抗强瞬态干扰与毁伤的数据总线滤波器的设计与研制

1、摘 要良好的滤波是对电磁屏蔽的有效补充。信息高度发达的今天，数据传输的抗干扰性对于军用和民生都有重要意义。当今世界，核威胁并未完全消除。在遭受核电磁脉冲打击时保证设备能正常工作是实现反击的基础，抗强瞬态干扰与毁伤的数据总线滤波器就是在这样的情形下应运而生。本文从总线出发，介绍几种常用总线的传输特点，建立了数字信号传输的理论模型，从信号能量角度分析了信号截止频率，并借助FFT进行验证说明。分析核电磁脉冲的时域波形，建立简单的场线耦合模型，列出传输线方程并得出结果。分析不同参数对耦合电流的影响。建立切比雪夫低通原型滤波器，根据算法算出元件的量值，并借助软件进行仿真。比较不同浪涌抑制器，结合核电磁脉

2、冲的特点选用合适的元件，完成滤波器设计。关键词：核电磁脉冲 数据总线 场线耦合 滤波器 浪涌抑制器Abstract Effective filtering contributes to the electromagnetic shielding. With the development of information, data transmission plays a significant role for the military and the peoples livelihood. In todays world, the nuclear threat does not comple

3、tely eliminate. Under nuclear attack that military equipment can work normally is back against the base, strong anti-interference data bus filter is in such cases emerge as the times require.In this paper, starting from the bus, introduced several common bus transmission characteristics, a digital s

4、ignal transmission theory model, the signal from the viewpoint of energy signal cutoff frequency, and with the help of FFT verification instructions. Analysis of nuclear electromagnetic pulse waveform in time domain, build simple lines coupling model, list the transmission line equation and the resu

5、lt. It analyzes of different parameters on the coupling current effect, and establishes the Chebyshev low-pass filter prototype, according to the algorithm calculates the component values, and through software simulation. It does the work that comparison of different surge suppressors, combining wit

6、h the characteristics of nuclear electromagnetic pulse and selecting suitable components. Filter design has been completed.Keywords: HEMP data bus field-line coupling filter surge suppressor目录目 录第一章 绪论11.1 抗强瞬态干扰与毁伤的数据总线滤波器的研究背景和意义11.2 本文所做的工作2第二章 数据总线的频谱分析32.1 数据总线简介32.1.1 总线的概念32.1.2 两种传输模式的比较42.2

7、 常用的数据总线简介52.2.1 RS-232总线52.2.2 RS-485总线62.2.3 USB总线62.2.4 RJ-45总线72.3 信号频谱理论分析82.4 借助MATLAB对信号进行频率分析102.4.1 离散傅里叶算法概述112.4.2 离散傅里叶变换的实现112.5 本章小结13第三章 强瞬态干扰产生机理和特点153.1 核电磁脉冲的产生机理153.1.1 射线与物质的相互作用及NEMP源区的产生153.1.2 高空核电磁脉冲产生机理153.2 核电磁脉冲的破坏形式163.3 核电磁脉冲波形特点173.4 本章小结19第四章 线缆在核电磁脉冲照射下的耦合特性214.1 建立场线

8、耦合模型214.2 不同参数对耦合电流的影响244.2.1 高度对耦合电流的影响244.2.2 线缆长度对耦合电流影响244.2.3 不同入射仰角对耦合电流的影响254.2.4 不同大地电导率对耦合电流的影响264.3 本章小结27第五章 抗强瞬态干扰的数据总线滤波器的设计295.1 滤波器的整体设计思路295.2 稳态滤波器的设计305.2.1 A参量矩阵和插入损耗305.2.2 反射系数和阻抗失配325.2.3 切比雪夫原型滤波器设计简介335.2.4 滤波器参数设计实例355.2.5 高频分布参数对器件特性影响375.3 瞬态抑制器的选用395.3.1 瞬态抑制器件简介395.3.2 瞬

