
窄帶HPM強電磁環境中控制系統的EMC分析和設計
金暉,羅敏,劉忠
(中國工程物理研究院應用電子學研究所高功率微波技術重點實驗室,四川綿陽621900)
摘要:針對窄帶高功率微波(HPM)強電磁環境對控制系統的性能影響,采用理論分析和實驗測試等方法對電磁干
擾fEMI)的干擾源和耦合途徑進行研究,提出控制系統電磁兼容性的設計方法,從電磁屏蔽、濾波和接地等方面進行
分析并采取措施。實驗結果驗證了控制系統在屏蔽、濾波和接地等方面采取的措施,對抑制窄帶HPM源強電磁環境
下的電磁干擾有效可行,控制系統的設計滿足HPM源的工作要求。同時窄帶HPM控制系統的電磁兼容性(EMC)分
析和設計也為強電磁環境下儀器設備防護加固提供技術支撐。
關鍵詞:電磁兼容;強電磁環境;窄帶HPM系統;電磁屏蔽;濾波;接地
中圖分類號:TM89 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 na ̄ow—band HPM source of
high-power electromagnetic environment[J].Application of Electronic Technique,2016,42(6):77—80.
EMC analysis and design for control system
based on narrow-band HPM source of high-power electromagnetic environment
Jin Hui,Luo Min,Liu Zong
(Science and Technology on High Power Microwave Laboratory,Institute of Applied Electronics,CAEP,Mianyang 621900,China)
Abstract:In allusion to the influence of narrow—band high power microwave(HPM)source electromagnetic environment on performance
of control system,the interference source and coupling paths of electro magnetic interference(EMI)are researched through theoretical
analysis and experimental measurements.Electro magnetic compatibility(EMC)design of the control system,electromagnetic shielding,
iflter and grounding are analyzed.Relevant measures are put in to practice too.These measures prove that the experiments on re·
straining EMI of high-power electromagnetic environment are effective and feasible.The design of control system satisfies the re—
quirements of HPM source.Meanwhile,technical suppo ̄is provided for protection on instruments and equipments in high—power
electromagnetic environments.
Key words:electromagnetic compatibility;high-power electromagnetic environment;na ̄ow-band HPM system;electromagnetic shield—
ing;filter;grounding
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
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
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]。 工作指令,完成現場HPM源及其相關設備的工作時序控
窄帶HPM系統是指產生微波脈沖輸出功率為0.1 GW~ 制,同時返回指控系統各組成部分狀態信息。HPM系統運
100 GW、頻率為0.3 GHz~300 GHz、百分比帶寬小于5% 行過程中,儀器設備曾經出現不同程度的故障現象。分析
的微波系統;強電磁環境指峰值電場強度超過了100 V/m,
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:
對自由空間的平面波而言,即功率密度超過了26.5 w/m 。
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 (數微秒內)過程可產生強電磁脈沖。
解決有關電子設備在惡劣環境下的可靠性問題奠定基
(1)充電電源達到預定充電值時,高壓開關快速導通
(2)電子束源真空二極管輸出電子束,轟擊在靶上或
77
《電子技術應用》2016年第42卷第6期
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【4l。
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,兩芯線問連接2 kft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I5_。
現場干擾源電纜
HBYV非雙絞2芯線
圖1瞬變脈沖群干擾的測量方法示意圖
測量中采用高阻探頭串聯同軸固定衰減器從2 kn
電阻接人數字示波器,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,測量功率范圍一6 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 場產生的微波、高頻電磁脈沖和磁場等將以前述論及的
78 歡迎網上投稿www.ChinaAET.corn
150
1∞
∞
O
之-鋤
1∞
1∞
功
.瑚 2OO 4OO
600 eo。 1蚴 l 200 I4∞ 1 500
t/ns
(a)時域波形
(b)頻域波形
圖2傳導干擾測量波形圖
t/ns
(a)時域波形
ooi ̄*ooo 2.OOE+O07 4,∞E+唧7
,/Hz
(b)頻域波形
圖3空間耦合干擾測量波形圖
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
《電子技術應用》2016年第42卷第6期
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f61三方面進行考慮。
2.1控制系統的電磁屏蔽
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
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l 7l。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 數字化信息傳輸網絡:
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。
空氣 空氣
E
一/
圖4電磁波穿過金屬屏蔽柜體圖
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( )和多次反射修正項(C)。
屏蔽效能S 可表示為:
SE=A+R+C (1)
其中A與屏蔽層的厚度和傳播常數有關, 、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&和相對磁導率肼近
似表示為:
A=K1 Z ̄ ̄/f1.Zrgr (2)
式中:K 是系數,當Z以m為單位時,K 為131.4;.廠是電
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:
R=-201gltl (3)
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 ≤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 地線和機殼地線等,因此地線分組敷設。其中,信號地線
纖波導管引入;屏蔽通風窗做成截止波導形式,波導窗
《電子技術應用》2016年第42卷第6期
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
(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。
f2)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】O0 dB。
三
L
N
E
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 Q),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。
參考文獻
【1]劉尚合.武器裝備的電磁環境效應及其發展趨勢[J】.裝備
指揮技術學院學報,2005,16(11:1—6.
