文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.021
中文引用格式： 金暉，羅敏，劉忠. 窄帶HPM強電磁環境中控制系統的EMC分析和設計[J].電子技術應用，2016，42(6)：77-80.
英文引用格式： Jin Hui，Luo Min，Liu Zong. EMC analysis and design for control system based on narrow-band HPM source of high-power electromagnetic environment[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：77-80.
0 引言
在對高功率微波(High Power Microwave，HPM)及其相關技術研究的過程中，隨著HPM源功率的進一步提高，系統產生的微波、高壓放電、X射線、電子束強引導磁場等構成復雜的強電磁環境，對于現場控制系統等工作設備的準確性、可靠性甚至安全性都構成了威脅[1-3]。窄帶HPM系統是指產生微波脈沖輸出功率為0.1 GW～100 GW、頻率為0.3 GHz～300 GHz、百分比帶寬小于5%的微波系統；強電磁環境指峰值電場強度超過了100 V/m，對自由空間的平面波而言，即功率密度超過了26.5 W/m2。開展窄帶HPM源強電磁環境中控制系統電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)分析研究和設計，為解決有關電子設備在惡劣環境下的可靠性問題奠定基礎，對于提高工作效率、確保科研生產順利進行具有重要意義。
1 窄帶HPM強電磁環境對控制系統的電磁干擾分析
1.1 電磁干擾對控制系統的性能影響
HPM源控制系統主要用于實現接收運行參數設置和工作指令，完成現場HPM源及其相關設備的工作時序控制，同時返回指控系統各組成部分狀態信息。HPM系統運行過程中，儀器設備曾經出現不同程度的故障現象。分析窄帶HPM源工作場景和過程，結合控制設備的放置和線纜敷設情況，從理論上確認可能產生影響的干擾源如下：
(1)充電電源達到預定充電值時，高壓開關快速導通（數微秒內）過程可產生強電磁脈沖。
(2)電子束源真空二極管輸出電子束，轟擊在靶上或收集極上產生X射線。
(3)加速器工作時接地線瞬時電位抬高。
1.2 電磁干擾測試和分析
電磁干擾形成具備三個基本要素：干擾源、耦合途徑及敏感設備。首先分析導致控制系統性能異常的電磁干擾源，找到主要干擾因素，然后按照傳播途徑對強電磁脈沖傳導耦合和空間耦合進行理論分析和實驗測試[4]。
測試中采用LeCroy 640 Zi數字示波器進行實時采集和頻域分析。如圖1，窄帶HPM強電磁環境瞬變脈沖群干擾強度采用測量線間干擾信號的方法。選用HBVY非雙絞兩芯線（電話專用線）作為干擾接收體，鋪設在干擾源電纜附近，兩芯線間連接2 kΩ電阻（該值接近大多數監控設備輸入等效電阻），通過示波器捕捉電阻感應的最大干擾信號[5]。
測量中采用高阻探頭串聯同軸固定衰減器從2 kΩ電阻接入數字示波器，同時將控制系統產生的開關觸發信號作為測量時基。在HPM源輸出電壓425 kV、輸出電流4.07 kA，即輸出功率1.73 GW時，傳導干擾測量波形見圖2。
窄帶HPM強電磁環境對控制系統等電子儀器設備性能的空間干擾影響范圍隨輻射天線角度成反比遞減。實際測量過程中，首先采用雙脊喇叭接收天線，通過25 m電纜(3 GHz，衰減12.525 dB)接到檢波器(測量頻率范圍1 GHz~18 GHz，測量功率范圍-6 dBm~15 dBm)，再送至示波器進行觀測；測試波形顯示空間輻射的干擾波形頻率多集中在1 GHz以內，1 GHz以上的信號在實驗條件下未觀測到(HPM源全系統聯試時，對天線背面進行了金屬屏蔽，降低源輻射天線對控制設備的影響)。因此，采用寬帶接收天線(頻率范圍DC~1 GHz，等效電纜長度0.017 m)進一步觀測空間輻射波形，如圖3。
觀察并分析以上測試結果可得：窄帶HPM系統工作時，在其不同測量位置均可測得傳導干擾和空間干擾波形，其中以開關處波形幅值最大，頻域波形中幅值最大處多集中在30 MHz以內，即由于開關導通瞬間電路中通過的大電流影響所致；當接收干擾的線纜和發出干擾的線纜距離越近，并行距離越長，前者接收干擾的強度越大，設備工作性能越容易受到影響，與前述干擾源理論分析一致。
綜上所述，窄帶HPM系統中大功率電力電子器件的頻繁開關操作等將產生很陡的瞬態脈沖；高功率微波經天線輻射，其旁瓣、后瓣以及反射微波均可經近場耦合和遠場輻射形成高頻傳導和輻射干擾，對電網設備及附近的控制系統等電子單元造成電磁環境污染，導致功能性故障或永久損壞。
2 窄帶HPM強電磁環境中控制系統的EMC設計