9、态器件选择415.4 本章小结42第六章 总结与展望436.1 全文总结436.2 下一步工作思路43致谢45参考文献47Error! No text of specified style in document.47第一章 绪论1.1 抗强瞬态干扰与毁伤的数据总线滤波器的研究背景和意义在电磁防护领域中，对强瞬态干扰的防护一直是一个热点。强瞬态电磁脉冲不仅对人类本身造成伤害，对更远距离的电子设备同样构成威胁。尽管各核大国承诺不使用战略核武器，但防患于未然，对核武器产生的强瞬态电磁脉冲的防护势在必行。上个世纪60年代，前苏联在北极圈进行核实验。猛烈的核爆炸不仅炸毁了爆心附近的一切，还对数千公里范

10、围内的电子系统产生猛烈冲击。苏联的防空雷达被破坏，无法探测空中目标；上千公里长的通信线路中断，部队一个多小时处于无法指挥的状态。次年，美国在太平洋的约翰斯顿岛上空进行核实验后，距离岛1400公里外的夏威夷群岛陷入一片混乱。防盗报警器响个不停，街灯熄灭，动力设备上的继电器一个个被烧毁。当时人们还不能解开这个迷。后来经过几年研究，才发现这是核爆炸产生的强瞬态脉冲所致。在各国此后进行的核试验中，核电磁脉冲破坏、干扰电子系统的例子数见不鲜。因此对核电磁脉冲进行有效的防护对国计民生具有重大的意义。由于电子设备对强瞬态干扰很敏感，所以必须对系统进行电磁防护。但是我国的核电磁脉冲防护能力还处于研究阶段。目前

11、，并非所有的军用设备都得到了有效的电磁防护，一旦军事要害单位的电子设备遭到外国强电磁脉冲的打击，必然对我国造成不可估量的损失，损害国家利益。传统的电磁防护主要基于电子设备屏蔽壳体，利用金属壳体对电磁场的屏蔽作用保护脆弱的电子设备。但是在实际应用中，由于各种需要，金属壳体不能做成完全封闭，孔缝电磁泄露不可避免；外部电缆屏蔽效能较弱，或者根本没有屏蔽，也会大量耦合强电磁干扰。这些强瞬态干扰通过场线耦合，由场量变成电压作用在各种数据线上，由辐射干扰转化为传导干扰，进而对数据传输构成恶劣影响。所以，在数据总线上加强瞬态滤波器对抑制强瞬态干扰具有很好的效果。1.2 本文所做的工作本文吸收了前人丰富的经验

12、，通过理论分析和仿真分别得到不同速率数据总线的截止频率；利用已有的成熟的场线耦合模型进行计算强瞬态场的耦合量，并改变不同参数得到其中规律；根据原型滤波器计算出稳态滤波网络，并根据耦合量选取合适的瞬态抑制器，完成数据总线滤波器的设计。本文具体包含以下几个方面：第一章，绪论主要介绍抗强瞬态干扰的研究背景和重要意义，提出研究总线滤波器的必要性。第二章，引入了数据总线的概念，并简要介绍了RS-232，RS-485，USB和RJ-45的传输特性，为后续分析做准备。并从功率角度分析信号谐波的能量百分比，得出理论截止频率。借助MATLAB软件进行快速傅里叶变换计算理论分析中的截止频率，并将所得结果与理论值相

13、对比。选取合适值为下一步稳态滤波器设计做准备。第三章，分析核电磁脉冲的产生和危害形式，并用一种具体标准分析能量的频率范围。第四章，利用成熟的传输线理论及其推导，计算了不同参数下的耦合电流，并做出图线，得出图线的变化规律，并得到耦合电流，为下一步选取瞬态抑制器提供参考。第五章，简述原型滤波器概念，依据原型滤波器设计方法设计出稳态滤波器，并选取合适的瞬态抑制器，完成数据总线滤波器的设计。第二章 数据总线的频谱分析2.1 数据总线简介2.1.1 总线的概念在电子系统中，处理器与其他设备之间命令与数据交换是通过一组线路来完成的。如果各种设备都拥有各自独立的线路，那样系统内的线路将会混乱不堪，甚至难以实

