李新峰，魏光輝，潘曉東

（軍械工程學(xué)院強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境模擬與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050003）

終端負(fù)載對(duì)同軸電纜超寬帶輻照效應(yīng)的影響

李新峰，魏光輝，潘曉東

（軍械工程學(xué)院強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境模擬與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050003）

為研究同軸電纜對(duì)超寬帶高功率微波的電磁耦合特性及其對(duì)終端電氣設(shè)備的影響，將同軸電纜終端連接設(shè)備等效為集總負(fù)載，構(gòu)建了超寬帶輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了同軸電纜耦合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了不同終端負(fù)載條件下同軸電纜終端負(fù)載耦合響應(yīng)電壓變化規(guī)律，并分析了同軸電纜電磁耦合機(jī)理，研究結(jié)果表明：終端負(fù)載響應(yīng)電壓波形的振蕩周期及耦合響應(yīng)頻率點(diǎn)只與同軸電纜特性有關(guān)，與終端負(fù)載情況無(wú)關(guān)；終端負(fù)載變化對(duì)終端負(fù)載耦合響應(yīng)電壓有較大影響。

同軸電纜；超寬帶高功率微波；屏蔽室；終端負(fù)載；耦合電壓

當(dāng)電纜受到外界電磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，就會(huì)成為外界電磁能量的“收集器”并將這些電磁能傳遞到與電纜相接的終端電氣設(shè)備或系統(tǒng)中，使其中電路產(chǎn)生干擾甚至損壞［1］。因此必須深入進(jìn)行高功率微波對(duì)同軸電纜的耦合效應(yīng)研究，以便采取相應(yīng)的措施減少同軸電纜引入的電磁脈沖能量［2］。目前，研究學(xué)者對(duì)電纜電磁耦合效應(yīng)的研究主要運(yùn)用傳輸線方法、時(shí)域有限差分法（FDTD方法）等方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及仿真究，，且對(duì)象主要是高空核電磁脈沖（HEMP）、高斯脈沖（Gaussian pulse）、靜電放電脈沖（ESD）等［3－5］，對(duì)于超寬帶高功率微波（UWS-HPM）的研究卻比較少，且其系統(tǒng)性不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐不夠。目前超寬帶脈沖峰值功率可達(dá)100 GW，峰值電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)幾百k V／m，重復(fù)頻率可達(dá)1 MHz［6－7］。UWS-HPM 脈寬窄，上升沿陡（＜1 ns），頻帶寬（100 MHz～50 GHz），所含頻譜極其豐富，對(duì)同軸電纜端接設(shè)備的威脅更大。

為研究同軸電纜的超寬帶耦合效應(yīng)特性及對(duì)終端設(shè)備的影響，設(shè)計(jì)了同軸電纜耦合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建了超寬帶輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了不同終端負(fù)載條件下同軸電纜對(duì)超寬帶輻照的耦合規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)電氣設(shè)備抗電磁干擾具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 超寬帶電磁脈沖產(chǎn)生原理分析

實(shí)驗(yàn)裝置選用強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境模擬與防護(hù)技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室GW級(jí)超寬帶電磁脈沖輻射系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要有3部分組成：緊湊Tesla型初級(jí)脈沖功率源，Peaking-chopping型高功率超寬帶亞納秒脈沖產(chǎn)生器和拋物反射面超寬帶輻射天線。圖1為超寬帶電磁脈沖輻射場(chǎng)測(cè)試波形及其頻譜圖?？芍渲髅}沖為雙指數(shù)微分脈沖函數(shù)形式［2］：

其中E0為脈沖幅度，為常數(shù)。由圖1（b）可知，超寬帶的頻譜出現(xiàn)了許多尖峰值，且大部分能量都集中在2 GHz之前，且主要在500 MHz附近出現(xiàn)了許多較大的電場(chǎng)分量。

