电磁脉冲下电缆耦合及屏蔽效能试验浅析

王 彦，冯柏润，孙海航，张 文

(沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁沈阳，110144)

1 引言

随着科技的发展，研究人员发现：雷电与核爆炸均可产生电磁脉冲(Electromagnetic Pulse)。电磁脉冲所携带的电磁场具有高强度，快瞬时等特点，极易被电子系统接收，从而产生不利影响。生活中的雷电现象产生的脉冲就是电磁脉冲中的一种，对于雷电磁脉冲的研究相对较早，并早已制定了明确的标准要求，防护措施已较为成熟。科研人员的目光投向核爆炸产生的副产品--核电磁脉冲(Nuclear Electromagnetic Pulse)(以下简称电磁脉冲)，它具有比雷电磁脉冲更强的破坏能力，所以更加受关注。上个世纪六十年代，美国在距离夏威夷群岛1300km处爆炸了一颗核装置，使夏威夷群岛上大量路灯烧毁，大量防盗报警装置无端报警，许多电力线路发生断路跳闸。除此之外，它还能使处于影响范围内的无人机跌落，使正在运行的汽车发动机熄火。高空核爆产生的电磁脉冲有如此威力，一旦作用在城市之中，银行的电子金融系统、运营商的通信系统及我们每个人的终端设备都不能幸免，将会给我们日常生活带来极大不便。

2 电磁脉冲耦合路径分析

为了避免敏感的系统受到威胁，需要分析电磁脉冲的耦合路径。电磁脉冲可以通过系统的接收天线感应到系统内部，沿着设计路线汇聚电磁能量，这种方式称为"前门耦合"；另一方面，透过壳体孔缝或互连线缆进入系统称为"后门耦合"。后门耦合中通过线缆的天线效应接收能量的方式称为电磁场到线缆的耦合(简称"场线耦合")。

线缆耦合：一个系统内必然存在不止一个模块，各个模块未必在同一个机械结构的屏蔽之下。不同模块之间电源、控制和信号的传递大部分依靠线缆完成。线缆往往比较长，而且暴露在空气中。电磁脉冲辐照时，线缆通过天线效应接收电磁波，尤其当线缆长度和电磁波波长可比拟时，耦合尤为严重。图1是线缆遭受脉冲辐射的示意图。

图1 模块间互连线缆遭受电磁脉冲辐射示意图

线缆在系统互连中被大量使用。处在电磁脉冲打击范围内，互连线缆会耦合大量电磁能量，并将其传导到工作电路中，对工作电路产生毁伤效应。高密度的MOS芯片靠极窄的内部"芯线"来连接稠密的部件，当遇到了超过十倍的设计电压它将永久损坏。测试表明10kV/m的脉冲就足以引起广泛的破坏，感应电荷的能量比系统设计的要大10亿倍。这不仅能烧坏器件，某些情况下可以将关键部件熔化。因此，未加固的计算机数据处理系统，通讯系统、显示器、信号处理器、导航设备等都容易受到电磁脉冲毁伤。

熟知不同脉冲对电子设备的耦合量以及该设备所要求的防护级，才能选择合理的加固措施及恰当的防护器件。当电磁脉冲作用在线缆上时，线缆通过天线效应接收电磁波，尤其当线缆长度和电磁波波长可比拟时，耦合尤为严重,可以耦合到百安甚至千安的电流到导线芯线上，普通设备根本无法耐受，而且不同的工况所得的耦合量也不尽相同。所以确切地把握场线耦合规律是合理加固设计的前提。

图2 被损伤的电路板

3 电磁脉冲波形及能量分布

电磁场影响电气电子系统途径有两个：

1)通过导线耦合形成感应电流，该电流经过导线进入电气电子设备，即传导耦合，一般情况下，最大感应电流出现在导线尺寸为电磁波波长的1/4或者1/2时。在较高的频率上，耦合会以波长的平方成正比例降低。

2) 随着频率继续增大，电磁波在电缆上的损耗增大，主要的耦合路径由线缆传导变为在壳体、连接器、导线接口孔隙上的透射，即辐照耦合。

以此考虑外界电磁环境的影响，包括电磁脉冲EMP、雷电磁脉冲LEMP、高强辐射场HIRF，在10KHz～400MHz需要考虑传导耦合，在100MHz～40GHz需要考虑辐照耦合(100MHz～400MHz为重叠区)。

电磁脉冲特征参考GJB1389A-2005和GJB151B-2013的相关规定，具体见图3。

极限值峰值场强为50000V/m、前沿2.5ns、0.1倍场强值宽度小于75ns干扰

其波形表达式为：E(t)=kE0(e-at-e-βt)，其中：k=1.3，E0=50kV/m，a=4×107s-1，β=6×108s-1。根据电磁脉冲的形成机理，电磁脉冲从时间上分为E1、E2和E3 共三个阶段，不同阶段的波形不尽相同。而E1阶段由于上升沿最为陡峭，故所含高频分量最丰富，可以耦合到低频(30kHz～300kHz)、中频(0.3MHz～3MHz)、高频(3MHz～30MHz)和甚高频(30MHz～300MHz)等波段的电子通信设备中。核电磁脉冲能量分布见表1。