14、现。为了简化硬件电路和系统结构，常用一组线路，并配以各种适当的接口电路，将不同的部件和外围设备连接起来，这组公用的线路被称为总线4。总线是一组信号线的集合，是一种在各模块间传送信息的公共通路。电子系统中利用总线实现芯片内部、印刷电路板各部件之间、机箱内部各插板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信。根据连接设备的不同，总线一般分为片内总线、板局部总线、系统总线和外部总线四种。内部总线是系统内部各种芯片与处理器之间的总线，用来连接各功能单元的信息通路，及作为在印刷电路板上连接各芯片之间的公共通路，属于芯片一级的互连；在板局部总线是连接印刷电路板上各芯片之间的公共通路，例如CPU及其

15、支持芯片与其局部资源之间的通道，这些资源可以是在板资源，也可以是插在板上局部总线扩展槽上的功能扩展板上的资源；系统总线又称为内总线（如PCI总线，SATA总线等），是系统各种插卡与主板之间的总线，它是处理扩展某块CPU板的局部资源，或为总线上所有CPU板扩展共享资源之间的信息通道；外部总线也称为数据总线，即电子系统与外部设备之间的总线，也用于设备一级的互相连接。按照传送的位数总线可分为串行传输和并行传输。串行传输在一组数据线上将数据按位发送和接收；并行传输每次传送多位比特流。显而易见，同等条件下并行传送比串行传送速率高。在实际应用中并行传送却不适合远距离传送。由于现在的串行传输速度已经可以达到

16、很高要求，并行传输的优点渐渐不明显，所以数据总线中大多数都采用串行传输。本文所指的数据总线有专用的视频总线，例如HDMI（高清晰度多媒体接口），DVI（数字视频接口）等；也有通用的传输各类数据的总线，如RS-232等等。本文感兴趣的是后者，即各类通用的数据总线。2.1.2 两种传输模式的比较常见传输模式有两种：单端传输和差分传输。图2.1 总线传输示意图如图2.1所示，和分别指两根信号线的电压，指地线电压。单端传输中，信号“1”：； 信号“0”：；其中，、均为总线协议中定义的逻辑电压。以下同理。差分传输中，信号“1”： ； 信号“2”： ；理论上讲，差分传输中可以没有地线。但是为了抑制共模干扰

17、，常常带有地线。两种传输方式比较4：(1). 差分传输抗干扰能力较强。当外界的干扰场照射到信号线时，几乎是一起耦合到两根线上，而接收端恰恰关注的是两信号的差值，所以外界的共模干扰噪声可以被完全抵消。(2). 差分传输能更有效地抑制EMI，同样的道理，因为两根信号的极性相反，它们辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄露到外界的电磁能量就越少。(3). 差分传输的时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受到工艺和温度的影响较小，故能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。(4). 单端传输以其传输特点可以实现真正的双工

18、通信，而差分传输只能做到半双工通信。在某些场合中，单端传输有其不可替代性。2.2 常用的数据总线简介2.2.1 RS-232总线RS-232是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的串口标准。它的全名是“数据终端设备和数据通信设备之间串行二进制数据交换接口技术标准”。RS是英文“Recommend Standard”的缩写，232是标识号4。RS-232标准设有25条信号线，包括一个主要通道和一个辅助通道。辅助通道主要提供通道控制，速率较低，使用较少。实际中RS-232有两种接口,9针和25针，其横截面如图2.2所示。图2.2 25/9针R

19、S232接口横截面在多数情况下主要使用主通道。对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线和一条信号地。RS-232标准规定的数据传输为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232的电气特性：RS-232采用单端传输。其逻辑电压定义如下：在传送和接收数据线上，逻辑“1” 逻辑“0”在其他控制线上，信号有效 信号无效介于之间的电压无意义，低于或高于的电压也认为无意义。因实际工作时，应保证电平在之间。RS-232用正负电压表示逻辑状态，与TTL电平规定的逻辑状态不同。因此，为了能够同计算机接口的TTL器件连接

