同轴线耦合强电磁脉冲特性及其防护措施的研究

2023-10-28李祥超欧阳文文巧莉陈勇伟

电瓷避雷器 2023年5期

李祥超,欧阳文,文巧莉,王兵,陈勇伟

(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044;2.甘肃省气象服务中心, 兰州 730020)

0 引言

强电磁脉冲产生的电磁场与传输线缆相互作用时,在传输线缆的内导体上会出现感应电流和电压,这些感应电压和电流可能破坏那些和线缆相连接的电子设备[1-3]。随着电子通信技术的迅速发展,大量的半导体器件和高度集成化电路被也越来越多应用于各类信息通信领域,这些系统元件对强电磁脉冲承受能力非常脆弱且其容易受到损伤。而本文所提的强电磁脉冲是指核电磁脉冲,而这种信号的强电磁脉冲有着幅度大,波形上升陡度高,作用范围广等特点[4-7]。它会对电子系统的正常工作构成了极大的威胁。因此,研究传输线耦合强电磁脉冲特性及其防护措施具有重要的实际意义。

针对传输线缆耦合强电磁脉冲的特性及其防护措施问题,国内外科研工作者进行了相关的研究。M.V.Ianoz采用格林函数计算出处在强电磁场辐射下架空线缆上任意位置处的响应电流[8]。D’Amore等人运用电路模型得到外界电磁场与屏蔽电缆之间的集总参数矩阵方程[9]。Michel Aguet等人则是采用传输线理论来计算芯线和屏蔽层上的响应电流[10]。而国内研究起步较晚,丁昱等人则利用FIT法研究核磁脉冲同轴线终端的耦合特性[11]。国防科技技术大学采用FDTD研究了在飞行状态下的导弹系统在核电磁下的场线耦合效应,分析了强电磁脉冲对不同线缆长度和线径大小的耦合特性[12]。黄聪顺等人采用数值模拟的方法研究了强电磁脉冲作用下传输电缆屏蔽层皮电流,并分析了屏蔽层皮上的感应电流大小与线缆长度、线缆两端是否接地以及入射场方向的关系[13]。詹铁坚等人设计了一种非线性滤波器并通过仿真分析其抑制核电磁脉冲的效果[14]。柳光福等人设计了一种不加瞬变保护器件的EMI滤波器任对核电磁脉冲具有很好的抑制效果[15]。王丽等人通过网络理论设计分析滤波电路从而建立滤波器插入损耗仿真模型设计EMI电源滤波器,再通过实测验证抑制效果[16]。以上学者对传输线耦合强电磁脉冲特性和防护措施的研究大多数采用数值计算和仿真的方法,缺少构建场线耦合的试验模型的方式直接去验证,同时对于信号线缆后端的电磁脉冲防护研究甚少。

鉴于此,笔者采用实验验证的方式研究了同轴线在强电磁脉冲下的耦合电压峰值、能量大小以及频谱分布,并设计一种针对同轴线终端防护装置,并且通过ADS仿真软件设计合适的防护电路性能参数能够泄放同轴线中的大部分耦合能量以及抑制其耦合电压峰值。最后用实物电路进行试验,验证其防护性能的好坏。

1 强电磁脉冲的耦合途径及损伤形式

目前,随着电子通信系统的不断普及, 强电磁脉冲对于通信系统的威胁越来越凸显。强电磁脉冲对于电子通信系统主要耦合方式见图1,主要分为通过天线的前门耦合,通过线缆和孔缝的后门耦合[17-19]。对于后门耦合而言,线缆耦合对于强电磁脉冲对于电子通信系统产生耦合的关键要素。本研究主要是针对具体的线缆—同轴线的耦合。

图1 强电磁脉冲3种耦合途径

同轴线主要是由金属芯线、屏蔽层、绝缘层构成。将同轴线的耦合问题简化成如图2所示的电路耦合模型,当受到强电磁脉冲的辐射时,首先由屏蔽层产生感应电压并与大地形成一个完整的回路,这样极大的减少了对芯线的干扰。而此时芯线通过转移阻抗Z与外回路系统相联系,芯线上也会产生耦合电流[20-22]。