表1 核电磁脉冲能量占比表

由上表可见，电磁脉冲的主要能量分布在100MHz频段以下。

4 电缆在电磁脉冲作用下的耦合特性趋势分析

在实际中，系统互连所用线缆的长度、架设高度、线缆半径均易变化，外界瞬态电磁场的入射角也因环境而定，这些因素都会决定耦合电流的大小。如果能把握其中变化规律，那么实际系统使用中就能规避风险。

为了探究单根导体在电磁脉冲辐照下不同参数的响应规律，选取高空核电磁脉冲E1阶段的波形作为激励。采用传输线法通过仿真软件对线缆不同长度、同架设高度、线缆半径、入射角对产生耦合电流的影响进行仿真分析。

线缆不同长度对耦合电流的影响，线缆离地高度、线缆半径、两端负载阻抗、极化角、入射角、方位角条件不变时。得到线长与电流峰值的关系，线缆长度在0.1m～6m范围内，耦合量随线长增加而增加。

线缆不同架设高度对耦合电流的影响，在其它条件不变，计算不同高度下的耦合电流峰值，线缆高度在0.25m～8m区间时，耦合电流随高度的增大而增大。

线缆半径对耦合电流的影响，在其它条件不变，计算线缆终端处的耦合电流值，线缆半径在0.5mm～7.5mm 范围内，随着线缆半径增大，耦合电流峰值随之增大。

入射角对耦合电流的影响，在其它条件不变，计算线缆终端处的耦合电流值，入射角在π/6～π/2范围内，随着入射角增大，耦合电流逐渐上升。

5 转移阻抗测试

在实际应用过程中线缆种类繁多，同时还有不同电缆与不同屏蔽套组合使用情况，由于屏蔽层模型复杂(尤其是编织型屏蔽层)，实际使用中的屏蔽层形状未必高度规则，而且建模时不能把所有实际因素均考虑在内，所以解析计算得到的值与实际情况会存在偏差。在结果要求严格的场合，就要进行实际测量。

表面转移阻抗是评价屏蔽层屏蔽效能的重要参数，三同轴法测量屏蔽层表面转移阻抗，已广泛应用在航空电缆屏蔽层和线束屏蔽层电磁兼容测试中。目前使用较多也较成熟的标准是IEC62453-4-3-2013。三同轴法将影响影响屏蔽层性能的电磁场用等效的表面电流和表面电荷代替，使用三同轴装置构建外回路。三同轴法将复杂的电磁感应机理转化为电路参数，测试结果可重复性好。IEC62453-4-3-2013标准中规定了三种测试方法，对比三种测试方法，方法B可测试频段(70MHz)略小于方法A(160MHz),但其工程操作简单，不易引入测试误差，测试出的数据更准确。

另测得转移阻抗后可通过公式SE=20*log10[(Z1+Z2)/Zt*L]，推到出屏蔽效能。由公式可知，已知转移阻抗Zt后，需要了解实际使用导线长度L和导线端接电阻Z1、Z2，可计算屏蔽效能。转移阻抗越小，屏蔽效能越好。

选取部分典型导线及屏蔽套采用IEC62453-4-3-2013《金属通信电缆试验方法。电磁兼容性(EMC)表面转移阻抗.三轴法》进行转移阻抗测试,针对导线情况组成对比组分别为1与6、2与7、3与8、4与9、5与10、11与22、12与14、18与23不同屏蔽导线与增加同种防波套后进行对比，了解屏蔽(或同轴导线)与增加防波套后差别；2与3、4与5分别对比50Ω和75Ω两种近似同轴线转移阻抗差异；15、16、17、18、23对比4种防波套适配单芯屏蔽导线的区别；19、20、21、24对比4种防波套适配单芯导线的区别，即四种防波套屏蔽能力区别；11、13、22、25对比相同屏蔽导线增加防波套及不同接地形式的区别。通过以上形式可了解屏蔽导线(或同轴导线)自身与增加防波套后屏蔽能力，不同防波套的屏蔽能力以及实际使用时不同屏蔽处理屏蔽能力区别。

表2 典型导线及防波套分组及长度要求表

各分类组合导线的转移阻抗测试结果见图。

图8 转移阻抗测试结果图

6 测试结果分析

由测试结果可知：

1)屏蔽导线(或射频导线)增加防波套屏蔽能力加强，原屏蔽导线屏蔽效果好的导线，即使自身在低频段(1MHz以下)不加防波套屏蔽效果好，但高于1MHz以后，增加防波套后屏蔽效果明显变好趋势。在屏蔽导线自身屏蔽能力满足需求时可不增加屏蔽，但在实际使用或测试时发现导线自身屏蔽能力不能满足屏蔽需求时，可增加防波套进行防护。

2)屏蔽端接方式对比，屏蔽单端浮地和屏蔽双端浮地几乎无区别。屏蔽导线(双层屏蔽，屏蔽效果好)时，如采用以上两种形式增加防波套来提升屏蔽能力与不采用差异不大。另经实际测试，仅仅为提升导线屏蔽能力，当双层屏蔽间有绝缘隔离时，最外层屏蔽两端接地效果最好，但仅为增加屏蔽效果再多增加屏蔽层，屏蔽效果增加不明显。

3) 防波套对比，对比四种防波套屏蔽能力，其中混编防波套屏蔽效果较差，如采用屏蔽导线可不使用该防波套，L-1防波套效果最好，R-1与T-1效果近似，屏蔽效果比L-1略差，由此可见，虽然厂家给出屏蔽护套信息完全一致，但屏蔽护套转移阻抗值仍不同，应与屏蔽护套编制工艺有关。