圖1 超寬帶電磁脈沖輻射場(chǎng)波形及其頻譜圖

1.2 同軸電纜耦合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，在同軸電纜兩端用屏蔽室和屏蔽盒進(jìn)行屏蔽，防止輻射源對(duì)終端負(fù)載直接進(jìn)行輻照。為減少屏蔽室金屬墻體對(duì)輻射電磁波的反射作用，在屏蔽室面向電磁波的入射方向放置吸波墻，減小對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。同軸電纜外皮分別與屏蔽室和屏蔽盒的殼體進(jìn)行連接，屏蔽盒大小為40 cm×40 cm×40 cm正方體，外殼采用金屬材料。屏蔽盒內(nèi)部配置50Ω射頻終端匹配負(fù)載，屏蔽盒內(nèi)放置吸波材料，以免電磁波在內(nèi)部產(chǎn)生諧振作用。同軸電纜終端響應(yīng)電壓測(cè)試在移動(dòng)式屏蔽室內(nèi)完成。在屏蔽室內(nèi)部，示波器直接與屏蔽室接口板連接，示波器的輸入阻抗（50Ω／1 MΩ）作為同軸電纜的終端負(fù)載。

圖2 超寬帶輻照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 輻射場(chǎng)強(qiáng)一致性研究

實(shí)驗(yàn)前首先使用TEM接收天線進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)距離標(biāo)定，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到UWB-HPM輻射場(chǎng)強(qiáng)與天線的關(guān)系接近反比，如圖3所示，擬合度為99.2%，擬合方程為

式中：Epp為輻射場(chǎng)強(qiáng)峰峰值；x為天線距離UWB輻射源的位置。

圖3 UWS-HPM輻射場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化關(guān)系曲線

為考察同一距離處輻射場(chǎng)強(qiáng)E的一致性，在一組標(biāo)定中，由式（3）和式（4）可知樣本為10的測(cè)量波形最大值的均值為42.8 KV／m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.917 6 k V／m，說(shuō)明輻射場(chǎng)一致性較好。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

假定測(cè)試平臺(tái)屏蔽室端為受試同軸電纜的1端口，屏蔽盒端為受試同軸電纜的2端口，實(shí)驗(yàn)一：研究超寬帶輻照條件下2端口負(fù)載匹配1端口終端負(fù)載變化，對(duì)1端口響應(yīng)電壓的影響；實(shí)驗(yàn)二：研究同軸電纜1端口負(fù)載匹配時(shí)，2端口負(fù)載變化，對(duì)1端口響應(yīng)電壓的影響。同軸電纜采用TPC公司type88型2 m長(zhǎng)同軸電纜，其特性阻抗為50Ω。同軸電纜與超寬帶電場(chǎng)極化夾角為600，屏蔽室單點(diǎn)接地。

3.1 1 端口負(fù)載變化對(duì)1端口響應(yīng)電壓的影響

采用阻值為25，50，150Ω的通過(guò)式負(fù)載，連接示波器（輸入阻抗50Ω或者1 MΩ）進(jìn)行測(cè)試，則1端口負(fù)載分別為16.7，25，50，150Ω，1 MΩ，2端口始終為50Ω射頻負(fù)載。由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果中只是響應(yīng)電壓峰值的變化，此處只給出1端口為50Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形及頻譜如圖5所示，16.7，25，50，150Ω，1 MΩ終端負(fù)載耦合電壓分別為4，4.2，7.4，8.6，8.9 m V，振蕩周期均為13.3 ns。

圖4 1端口負(fù)載為50Ω條件下1端口響應(yīng)波形及頻譜圖

從理論上分析，當(dāng)同軸電纜受外部電磁波輻照時(shí)，沿同軸電纜方向的電場(chǎng)分量在電纜屏蔽層感應(yīng)出電流，感應(yīng)電流通過(guò)同軸電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納而耦合到同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體上，在終端負(fù)載上形成電壓降，屏蔽層感應(yīng)電流由于諧振的作用形成駐波而增強(qiáng)，從而在電纜終端負(fù)載上形成了峰值感應(yīng)電壓。由圖4（a）可以看到，終端負(fù)載感應(yīng)電壓波形有時(shí)延且為衰減振蕩波，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于導(dǎo)線上感應(yīng)電流流動(dòng)導(dǎo)致電荷積累，電荷積累形成的場(chǎng)又引起電壓這樣一個(gè)循環(huán)過(guò)程，同時(shí)伴著場(chǎng)的輻射。其衰減振蕩周期為同軸電纜感應(yīng)皮電流在電纜長(zhǎng)度上流動(dòng)一周的時(shí)間，即T＝2l／c，其中l(wèi)為受試電纜長(zhǎng)度，此處為2 m，c為電磁波在自由空間的傳播速度。通過(guò)計(jì)算可知其周期為T(mén)＝13.3 ns，且1端口負(fù)載變化不影響1端口耦合響應(yīng)電壓波形振蕩周期。終端負(fù)載電阻上的脈沖電壓的最大值隨電阻的大小而變化，這種變化是非線性變化，即在1端口終端負(fù)載電阻較小時(shí)，隨著負(fù)載電阻的增大，終端響應(yīng)電壓也隨之增大，當(dāng)終端負(fù)載電阻較大時(shí)，終端響應(yīng)電壓增大速度明顯變慢。