20、，还需要电平和逻辑的转换。RS-232信号采用双极性非归零反向码（NRZI-Not Return Zero Inverse），此种编码在下文中介绍。2.2.2 RS-485总线为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-485定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s,传输距离延长到1219m，并允许在一条平衡总线上连接多个接收器，可以实现多点双向通信。同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。在总线允许的范围内，带负载数越多，信号的传输距离就越小；带负载数越少，信号能传输的距离就越远。为了提高RS-485的可靠性和保证总线连续匹配，需要两个终接电阻，其阻值

21、要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需要终接电阻，即一般在300m以下。终接电阻接在传输总线的两端。RS-485采用差分传输，故只能实现半双工工作方式。接收和发送信号时由使能端加以约束。RS-485的逻辑电平定义如下：两信号线两端的电压差为表示逻辑“1” ；两信号线两端的电压差为表示逻辑“0” ；逻辑电压浮动的原因是传输距离的不同所导致。地电位对RS-485工作的影响5由于RS-485采用差分传输，所以有一定抑制共模干扰的能力，但是由于RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许范围为（-712）V，不在此范围的电压会导致总线非正常工作。而且瞬间变化的共模电压会损坏器件。强瞬态

22、电磁脉冲如果作用到总线上，其能量可以瞬间烧毁传输线上所有器件。2.2.3 USB总线USB的中文名称是“通用串行总线”，最初由Intel和Microsoft两大公司倡导发起，后来共有七家公司合作开发。已经从USB1.0发展到现在的USB3.0,目前USB2.0已经广泛走入我们的生活，本文所指的USB传输均指USB2.0版本。USB最大的特点是支持热插拔和即插即用，而且它可以用于绝大部分外设与主机的连接，所以被广大用户所接受。USB正常使用需要主机、操作系统和外设三方面共同支持。为了能将多个外设与主机相连，采用树形结构，将主控制器与USB集线器相连，层层连接最多可以支持127个外部设备。USB传

23、输线中一共有四根线缆：中间两根差分传输线互绞而成，旁边还有电源线和地线GND，如图2.3所示：图2.3 USB信号线图采用差分传输的USB总线的逻辑定义分为两种，低速和全速时：为逻辑“1”，为逻辑“0”；高速传输时：为逻辑“1”，为逻辑“0”。USB也采用NRZI编码形式。 图2.4 NRZI编码图从图2.4中可以看出，NRZI电平的一次翻转代表逻辑0，与前一个电平相同的信号代表逻辑1（翻转为0，不变为1）。如果要发送的数据中出现有连续的6个1，则在进行NRZI编码前，在这6个连续的1后面会插入1个0，然后再进行NRZI编码。接收端收到连续6个1，将自动去掉后面的1个0，从而恢复原数据。这使得

24、通信的接收同步更加可靠。2.2.4 RJ-45总线RJ-45总线在其标准中定义了8针的模块化插孔和插头，8根线各有不同颜色，两两双绞而成。它已经广泛用于各种以太网通信中，传输速率有10Mbps,100Mbps,1000Mbps。在10/100Mbps传输中，共使用4根线；在1000Mbps传输中8根线都使用7。RJ45总线接口的排序有两种标准，一种为T-568A，另一为T-568B。两种标准的差别在于橙、绿两组线对调。如图2.5所示。图2.5 RJ45接口示意图RJ-45总线速率在10Mbps时采用曼切斯特(Manchester)编码，“1”用“10”表示，“0”用“01”表示。用0.85V和

25、0.85V分别表示高/低电平。将以上常用总线的传输特性列表总结,得到表2.17总线类型信号幅值编码速率线制介质传输模式RS232±15/ ±12VNRZI一般<19.2kbpsDB25DB9双绞线单端传送RS485±2±6VNRZI一般<10Mbps2线/4线双绞线差分传送USB总线高速：400mV全速、低速：3VNRZI480Mbps， 12Mbps ，1.5Mbps4线双绞线差分传送RJ45总线10Mbps:0.85V100/1000Mbps:1VManchester10,100Mbps1000Mbps4线8线双绞线光纤差分传送2.3 信

