專利名稱：基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種短波電臺的電磁脈沖防護電路及設計方法，具體地說，是一種利用有限差分分析方法，對短波電臺的天線、電纜以及屏蔽體的電磁脈沖進行分析，利用計算 機仿真結果得到電磁波特性的具體參數，設計實現短波電臺的天線、電纜及屏蔽體電磁脈 沖防護電路及方法。
背景技術：
隨著微電子技術的迅速發展，通信電子系統專用集成化程度不斷提高，這些高度 微電子化的通信電子系統在極大提高了系統性能的同時，也增加了系統對電磁脈沖等高能 量沖擊的脆弱性與敏感性，針對不同的通信方式應采用相應的抗干擾技術。電磁脈沖是以電磁波的形式發射與傳播的干擾，任何金屬導體或縫隙都能耦合電 磁脈沖能量并將其傳輸到內部。電磁脈沖干擾具有涵蓋范圍廣、作用時間快、脈沖能量大、 頻率范圍寬等特點，能夠產生持續時間極短的寬頻譜電磁脈沖，通過電子設備的天線、導 線、金屬開口或縫隙等進入，未經電磁防護的電子設備內部的電子元器件因受到電磁脈沖 的沖擊而無法正常工作。無線通信設備尤其是短波電臺特別容易受到電磁脈沖的破壞，由 于這些設備的開放性、移動性，以及包含較多電磁敏感器件如天線，短波電臺的電磁脈沖防 護難度大、技術含量高、資金投入多，只有充分掌握電磁脈沖環境中的各種參數及電臺的各 種耦合途徑，分析出電臺在特定電磁脈沖環境下可能產生的效應和電臺的薄弱部分，才能 進行有效的電磁脈沖防護。電磁脈沖對電子設備的破壞必須具備電磁脈沖源、耦合途徑和敏感器件三個基本 要素。電磁脈沖源是指能產生持續時間極短的寬頻譜瞬態電磁脈沖能量的干擾源；耦合途 徑指入射波通過系統的天線、饋線以及金屬殼體上的縫隙等進入電子系統內部；敏感設備 指當受到電磁脈沖作用時導致性能失效或損壞的器件、設備或系統。時域有限差分法(FDTD，Finite Difference Time Domain)是以差分原理為基礎， 將概括電磁場普遍規律的麥克斯韋旋度方程轉換為差分方程組，在一定的空間和時間上通 過對連續電磁場的數據取樣，再現電磁現象的物理過程，是對電磁場問題的本質和完備的 數據模擬，具有普適性。利用這種方法對電子設備的各種耦合途徑進行計算仿真，可以得到 具體的電磁特性參數，為電磁防護設計提供理論依據及電路參數。目前的短波電臺普遍采用了大規模集成電路、數字信號處理等技術，結構較為復 雜。電磁脈沖主要通過耦合方式進入電臺內部，耦合途徑主要有三種，一是通過天線從電臺 的接收端口進入，二是通過各種連接線如天線饋線等耦合進入，三是通過電臺面板縫隙耦 合進入。因此對短波電臺的電磁防護設計應從這三個方面分別進行分析和設計，以達到較 好的效果。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于時域有限差分分析的短波電臺電磁脈沖測試電路，利用該測試電路可以對短波電臺的天線、電纜以及屏蔽體的電磁防護建立計算機仿真模 型，得到天線、電纜或屏蔽體上可能出現的瞬間感應電流或電壓的分布參數，用以指導短波 電臺各個部分的電磁防護設計，具有針對性強、計算誤差小、防護性能好的特點，特別適用 于高靈敏、高增益電臺及其他器件敏感設備的電磁脈沖防護。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路，其特征在于該 防護電路包括算法控制單元、電磁脈沖發生器、電臺負載和測試單元；電磁脈沖發生器產生 電磁脈沖干擾，并通過電臺負載后進入測試單元；測試單元用來測量電磁脈沖干擾對電臺 負載的影響，并將測量的結果送入算法控制單元進行計算仿真；算法控制單元根據測試單 元提供的數據進行計算機仿真，結果用于為電臺的電磁脈沖防護提供參考。