有界波模擬器中線纜耦合測(cè)量與仿真的對(duì)比驗(yàn)證

張 祥 周穎慧 孫 征 陳 茜 吳忠平

（1.解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與電光工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210007；2.武漢大學(xué)人民醫(yī)院，湖北 武漢430060；3.廣州軍區(qū)空軍工程建設(shè)局，廣東 廣州510000）

引 言

系統(tǒng)中的各類電纜是耦合電磁脈沖能量、造成系統(tǒng)干擾和損傷的重要途徑.因此，研究電磁脈沖作用下電纜感應(yīng)電流，對(duì)于電子設(shè)備和系統(tǒng)抗電磁脈沖加固具有十分重要的意義.測(cè)量是防護(hù)研究中的重要環(huán)節(jié)，在測(cè)量中多種因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)誤差，例如脈沖源的穩(wěn)定性，測(cè)試空間周圍物體的反射場(chǎng)，測(cè)量探頭引入的誤差等.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)電纜表面電流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量［1-3］，得到了線纜的響應(yīng)規(guī)律.在理論求解電纜感應(yīng)電壓電流方面，采用的方法主要有矩量法（Method of Moment，MoM）法［4］、時(shí)域有限差分方法（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）法［5-6］和 傳 輸 線（Transmission Line，TL）法［7-8］等.在屏蔽電纜分析方面，同樣可由FDTD分析其耦合機(jī)理和響應(yīng)［9］.本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的有界波模擬器實(shí)驗(yàn)環(huán)境，測(cè)量了短線纜在核電磁脈沖作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流.通過FDTD法對(duì)有界波模擬器中線纜的高空電磁脈沖（High-Altitude Electromagnetic Pulse，HEMP）感應(yīng)皮電流進(jìn)行計(jì)算.在實(shí)驗(yàn)中通過采用多種手段減小測(cè)試誤差，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠.將測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果.這也為進(jìn)一步用皮電流和轉(zhuǎn)移阻抗計(jì)算芯線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流，以及用等效的電流注入法實(shí)驗(yàn)測(cè)量芯線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流提供了前提條件，對(duì)于電子系統(tǒng)抗HEMP加固具有十分重要的意義.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中所采用的有界波模擬器是橢圓弧形過渡段模擬器［10］，它的中部有效工作空間高度為60cm.圖1為0.3m線纜在模擬器中的實(shí)驗(yàn)布局示意圖.實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用RG58同軸線和單線兩種線纜，線纜垂直放置在模擬器中.同軸線上端芯線與屏蔽層短路，下端屏蔽層與模擬器下極板接觸；單線上端開路，下端與模擬器接觸.線纜垂直放置時(shí)，電場(chǎng)方向與線纜方向平行，耦合效應(yīng)明顯.用卡鉗式電流探頭測(cè)量同軸電纜屏蔽層電流，用自制的通過式電流探頭測(cè)量單線感應(yīng)電流，并經(jīng)光纖傳輸系統(tǒng)傳輸至示波器.同時(shí)由電場(chǎng)探頭監(jiān)測(cè)有界波模擬器內(nèi)的電場(chǎng)波形及幅值.通過式電流探頭示意圖如圖2所示，它是一種微型化羅氏線圈，探頭尺寸為50mm×25 mm×10mm，可測(cè)線纜最大直徑為3mm.探頭為自積分式，適宜于測(cè)量納秒電流信號(hào).探頭體積小，對(duì)外界電場(chǎng)產(chǎn)生的影響小；線圈的負(fù)載電阻很小，使得線圈輸出電壓適合用示波器進(jìn)行讀取，并能進(jìn)行大電流信號(hào)測(cè)量.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖2 通過式電流探頭

2 耦合測(cè)試環(huán)境與探頭分析

2.1 有界波模擬器電場(chǎng)均勻性分析

輻照法假定線纜處于均勻切向場(chǎng)的作用下，因此，需要檢驗(yàn)?zāi)M器內(nèi)垂直電場(chǎng)的均勻性.將測(cè)試區(qū)域剖面均分為16個(gè)區(qū)域，選取中間九個(gè)頂點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，如圖3所示.各點(diǎn)分別測(cè)試4次取平均值作為該點(diǎn)電場(chǎng)值.各點(diǎn)測(cè)得的電場(chǎng)峰值如表1所示.測(cè)試結(jié)果表明模擬器性能穩(wěn)定，均勻性和重復(fù)性都較為理想.所產(chǎn)生的波形前沿時(shí)間為2.5ns，半高寬為23ns.

圖3 測(cè)試點(diǎn)排列順序

表1 測(cè)試點(diǎn)電場(chǎng)峰值

2.2 探頭標(biāo)定

電流探頭的性能直接決定了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，由于電流探頭輸出信號(hào)與感應(yīng)電流成正比，因此在測(cè)試前需要利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置對(duì)卡鉗式電流探頭進(jìn)行時(shí)域標(biāo)定.這里以卡鉗式電流探頭標(biāo)定為例進(jìn)行分析.采用前沿2.8ns、寬度100ns的方波為標(biāo)定信號(hào)，由脈沖源輸出電壓和回路負(fù)載（50Ω）可得到待測(cè)電流的真實(shí)值.圖4為標(biāo)定電流探頭時(shí)示波器上得到的輸入和輸出波形，為了便于一致性的比較，將輸入、輸出波形的峰值進(jìn)行了歸一化，由圖可見，注入電流探頭的波形與其輸出的波形吻合得較好.