26、号频谱理论分析数据总线滤波器是频域下的产物，所以总线信号截止频率对于滤波器设计十分重要。信号截止频率与滤波器截止频率定义不同，滤波器侧重于对于干扰信号的抑制，而信号截止频率侧重于让信号不失真。让信号复现的决定性因素是功率，即绝大多数功率分量都能通过，信号便不失真。理论上占总功率95%97%的频点认为是信号截止频率，本文中理论推导中取总功率的97%。在实际的信号传输中，真正的矩形波是不存在的。由于逻辑电路的影响，矩形波的上升前沿都需要一定时间。因此在实际的信号传输中，信号都是由梯形波脉冲串组成的1。傅里叶级数告诉我们：一个符合狄利克雷条件的周期函数可以写成无限个正交函数之和（三角型或复指数型），

27、每一个分量的频率都是基波的整数倍。为了便于得到梯形波的功率表达式，我们写出梯形波一个周期的时域解析表达式。这里设时域周期为T，上升时间为tr，最大电压和最小电压分别为U+和U。一位的脉宽为。梯形波的时域波形如图2.6所示。图2.6 梯形波示意图 梯形波在一个周期内的函数解析式： (2-1)为了方便，研究周期信号在上消耗的平均功率，称为归一化平均功率。如果周期信号是时间的实函数，其平均功率为： (2-2)将式(2-1)代入(2-2)得： (2-3)将展开成指数型傅里叶级数： (2-4)复傅里叶系数： (2-5)代入后得： (2-6)这里为基波角频率。特别地，当n=0时： (2-7)前n次谐波内的

28、归一化功率和： (2-8)现仅以RS-232的传输信号举例，应用以上理论推导。计算结果如下:表2.2速率上升时间谐波次数Pn/P截止频率9600 bps500 ns 14 96.94%67.2KHz19200 bps500 ns 1597.11%144KHz注：功率比以最接近97%的为准。P:归一化平均功率 Pn:次谐波以内的归一化功率之和2.4 借助MATLAB对信号进行频率分析MATLAB软件是一款强大的数学分析软件，它是基于矩阵或向量工作的。对于一个连续时域信号，在一定的采样频率下变成离散信号方可被计算机识别。实际的数字信号未必都是均匀的0101信号，但为了研究方便，取一个周期的典型信号

29、，即图2.6所示的均匀梯形波。这里仅输入一个周期的时域波形。MATLAB提供了一套计算快速傅里叶变换的函数，它们包括求一维、二维和N维离散傅里叶变换函数fft，fft2，fftn。还包括求上述各维离散傅里叶变换的逆变换函数ifft，ifft2，ifftn等8。2.4.1 离散傅里叶算法概述在某时间片段等距地抽取N个抽样时间处的样本值，且记为，这里为的一个离散傅里叶变换。由于MATLAB不允许有零下标，所以将上述中的m的下标均移动1，于是得到相应公式8： (2-9)由求的过程，称为求的离散傅里叶变换，又称为为的离散频谱。反之，由逆求的过程，称为离散傅里叶逆变换，相应的变换公式为： (2-10)2

30、.4.2 离散傅里叶变换的实现MATLAB提供了对向量或直接对矩阵进行离散傅里叶变换的函数。下面只介绍一维傅里叶变换函数，其调用格式为：fft(Q):返回向量Q的离散傅里叶变换。设Q长度（即元素个数）为N，若N为2的幂次，则为以2为基数的快速傅里叶变换，否则为运算速度很慢的非2幂次的算法。对于矩阵M，fft（M）应用于矩阵的每一列。值得一提的是，当已知给出的样本数N0不是2的幂次时，可以取一个N使它大于N0且是2的幂次，此时结果是最快而且精确的。现仍以RS-232两种传输速率举例，将表2.2中两组时域周期和传输速率输入到式(2-1)中，得到时域方程，取离散时间点得到U(t)向量，然后借助MAT