本發明建立短波電臺抗電磁脈沖干擾測試電路，利用時域有限差分法對電磁場問 題進行原始和完備的數據模擬，對短波電臺需要進行防護的部分分別建立計算機仿真模 型，根據仿真結果分析整理數據參數，得到結果，用以指導短波電臺的電磁脈沖防護電路設 計及方式選擇。本發明中，干擾源產生電磁脈沖干擾，以過電臺負載產生電磁 干擾；也可以人為地 用麥克斯韋發生器產生要求模擬的電磁脈沖干擾信號；測試單元也可包括電動感應器和測 試臺，其中電動感應器和測試臺是可選部件，如果不需要進行實際測量，則這兩個部件可以 省略。無線電臺的抗電磁脈沖評估流程如圖2所示。首先選擇要進行評估的電磁脈沖干 擾源的類型，然后改變干擾源的門限值，模擬干擾，測量受干擾部分的附近場值，采用時域 有限差分法分析測試電磁干擾的效果，然后判定電臺是否失效。如果失效，則對分析結果進 行數據整理，給出評估結論；如果電臺未失效，則轉入步驟A，改變電臺的工作狀態，重新進 行干擾模擬、場值測量、干擾效果分析，并判定電臺是否失效。如果電臺仍未失效，則進行步 驟B，改變干擾源方向，重新進行干擾模擬測量和分析，并判定電臺是否失效。如果電臺仍未 失效，則程序不再返回，直接給出整理數據及評估結論，結束評估流程。電磁脈沖的上升時間越快、脈寬越窄、頻譜越寬，對電子設備造成的損傷就越嚴 重，超寬帶電磁脈沖的頻譜可以從幾十MHz到幾十GHz，可以用高斯脈沖進行模擬，其時域 表達式為E(t) = E0exp(-4n^~to^ ) V/m
τ其中Etl為峰值場強，、為峰值場強出現的時刻，τ為脈沖寬度。頻譜表達式為
r(TTf272 )E(f) = E0-^
1 V4 7仿真結果顯示，超寬帶電磁脈沖具有很高的峰值場強，電場強度可達IO4 IO5V/ m，典型上升時間為10_9s，能量主要集中在IO5 IO9Hz頻段。電磁脈沖以電磁波的形式發射與傳播，任何金屬導體或孔縫均能耦合電磁脈沖能 量并將其傳輸到內部，脈沖能量因脈沖電動最大強度、脈沖持續時間，以及系統所采用的防 護措施等因素而有所不同，相應地，對種類設備與元器件的損壞也不同。通常，越是先進復 雜的設備受到的也越大。
電磁脈沖通過耦合、傳導和輻射三種方式進入電臺內部，其主要耦合途徑一是通 過天線從電臺的接收端子進入，二是通過各種連接線如天饋線、電源線、音頻線等耦合進 入，三是通過電臺面板孔縫直接或耦合進入。在電磁脈沖環境下，與電子設備相連的各種電纜會耦合產生感應電流，接收設備 輸入級的敏感半導體就會受到影響或損壞。即使使用屏蔽電纜，如果不采取正確的接地方 式，只是簡單地將電纜屏蔽層與設備屏蔽體相連，也會導致電纜屏蔽層上的電流傳導到設 備屏蔽體內表面，在屏蔽體內部再次形成電磁場，影響電路的正常工作。在分析計算電纜的 感應電流時，需要確定電纜軸向的電場分布、電纜的特性阻抗及其傳輸特性如誤差及傳播 速度等。傳統的傳輸線方法分析電磁波對電纜的傳輸線的影響具有簡單、計算方便等特點。 但是這種方法忽略了導線的散射效應，當頻率較高時誤差較大。此外，在處理各種金屬管 線、穿管導線等電磁問題時，計算分析十分困難。本發明專利直接從麥克斯韋方程出發，利 用時域有限差分法直接求解電纜耦合電流的問題，具有計算精度高、誤差小、針對性強的優 點，具有廣泛的適應性。天線作為電臺設備中專門用于輻射或接收電磁能量的部件，其主要功能是將傳輸 線中的調頻電磁能量轉變為自由空間的電磁波，或反之將自由空間的電磁波轉變成為傳輸 線中的高頻電磁能。對于發射電磁波而言，天線附近小范圍內可視為均勻平面波。對天線 的電磁脈沖耦合而言，影響耦合能量大小的主要參數包括接收天線方向圖、輸入阻抗、極化 方式等。電磁波對系統屏蔽體的穿透主要是通過趨膚效應實現的，趨膚深度為
