李新峰 魏光輝 潘曉東 李 凱 孫肖寧

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊050003）

引 言

電子設(shè)備所面臨的電磁環(huán)境日益復(fù)雜和惡劣［1］，同時微電子技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致電子部件及電路的工作頻率不斷提高、工作電壓卻逐漸降低［2］.這些因素均對電子設(shè)備的安全性和可靠性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［3］.由于信號傳輸、顯示及通風(fēng)散熱等的需要，電子設(shè)備機箱不可避免地開有孔縫，若孔縫中有導(dǎo)線穿過，導(dǎo)線引入的電磁能量將影響內(nèi)部敏感電路的正常工作［4］.因此，有必要對金屬腔體加載貫通導(dǎo)線后的電磁耦合特性開展研究.

文獻［5］采用傳輸線法建立了短貫通導(dǎo)線的電磁耦合等效電路模型，但該方法限定于導(dǎo)線與腔體相連接且腔體為矩形腔體的情形；文獻［6］運用快速多級子算法對貫通導(dǎo)線長度為輻射頻率半波長時腔內(nèi)屏蔽效能進行了研究，其導(dǎo)線末端未連接電路；Syarfa對帶有孔縫及貫通導(dǎo)線的金屬腔體的屏蔽效能進行了研究［7-8］；國內(nèi)有關(guān)人員主要采用時域有限差分（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）法對電磁脈沖輻射條件下貫通導(dǎo)線端接電路電流耦合響應(yīng)進行了數(shù)值建模分析［9-11］.文獻［12］運用瞬態(tài)電磁拓撲理論與Spice軟件的混合方法對貫通導(dǎo)線內(nèi)部電路的電磁脈沖響應(yīng)開展了研究.分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外已有文獻主要是采用數(shù)值計算方法從時域角度對電磁脈沖輻射條件下導(dǎo)體貫通腔體內(nèi)部連接電路響應(yīng)進行了研究，而關(guān)于貫通導(dǎo)線連接電路后腔體內(nèi)部的電磁耦合方面的研究文獻較少.

針對上述問題，采用時域有限積分（Finite Integration Time Domain，F(xiàn)IT）算法建立了金屬腔體含貫通導(dǎo)線及負載時的電磁耦合計算模型，對平面波輻射條件下貫通導(dǎo)線端接電路對金屬腔體內(nèi)部的電磁耦合進行了研究，分析了電路負載、電路連接方式等參數(shù)對腔體內(nèi)部屏蔽效能的影響，提出了基于吉赫橫電磁波傳輸室（Gigaherz Transverse Electromagnetic cell，GTEM室）構(gòu)建實驗平臺的測試方法，對數(shù)值計算結(jié)果進行了實驗驗證.

1 數(shù)值計算模型

在工程實踐中，腔內(nèi)貫通導(dǎo)線端接電路比較復(fù)雜，可以為簡單電阻或電容負載電路，也有可能為印制電路板等復(fù)雜的集成電路，由于集成電路布局、電路構(gòu)成及芯片等原因的影響分析較為困難，這里僅對常見的電阻或電容負載進行分析.

FIT方法采用變步長矩形結(jié)合三角亞元技術(shù)，在計算過程中不需對矩陣求逆，計算所需的時間更少，對內(nèi)存耗費更小.選用基于FIT方法的電磁數(shù)值計算軟件CST建立的計算模型如圖1所示，原點O坐標(biāo)為（0，0，0），金屬腔體尺寸為40cm×40cm×40cm，壁厚0.2cm，在腔體壁中心位置開有半徑r1為1cm的圓孔，貫通導(dǎo)線總長度P1P3為100 cm，半徑r2為0.1cm，其中金屬腔體外部P1P2長度為80cm，內(nèi)部P2P3長度為20cm，貫通導(dǎo)線終端P3處連接負載阻抗Z，在點A（25，20，20）處放置電場探頭測試其屏蔽效能，入射平面電磁波垂直于貫通導(dǎo)線，電場與貫通導(dǎo)線方向平行，頻率范圍為50～550MHz.