31、LAB中的FFT进行运算和画图：(a)(b)图2.7 RS-232五种速率频谱图MATLAB得到的傅里叶变换图像的纵轴表示电压谱密度，只有电压谱密度的图像无法得到截止频率。所以这里还需借助信号处理中的功率谱密度公式。 (2-11)其中功率谱是的偶函数，它只决定于频谱函数的模量，而与相位无关。功率谱反映了信号功率在频域中的分布情况，它的单位是。是电压谱密度，即图2.7中的纵坐标。借助上式(2-11)，对频谱图的纵坐标进行运算，将所有采样点纵坐标相加求出总功率，进而以总功率的97%反代入原图，得到用FFT求得的截止频率，并与理论值相比较，列表如下：表2.3 传输速率上升时间理论截止频率fft计算值

32、误差9600 bps500 ns 67.2 KHz50.8 KHz24.4%19200 bps500 ns 144 KHz101.6 KHz29.4%结论：用FFT计算的截止频率与理论截止频率有一定误差。在FFT建模时用一个周期的梯形波代替真实波形，有一定特殊性，而理论计算进行了一般性的推导。滤波器截止频率以理论截止频率为准。2.5 本章小结本章引入了总线概念，比较了两种传输方式的优劣，并简要介绍了四种常用总线的传输特性。从理论和仿真两个方面分析RS-232总线五种速率下的信号截止频率，对两者结果进行对比，分析误差产生原因，并最终确定截止频率，为下一步滤波器设计做好准备。第三章 强瞬态干扰产生

33、机理和特点强瞬态电磁干扰分为核电磁脉冲(HEMP)和超宽带微波(UWB)，本文仅分析核电磁脉冲。3.1 核电磁脉冲的产生机理3.1.1 射线与物质的相互作用及NEMP源区的产生核爆炸时，不论是铀或钚的裂变还是氢同位素的聚变都可以在极短时间内释放出射线射线。核反应产生的中子与周围物质作用也可以在极短时间内产生射线。光子与物质原子中的电子碰撞，把大约50%的能量传递给电子，电子大体上沿入射初级光子运动方向高速向前运动，称为康普顿电子。康普顿电子运动形成康普顿电流。而初级光子被散射后能量降低，并沿与初射方向成一定角度的方向运动，称次级光子，核电磁脉冲主要由康普顿电子电流引起。就产生NEMP来说，能量

34、较低，方向随机的次级光子的作用常被忽略9。对于空中爆炸，包括高空爆炸主要是爆炸周围的大气与射线发生互相作用。瞬发射线与周围大气发生康普顿效应，康普顿电子大体上沿径向迅速离开带正电荷的离子，形成径向电场。与此同时，带有大量动能的康普顿电子在向外运动中与周围空气分子碰撞，使空气电离，并在径向电场作用下形成传导电流。光子与周围物质相互作用区域通常称作光子的沉积区，也就是NEMP的源区。3.1.2 高空核电磁脉冲产生机理如果核爆炸发出的射线为各向同性，并且爆炸发生在各个方向都是均匀的无限大的理想大气中，其沉积区是个完全对称的球形，因而康普顿电流及其形成的径向电场也完全对称，从沉积区外的远处来看，就不会

35、存在辐射场。然而事实上，不论射线的发射还是爆炸发生的周围环境都不可能完全对称。就环境来说，爆点上下大气密度梯度不同，地面影响都是不对称因素。这样，就在某个方向（一般说来是在垂直地球表面方向）出现净径向电场，也就是说，存在辐射的NEMP。对于高空核爆来说，除了爆点上下空气密度不同形成的不对称外，更重要的是地球磁场的影响9。高空核爆时，沉积区在离地面15km60km处形成。这个区域大气比较稀薄，康普顿电子射程较大。在地球磁场的作用下，原本大体上以直线运动射向地面的康普顿电子又附加一个横向螺旋运动，使其运动轨迹变成螺旋式向前。这个横向电流是高空核电磁脉冲（HEMP）形成的最大不对称因素。有不对称因素