, 1d= ——其中f為電磁波頻率，μ為屏蔽體材料的磁導率，σ為電導率。電磁脈沖的頻率 越高，趨膚深度越小，當屏蔽體的厚度遠大于趨膚深度時，可以將電子系統與外界電磁脈沖 進行有效的隔離，再通過接地裝置使電磁脈沖能量進一步衰減，有效降低電磁脈沖對電子 系統的影響。由于屏蔽體無法做到完全封閉，出現孔縫是很正常的。孔縫耦合能量的大小取決 于屏蔽面不連續點的尺寸、形狀及位置。如果孔縫設計不合理，即使縫隙很小，危害也會非 常大。根據孔縫耦合理論，當波長小于最大孔縫尺寸的兩倍時，電磁波會無衰減地通過孔 縫。對于寬帶電磁脈沖，在進行電磁防護設計時，應針對電磁脈沖的最高頻率。當孔縫大于 λ/20(λ為電磁脈沖的波長)時，必須精確設計孔縫參數以減小電磁脈沖的耦合量。采用 時域有限差分法進行精確的仿真計算可以得到較好的效果。根據電磁場理論，空間無源區域的麥克斯韋旋度方程在直角坐標系中可以表示為
SH Ir7r ρ — = _—VxE-^xH Ot μμ
Γ dE Iv7 ττ σ ^— = —VxH——χ E Qt εε在直角坐標系中，上面的每個方程都可以分解為直角坐標系的χ、y、ζ三個分量， 共6個耦合偏微分方程，這就是時域有限差分法的算法基礎，通過將這6個耦合偏微分方程 差分化來建立差分方程。建立差分方程首先要求建立合理的將連續變量離散化的網絡空間 分割體系，這可以采用Yee氏網格來實現。網格上每個節點與其空間的坐標位置一一對應。在Yee氏網格中，電場和磁場各分量在空間的取值點交叉放置，按電磁場的基本規律分配 電磁場空間。利用Yee氏網格差分算法，在給定相應電磁問題的初始值及邊界條件后，通過 各場分量的差分方程，逐個時間步長地對模擬區內各網格點的電場和磁場交替進行計算， 等執行到適當的時間步數后，即可獲得需要的時域數值結果。由于計算機內存和計算時間的限制，采用時域有限差分法分析電磁場問題時，必 須設置虛擬的邊界進行計算區域截斷，從而以有限的計算空間來模擬無限的物理空間。但 是采用截斷計算區域會在截斷邊界上出現非物理反射，并且邊界上的場值無法用邊界內的 場值計算。解決這個問題可以在截斷邊界上采用特殊的算法如吸收邊界條件算法等。此外， 隨著計算時間的增長，保證算法的穩定性也是一個很重要的問題。通常，算法的數值解是否 穩定主要取決于時間步長和空間步長的選擇，而這兩者并不是相互獨立的，時域有限差分 算法數值穩定性條件需滿足以下時間步長At和空間步長(Δχ，Ay，Δζ)的關系<formula>formula see original document page 6</formula>式中<formula>formula see original document page 6</formula>是電磁波的傳播速度。將電磁脈沖干擾的估計參數輸入計算機，通過時域有限差分算法可以仿真計算出 受干擾器件上可能出現的感應場強分布，從而有針對性地給出對應的防護措施。短波通信的傳輸信道主要是電離層，易受環境影響。短波天線的設計目標是高靈 敏度、高增益，這也使短波天線更易于受到電磁脈沖干擾的影響，因此需要對電磁脈沖環境 下的短波天線進行比較準確的計算仿真，得到天線上可能出現的瞬間感應電流或電壓分 布。采用時域有限差分法建立天線細導線加載段模型及計算細導線上電感應的網格模型如 圖3a和圖3b所示。在如圖3a和圖3b所示模型中，假設細導線加裁段處于差分網格中央，沿ζ軸放 置。圖中H(.)和E(.)分別表示磁場強度和電場強度，(i，j，k)是對應的坐標位置，r是計 算因子，△是選擇的計算步長。通過求解電磁場的一階非齊次方程，可以得到用于時域有 限差分法的電流差分方程<formula>formula see original document page 6</formula>式中<formula>formula see original document page 6</formula>是導線終端所接電阻，1是導線半徑；Δ ζ和Δ t分別為空間網格大小
