＝1，2，…）。

3.2 2 端口负载变化对1端口响应电压的影响

在屏蔽盒端分别选择短路及25，50，150Ω情况，屏蔽室内接电阻为50Ω示波器，即屏蔽室端电阻与电缆特性阻抗匹配。实验结果中只是响应电压峰值的变化，此处只给出2端口为开路时的实验结果波形及频谱如图5所示，短路，25，50，150Ω终端负载耦合电压分别为18，6，7.4，7.2 m V，振荡周期均为13.3 ns。

分析可知不论2端口负载怎么变化，1端口负载响应电压均为衰减振荡波形，且其振荡周期不变，均为T＝13.3 ns。当2端口负载为开路时，1端口响应电压峰值变化较大，在2端口电阻在25～150Ω期间响应电压数值变化不大，因此在工程实践中应尽量避免电缆一端设备短路情况发生。2端口负载变化只对1端口响应电压产生影响，而不影响电压波形振荡周期，因为振荡周期与终端负载情况无关，只与受试电缆长度有关。从图5（b）得出，超宽带辐照条件下，同轴电缆终端耦合响应电压为多频响应信号，这是因为超宽带本身频谱成分丰富，耦合响应频率点在上面我们已经研究过，受试电缆终端响应的峰值仍出现在电缆相对长度为1／2整数倍的频点。

图5 2端口开路条件下1端口响应波形及频谱图

4 结 论

通过实验研究分析得到了终端负载变化时同轴电缆对超宽带高功率微波的耦合特性，研究结果表明：终端负载耦合响应电压的波形振荡周期及耦合频率响应点只与同住电缆本身长度有关，与终端负载情况无关，其中振荡周期为T＝2l／c，耦合频率点为ξ＝l／λ＝n／2（n＝1，2，…）处，对于2 m电缆其主要频率响应点为75 MHz；当2端口负载匹配，随着1端口终端负载的增大，1端口负载响应电压峰值变大，当负载电阻较大时，终端响应电压增大速度变慢。当1端口负载匹配，2端口短路时，1端口终端响应电压峰值最大，25～150Ω期间情况下峰值变化不大。

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TM15

A

1008-1542（2011）07-0187-04

2011-06-20；责任编辑:张 军

国家安全重大基础研究资助项目（6131380301）；国家自然科学基金资助项目（61040003）

李新峰（1987-），男，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事电磁防护理论与技术方面的研究。