36、在，就形成了在某方向上随时间变化的净电流，按照麦克斯韦方程，变化电流产生磁场，时变磁场产生电场，这就是HEMP瞬变电磁场的产生机理。3.2 核电磁脉冲的破坏形式强瞬态电磁脉冲对于电子系统的影响通过能量的传导耦合、辐射耦合发生作用。其破坏形式主要是以下几个方面10：(1).热效应。强电磁脉冲产生的热效应基本上在纳秒级结束，而且是一种绝热过程。这种效应会瞬间引爆易爆气体或引燃易燃液体，当然也能使计算机系统中的微电子器件、电磁敏感模块发热过度，造成热损伤，使电路性能下降或损毁。(2).射频效应。电磁辐射会造成射频干扰，对计算机系统产生电噪声，使数字逻辑电路产生误触发或功能失效。也有可能器件能暂时工作

37、，但性能参数下降，形成累计效应，潜在的危害被埋下，电路系统可靠性降低。(3).强电场效应。电磁激励源形成的强电场不仅可以使电子设备中金属氧化物(MOS)电路的栅氧化层击穿，导致电路失效，而且能对设备自检仪器和敏感器件的工作可靠性造成影响。(4).磁效应。强瞬态电磁脉冲引起的强电流可以产生强磁场，使电磁能量直接耦合到系统内部，干扰计算机系统的正常工作。现代电子系统中大规模集成电路是核心，但大规模集成电路对强瞬态干扰的承受能力非常薄弱。强瞬态脉冲照射到线缆上时耦合成线上电压和电流，强大的电流使数字逻辑电路发生可恢复翻转或永久性翻转，降低电子器件的性能，使系统无法正常工作，甚至烧坏电子元器件。所以现

38、代电子系统很容易受到强瞬态干扰的威胁。3.3 核电磁脉冲波形特点为了了解核电磁脉冲对电子器件的破坏程度，需要定量研究它的波形。目前，根据实验测量波形将核电磁脉冲拟合为各种不同的数学函数表达形式6。其具体数学模型有双指数脉冲、高斯脉冲和调制高斯脉冲等，其中以双指数函数表达式应用最广泛，本文以双指数函数举例分析。双指数函数表达式为: (3-1)其中为峰值场强，、表征脉冲的前、后沿参数，是修正系数。目前，国际上已有美军标、国际电工委员会、Bell实验室及各种学术出版物等给出函数(3-1)中的参数值，比较著名的有DOD-STD-2169（美国国防部制定的标准），1976年出版物标准和Bell实验室标准

39、11。本文以第一个标准举例： 将上述参数代入(3-1),画图得：图3.1 核电磁脉冲电场波形对(3-1)时域表达式进行傅立叶变换,得: (3-2)根据能量密度谱公式： (3-3)计算得此波形的能量密度： (3-4) 根据公式(3-4)画图：注：横坐标采用对数坐标图3.2 能量密度谱由图3.1和图3.2可以得出DOD-STD-2169标准下脉冲的时域和频域参数，列表如下：表3.1上升时间(10%90%)下降时间(90%10%)半高宽(50%50%)频带宽度3.19 ns84.9 ns30.3 ns100Hz100MHz前三项是时域参数，显而易见，核电磁脉冲的上升时间十分短暂，衰落也比较迅速，这对

40、于瞬态抑制器件的响应时间提出了很严格的要求。为了方便，频带宽度的频率范围取10的整数次方。核电磁脉冲能量分布的频带范围很广，从甚低频段到射频段，对各类电子设备和无线电通信构成严重的威胁。3.4 本章小结本章简要介绍了核电磁脉冲的产生机理及破坏形式，并结合一种拟合函数模型，分析了核电磁脉冲的时域和频域特点。此函数模型为下一章的场线耦合计算做准备。第四章 线缆在核电磁脉冲照射下的耦合特性普通数据总线通常埋在地下或离地面附近架空，在有核电磁脉冲照射时，线缆会产生耦合电压和电流，为了定量研究耦合量，选取瞬态抑制器件，本章建立简单情况下的场线耦合模型。场线耦合的计算有两种思路：场的方法和路的方法。场的方