從圖4（b）耦合響應(yīng)電壓的頻譜看出，在低頻段附近，同軸電纜響應(yīng)值較小，在較高頻率處才出現(xiàn)響應(yīng)峰值，這個(gè)頻率就是電纜長(zhǎng)度的諧振頻率。對(duì)于2 m長(zhǎng)同軸電纜其諧振頻率為f1＝75 MHz，f2＝150 MHz，這與連續(xù)波輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相同，即受試電纜終端響應(yīng)的峰值出現(xiàn)在電纜相對(duì)長(zhǎng)度為1／2整數(shù)倍的頻點(diǎn)，ξ＝l／λ＝n／2（n＝1，2，…）。

3.2 2 端口負(fù)載變化對(duì)1端口響應(yīng)電壓的影響

在屏蔽盒端分別選擇短路及25，50，150Ω情況，屏蔽室內(nèi)接電阻為50Ω示波器，即屏蔽室端電阻與電纜特性阻抗匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中只是響應(yīng)電壓峰值的變化，此處只給出2端口為開(kāi)路時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形及頻譜如圖5所示，短路，25，50，150Ω終端負(fù)載耦合電壓分別為18，6，7.4，7.2 m V，振蕩周期均為13.3 ns。

分析可知不論2端口負(fù)載怎么變化，1端口負(fù)載響應(yīng)電壓均為衰減振蕩波形，且其振蕩周期不變，均為T(mén)＝13.3 ns。當(dāng)2端口負(fù)載為開(kāi)路時(shí)，1端口響應(yīng)電壓峰值變化較大，在2端口電阻在25～150Ω期間響應(yīng)電壓數(shù)值變化不大，因此在工程實(shí)踐中應(yīng)盡量避免電纜一端設(shè)備短路情況發(fā)生。2端口負(fù)載變化只對(duì)1端口響應(yīng)電壓產(chǎn)生影響，而不影響電壓波形振蕩周期，因?yàn)檎袷幹芷谂c終端負(fù)載情況無(wú)關(guān)，只與受試電纜長(zhǎng)度有關(guān)。從圖5（b）得出，超寬帶輻照條件下，同軸電纜終端耦合響應(yīng)電壓為多頻響應(yīng)信號(hào)，這是因?yàn)槌瑢拵П旧眍l譜成分豐富，耦合響應(yīng)頻率點(diǎn)在上面我們已經(jīng)研究過(guò)，受試電纜終端響應(yīng)的峰值仍出現(xiàn)在電纜相對(duì)長(zhǎng)度為1／2整數(shù)倍的頻點(diǎn)。

圖5 2端口開(kāi)路條件下1端口響應(yīng)波形及頻譜圖

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析得到了終端負(fù)載變化時(shí)同軸電纜對(duì)超寬帶高功率微波的耦合特性，研究結(jié)果表明：終端負(fù)載耦合響應(yīng)電壓的波形振蕩周期及耦合頻率響應(yīng)點(diǎn)只與同住電纜本身長(zhǎng)度有關(guān)，與終端負(fù)載情況無(wú)關(guān)，其中振蕩周期為T(mén)＝2l／c，耦合頻率點(diǎn)為ξ＝l／λ＝n／2（n＝1，2，…）處，對(duì)于2 m電纜其主要頻率響應(yīng)點(diǎn)為75 MHz；當(dāng)2端口負(fù)載匹配，隨著1端口終端負(fù)載的增大，1端口負(fù)載響應(yīng)電壓峰值變大，當(dāng)負(fù)載電阻較大時(shí)，終端響應(yīng)電壓增大速度變慢。當(dāng)1端口負(fù)載匹配，2端口短路時(shí)，1端口終端響應(yīng)電壓峰值最大，25～150Ω期間情況下峰值變化不大。

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1008-1542（2011）07-0187-04

2011-06-20；責(zé)任編輯:張 軍

國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目（6131380301）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61040003）

李新峰（1987-），男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事電磁防護(hù)理論與技術(shù)方面的研究。