【2】WYA1Tr K,JOST R J.Electromagnetic compatibility pocket
guide:key EMC facts,equations,and data[M].Raleigh,U.S.A.:
Tech Publishing,Inc,2013.
【3]LABOURE E,REVOL B.Electromagnetic compatibility in
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
power electronics[M].London,U.K.:ISTE Ltd&Hoboken,
U.S.A:John Wiley&Sons,Inc,20t4.
【4】王定華,趙家升.電磁兼容原理與設計[M】.成都:電子科
技大學出版社,1995.
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
【5】鄒哲強,莊捷,屈世甲.一種測量工業環境感應傳導干擾
的方法【J].工礦自動化,2012(6):28—32.
【6】王新新,馬蕾,蔡新景,等.抗強電磁干擾的高電壓同步
EMC設計。控制設備采用屏蔽機柜安裝,在要求的10
MHz一10 GHz頻率范圍內屏蔽效能均不小于40 dB;控制
控制系統【J].高電壓技術,2010,36(3):632—636.
[7】何金良.電磁兼容概論【M】.北京:科學出版社,2010.
(收稿日期:2016—02一O1)
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
作者簡介:
金暉(1972一),通信作者,女,碩士,副高,主要研究方
向:脈沖功率源及測控技術,E-mail:qiqin1@163.com。
羅敏(1972一),男,碩士,副高,主要研究方向:脈沖功
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
率源及開關技術。
電磁環境下有關電子設備的可靠性問題奠定了基礎。
(上接第73頁)
53(3):410—414.
IEEE802.15.6基帶信號處理IP核進行了大量的測試驗
[6】陸許明,溫偉杰,譚洪舟.基于FPGA的OFDM基帶軟硬
證,基本滿足了體域網基帶芯片的設計驗證需求。同時
件聯合驗證平臺的設計[J].電子技術應用,2013,39(3):
30—36.
也可以擴展應用到其他近距離無線通信芯片的設計驗
證應用中。
參考文獻
【1]駱麗,吳鳳姣.應用于無線體域網2.4 GHz超低功耗喚醒
接收機的設計fJ1.北京交通大學學報,2013,37(2):57-62.
f21 10.1 109/IEEESTD.2012.6161600,IEEE Standard for local
and metropolitan area networks-part 15.6:wireless body
[7]RAAD B B.A 2.4 GHz high data rate radio for pico-
s ̄enKes[C] Proceedings of the 2014 8th International
Conference on Telecommunication Systems Services and
Applications,Kuta,Indonesia,2014:1—6.
(收稿日期:2016—02-01)
作者簡介:
吳開斌(1990一),男,碩士研究生,主要研究方向:無線
area networks[S】.
【3】王志軍,胡封曄,尹穎奇,等.基于無線體域網的傳輸功率
體域網基帶信號處理、通信系統硬件電路設計。
陳嵐(1968一),通信作者,女,博士,博士生導師,主要
研究方向:納米及SoC芯片設計方法學、移動通信系統低功
耗技術及物聯網芯片技術等,E—mail:ehenlan@ime.ac.cn。
呂超(1980一),男,博士,主要研究方向:低功耗無線通
信技術、體域網SoC設計等。
控制和調度算法【J】.通信學報,2015,36(10):271—277.
[4】李輝.TD—LTE基帶芯片驗證系統信號完整性研究【D】.南
京:南京理工大學,2013.
[5]陸希玉,肖振宇,金德鵬,等.基于單載波超寬帶的高速
異構無線體域網fJ1.清華大學學報(自然科學版),2013,
(上接第76頁)
CPU and instruction set reference guide[EB/OL].Http://
WW3N.ti.corn.cn,2008.
作者簡介:
許虎(1985一),男,碩士,工程師,主要研究方向:LTE/
LTE—A移動通信系統開發。
林藝輝(1988一),男,碩士,工程師,主要研究方向:DSP
系統開發。
[6】Texas Instumernts Incorporated.田黎育,何佩琨,朱夢宇,譯
TMS320C6000系列DSP編程工具與指南【M].北京:清華
大學出版社,2006.
劉小剛(1987一),男,碩士,工程師,主要研究方向:
(收稿Et期:2016-03-08)
LTE/L]rE—A移動通信系統開發。
80 歡迎網上投稿www.ChinaAET.corn
《電子技術應用》2016年第42卷第6期

本文發布于:2023-11-02 23:53:21,感謝您對本站的認可!
本文鏈接:http://www.newhan.cn/zhishi/a/1698940402204429.html
版權聲明:本站內容均來自互聯網,僅供演示用,請勿用于商業和其他非法用途。如果侵犯了您的權益請與我們聯系,我們將在24小時內刪除。
本文word下載地址:窄帶HPM強電磁環境中控制系統的EMC分析和設計.doc
本文 PDF 下載地址:窄帶HPM強電磁環境中控制系統的EMC分析和設計.pdf
| 留言與評論(共有 0 條評論) |