图2 同轴线的场线电路耦合模型

图3 有界波模拟器的典型结构图

当强电磁脉冲耦合到线缆上时,主要以两种形式来破坏后端设备。一种是在线缆上产生感应过电压和感应过电流,另一种就是强电磁脉冲的耦合能量,它可能会造成一些较敏感的器件的永久性失效。表1是一些常用的元器件损伤阈值。

表1 一些常用元器件的损伤阈值

通过对同轴线场线电路耦合模型的建立对接下来的试验模型搭的建和方案的设计提供了思路,同时通过对强电磁脉冲的两种损伤形式的研究得到同轴线缆上耦合的电压峰值和能量是电磁脉冲防护的两个重要的关键因素。

2 试验分析

2.1 试验设备介绍

试验采用NP-EMP/BW2/23-100型电磁脉冲电场模拟系统模拟高空核爆炸源区外自由空间的辐射场环境。在电磁脉冲模拟系统工作区间,产生了较理想的单一平面波环境。这种强电磁脉冲模拟系统的特点就是把能量限制在传输线间的有限空间,即相当于一个垂直极化的有界波模拟器[23],其典型结构图见3。

最新的国际电工委员会标准IE C61000-2-9规定了高空核电磁脉冲波形为双指数函数,其解析式为

Ei(t)=E0k(e-at-e-bt)

(1)

其中:E0=5×104V/m为峰值电场强度,k=1.3为修正因子,a=4×106,b=6×108分别为上升沿和下降沿的相关参数。此模拟器模拟强电磁脉冲波形指标:上升沿的时间宽度为2.3±0.5 ns;半峰值时间宽度为23±5 ns[24]。但在实际环境中,用示波器测得的空间电场波形见图4,电场波形在由于实验场地过小的限制,这是因为电磁波在传输过程中在地面和墙面上发生折反射,入射场和反射场叠加所造成的。观察发现辐射的电场波形与标准波形基本吻合,对试验的影响较小。

图4 有界波模拟器的电场波形

2.2 试验方案

同轴线耦合试验结构图见图5,把一根4 m长的同轴线通过与垂直于地面的固定木架放置于有界波模拟器的工作空间内,由于工作空间内的电场方向垂直向下,同轴线耦合到的电场长度为0.5 m(此部分同轴线放置方向与电场方向都是垂直向下的)。试验采用的是SVY-75-3型同轴线,其特征阻抗为75 Ω,因此在同轴线的一端接75 Ω匹配负载,另一端连接设备所提供的屏蔽电缆后接入屏蔽箱内示波器时,需要通过40 dB的衰减器再连接Tektronix数字示波器来防止同轴线耦合的电压过大而损伤示波器。示波器的另一通道通过积分器连接置于工作空间的电场仪来测量工作空间中的电场大小。试验过程中,可以调节示波器上的输入阻抗为75 Ω,使同轴电缆测量终端阻抗设置为75 Ω。最后利用origin软件对试验数据进行分析,得到试验耦合到的电压波形,再对耦合电压波形和设备电场波形做傅里叶变化分析其频谱关系,因为电磁脉冲的干扰往往是通过线缆耦合到后端器件上从而造成损坏,因此还需计算线缆终端负载上耦合能量大小。本研究耦合试验的结果对线缆终端的防护设计是具有一定的参考价值。

图5 同轴线耦合试验结构图

2.3 同轴线终端耦合试验结果

改变示波器的输入阻抗为75 Ω使同轴线和示波器阻抗匹配,将3.9 m的同轴线垂直置于有界波模拟器的电场中,通过改变控制发生器的冲击电压的大小模拟在不同场强下同轴线终端耦合电压大小,图6为不同空间电场时耦合到的典型电压波形。观察得到在改变电场强度时线缆终端耦合到的电压大致呈现不断衰减的阻尼振荡波形,且电压衰减时间大约为1 μs,之后的波形呈平坦趋势。在空间电场为4 kV、9 kV和14 kV时耦合电压峰值分别为3.76 V、7.6 V和11 V。