圖1 貫通導(dǎo)線端接電路電磁耦合模型

腔體諧振頻率的計算公式［13］為

式中：a、b、d分別為金屬腔體的長、寬、高；i、j、k為諧振波的模；c為光速.腔體的最低諧振頻率f110＝約為530.3MHz.通過改變貫通導(dǎo)線端接電路的連接方式和負載阻抗等參數(shù)設(shè)置分析貫通導(dǎo)線端接電路對金屬腔體耦合的影響.

2 貫通導(dǎo)線端接負載對腔體的影響分析

為系統(tǒng)研究貫通導(dǎo)線端接負載Z對腔體內(nèi)部耦合的影響，在端接電路Z為純電阻及電容兩種條件下，對電路與箱體及地面的連接方式、不同負載等因素進行分析，其中電路與箱體及地面的連接方式分以下四種情況：電路不接箱體且箱體不接地、電路接箱體箱體不接地、電路不接箱體箱體接地、電路接箱體且箱體接地.

2.1 端接負載為純電阻

2.1.1 接地方式影響

為分析負載Z為純電阻時，四種不同連接方式對腔體內(nèi)場的影響，選定負載Z為100Ω.測試點A（25，20，20）處的屏蔽效能曲線如圖2所示.

圖2 負載為100Ω時不同連接方式的屏蔽效能

從圖2曲線可知，在50～550MHz頻率范圍內(nèi)，四種接地方式情形下屏蔽效能最小值分別為-18.71、-10.87、-17.6、-9.76dB.對比分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)箱體不接地時，電路連接箱體使屏蔽效能最小值增加約8dB，這是由于連接箱體后，貫通導(dǎo)線耦合電流通過箱體向外輻射出電磁能量，導(dǎo)致屏蔽效能增加；箱體接地時，電路連接箱體使貫通導(dǎo)線耦合電流泄放到大地，腔體內(nèi)部場強減弱，屏蔽效能最小值增加；電路不接箱體時，箱體接地導(dǎo)致屏蔽效能最小值增加，這是由于腔體內(nèi)部場是由電磁波通過孔縫進入腔體的入射場、貫通導(dǎo)線引入的輻射場及電磁場作用于開孔腔體的散射場三部分組成，當(dāng)箱體接地后，腔體表面感應(yīng)電流進入地面，使內(nèi)部場減弱，屏蔽效能值增加；電路接箱體，箱體接地后使貫通導(dǎo)線耦合電流進入大地，導(dǎo)致屏蔽效能最小值增加.

因此可得，負載為純電阻時，負載連接箱體或箱體接地均能使腔體內(nèi)部屏蔽效能最小值變大，即電磁耦合減弱.從諧振頻率來說，連接箱體使諧振頻率增加且在100MHz以下出現(xiàn)諧振，但是對腔體自身的諧振頻率530.3MHz附近的影響不大，這是由于接地線和腔體參與了貫通導(dǎo)線的諧振引起的.

2.1.2 不同電阻值影響

為分析負載阻值對腔體內(nèi)部場影響，在負載連接箱體箱體接地條件下，選定負載Z分別為50、100、200、400、800、106Ω.測試點A（25，20，20）處的屏蔽效能曲線如圖3所示.

圖3 不同電阻時的屏蔽效能

從圖3中可以看出，隨著端接電阻值的增加，屏蔽效能最小值先增大，這是因為在貫通導(dǎo)線耦合電流不變情況下，電阻值增大，導(dǎo)致電阻消耗能量增加，使屏蔽效能增加，而后隨著端接電阻值的增加，屏蔽效能最小值減小，當(dāng)電阻值增大到106Ω時，屏蔽效能值最小，由傳輸線反射系數(shù)Γ＝Zl-Z0／Zl＋Z0，其中Z0為傳輸線特性阻抗，Zl為負載阻抗，當(dāng)Zl即電阻Z值為106Ω時，反射系數(shù)約等于1，此時出現(xiàn)駐波狀態(tài).

2.2 端接負載為容性阻抗

2.2.1 接地方式影響

為分析負載為容性阻抗時，不同連接方式對腔體內(nèi)場的影響，選定負載Z為100Ω，電容為1.3 pF.測試點A處的屏蔽效能曲線如圖4所示.

