0 引言

    在對(duì)高功率微波(High Power Microwave，HPM)及其相關(guān)技術(shù)研究的過程中，隨著HPM源功率的進(jìn)一步提高，系統(tǒng)產(chǎn)生的微波、高壓放電、X射線、電子束強(qiáng)引導(dǎo)磁場(chǎng)等構(gòu)成復(fù)雜的強(qiáng)電磁環(huán)境，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)等工作設(shè)備的準(zhǔn)確性、可靠性甚至安全性都構(gòu)成了威脅^[1-3]。窄帶HPM系統(tǒng)是指產(chǎn)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(tǒng)；強(qiáng)電磁環(huán)境指峰值電場(chǎng)強(qiáng)度超過了100 V/m，對(duì)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(qiáng)電磁環(huán)境中控制系統(tǒng)電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)分析研究和設(shè)計(jì)，為解決有關(guān)電子設(shè)備在惡劣環(huán)境下的可靠性問題奠定基礎(chǔ)，對(duì)于提高工作效率、確保科研生產(chǎn)順利進(jìn)行具有重要意義。

1 窄帶HPM強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的電磁干擾分析

1.1 電磁干擾對(duì)控制系統(tǒng)的性能影響

    HPM源控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)接收運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和工作指令，完成現(xiàn)場(chǎng)HPM源及其相關(guān)設(shè)備的工作時(shí)序控制，同時(shí)返回指控系統(tǒng)各組成部分狀態(tài)信息。HPM系統(tǒng)運(yùn)行過程中，儀器設(shè)備曾經(jīng)出現(xiàn)不同程度的故障現(xiàn)象。分析窄帶HPM源工作場(chǎng)景和過程，結(jié)合控制設(shè)備的放置和線纜敷設(shè)情況，從理論上確認(rèn)可能產(chǎn)生影響的干擾源如下：

    (1)充電電源達(dá)到預(yù)定充電值時(shí)，高壓開關(guān)快速導(dǎo)通（數(shù)微秒內(nèi)）過程可產(chǎn)生強(qiáng)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(chǎn)生X射線。

    (3)加速器工作時(shí)接地線瞬時(shí)電位抬高。

1.2 電磁干擾測(cè)試和分析

    電磁干擾形成具備三個(gè)基本要素：干擾源、耦合途徑及敏感設(shè)備。首先分析導(dǎo)致控制系統(tǒng)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(duì)強(qiáng)電磁脈沖傳導(dǎo)耦合和空間耦合進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試^[4]。

    測(cè)試中采用LeCroy 640 Zi數(shù)字示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和頻域分析。如圖1，窄帶HPM強(qiáng)電磁環(huán)境瞬變脈沖群干擾強(qiáng)度采用測(cè)量線間干擾信號(hào)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(shè)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(shù)監(jiān)控設(shè)備輸入等效電阻），通過示波器捕捉電阻感應(yīng)的最大干擾信號(hào)^[5]。

    測(cè)量中采用高阻探頭串聯(lián)同軸固定衰減器從2 kΩ電阻接入數(shù)字示波器，同時(shí)將控制系統(tǒng)產(chǎn)生的開關(guān)觸發(fā)信號(hào)作為測(cè)量時(shí)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(shí)，傳導(dǎo)干擾測(cè)量波形見圖2。

    窄帶HPM強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)等電子儀器設(shè)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(shí)際測(cè)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(cè)量頻率范圍1 GHz~18 GHz，測(cè)量功率范圍-6 dBm~15 dBm)，再送至示波器進(jìn)行觀測(cè)；測(cè)試波形顯示空間輻射的干擾波形頻率多集中在1 GHz以內(nèi)，1 GHz以上的信號(hào)在實(shí)驗(yàn)條件下未觀測(cè)到(HPM源全系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)，對(duì)天線背面進(jìn)行了金屬屏蔽，降低源輻射天線對(duì)控制設(shè)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(zhǎng)度0.017 m)進(jìn)一步觀測(cè)空間輻射波形，如圖3。