和時間步長。由計算仿真可知，在電磁脈沖的作用下，天線導線所感應出的電流是一種衰減 振蕩，振蕩的周期以及感應電流峰值電壓都隨天線的長度不同而不同。耦合電流峰值與細 導線長度之間并不是單純的線性關系，當天線長度相對較短時，感應電流隨著長度的增加 而增大，當導線長度增加到一定時，耦合總電流的大小就要取決于導線終端反射波到達中 點的時刻。通過計算機仿真計算，可以得到比較準確的感應電流數值及仿真曲線，為天線電 磁防護電路的設計提供準確的參數。在各種電子系統中，暴露上強電磁脈沖環境下的電纜，其外導體會耦合產生很強 的感應電流以，對電子系統構成威脅，分析電纜耦合問題時，應充分考慮到計算機內存及處理能力的限制，對計算模型進行簡化，空間步長的選取考慮到電纜的直徑，同時還要保證空 間網格能分辨出電纜，在此前提下，空間步長不能超過計算電磁場最高頻率所對應波長的 1/10，以減小計算量。計算區域采用完全匹配層吸收邊界條件來截斷。近地面有限長電纜 的計算模型如圖4所示，計算區域分為地上和地下兩部分，其中地上部分為無損空間，地下 部分為有損空間。對于電磁散射問題，空間場可以寫成入射場和散射場之和。采用時域有 限差分分析方法計算散射時，將計算區域分為總場區和散射場區，總場區和散射場區的交 界處為連接邊界。電纜邊緣與吸收邊界的距離應大于電磁脈沖主頻率波長的1/4，以保證吸 收邊界能夠較好地吸收。吸收邊界與連接邊界應保持10個以上的網格距離，以保證形成良 好的散射場。對于地上部分，電纜的入射波等于激勵源入射波與地面反射波的疊加。電纜外導體所耦合的感應電流可根據安培環路定理計算，如下所示
<formula>formula see original document page 7</formula>其中的積分路徑為沿電纜表面的圓周，1是電纜半徑。計算結果顯示，感應電流的峰值隨著電纜長度的增加而增大，并且長度越長，感應 電流到達峰值的時間也越遲，其主要是直接耦合與電纜終端電流反射波疊加的共同作用。 電纜在不同的離地高度下，電磁脈沖在電纜外導體中間點的耦合電流也不同，高度越高，耦 合電流越小，且達到峰值的速度也越快。這是由于離地面越近，電纜受到地面合成場的作用 越大，對電纜的耦合效應也越大。在給定外界條件的情況下，電磁脈沖與電纜外導體相對位 置的不同也會產生不同的耦合電流。此外，隨著入射波仰角θ的不同，電纜外導體中間點 所感應的電流波形也不同，即電纜上的感應電流會隨入射波的方位角而變化。電磁脈沖能量可以通過電臺屏蔽體的孔縫耦合進入短波電臺內部，對電子系統產 生干擾。采用時域有限差分分析方法進行仿真計算時，應根據孔縫尺寸的不同區別處理，當 孔縫尺寸大于一個空間步長時，采用通常的網格計算；當孔縫尺寸小于一個步長時，應在孔 縫附近采用細網格，以保證在減小空間步長的同時不至于使計算量增加太多。屏蔽體孔縫 計算模型如圖5所示，孔縫位于屏蔽體正對入射波面中心處，其樣式采用面積相等的多形 式孔縫，空間步長及時間步長根據單孔大小而定，計算區域采用完全匹配層吸收邊界條件 進行截斷。假設電磁脈沖激勵源垂直于孔縫平入射，則由計算模型和計算方法可以得到孔 中心內側各點的電場隨時間變化的曲線，以及不同的頻率分量受衰減的程度變化關系。