圖4 負載為100Ω和電容1.3pF時不同連接方式的屏蔽效能

采用與2.1.1相同的分析方法發(fā)現(xiàn)：當(dāng)箱體不接地時，由于電路連接箱體后使屏蔽效能最小值增加約0.51dB；箱體接地，電路連接箱體后，貫通導(dǎo)線耦合電流泄放到大地，屏蔽效能最小值增加；電路不接箱體，箱體接地使表面感應(yīng)電流進入地面，屏蔽效能最小值增加；電路接箱體，金屬腔體接地后導(dǎo)致屏蔽效能最小值增加.因此可以得到，電路連接箱體或接地箱體均均能使內(nèi)部屏蔽效能最小值增加.同樣，由于連接箱體后，接地線和箱體參與了貫通導(dǎo)線的諧振使諧振頻率改變.

2.2.2 不同電容值影響

在端接電路接箱體且箱體接地條件下，電阻值為100Ω，分別選擇0.13、1.3、13pF三個不同電容，結(jié)果如圖5所示.

圖5 端接不同電容的屏蔽效能

對比分析圖5中三個不同電容值條件下的屏蔽效能曲線發(fā)現(xiàn)：在370MHz頻率以上，三者曲線變化不大，這是因為此時三個電容均呈現(xiàn)短路特性所造成的；隨著電容值的增大，屏蔽效能最小值增大，這是因為電容值增大，負載消耗能量隨之增加.

2.3 純電阻與電阻加電容對比分析

選定純電阻Z為100Ω，加電容值為1.3pF，分別在貫通導(dǎo)線端接電路不接箱體箱體不接地及電路接箱體箱體接地兩種條件下，分析其屏蔽效能變化，結(jié)果如圖6、7所示.

圖6 端接電路不接箱體箱體不接地時電容影響

圖6中，對比分析兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)：100Ω純電阻負載與100Ω加1.3pF在325MHz頻率以下，兩者的屏蔽效能曲線基本一致，這是由在低頻條件下電容呈現(xiàn)開路特性所造成的；當(dāng)頻率高于325 MHz時，電容耗能增加，導(dǎo)致貫通導(dǎo)線耦合能量降低，屏蔽效能隨之增加.

圖7 端接電路接箱體箱體接地時電容影響

從圖7可以看出，在貫通導(dǎo)線端接電路接箱體箱體接地條件下，當(dāng)頻率在325MHz以下時，純電阻與電阻加電容兩種情況下測試點屏蔽效能曲線兩者相差較大，且后者的屏蔽效能最小值遠大于前者，這是由于電容在低頻條件下呈現(xiàn)開路特性，導(dǎo)致貫通導(dǎo)線上電流無法泄放進入地面，腔內(nèi)場強較強；反之，當(dāng)頻率在325MHz以上時，純電阻與電阻加電容兩種情況下測試點屏蔽效能曲線變化不大，這是由于在325MHz以上，電容呈現(xiàn)短路特性所造成的.

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)構(gòu)建及測試方法

采用與圖1中相同規(guī)格的金屬腔體及貫通導(dǎo)線.實驗系統(tǒng)如圖8所示，包括GTEM室，工作頻率范圍可從直流至數(shù)吉赫茲以上；SML-01型信號發(fā)生 器，頻 率 范 圍 為9.1kHz～1.1GHz；AR50WD1000功率放大器，工作頻率DC～1 000 MHz，最大輸出功率50W；ETS全向場強測試天線及上海華湘公司生產(chǎn)的射頻負載.SML-01型信號發(fā)生器產(chǎn)生所需的連續(xù)波信號，經(jīng)AR50WD1000功放進行放大后連接GTEM室輸入端在GTEM室內(nèi)產(chǎn)生近似TEM波，場強測試儀放置于室內(nèi)場均勻區(qū)通過光纖連接到GTEM室外的計算機上讀取實驗數(shù)據(jù).

在測試過程中，頻率范圍選定為50～550 MHz，步長為5MHz.實驗主要分為以下三個步驟：首先對實驗系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，測量不加屏蔽箱體、貫通導(dǎo)線及端接電路情況下測試點A場強E0；而后保持設(shè)置不變，測量加載金屬箱體后同一點處場強E1即可得到金屬腔體自身的屏蔽效能ES＝-20 lg（E1／E0）［14］；最后，保持信號源輸出設(shè)置不變，加入金屬箱體、貫通導(dǎo)線和端接電路，改變端接電路阻值及電路連接方式，測試同一位置場強值E2，通過屏蔽效能公式E′S＝-20lg（E2／E0）對實驗數(shù)據(jù)進行處理.