    觀察并分析以上測(cè)試結(jié)果可得：窄帶HPM系統(tǒng)工作時(shí)，在其不同測(cè)量位置均可測(cè)得傳導(dǎo)干擾和空間干擾波形，其中以開關(guān)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(nèi)，即由于開關(guān)導(dǎo)通瞬間電路中通過的大電流影響所致；當(dāng)接收干擾的線纜和發(fā)出干擾的線纜距離越近，并行距離越長(zhǎng)，前者接收干擾的強(qiáng)度越大，設(shè)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(tǒng)中大功率電力電子器件的頻繁開關(guān)操作等將產(chǎn)生很陡的瞬態(tài)脈沖；高功率微波經(jīng)天線輻射，其旁瓣、后瓣以及反射微波均可經(jīng)近場(chǎng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射形成高頻傳導(dǎo)和輻射干擾，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備及附近的控制系統(tǒng)等電子單元造成電磁環(huán)境污染，導(dǎo)致功能性故障或永久損壞。

2 窄帶HPM強(qiáng)電磁環(huán)境中控制系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)

    窄帶HPM源與控制系統(tǒng)集成在設(shè)備艙內(nèi)，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的微波、高頻電磁脈沖和磁場(chǎng)等將以前述論及的傳導(dǎo)和空間耦合形式，經(jīng)過供電、接地、互連以及空間輻射等對(duì)控制系統(tǒng)形成電磁干擾?？刂葡到y(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)主要從屏蔽、濾波和接地^[6]三方面進(jìn)行考慮。

2.1 控制系統(tǒng)的電磁屏蔽

    為防止干擾源以空間耦合形式對(duì)控制系統(tǒng)形成干擾，根據(jù)控制設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)組成和線纜敷設(shè)等特點(diǎn)，將其放置在電磁屏蔽機(jī)柜內(nèi)。對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品的屏蔽材料，其屏蔽效能達(dá)到30 dB 以上，方認(rèn)為是有效屏蔽^[7]。機(jī)柜技術(shù)指標(biāo)要求為：在10 MHz～10 GHz內(nèi)屏蔽效能不小于40 dB。

    如圖4，當(dāng)電磁波E垂直穿過金屬屏蔽柜體時(shí)，其屏蔽效能與柜體結(jié)構(gòu)、屏蔽材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、電磁場(chǎng)頻率、干擾源性質(zhì)和距干擾源距離等有關(guān)。

    金屬屏蔽柜體的屏蔽效果取決于電磁波在屏蔽體內(nèi)的吸收損耗(A)、反射損耗(R)和多次反射修正項(xiàng)(C)。屏蔽效能S_E可表示為：

其中A與屏蔽層的厚度和傳播常數(shù)有關(guān)，R、C與傳輸系數(shù)、反射系數(shù)和波阻抗等有關(guān)。

    吸收損耗A可用相對(duì)電導(dǎo)率g_r和相對(duì)磁導(dǎo)率μ_r近似表示為：

式中：K₁是系數(shù)，當(dāng)l以m為單位時(shí)，K₁為131.4；f是電磁波頻率。

    反射損耗R與波阻抗、反射系數(shù)和材料等有關(guān)，可由下式求出：

式中t為屏蔽柜體的傳輸系數(shù)。

    當(dāng)屏蔽柜體吸收損耗比較小時(shí)(A≤10 dB)，屏蔽柜體內(nèi)第二個(gè)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(nèi)，即增加一個(gè)多次反射修正項(xiàng)C。該修正項(xiàng)C與屏蔽體的吸收損耗A和波阻抗等因素有關(guān)。

    經(jīng)計(jì)算和分析確定，控制系統(tǒng)的屏蔽機(jī)柜采用鍍鋅鋼板焊接或組裝成全密閉箱體，經(jīng)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(zhuǎn)接板之間填充雙芯屏蔽絲網(wǎng)，其余縫隙部位采用屏蔽絲網(wǎng)；柜體內(nèi)外通信信號(hào)以光纜形式通過專用光纖波導(dǎo)管引入；屏蔽通風(fēng)窗做成截止波導(dǎo)形式，波導(dǎo)窗由多個(gè)小波導(dǎo)組成波導(dǎo)束，小波導(dǎo)截面形狀為六角形，其插入衰減與屏蔽機(jī)柜指標(biāo)一致。