由 于極化方向的不同，孔縫附近的場強變化也產生顯著區別。根據計算仿真的結果，可以調整 孔縫尺寸、形狀(正方形、長方形、圓形等)，也可以將一個相對較大的孔縫劃分為面積相等 的數個小的孔縫，可以使屏蔽體內的耦合場強明顯降低。孔間距不同，屏蔽體內耦合場強的 大小也不同；面積相同而形狀不同的孔縫耦合能量的大小也各不相同，這些計算仿真的結 果可以直接應用于屏蔽體的防護與設計。本發明直接從概括電磁場普遍規律的麥克斯韋方程出發，在一定空間和一段時間 上對連續電磁場進行數據取樣，根據仿真結果設計防護電路，具有針對性強、計算誤差小、 防護性能好的特點，特別適用于高靈敏、高增益電臺及其他器件敏感設備的電磁脈沖防護。本發明具有以下優點1、根據電磁脈沖的產生機理和特征，針對性地設計典型電磁脈沖干擾的數學模型，通過時域、頻率和能量譜特性的分析，給出準確的電磁脈沖干擾參數，避免了傳統電磁 脈沖防護誤差較大、針對性差的缺點。2、分別對短波天臺的天線、電纜及屏蔽體孔縫3種不同的受干擾體設計模型，以 得到具體的電磁脈沖參數下的耦合規律，指導短波電臺的防護設計。3、可以根據不同的干擾源得出不同的計算模型，及時調整防護電路或方法的參數。
圖1是本發明的基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路的示 意圖。圖2是短波電臺抗電磁脈沖干擾評估流程圖。圖3a是短波天線電磁脈沖感應計算模型中細導線加載段模型圖。圖3b是短波天線電磁脈沖感應計算模型中細導線網格模型圖。圖4是有限長度電纜計算模型。圖5是屏蔽體孔縫計算空間模型。
具體實施例下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。圖1是基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路的示意圖。該防 護電路包括算法控制單元1、電磁脈沖發生器2、電臺負載3和測試單元4 ；電磁脈沖發生器 2產生電磁脈沖干擾，并通過電臺負載3后進入測試單元4 ；測試單元4用來測量電磁脈沖 干擾對電臺負載3的影響，并將測量的結果送入算法控制單元1進行計算仿真；算法控制單 元1根據測試單元4提供的數據進行計算機仿真，結果用于為電臺的電磁脈沖防護提供參 考。算法控制單元1由算法模塊11和測量單元12組成，采用基于時域有限差分分析 算法，利用輸入的電磁脈沖干擾的參數，計算仿真干擾所產生的影響和結果。測量單元12 提供電磁脈沖干擾的測量參數。算法控制單元安裝于計算機或處理器上。電磁脈沖發生器 2產生的干擾通過短波電臺負載3進入測試單元4。電磁脈沖干擾源既可以是實際的干擾， 也可以是人工設置的電磁脈沖產生器。人工設置的電磁脈沖產生器主要用于進行系統的仿 真評估測試，便于參數調節，算法流程由圖2所示。測試單元4用于測量電磁脈沖干擾對電 臺的影響，測量的結果送入算法控制單元1進行計算仿真。在測試單元4中包括電動感應 器41和測試臺42。圖2是短波電臺的抗電磁脈沖評估流程。首先選擇要進行評估的電磁脈沖干擾源 的類型，然后改變干擾源的門限值，模擬干擾，測量受干擾部分的附近場值，采用時域有限 差分法分析測試電磁干擾的效果，然后判定電臺是否失效。如果失效，則對分析結果進行數 據整理，給出評估結論；如果電臺未失效，則轉入步驟A，改變電臺的工作狀態，重新進行干 擾模擬、場值測量、干擾效果分析，并判定電臺是否失效。如果電臺仍未失效，則進行步驟 B，改變干擾源方向，重新進行干擾模擬測量和分析，并判定電臺是否失效。如果電臺仍未失 效，則程序不再返回，直接給出整理數據及評估結論，結束評估流程。
