多根贯通导线对屏蔽体内电路电磁干扰影响的仿真研究
2008-07-22
作者：李永明, 耿力东, 俞集辉, 汪
摘 要： 仿真研究了两根贯通导线对屏蔽体内印制电路板" title="印制电路板">印制电路板终端负载的影响。研究表明,贯通导线与屏蔽体外的电磁脉冲" title="电磁脉冲">电磁脉冲波耦合，可使传入屏蔽体内印制电路板终端负载上的电压增大很多；当双线连接时,不仅存在着空间辐射干扰" title="辐射干扰">辐射干扰波通过导线吸收传导进入电路而产生的干扰电压，而且还存在着两线间串扰" title="串扰">串扰电压。实验结果可知，随着频率的增加，线间串扰增大，在终端负载产生的总干扰电压，比只有通过线吸收传导进入电路产生的电压要大。这些工作对电子系统的设计和安装具有指导意义。
关键词： 导线 屏蔽体 电磁干扰
随着微电子技术的发展，很多电子部件和电路的工作频率不断提高,而工作电压却逐渐降低,因而对电磁脉冲的敏感性和易损性也不断增加。对某些电磁脉冲而言,因其场强极高,上升到峰值的时间极短,覆盖范围极宽。为了能使电子电路稳定工作,研究电磁脉冲对电子设备和系统的干扰及损伤效应变得十分迫切。很多电子设备都有屏蔽机箱,当屏蔽机箱上开有小孔时,只要孔径相对于电磁脉冲主要频段信号的最小波长足够小,机箱对该脉冲波就有较高的屏蔽效能。然而，当小孔中有贯通导线穿过时,机箱的屏蔽效能将大大降低。此时外部的干扰电磁场可以直接将电磁能量耦合到暴露在屏蔽体外的贯通导线上，并通过导线引入屏蔽体内部，使屏蔽体内的电磁环境变得更加复杂，从而使机箱内电路上的耦合电压(电流)显著增强。若电磁脉冲入射电场与贯通导线在机箱外的部分平行,则贯通导线可直接从入射场中耦合电磁能量并将其引入机箱内电路,从而使机箱内电路上的耦合电压(电流)也显著增强。目前其研究工作主要局限在研究导线穿过无限大导体平面时的耦合干扰问题[1]。参考文献[2]和[3]分别应用多层快速多极子算法(MLFMM)和时域有限差分方法(FDTD)对屏蔽体有贯通导线的辐射干扰问题进行了研究，而对屏蔽体内部电路干扰的研究还很少。
为了更好地认识屏蔽机箱上贯通导线对机箱内电路耦合电压的影响,本文建立了贯通导线及屏蔽机箱内电路的简化模型,研究分析了无贯通导线和有单根贯通导线时对屏蔽体内印制电路板终端负载干扰的影响以及两根导线(有辐射干扰、传导干扰和两根线间的串扰)的综合影响。结果表明，无贯通导线时在终端负载产生的干扰电压要小很多，而有贯通导线时则使屏蔽体内部电子电路的抗干扰能力大大减弱，很容易使电路性能下降，影响设备的正常工作；在有两根导线时，既存在着辐射干扰也存在着两根线间串扰，随着频率的增加，两根线之间的串扰也明显增大，其产生的影响也变大。同时由于导线耦合了干扰源" title="干扰源">干扰源辐射出的脉冲波产生的影响与两根线之间的串扰产生的影响叠加在一起的总的干扰对终端负载的影响是巨大的，它能使屏蔽体内的电路无法正常工作。这些研究可以为电子系统的电磁兼容、抗电磁干扰及其防护提供相应的理论指导和数值依据。
1 模型建立
双贯通导线模型如图1所示。模型说明：线的半径为0.3cm，长度为15cm，线间的距离为1cm，距离无限大接地平面高度为5.5cm，首端都接50Ω电阻，末端接入屏蔽腔体内并与印制电路板上的金属带相联结，进入屏蔽箱体的长度为0.5cm，金属带的宽度为0.6cm；印制电路板终端(Port1)和(Port3)接50Ω电阻，印制电路板的长、宽、高分别为10cm、6cm、0.5cm，屏蔽腔体的长、宽、高分别为15cm、10cm、5cm，印制电路板在腔体内宽度方向上中心位置，距离腔体前端0.5cm处；模拟的橡胶台与屏蔽腔体尺寸大小一样，模拟汽车电子控制系统中各种电气电子设备放置的平台。设干扰源为一端口port2，其位置水平方向上与线的首端的距离为7.5cm， 垂直方向上与近端线的距离为12cm，其工作的中心频率为1.67GHz。
首先仿真研究无贯通导线和有单根贯通导线时在终端负载产生的影响，最后分析既有干扰源辐射耦合导线上对终端负载的影响又有两根线之间的串扰的综合干扰影响。
2 计算理论分析
在本文中,设干扰源端口port2电压为U2，印制电路板终端负载端口port1、port3电压分别为U1、U3，定义干扰源与终端负载电压关系式：
假设计算端口1(Port1)受到的总体干扰电压和为U（辐射传导干扰和串扰）并做如下处理：
则对应的分贝表示式为：
S=20×log10(|U|)
为此，可以分离出干扰源对两根线的干扰和两根线之间的串扰，这样就可以计算端口1(Port1)受到的总体干扰。同样对于三根或三根以上的贯通导线也可以做类似的处理，求解某一端口受到的总的干扰情况。
3 数值仿真结果与分析
为了研究贯通导线对屏蔽体内电路的影响，首先分析在没有导线情况时其电压传输关系图(为只有端口1导线存在时的电压关系)如图2所示。