圖8 實驗配置圖

3.2 金屬腔體本身屏蔽效能測試

為研究貫通導(dǎo)線端接電路的影響，首先需要對金屬腔體自身的屏蔽效能進行分析，實驗結(jié)果如圖9所示.

圖9 腔體屏蔽效果

由圖9可知，測試點處腔體屏蔽效能值約為40 dB，這是由于在50～550MHz頻率范圍內(nèi)，腔體開孔尺寸遠小于入射電磁波的波長，導(dǎo)致腔體自身屏蔽效果較好.

3.3 數(shù)值計算結(jié)果實驗驗證

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在貫通導(dǎo)線端接純電阻及端接電阻加電容兩種情況下，分別選取兩種不同連接方式進行實驗驗證，即貫通導(dǎo)線端接100Ω電阻不接箱體箱體不接地、貫通導(dǎo)線端接100 Ω電阻接箱體箱體接地、貫通導(dǎo)線端接100Ω電阻和1.3pF電容不接箱體箱體不接地、貫通導(dǎo)線端接100Ω電阻和1.3pF電容接箱體箱體接地四種情況.實驗與數(shù)值計算結(jié)果如圖10（a）～（d）所示.

圖10 貫通導(dǎo)線端接負載實驗與數(shù)值計算結(jié)果

對比分析圖9與圖10中的實驗結(jié)果，可以得到屏蔽效能約為40dB金屬腔體中加入貫通導(dǎo)線及負載后，貫通導(dǎo)線端接100Ω電阻不接箱體箱體不接地、電阻接箱體箱體接地、貫通導(dǎo)線端接100Ω電阻和1.3pF電容不接箱體箱體不接地、電容接箱體箱體接地四種情況下，屏蔽效能最小值分別為-20、-9、-19、-15dB，可見加入貫通導(dǎo)線及負載后，腔體的屏蔽效能明顯下降，因此貫通導(dǎo)線及端接電路引入的電磁干擾不容忽視，同時也表明本文所用金屬腔體自身屏蔽性能對實驗結(jié)果影響不大.

通過分析圖10發(fā)現(xiàn)：數(shù)值計算結(jié)果曲線較為平滑，而實驗曲線含有毛刺，這是由于：1）數(shù)值計算中所采用的腔體材料為PEC，即理想金屬材料，而實驗所采用的是鐵箱體；2）GTEM室中產(chǎn)生的為近似平面波場，而數(shù)值計算中所采用的為理想的平面波輻射情形；3）實驗測試過程中不可避免地存在測試誤差及噪聲，比如實驗中采用的探頭放置位置的準(zhǔn)確性不如數(shù)值計算中放置的準(zhǔn)確，這些數(shù)值計算參數(shù)與實驗參數(shù)的些許不同均對實驗結(jié)果有一定影響，因此實驗和結(jié)果之間存在一定誤差是正常的.數(shù)值計算結(jié)果和實驗結(jié)果在諧振頻點處存在一定程度偏差，這是由于實驗中所選定的頻率變化步長為5 MHz，而數(shù)值計算中則不存在這樣的問題.總體來看，實驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果一致性較好.

4 結(jié) 論

采用數(shù)值計算與實驗相結(jié)合的方法分析了導(dǎo)線貫通金屬腔體腔內(nèi)端接負載對腔體電磁耦合的影響，結(jié)果表明：屏蔽效果較好的金屬腔體加載貫通導(dǎo)線及負載后，腔體內(nèi)部電磁耦合明顯增強；腔內(nèi)貫通導(dǎo)線端接負載為純電阻或容性阻抗時，負載接腔體或腔體接地能有效降低腔內(nèi)的電磁耦合，且電阻值及電容值大小改變能夠顯著影響腔體的耦合效應(yīng).電阻及加載電容后發(fā)現(xiàn)：負載開路且腔體不接地時，腔體的低頻電磁耦合效果基本不變，而負載短路且腔體接地時，端接電路變化對腔內(nèi)高頻耦合影響不大.負載連接腔體對腔內(nèi)電磁耦合的諧振頻率有一定影響.研究結(jié)果對提高設(shè)備的電磁兼容性能具有一定的理論研究意義和實踐指導(dǎo)意義.

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