图6 不同空间电场典型电压波形

为了从频域角度进行分析,对耦合电压时域波形进行傅里叶变化,得到图7所示不同空间电场时同轴线耦合电压频谱图,发现在不同空间电场下同轴线耦合电磁场的频率主要分布在0～100 MHz之间,说明强电磁脉冲的能量主要分布在0～100 MHz之间,在图(a)、(b)、(c)3种不同大小的情况下,0～50 MHz频段间都出现了多个能量峰值,其中最大的能量峰值集中在21 MHz左右,但次能量峰则分布在不同频率,在50 MHz～100 MHz频段间只出现了一个能量峰,且都集中在66 MHz之间。

图7 不同空间电场时波形频谱图

图8为对同轴线所在的工作空间施加不同强度的空间电场时耦合电压,从图中可知随着同轴线所在的空间电场的强度的增大发现线缆终端耦合电压也随之增大。为了更好的研究电场强度和电压的关系,将曲线进行拟合发现它们呈现线性关系,其关系式y=0.19+0.78x,其中x代表空间电场强度,y为线缆终端耦合电压峰值。高空爆炸的强电磁脉冲的强度往往可达50 kV/m,由于受到一些试验因素的影响,试验中的空间场强往往达不到真实环境那么大的强度,通过试验数据拟合关系式大概推算在空间场强达到50 kV/m时,同轴线终端耦合到的电压峰值可达到39 V。同轴线的屏蔽性能良好,但这个电压峰值仍然会对后端的一些敏感性器件造成不可逆转的损害。在通信系统中存在大量的半导体器件,这些器件的耐压程度往往很低,像常用砷化镓场效应管的击穿电压只有10 V左右[25-26],试验中同轴线耦合电压峰值远大于一些半导体器件的击穿电压,因此对同轴线后端防护是及其必要的。

图8 不同空间电场时同轴线耦合电压

同轴线作为一种最常见的信号传输线,后端往往连接一些敏感性元器件,而耦合能量往往是衡量器件损坏一个重要的参数指标,电磁脉冲的能量耦合会对通信系统的电子器件造成永久性损坏。器件自身都会存在能量损伤阈值,从表1中可知微波二极管的能量损伤阈值在10-8J～10-4J之间,而集成电路的能量损伤阈值在10-8J～10-2J之间。这里我们利用公式(2)对同轴线终端75 Ω的负载耦合的能量进行计算。

(2)

其中:U为同轴线终端耦合的电压,R为同轴线终端负载阻值,τ为耦合电压波形宽度[27-28]。

表2为在不同电场强度下终端接75 Ω的匹配阻抗时耦合到的能量大小。为了更好的观察能量趋势,绘制能量趋势图,见图9。由图表可知同轴线耦合能量时随着电场强度的增大是上升的趋势,电场强度大于7 kV/m时终端耦合能量已经达到一些微波二极管和集成电路的能量损伤阈值,会破坏这些器件和电路。以上的研究结果进一步证明对同轴线后端进行防护的必要性,同时也为后文中的防护电路的设计提供了思路。

表2 不同电场强度下耦合能量大小

图9 不同电场强度下能量趋势图

2.4 同轴线终端耦合防护

2.4.1 防护电路设计

针对同轴线缆的强电磁脉冲防护,首先考虑采用瞬态防护器件进行防护,而不同瞬态保护器件的响应时间、限压泄流能力也不同,因此只能根据实际的情况选择合适的器件。常用的瞬态保护器件主要有pin二极管组成的限幅器、气体放电管、瞬态抑制二极管(TVS管)、压敏电阻等。考虑到对同轴信号线电磁脉冲防护的复杂性,应采取瞬态防护器件和滤波稳态电路相结合的方法,实行多级防护,本研究设计的同轴线三级防护电路见图10。

