0 引言

    在对高功率微波(High Power Microwave，HPM)及其相关技术研究的过程中，随着HPM源功率的进一步提高，系统产生的微波、高压放电、X射线、电子束强引导磁场等构成复杂的强电磁环境，对于现场控制系统等工作设备的准确性、可靠性甚至安全性都构成了威胁^[1-3]。窄带HPM系统是指产生微波脉冲输出功率为0.1 GW～100 GW、频率为0.3 GHz～300 GHz、百分比带宽小于5%的微波系统；强电磁环境指峰值电场强度超过了100 V/m，对自由空间的平面波而言，即功率密度超过了26.5 W/m²。开展窄带HPM源强电磁环境中控制系统电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)分析研究和设计，为解决有关电子设备在恶劣环境下的可靠性问题奠定基础，对于提高工作效率、确保科研生产顺利进行具有重要意义。

1 窄带HPM强电磁环境对控制系统的电磁干扰分析

1.1 电磁干扰对控制系统的性能影响

    HPM源控制系统主要用于实现接收运行参数设置和工作指令，完成现场HPM源及其相关设备的工作时序控制，同时返回指控系统各组成部分状态信息。HPM系统运行过程中，仪器设备曾经出现不同程度的故障现象。分析窄带HPM源工作场景和过程，结合控制设备的放置和线缆敷设情况，从理论上确认可能产生影响的干扰源如下：

    (1)充电电源达到预定充电值时，高压开关快速导通（数微秒内）过程可产生强电磁脉冲。

    (2)电子束源真空二极管输出电子束，轰击在靶上或收集极上产生X射线。

    (3)加速器工作时接地线瞬时电位抬高。

1.2 电磁干扰测试和分析

    电磁干扰形成具备三个基本要素：干扰源、耦合途径及敏感设备。首先分析导致控制系统性能异常的电磁干扰源，找到主要干扰因素，然后按照传播途径对强电磁脉冲传导耦合和空间耦合进行理论分析和实验测试^[4]。

    测试中采用LeCroy 640 Zi数字示波器进行实时采集和频域分析。如图1，窄带HPM强电磁环境瞬变脉冲群干扰强度采用测量线间干扰信号的方法。选用HBVY非双绞两芯线（电话专用线）作为干扰接收体，铺设在干扰源电缆附近，两芯线间连接2 kΩ电阻（该值接近大多数监控设备输入等效电阻），通过示波器捕捉电阻感应的最大干扰信号^[5]。

    测量中采用高阻探头串联同轴固定衰减器从2 kΩ电阻接入数字示波器，同时将控制系统产生的开关触发信号作为测量时基。在HPM源输出电压425 kV、输出电流4.07 kA，即输出功率1.73 GW时，传导干扰测量波形见图2。

    窄带HPM强电磁环境对控制系统等电子仪器设备性能的空间干扰影响范围随辐射天线角度成反比递减。实际测量过程中，首先采用双脊喇叭接收天线，通过25 m电缆(3 GHz，衰减12.525 dB)接到检波器(测量频率范围1 GHz~18 GHz，测量功率范围-6 dBm~15 dBm)，再送至示波器进行观测；测试波形显示空间辐射的干扰波形频率多集中在1 GHz以内，1 GHz以上的信号在实验条件下未观测到(HPM源全系统联试时，对天线背面进行了金属屏蔽，降低源辐射天线对控制设备的影响)。因此，采用宽带接收天线(频率范围DC~1 GHz，等效电缆长度0.017 m)进一步观测空间辐射波形，如图3。

    观察并分析以上测试结果可得：窄带HPM系统工作时，在其不同测量位置均可测得传导干扰和空间干扰波形，其中以开关处波形幅值最大，频域波形中幅值最大处多集中在30 MHz以内，即由于开关导通瞬间电路中通过的大电流影响所致；当接收干扰的线缆和发出干扰的线缆距离越近，并行距离越长，前者接收干扰的强度越大，设备工作性能越容易受到影响，与前述干扰源理论分析一致。

    综上所述，窄带HPM系统中大功率电力电子器件的频繁开关操作等将产生很陡的瞬态脉冲；高功率微波经天线辐射，其旁瓣、后瓣以及反射微波均可经近场耦合和远场辐射形成高频传导和辐射干扰，对电网设备及附近的控制系统等电子单元造成电磁环境污染，导致功能性故障或永久损坏。

2 窄带HPM强电磁环境中控制系统的EMC设计

    窄带HPM源与控制系统集成在设备舱内，运行现场产生的微波、高频电磁脉冲和磁场等将以前述论及的传导和空间耦合形式，经过供电、接地、互连以及空间辐射等对控制系统形成电磁干扰。控制系统的EMC设计主要从屏蔽、滤波和接地^[6]三方面进行考虑。

2.1 控制系统的电磁屏蔽

    为防止干扰源以空间耦合形式对控制系统形成干扰，根据控制设备功能实现、结构组成和线缆敷设等特点，将其放置在电磁屏蔽机柜内。对于大多数电子产品的屏蔽材料，其屏蔽效能达到30 dB 以上，方认为是有效屏蔽^[7]。机柜技术指标要求为：在10 MHz～10 GHz内屏蔽效能不小于40 dB。

