基于人工引雷實(shí)驗(yàn)的閃電通道附近帶孔縫金屬機(jī)箱耦合仿真研究

巴文學(xué) 歐建芳 丁 潔 陳 雪 張紅萍

（1．青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001；2．成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225）

1 介紹

本文利用Moini等人提供的天線理論，利用的CST工作室建立了閃電回?fù)舴抡婺Ｐ汀Ｒ匀斯ひ椎玫降拈W電通道基流為回?fù)裟Ｐ驮础Ｓ懻摿水?dāng)帶孔縫的金屬機(jī)箱以不同擺放放置在靠近閃電通道區(qū)域時(shí)的耦合效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)與模型仿真

自2005年以來(lái)，山東人工引雷基地一直在不斷地進(jìn)行人工引雷實(shí)驗(yàn)。電流由頻率范圍為0.9～1.5 MHz的皮爾遜線圈測(cè)量得到和在0～3.2 MHz的頻率覆蓋范圍內(nèi)具有恒定電阻5 mΩ的電流觀察分流器。磁天線由低頻磁天線和信號(hào)處理模塊兩部分組成，工作頻率范圍為3～330 kHz。

圖1顯示了2015年夏季成功實(shí)驗(yàn)的通道基電流和磁場(chǎng)。（a）是通道基底電流；（b）是距閃電通道78 m處的實(shí)測(cè)磁通密度和仿真得到的磁通密度的歸一化幅度。

圖1 2015年夏季人工觸發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)的通道電流和磁通密度

由于仿真閃電通道是與實(shí)際曲折通道不同的垂直導(dǎo)電通道，仿真的幅值和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果雖然不完全相同。但是整體來(lái)說(shuō)還是比較吻合的。所以，這個(gè)仿真模型對(duì)于計(jì)算閃電通道周圍的磁通量密度是有效的。

3 帶孔縫的金屬機(jī)箱的耦合效應(yīng)

通道基極電流由以下雙指數(shù)函數(shù)描述：

其中：I0=81.881 kA，α=37.075 μs，β=1.545 μs1個(gè)1 mm厚的完全封閉的鋁箱擁有著非常好的屏蔽效果。文章中，σ= 3.54×107s/m是電導(dǎo)率，μr=1是相對(duì)磁導(dǎo)率，2 mm是鋁箱的厚度，所以，可以確定機(jī)箱內(nèi)部的磁通量密度是通過(guò)孔縫（孔縫的直徑為0.02 m）的所有耦合，并且機(jī)箱模型的大小為600 mm×600 mm×600 mm如圖2和圖3所示建立。圖3示出了三個(gè)不同的機(jī)箱相對(duì)于閃電通道的擺放位置。

圖2 P0、P1、P2為機(jī)箱內(nèi)3個(gè)樣本點(diǎn)

在本文中，基于Moini等人研發(fā)的天線理論建立了閃電回?fù)裟Ｐ汀?dǎo)電通道被建立為具有有限導(dǎo)電率的地面上的閃電回?fù)敉ǖ馈０验W電通道電阻率設(shè)為ρ=0.07 Ω/m，通道相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為ε=5.3，土壤電導(dǎo)率設(shè)為σ=0.02 S/m。然后把激勵(lì)源放置在閃電通道的底部，并把機(jī)箱放置在距離通道78 m的位置。

由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，本文提出了三個(gè)采樣點(diǎn)P0，P1和P2的磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖2所示。P0是邊長(zhǎng)為600 mm的機(jī)箱的中心。

圖3 機(jī)箱相對(duì)于閃電電通道的三種不同擺放位置的示意圖

當(dāng)機(jī)箱處于三種不同擺放位置時(shí)，點(diǎn)P0，P1和P2的磁通量密度波形如圖3所示。A，B和C模型的P0處的磁通量密度全部都超過(guò)了0.07 Gs。A模型的峰值磁通密度也完全能達(dá)到11.2 Gs。其他已達(dá)到1.83 G和2.39 G。因此，無(wú)論機(jī)箱的擺放位置如何，耦合磁通量密度都將嚴(yán)重威脅機(jī)箱內(nèi)部的集成電路。并且點(diǎn)P1和P2的磁通密度總是比P0小得多。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)帶孔縫機(jī)箱于閃電通道附近時(shí)，對(duì)機(jī)箱內(nèi)部電子電路的危害最大的擺放位置如A模型。如果帶孔縫機(jī)箱安置在離閃電通有78 m的地方，盡管只有一個(gè)孔縫，但是機(jī)箱中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度也很可能會(huì)對(duì)集成電路晶體管造成永久性的損壞。因此，在閃電通道附近工作的金屬機(jī)箱上設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目卓p是非常重要的。根據(jù)以上分析，由于雷電的方位難以預(yù)料，所以把孔縫放置在機(jī)箱的頂部，并把敏感的電子電路放在在機(jī)箱的四個(gè)角落將是更好的選擇。