用频设备内部线缆辐照响应特性研究

何 越，张建华，陈 燕，韩春永，史云雷，邵 鄂

(1.工业和信息化部 电子第五研究所，广东 广州 510610; 2.中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

随着设备机箱内电子系统向着高速度、高密度的趋势发展，电子电气设备的数量、种类和密度不断增加，工作频率不断提高，导致箱体内各类连接线缆的增加，线缆所处的电磁环境也越来越复杂[1-5]。在不同类型的线缆上传输不同的工作信号，电子设备的电源线和各种信号线在外界干扰电磁场下[6]，容易耦合感应出干扰电压或干扰电流，通过导线传输进入设备内部，干扰信号的接收会损害设备性能。因此在复杂的电磁环境中，为保障箱体系统的正常运行，需要对箱体内部线缆的辐照响应特性进行分析，从而有针对性地设计防护手段，提高箱体的电磁兼容性[7-10]。

文献[11]使用有限元法分析了编织电缆屏蔽体的电磁响应。文献[12]计算了在高空核电磁脉冲的条件下，地面线缆的耦合特性。文献[13]对平面波辐照下的电缆感应响应进行了研究。本文在上述文献的基础上针对某型机箱内部线缆的辐照特性进行研究，首先对箱体以及不同类型的线缆(例如单线、双绞线以及同轴线)进行电磁建模；然后模拟电磁辐射场景研究箱体内部线缆的耦合特性；最后分析其耦合特性并针对性地给出电磁防护建议。

1 研究方法

1.1 理论分析

对于设备间用于传输工作信号的互连线缆，它们与返回线构成一个完整的回路，都存在着输入阻抗与输出阻抗。线缆受到干扰源辐射场的激励而耦合产生出感应电压和电流可能形成干扰，对内部器件造成严重威胁，这就是辐射耦合中场对导线的感应耦合。对于系统外部的电磁发射，由于箱体的不完全封闭(散热孔、箱体面间的连接缝隙系)，使得箱体对外界电磁波没有良好的屏蔽作用，从而导致外部电磁干扰耦合到箱体内部，在线缆上激励产生感应电流和电压。

上述干扰电磁场对线的耦合主要采用传输线理论来计算，可以采用Agrawal法[14]来描述外部电磁场对传输线耦合特性。传输线上的分布电压源由沿导线切向入射的电场激励产生，Agrawal法可把外界电磁场对传输线的耦合视作电磁散射问题。 在Agrawal模型中，传输线模型的电报方程可表示为

(1)

(2)

其中，Vxca为散射电压；Vs(z)是全电压与入射电压的差值，表达式为

(3)

由入射电场激励得到的分布电压源为

(4)

根据上式可计算出在传输线上产生的感应电压源和感应电流源。

1.2 电磁模型建立及其计算

为了兼顾准确性和实际计算能力，利用箱体模型进行电磁建模时，其细节对计算结果影响不大。本文略去占用大量计算资源的细小部件， 主要保留大面积的散热孔和缝隙、开孔等[15-16]，模型如图1所示。

图1 某型机箱模型

根据实际情况对模型机箱内部线缆进行电磁建模，设置线缆类型和空间位置，其线缆空间布局如图2所示。

图2 线缆的空间分布示意图

线缆类型(两根单线、两根同轴线、两根双绞线)及其对应的空间分布如图3～图5所示。

图3 双绞线1、2及其空间分布

图4 单线1、2及其空间分布

图5 同轴线1、2及其空间分布

图3～图5中，左边为该类型线缆在箱体内部的空间位置，右边为该线缆类型模型示意图。双芯线的材料为铜，直径为0.611 7 mm；右旋扭绞，绞距为2 mm；绝缘层材料为PE，直径为2.5 mm。单线芯线材料为铜，直径1.503 6 mm；绝缘层材料为PE，直径为3.5 mm。芯线材料为铜，直径0.47 mm；内绝缘材料为PE，直径为1.475 mm；屏蔽材料为编制铜网，厚度为0.122 mm；外绝缘材料为PVC，厚度为0.5 mm。

2 仿真分析

将线缆两端接50 Ω匹配负载，在每个输入输出端口设置观测点。有屏蔽层的线缆将其屏蔽层接地，观察其耦合响应特性，如图6所示。

在箱体外设置辐射干扰源。外界辐射干扰为强电磁脉冲，脉冲模型使用MIL-STD-461G标准定义的波形，表达式为E(t)=kEp(e-αt-e-βt)。其中，k是修正系数；Ep是场强峰值；α表征脉冲前沿参数；β表征脉冲后沿参数，其入射方向为箱体正上方，电场方向和箱体长边平行。其示意图和时域波形如图7和图8所示。

图6 电路图

图7 电磁脉冲入射角度

图8 电磁脉冲波形

计算线缆的响应特性，耦合电压时域波形分别如图9～图14所示。

图9 双绞线1的耦合时域波形图

图10 双绞线2的耦合时域波形图

图11 单线1的耦合时域波形图

图12 单线2的耦合时域波形图

图13 同轴线1的耦合时域波形图

图14 同轴线2的耦合时域波形图

由上述结果可以看出，双绞线的耦合电压相对较大，单线次之，两者的峰值都接近1 V。同轴线由于存在屏蔽层，其耦合电压仅为0.008 V，远小于双绞线和单线峰值。对于双绞线和单线，需要注意其屏蔽。可以通过选用有屏蔽层的线缆，或者将其置于槽内，外面覆盖金属以防护电磁干扰。所有类型线缆的耦合电压均随时间呈下降趋势，与辐射干扰源波形上升下降沿的变化快慢程度保持一致。在前0.01 ns，脉冲强度大幅度提高，对应线缆的耦合电压也迅速增大。在0.01 ns之后，脉冲电压相对缓慢下降，对应线缆的耦合电压也逐渐减小，变化越剧烈的电磁场在线缆上感应的电压越大，其危害也越大。

3 结束语

本文通过对机箱及其内部线缆的类型和空间布局进行了电磁建模，计算了机箱内部线缆的耦合电压，分析了辐射干扰源为强电磁脉冲垂直入射的情景下，线缆的耦合电压特性。应当注意的是，实际应用中，应使机箱远离电磁环境中短时间内幅值变化剧烈的干扰源。没有覆盖屏蔽层的线缆，应尽可能远离其他线缆及机箱的散热孔以降低耦合电压。如受限于机箱内部空间结构，则应当考虑设置屏蔽层以防护电磁干扰，从而提高电磁兼容性。