图10 3级防护电路结构图

通过对常用的瞬态保护器件压敏电阻、气体放电管、TVS管等性能参数的分析与研究,同时也考虑到强电磁脉冲频率高能量大等特点,对于第一级防护器件的选择采用气体放电管,这样可以将耦合到的大部分能量泄放掉,以防止后端的稳态电路直接损坏,压敏电阻的结电容很大,会对同轴线传输的高频信号造成衰减,这种防护器件适合在对电源线的防护中,不适合对信号线的防护。而TVS管是一种二极管其耐压能力远低于气体放电管和压敏电阻,如果放在第一级防护时,在受到强电磁脉冲耦合时,耦合电流大于其通流量就会受到破坏。但TVS管响应时间在ps级,强电磁脉冲处于纳秒级别,有充足的响应时间,且TVS管可以将电压限制在一定范围内起到过电压保护作用,所以在这里选择用作第三级防护。而滤波器中含有电容和电感等耐压值低的元件,不能直接用来防护瞬时高功率的干扰信号。在这里将滤波器用作第二级稳态防护。

试验所用的同轴线一般用于视频信号传输,其传输带宽一般在0～10 MHz之间,因此,所设计的滤波器应滤掉大于10 MHz的干扰信号。此外,考虑不干扰正常信号在线缆上的传输和强电磁脉冲能量大等问题,应选择插入损耗小和承受能量高的滤波器。基于此,笔者所设计的滤波器选用3阶巴特沃斯型低通滤波器,这种滤波器与其他滤波器相比,其通带衰减特性平坦,性能良好。滤波器设计的具体思路是根据上文同轴线耦合强电磁脉冲的波形的峰值大小和频谱和能量大小来确定滤波器设计指标,一般要求设计的滤波器满足插入损耗≥-3 dB,回波损耗≤-10 dB。同时要求工作信号能正常通过滤波器,滤掉处于正常工作信号频率之外的信号。

最后结合设计指标,利用ADS仿真软件对滤波器进行设计,电路仿真原理图见图11。图12为滤波器s参数的仿真结果,设计滤波器的截止频率为10 MHz,从图中可见,频率在6.880 MHz时,其回波损耗为-10 dB;频率在10.04 MHz时,其插入损耗为-10 dB,基本满足设计指标。为了减少滤波器在信号线路中的插入损耗,将滤波器的特征阻抗设置为75 Ω。滤波器的阻抗仿真计算结果见图13,从图中看到滤波器的阻抗为实部加虚部大约在75 Ω左右,保证信号线与滤波器阻抗匹配,减少信号在传输过程中的折反射。

图12 滤波器的s参数的仿真结果Fig.12 Simulation results of s parameter of the filter

图13 滤波器的阻抗仿真计算结果

2.4.2 防护电路测试

将设计好的多级防护电路置于屏蔽箱中,同轴线通过防护电路再与示波器连接。示波器将显示同轴线终端加入防护电路耦合到的波形,见图14,在空间电场为14 kV/m时加防护电路后能把耦合电压控制在2.4 V左右,观察防护前后的耦合波形发现,防护后耦合电压波形的衰减时间要小于防护前耦合到的电压波形。图15为防护前后耦合电压峰值的对比图,在加防护前耦合电压基本与施加的空间电场强度呈线性关系。当加入防护后,发现随空间电场强度的增大,耦合电压峰值还是有着缓慢增大的趋势,但耦合电压峰值基本稳定在3 V左右。

图14 防护前后耦合波形对比图

图15 防护前后耦合电压峰值对比图

通过式(2)能量计算公式对不同电场强度下经过防护后的同轴线终端示波器采集的数据进行处理,得到图16所示的防护前后的能量对比图,由图可知在防护前同轴线终端耦合到的能量随着电场强度的升高处于上升的趋势,当电场强度超过5 kV/m时,耦合能量可达到10-8量级及以上,但加入防护电路之后,耦合的能量基本维持在10-9量级,达不到大多数集成电路和器件的损伤阈值,这将会对同轴线后端电路形成一个较好的保护效果。