圖3a和圖3b是短波電臺天線電磁脈沖感應計算模型，此算法模塊內嵌于圖1中的算法控制單元內，根據電臺天線的具體設置計算仿真電磁脈沖干擾的影響。圖4是有限長度電纜的計算模型，此算法模塊內嵌于圖1中的算法控制單元內，根 據短波電臺電纜的具體設置計算電磁脈沖耦合對電纜的影響。圖5是屏蔽體孔縫計算空間模型，此算法模塊內嵌于圖1中的算法控制單元內，根 據短波電臺屏蔽體孔縫的位置、尺寸、形狀等準確計算仿真電磁脈沖耦合對屏蔽體孔縫的影響。本發明根據電磁脈沖的產生機理和特征，針對性地設計典型電磁脈沖干擾的數學 模型，通過時域、頻率和能量譜特性的分析，給出準確的電磁脈沖干擾參數；本發明分別對 短波天臺的天線、電纜及屏蔽體孔縫3種不同的受干擾體設計模型，以得到具體的電磁脈 沖參數下的耦合規律，指導短波電臺的防護設計；而且可以根據不同的干擾源得出不同的 計算模型，及時調整防護電路或方法的參數。
權利要求
一種基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路，其特征在于該測試電路包括算法控制單元(1)、電磁脈沖發生器(2)、電臺負載(3)和測試單元(4)；電磁脈沖發生器(2)產生電磁脈沖干擾，并通過電臺負載(3)后進入測試單元(4)；測試單元(4)用來測量電磁脈沖干擾對電臺負載(3)的影響，并將測量的結果送入算法控制單元(1)進行計算仿真；算法控制單元(1)根據測試單元(4)提供的數據進行計算機仿真，結果用于為電臺的電磁脈沖防護提供參考。
2.根據權利要求1所述的基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路， 其特征在于算法控制單元(1)包括算法模塊(11)和測量單元(12)。
3.根據權利要求1所述的基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路， 其特征在于電臺負載(3)包括短波電臺的天線、電纜以及屏蔽體。
4.根據權利要求1所述的基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路， 其特征在于電磁脈沖發生器(2)產生的電磁脈沖干擾是用麥克斯韋發生器產生的要求模 擬的電磁脈沖干擾信號。
5.根據權利要求1所述的基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路， 其特征在于在測試單元(4)中包括電動感應器(41)和測試臺(42)。
全文摘要
本發明公開了一種基于時域有限差分分析方法的短波電臺電磁脈沖測試電路，該防護電路包括算法控制單元、電磁脈沖發生器、電臺負載和測試單元；電磁脈沖發生器產生電磁脈沖干擾，并通過電臺負載后進入測試單元；測試單元用來測量電磁脈沖干擾對電臺負載的影響，并將測量的結果送入算法控制單元進行計算仿真；算法控制單元根據測試單元提供的數據進行計算機仿真，結果用于為電臺的電磁脈沖防護提供參考。本發明利用時域有限差分法對短波電臺的天線、電纜以及屏蔽體模型進行分析仿真，得出電磁脈沖具體參數下的耦合規律，設計短波電臺的天線、電纜及屏蔽體孔縫的防護電路或防護方式。特別適用于高靈敏、高增益電臺及其他器件敏感設備的電磁脈沖防護。
文檔編號G01R31/00GK101819235SQ20101001712
公開日2010年9月1日 申請日期2010年1月7日 優先權日2010年1月7日
發明者葉芝慧, 陸茂林 申請人:南京大學;南京厚華通信設備有限責任公司