    屏蔽機(jī)柜依據(jù)《GJB 5185-2003小屏蔽機(jī)柜屏蔽效能測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，在要求的10 MHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)屏蔽效能均不小于40 dB。

2.2 控制系統(tǒng)的濾波和接地

    控制系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾途徑主要有：監(jiān)控信號(hào)傳輸線纜、與上級(jí)指控系統(tǒng)的通信連接線纜、控制系統(tǒng)的電源線等。為此，在信號(hào)傳輸與指控通信連接的導(dǎo)線選擇上應(yīng)盡可能地使用光纖。控制系統(tǒng)采用全光纖數(shù)據(jù)接口的數(shù)字化信息傳輸網(wǎng)絡(luò)：

    (1)時(shí)序觸發(fā)信號(hào)及數(shù)字開關(guān)量等經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理，通過光纖連接。

    (2)HPM源輔助運(yùn)行裝置與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用RS485等標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信方式，約定通信協(xié)議，統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，采用光纖傳輸介質(zhì)。

    (3)與指控系統(tǒng)的連接網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng)，完成本地控制系統(tǒng)內(nèi)外指令數(shù)據(jù)的交換。

    切斷經(jīng)信號(hào)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(tǒng)的濾波主要是考慮防止從電源線引入的電磁干擾。為此，設(shè)備艙內(nèi)的控制系統(tǒng)首先采用單相隔離變壓器(3 kVA/AC 220 V)提供屏蔽機(jī)柜的電源輸入，減少主電網(wǎng)電壓波動(dòng)和HPM源線路串?dāng)_對(duì)測(cè)控單元的影響；同時(shí)，如圖5所示，屏蔽機(jī)柜采用電源濾波器進(jìn)一步抑制經(jīng)過電源線纜引入內(nèi)部控制系統(tǒng)的干擾噪聲，其泄漏電流為mA量級(jí)，壓降小于1 V，在14 kHz～40 GHz頻率范圍內(nèi)，插入損耗達(dá)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(tǒng)消除干擾、穩(wěn)定運(yùn)行。窄帶HPM源控制系統(tǒng)中包含有多種電子線路和各種電器元部件，分為信號(hào)地線和機(jī)殼地線等，因此地線分組敷設(shè)。其中，信號(hào)地線采用“懸浮地”，與控制單元的機(jī)箱殼體分開；機(jī)箱殼體與屏蔽機(jī)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(tǒng)屏蔽機(jī)柜的“地”與HPM源的高壓地分隔開，機(jī)柜底座采用槽鋼通過預(yù)留安裝孔，經(jīng)環(huán)氧絕緣板（10 mm厚，采用玻璃纖維與環(huán)氧樹脂層壓，絕緣強(qiáng)度為18 kV/mm）與方艙固定，整體通過絕緣板與方艙隔斷，達(dá)到絕緣。

3 結(jié)論

    本文根據(jù)窄帶HPM源強(qiáng)電磁環(huán)境的特性，首先完成對(duì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)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(duì)強(qiáng)電磁脈沖傳導(dǎo)耦合和空間耦合進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出控制系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)。控制設(shè)備采用屏蔽機(jī)柜安裝，在要求的10 MHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)屏蔽效能均不小于40 dB；控制系統(tǒng)采用全光纖數(shù)據(jù)接口的數(shù)字化信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，切斷經(jīng)信號(hào)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(jīng)過電源線纜引入內(nèi)部控制系統(tǒng)的干擾噪聲；控制系統(tǒng)地線分組敷設(shè)。結(jié)果驗(yàn)證控制系統(tǒng)采取的措施對(duì)抑制窄帶HPM強(qiáng)電磁環(huán)境下的電磁干擾是有效可行的，其設(shè)計(jì)滿足HPM源工作要求。同時(shí)，窄帶HPM源控制系統(tǒng)的EMC分析和設(shè)計(jì)也為強(qiáng)電磁環(huán)境下有關(guān)電子設(shè)備的可靠性問題奠定了基礎(chǔ)。

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