圖4 波標(biāo)定時(shí)輸入輸出波形的比

校準(zhǔn)裝置輸入的電壓峰值Vin，輸出的電壓峰值Vout，則靈敏度為：

通過10組不同電壓幅度方波標(biāo)定得到探頭靈敏度平均值為0.963 2V／A.

2.3 探頭引入干擾分析

試驗(yàn)中所使用電流探頭頻率上限為100MHz，因此能夠滿足核電磁脈沖測(cè)試要求.將電流探頭空置于模擬器電場(chǎng)中，測(cè)試探頭所引入的干擾.通過替換法發(fā)現(xiàn)，電流探頭自身產(chǎn)生的干擾是可以忽略的，其引入的干擾主要來(lái)自電流探頭與光發(fā)射機(jī)的連接線纜.通過采用高屏蔽效能鍍銀屏蔽同軸線作為連接線，并外套密編織屏蔽金屬帶，有效消除了干擾.圖5、圖6為空置狀態(tài)下干擾消除前后的示波器輸出信號(hào)，由圖可見，采用替換法消除干擾噪聲是有效的，此時(shí)電流探頭引入的干擾已可以忽略.

圖5 探頭引入干擾消除前的示波器輸出

圖6 干擾消除后的示波器輸出

3 數(shù)值模擬

當(dāng)電纜的直徑遠(yuǎn)小于入射波的波長(zhǎng)時(shí)，電纜可以用細(xì)線結(jié)構(gòu)近似.在有界波模擬器中，電場(chǎng)主要沿上下極板的垂直方向，另外兩個(gè)方向的電場(chǎng)相比較而言則極小，因此其對(duì)線纜的影響可以忽略.如圖7所示，建立模擬器的FDTD計(jì)算模型，計(jì)算空間為1m×1m×0.6m，線纜長(zhǎng)度為0.3m.在始端連接邊界引入平面波，電場(chǎng)極化方向沿z方向，計(jì)算空間四周為吸收邊界.在計(jì)算中三個(gè)方向采用均勻網(wǎng)格剖分，空間步長(zhǎng)取0.05m.時(shí)間步長(zhǎng)取為2＇×10-3ns，保證了時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)的關(guān)系滿足FDTD算法的穩(wěn)定性和收斂性條件.

圖7 數(shù)值計(jì)算模型

在一體化分析中，電纜的輻射效應(yīng)被考慮在內(nèi)，因此較準(zhǔn)確地刻畫了電磁脈沖場(chǎng)與電纜相互作用的物理過程.所用的細(xì)線模型半徑為2.5mm，軸線與FDTD網(wǎng)格中電場(chǎng)Ez分量重合.細(xì)線四周場(chǎng)分量與細(xì)線軸線到場(chǎng)分量距離r成反比.電場(chǎng)在線內(nèi)應(yīng)為零，因此由法拉第定律的圍道積分公式可以得到導(dǎo)線周圍Hy（i，j，k）、Hy（i-1，j，k）、Hx（i，j，k）、Hx（i，j-1，k）四個(gè)磁場(chǎng)值的更新公式，例如：

在計(jì)算中采用實(shí)測(cè)電場(chǎng)波形.求解了計(jì)算空間中點(diǎn)x負(fù)方向30cm位置處的電場(chǎng)值，計(jì)算結(jié)果與三維全波電磁場(chǎng)仿真軟件（CST）仿真結(jié)果一致，如圖8所示.根據(jù)安培環(huán)路定理，由導(dǎo)線四周的環(huán)向磁場(chǎng)H積分得到線纜的皮電流信號(hào)Ⅰ：

圖8 計(jì)算電場(chǎng)值與CST仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)果分析與比較

將電流探頭實(shí)測(cè)結(jié)果與FDTD仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.圖9、10所示分別為線纜中部和底部的感應(yīng)電流.從圖中可見，數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)電流周期一致，總體而言二者具有較好的一致性.因此，建立的仿真模型能夠較好地模擬有界波模擬器中線纜的耦合響應(yīng).

圖9 中部皮電流

圖10 底部皮電流

5 結(jié)論與展望

本文建立了有界波模擬器的FDTD計(jì)算模型，網(wǎng)格剖分量與計(jì)算量適中，計(jì)算結(jié)果與在模擬器下的實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好.所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將有界波模擬器應(yīng)用于短線纜耦合測(cè)試是可行的.下一步將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行兩方面的工作：一是用參數(shù)化線纜轉(zhuǎn)移阻抗模型分析屏蔽線纜芯線耦合；二是針對(duì)屏蔽電纜耦合效應(yīng)與轉(zhuǎn)移阻抗開展實(shí)驗(yàn)與分析.

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