本文建立了装备机箱的物理模型,依据时域有限差分法原则对机箱和搭接缝进行网格剖分。在Fortran软件中编程仿真,通过数值计算得到了电磁脉冲通过搭接缝的耦合。通过分析机箱内的电场分布情况和时域波形分析,可以看到进入机箱内的电磁干扰产生谐振,谐振频率和机箱的几何尺寸有关。机箱对高功率电磁脉的屏蔽作用非常有限,机箱内峰值场强高达1415 dBV/m。此外,垂直于搭接缝方向的耦合电场大于平行与搭接缝方向的耦合电场。因此,电子器件应该尽量沿平行与搭接缝方向布置。<br/>In this paper, the computer enclosure model is established, and both the enclosure and the joint lap are modeled by finite-difference time-domain method (FDTD) cells. Programs are written in Fortran Software and the electromagnetic coupling through joint lap is obtained from numerical simulation. From analyses of the field distribution and waveforms, it can be seen that resonance occurs and the resonant frequency depends on the enclosure dimension. Secondly, the shielding effectiveness of the enclosure is limited under the EM pulse, and the amplitude of the coupled electric field can reach as high as 1415 dBV/m. Finally, the coupled electric field in the joint lap width direction is larger than that in the length direction. Thus the electronic devices are supposed to locate in the joint lap length direction rather than the width direction.
熊润
中国人民解放军工程兵学院,江苏 徐州
Email: xiongrun1983@sina.com
收稿日期:2015年6月22日;录用日期:2015年7月3日;发布日期:2015年7月13日
本文建立了装备机箱的物理模型,依据时域有限差分法原则对机箱和搭接缝进行网格剖分。在Fortran软件中编程仿真,通过数值计算得到了电磁脉冲通过搭接缝的耦合。通过分析机箱内的电场分布情况和时域波形分析,可以看到进入机箱内的电磁干扰产生谐振,谐振频率和机箱的几何尺寸有关。机箱对高功率电磁脉的屏蔽作用非常有限,机箱内峰值场强高达1415 dBV/m。此外,垂直于搭接缝方向的耦合电场大于平行与搭接缝方向的耦合电场。因此,电子器件应该尽量沿平行与搭接缝方向布置。
关键词 :搭接缝,时域有限差分法,电磁耦合,屏蔽
装备机箱通常由铁皮搭接而成,这种搭接缝成为电磁脉冲耦合进入机箱内部的重要途径[
1966年Kane. S. Yee提出了时域有限差分法[
本文选取了两种具有代表性的电磁脉冲,窄带高功率微波(HPM)和超宽带电磁脉冲(UWB),作为激励源[
由于装备机箱的种类繁多、结构外形各异,给建模带来很大困难。为此,在本文的分析中选取具有代表性的工控机作为研究对象,并对模型进行一定的简化处理,如图1(a)所示。机箱外形尺寸为450 mm × 420 mm × 180 mm。装备机箱通过由钢板搭接并通过螺钉铆接而成,搭接缝位于机箱的顶端,尺寸如图1(b)所示。其搭接厚度为1 cm,搭接缝宽度为0.5 cm,每个面上的搭接缝被2个螺钉分成3部分。
为分析不同电磁脉冲激励下通过机箱搭接缝的电磁耦合,本文采用了两种激励源:窄带高功率微波(HPM)和超宽带电磁脉冲(UWB) [
图1. 装备机箱模型及搭接缝位置;(a) 机箱尺寸及搭接缝位置;(b) 搭接缝尺寸
多脉冲方式(脉冲串)工作,单脉冲电场时域波形可用微分高斯脉冲近似。在本文的分析中,电磁脉冲沿
时域有限差分法是把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分方程,差分格式中每个网格点上的电场(或磁场)分量仅与它相邻的磁场(或电场)分量以及上一时间步该点的场值有关。在每个时间步上分别计算网格空间各点的电场和磁场分量,随着时间步的推进,就能模拟出电磁脉冲与机箱的相互作用过程[
为衡量电磁脉冲通过机箱搭接缝的耦合,我们首先分别观测了机箱内部各个点上的电场,并输出了机箱中心三个方向电场分量。此外,我们还记录了机箱内部各个点上每一时刻的场量,并通过峰值场强计算公式:
得到了各个时刻的场强。为确定电磁辐射耦合最严重的情况,我们输出了机箱内各点在脉冲持续时间内的峰值场强。
图2(a)为HPM激励下从机箱搭接缝耦合进入机箱内部的电磁场最大峰值分布。可以看到,机箱内电磁干扰最严重的地方都集中在机箱顶部搭接缝附近,可达70 dBV/m;机箱内部大部分空间位置最大峰值场强都在60 dBV/m左右。
此外,我们还观测了机箱中心点位置三个方向电场分量的时域波形。从时域波形可以看到,电场
图3(a)所示为UWB激励下,从机箱搭接缝耦合进入机箱内部的电磁场最大峰值分布。可以看到,通
图2. HPM激励下的响应;(a) 机箱内部峰值场强分布;(b) 机箱中心电场Ez分量时域波形
图3. UWB激励下的响应;(a) 机箱内部场强峰值分布;(b) 机箱中心电场Ez分量时域波形
过搭接缝耦合进入机箱内部的电场最大值出现在搭接缝附近,超过70 dBV/m,在机箱内部大部分空间位置最大峰值场强都在50 dBV/m左右。
此外,我们还观测了机箱中心点位置三个方向电场分量的时域波形。从时域波形可以看到,电场
通过对HPM和UWB激励下机箱内部电磁场时域波形和电场空间分布的分析,可以得到以下结论:
1) 进入机箱内的干扰波形产生振荡,且不断衰减,谐振频率和机箱的几何尺寸有关。
2) 装备机箱在电磁脉冲照射下是非常脆弱的,屏蔽作用非常有限,机箱内峰值场强高达1415 dBV/m。
3) 垂直于搭接缝方向的耦合电场大于平行与搭接缝方向的耦合电场。因此,电子器件应该尽量沿平行与搭接缝方向布置。
受中国人民解放军理工大学电磁环境效应与光电工程重点实验室资助,资助号:FD201506。
熊 润, (2015) 电磁脉冲对装备机箱搭接缝耦合的研究Analyses of Electromagnetic Coupling through Joint Lap on Equipment Enclosure under EM Pulse. 现代物理,04,88-92. doi: 10.12677/MP.2015.54012