窄帶HPM源與控制系統集成在設備艙內，運行現場產生的微波、高頻電磁脈沖和磁場等將以前述論及的傳導和空間耦合形式，經過供電、接地、互連以及空間輻射等對控制系統形成電磁干擾。控制系統的EMC設計主要從屏蔽、濾波和接地[6]三方面進行考慮。
2.1 控制系統的電磁屏蔽
為防止干擾源以空間耦合形式對控制系統形成干擾，根據控制設備功能實現、結構組成和線纜敷設等特點，將其放置在電磁屏蔽機柜內。對于大多數電子產品的屏蔽材料，其屏蔽效能達到30 dB 以上，方認為是有效屏蔽[7]。機柜技術指標要求為：在10 MHz～10 GHz內屏蔽效能不小于40 dB。
如圖4，當電磁波E垂直穿過金屬屏蔽柜體時，其屏蔽效能與柜體結構、屏蔽材料的電導率、磁導率、電磁場頻率、干擾源性質和距干擾源距離等有關。
金屬屏蔽柜體的屏蔽效果取決于電磁波在屏蔽體內的吸收損耗(A)、反射損耗(R)和多次反射修正項(C)。屏蔽效能SE可表示為：
其中A與屏蔽層的厚度和傳播常數有關，R、C與傳輸系數、反射系數和波阻抗等有關。
吸收損耗A可用相對電導率gr和相對磁導率μr近似表示為：
式中：K1是系數，當l以m為單位時，K1為131.4；f是電磁波頻率。
反射損耗R與波阻抗、反射系數和材料等有關，可由下式求出：
式中t為屏蔽柜體的傳輸系數。
當屏蔽柜體吸收損耗比較小時(A≤10 dB)，屏蔽柜體內第二個表面反射的能量較大。因此，屏蔽柜體的屏蔽效果還要將多次反射的能量考慮在內，即增加一個多次反射修正項C。該修正項C與屏蔽體的吸收損耗A和波阻抗等因素有關。
經計算和分析確定，控制系統的屏蔽機柜采用鍍鋅鋼板焊接或組裝成全密閉箱體，經過鍍鋅與噴塑等防腐蝕處理；屏蔽門采用屏蔽簧片、冷軋鋼板焊接組成門扇；柜體和轉接板之間填充雙芯屏蔽絲網，其余縫隙部位采用屏蔽絲網；柜體內外通信信號以光纜形式通過專用光纖波導管引入；屏蔽通風窗做成截止波導形式，波導窗由多個小波導組成波導束，小波導截面形狀為六角形，其插入衰減與屏蔽機柜指標一致。
屏蔽機柜依據《GJB 5185-2003小屏蔽機柜屏蔽效能測試方法》進行測試，在要求的10 MHz～10 GHz頻率范圍內屏蔽效能均不小于40 dB。
2.2 控制系統的濾波和接地
控制系統的傳導干擾途徑主要有：監控信號傳輸線纜、與上級指控系統的通信連接線纜、控制系統的電源線等。為此，在信號傳輸與指控通信連接的導線選擇上應盡可能地使用光纖。控制系統采用全光纖數據接口的數字化信息傳輸網絡：
(1)時序觸發信號及數字開關量等經過光電轉換處理，通過光纖連接。
(2)HPM源輔助運行裝置與控制系統的數據通信采用RS485等標準串行總線通信方式，約定通信協議，統一數據接口標準，采用光纖傳輸介質。
(3)與指控系統的連接網絡采用光纖以太網，完成本地控制系統內外指令數據的交換。
切斷經信號傳輸及通信連接線纜形成的干擾途徑后，窄帶HPM源控制系統的濾波主要是考慮防止從電源線引入的電磁干擾。為此，設備艙內的控制系統首先采用單相隔離變壓器(3 kVA/AC 220 V)提供屏蔽機柜的電源輸入，減少主電網電壓波動和HPM源線路串擾對測控單元的影響；同時，如圖5所示，屏蔽機柜采用電源濾波器進一步抑制經過電源線纜引入內部控制系統的干擾噪聲，其泄漏電流為mA量級，壓降小于1 V，在14 kHz～40 GHz頻率范圍內，插入損耗達到100 dB。
屏蔽是抑制干擾的重要方法，正確良好的接地可以幫助控制系統消除干擾、穩定運行。窄帶HPM源控制系統中包含有多種電子線路和各種電器元部件，分為信號地線和機殼地線等，因此地線分組敷設。其中，信號地線采用“懸浮地”，與控制單元的機箱殼體分開；機箱殼體與屏蔽機柜柜體搭接，后者采用銅排線接地（屏蔽地的電阻不超過1 Ω），與大地相連形成電氣通路，為屏蔽柜體上的電荷提供一條低阻抗的泄放通路。為了將控制系統屏蔽機柜的“地”與HPM源的高壓地分隔開，機柜底座采用槽鋼通過預留安裝孔，經環氧絕緣板（10 mm厚，采用玻璃纖維與環氧樹脂層壓，絕緣強度為18 kV/mm）與方艙固定，整體通過絕緣板與方艙隔斷，達到絕緣。
3 結論
本文根據窄帶HPM源強電磁環境的特性，首先完成對導致控制系統性能異常的干擾源分析，找到主要干擾因素，然后按照傳播途徑對強電磁脈沖傳導耦合和空間耦合進行理論分析和實驗測試，提出控制系統的EMC設計。控制設備采用屏蔽機柜安裝，在要求的10 MHz～10 GHz頻率范圍內屏蔽效能均不小于40 dB；控制系統采用全光纖數據接口的數字化信息傳輸網絡，切斷經信號傳輸及通信連接線纜形成的干擾途徑；采用隔離變壓器和電源濾波器等抑制經過電源線纜引入內部控制系統的干擾噪聲；控制系統地線分組敷設。結果驗證控制系統采取的措施對抑制窄帶HPM強電磁環境下的電磁干擾是有效可行的，其設計滿足HPM源工作要求。同時，窄帶HPM源控制系統的EMC分析和設計也為強電磁環境下有關電子設備的可靠性問題奠定了基礎。
參考文獻
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