从图2可以看出，电磁脉冲经开孔耦合进屏蔽体内作用在终端负载上的干扰随着频率的增加逐渐增大。另外，受模型自身结构的影响，在模型谐振频率处(如图中2.65GHz附近的频段)其干扰则最大。又因为变化的曲线起伏较小，可知在屏蔽体内产生了谐振，出现振荡，但是干扰的电压值很小(S21<115dB)。所以，屏蔽体在只有开孔且开孔比较小的时候，外部干扰电磁波在内部电路耦合的电压比较小。
图3(a)和图3(b)为当导线与干扰源距离为12cm时，印制电路板终端负载端口port1耦合电压传输关系图和电压比值图。
比较图3(a)和图2，有导线时比没有导线时干扰的电压大得多，而在图3(a)中最高也只有-20dB。从图3(b)可以看出，电压的比值受干扰源工作频率的影响较大，当在干扰源工作频率范围内其干扰最大，与没有导线比较则在终端负载耦合的电压也大。由此说明，贯通导线对屏蔽体内部电子电路系统的抗干扰能力大大减弱，很容易使电路性能下降，影响设备的正常工作。
图4(a)和图4(b)分别是近端线即port1和远端线即port3受到干扰源辐射干扰的耦合电压关系。从图4可以看出，由于线之间的距离为1cm，在高频段其干扰的情况没有大的区别，而在500MHz以下时接近干扰源的线上干扰要明显比远端的大。与此同时两根线之间也存在串扰，图5给出了端口1和端口3之间的串扰关系。
干扰过程分析：首先由干扰源辐射出的干扰电磁波向空间传播，然后通过线传导进入屏蔽箱体内的印制电路终端负载，从而对终端负载产生干扰；其次，由于两根线束之间还存在着串扰(即在端口1(Port1)和端口3(Port3))。为了分析总体的干扰，也必须考虑两根线之间的串扰。图6给出了端口1受到的总的干扰情况。
把图6和图4(a)比较可知，干扰在频率较低时结果将增大3～5dB左右,而在频率相对较高时增大更多。如在频率为2.5GHz时，在图4(a)时干扰只有－8dB左右，而在图6时则增加到6dB左右。可见随着频率的增加两根线之间的串扰也越来越变得明显。
本文通过仿真研究了双贯通导线对屏蔽体内印制电路板电路电磁干扰的影响，在这种情况下，不仅存在着通过导线吸收外部干扰波滞后传导进入屏蔽体内印制电路板电路上，而且还存在两个贯通导线之间的串扰的影响。研究表明：在无贯通导线时，干扰的电磁脉冲通过贯通孔耦合进入屏蔽体，受屏蔽体结构影响在屏蔽体内产生谐振，但当孔的尺寸很小时，与有贯通导线比较，在无贯通导线时其干扰的电压小很多。由此说明，有贯通导线时减小了屏蔽体内电子电路的抗干扰能力；当有两根贯通导线时的综合干扰，比没有两根线间串扰干扰要大，且随着频率的增加干扰也增大；而干扰源发出的干扰波对两根线产生的干扰，低频时对近线产生的干扰明显比远线大，而在高频，产生的干扰则近似一样。由分析可知，随着频率的增加，两根线间串扰也明显增大。这些研究对电子电路的设计以及安装有着理论和数值指导意义。
参考文献
[1] ZHENG E， HARRINGTON R F，MAUTZ J R. Electromagntic coupling through a wire-penetrated small aperture in and infinite conducting plane.Electromagnetic Compatibility. IEEE Transctions, Issue 2, Part 2, 1993,(35):295-300.
[2] SIAH E S, SERTEL K, VOLAKIS J L, et al. Coupling studies and shielding techniques for electromagnetic penetration through apertures on complex cavities and vehicular platforms.Electromagn-etic Compatibility,IEEE Transactions Issue 2, 2003,(45):245-257.
[3] PARK H H, LEE J W. Common-mode curr-ent on a wire through a corrgated aperture.ETRI Journal,2002,24(6):429-434.
[4] IANOZ M, WIPF H. Modeling and simulation methods to assess EMterrorism effects[A]. Proc. Asia2Pasific CEEM2000[C], Shangthai， 2000:1－4.
[5] 姚建明,吴建汪,谢拥军.内置PCB板电路的电子设备的屏效研究.微波学报，2005，21(4):31-34.