    如图4，当电磁波E垂直穿过金属屏蔽柜体时，其屏蔽效能与柜体结构、屏蔽材料的电导率、磁导率、电磁场频率、干扰源性质和距干扰源距离等有关。

    金属屏蔽柜体的屏蔽效果取决于电磁波在屏蔽体内的吸收损耗(A)、反射损耗(R)和多次反射修正项(C)。屏蔽效能S_E可表示为：

其中A与屏蔽层的厚度和传播常数有关，R、C与传输系数、反射系数和波阻抗等有关。

    吸收损耗A可用相对电导率g_r和相对磁导率μ_r近似表示为：

式中：K₁是系数，当l以m为单位时，K₁为131.4；f是电磁波频率。

    反射损耗R与波阻抗、反射系数和材料等有关，可由下式求出：

式中t为屏蔽柜体的传输系数。

    当屏蔽柜体吸收损耗比较小时(A≤10 dB)，屏蔽柜体内第二个表面反射的能量较大。因此，屏蔽柜体的屏蔽效果还要将多次反射的能量考虑在内，即增加一个多次反射修正项C。该修正项C与屏蔽体的吸收损耗A和波阻抗等因素有关。

    经计算和分析确定，控制系统的屏蔽机柜采用镀锌钢板焊接或组装成全密闭箱体，经过镀锌与喷塑等防腐蚀处理；屏蔽门采用屏蔽簧片、冷轧钢板焊接组成门扇；柜体和转接板之间填充双芯屏蔽丝网，其余缝隙部位采用屏蔽丝网；柜体内外通信信号以光缆形式通过专用光纤波导管引入；屏蔽通风窗做成截止波导形式，波导窗由多个小波导组成波导束，小波导截面形状为六角形，其插入衰减与屏蔽机柜指标一致。

    屏蔽机柜依据《GJB 5185-2003小屏蔽机柜屏蔽效能测试方法》进行测试，在要求的10 MHz～10 GHz频率范围内屏蔽效能均不小于40 dB。

2.2 控制系统的滤波和接地

    控制系统的传导干扰途径主要有：监控信号传输线缆、与上级指控系统的通信连接线缆、控制系统的电源线等。为此，在信号传输与指控通信连接的导线选择上应尽可能地使用光纤。控制系统采用全光纤数据接口的数字化信息传输网络：

    (1)时序触发信号及数字开关量等经过光电转换处理，通过光纤连接。

    (2)HPM源辅助运行装置与控制系统的数据通信采用RS485等标准串行总线通信方式，约定通信协议，统一数据接口标准，采用光纤传输介质。

    (3)与指控系统的连接网络采用光纤以太网，完成本地控制系统内外指令数据的交换。

    切断经信号传输及通信连接线缆形成的干扰途径后，窄带HPM源控制系统的滤波主要是考虑防止从电源线引入的电磁干扰。为此，设备舱内的控制系统首先采用单相隔离变压器(3 kVA/AC 220 V)提供屏蔽机柜的电源输入，减少主电网电压波动和HPM源线路串扰对测控单元的影响；同时，如图5所示，屏蔽机柜采用电源滤波器进一步抑制经过电源线缆引入内部控制系统的干扰噪声，其泄漏电流为mA量级，压降小于1 V，在14 kHz～40 GHz频率范围内，插入损耗达到100 dB。

    屏蔽是抑制干扰的重要方法，正确良好的接地可以帮助控制系统消除干扰、稳定运行。窄带HPM源控制系统中包含有多种电子线路和各种电器元部件，分为信号地线和机壳地线等，因此地线分组敷设。其中，信号地线采用“悬浮地”，与控制单元的机箱壳体分开；机箱壳体与屏蔽机柜柜体搭接，后者采用铜排线接地（屏蔽地的电阻不超过1 Ω），与大地相连形成电气通路，为屏蔽柜体上的电荷提供一条低阻抗的泄放通路。为了将控制系统屏蔽机柜的“地”与HPM源的高压地分隔开，机柜底座采用槽钢通过预留安装孔，经环氧绝缘板（10 mm厚，采用玻璃纤维与环氧树脂层压，绝缘强度为18 kV/mm）与方舱固定，整体通过绝缘板与方舱隔断，达到绝缘。

3 结论

    本文根据窄带HPM源强电磁环境的特性，首先完成对导致控制系统性能异常的干扰源分析，找到主要干扰因素，然后按照传播途径对强电磁脉冲传导耦合和空间耦合进行理论分析和实验测试，提出控制系统的EMC设计。控制设备采用屏蔽机柜安装，在要求的10 MHz～10 GHz频率范围内屏蔽效能均不小于40 dB；控制系统采用全光纤数据接口的数字化信息传输网络，切断经信号传输及通信连接线缆形成的干扰途径；采用隔离变压器和电源滤波器等抑制经过电源线缆引入内部控制系统的干扰噪声；控制系统地线分组敷设。结果验证控制系统采取的措施对抑制窄带HPM强电磁环境下的电磁干扰是有效可行的，其设计满足HPM源工作要求。同时，窄带HPM源控制系统的EMC分析和设计也为强电磁环境下有关电子设备的可靠性问题奠定了基础。

参考文献

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