41、法基于麦克斯韦方程组，精确但运算复杂12，路的方法基于传输线方程，结果有一定近似但计算较容易。本文采用传输线方程的方法分析，求得耦合电流的频域和时域的表达式，确定电流的响应时间和峰值。4.1 建立场线耦合模型从地面上方入射的核电磁脉冲(NEMP)可视为平面波。图4.1给出了描述入射波传播方向的坐标系统13。p为入射方向。E、B分别是电场和磁场。图4.1 描述HEMP入射波方向的坐标系统假设线缆直接裸露在空气中，并且和大地构成闭合回路。远场平面波的高频分量很多，并且耦合在线上每一个微元，所以要建立具有分布参数的传输线方程。将远场等效为沿长度分布在传输线上的激励电压源，图4.2中除去电压源之外，电

42、路图同标准的传输线模型相近。所以计算单位长度串联阻抗()和并联导纳()与标准传输线的方法类似。图4.2 等效传输线电路当频率为的平面波作用在如图4.2所示的传输线上，沿线的电压和电流满足以下微分方程： (4-1) (4-2)对其中一个方程求导，再代入另一个方程，可得到下列二阶微分方程： (4-3) (4-4)式中的称为传播常数，是反映波经过单位长度传输线后波的幅度和相位变化的一个物理量。有。方程(4-3)(4-4)为二阶非齐次方程，联立解得： (4-5) (4-6)式中 (4-7) (4-8)式中，是传输线的特性阻抗，常数和由和处端接的负载与确定。其中和是终端的反射系数，由下式确定：； (4-

43、9) 式(4-7)(4-8)中的是在导线不存在时，在导线架设高度处的电场强度。实际上，在距地面h高度处的导体将受到入射场和地面反射场的共同作用。对于架设高度为h的传输线，在HEMP入射场和地面反射场的共同作用下，架空线上沿z轴方向的场强为13： (4-10)其中为垂直极化波的反射系数： (4-11)为水平极化波： (4-12)(4-11)(4-12)中的,分别为大地的电导率、相对介电常数及介电常数，为真空中的相位常数(或波数)。式中的相位是相对于，处的入射波相位。反射系数和在01之间变化。当地面是理想导体时(),。式(3-2)等价于，这里的与(4-10)中的相同。式(4-5)(4-6)中，由以

44、下提供： (4-13) (4-14)方程(4-5)(4-6)不仅是距离z的函数，而且是角频率的函数。得到某点的电压电流表达式后，还需要借助于MATLAB中的IFFT进行运算，方能得到线缆上关于时间变化的电压和电流。4.2 不同参数对耦合电流的影响应用4.1节中的公式并进行IFFT，得到耦合电流方程。为探究参数对耦合电流影响，现采用控制变量法，并借助MATLAB画出图像，研究其中规律。4.2.1 高度对耦合电流的影响 令线缆特性阻抗，始端阻抗，入射仰角，大地电导率，导线长度L=10m,z轴坐标z=L/2,取不同高度值画图：图4.3 不同高度下耦合电流由图4.3可以看出，随着架设高度的增加，耦合电

45、流也随之增加。架设高度增加后，线缆和大地构成的回路面积变大，电感效应增强，更容易耦合电磁场。4.2.2 线缆长度对耦合电流影响令线缆特性阻抗，始端阻抗，入射仰角，大地电导率，高度,z轴坐标z=L/2,取不同线长值画图：图4.4 不同线长下的耦合电流由图4.4可以看出，耦合电流随着电缆长度的增加而增加，而且持续时间变长。电缆相当于线天线，线缆长度相当于天线长度，天线越长，天线效应越强烈。4.2.3 不同入射仰角对耦合电流的影响令线缆特性阻抗，始端阻抗，线缆长度，大地电导，高度,z轴坐标z=L/2,取不同仰角画图：图4.5 不同仰角对耦合电流影响由图4.5可以看出，随着入射仰角增加，耦合电流也在增

46、加，但有一点可以看出：不同入射仰角，上升时间是不变的。如图4.1，沿垂直于电缆的方向入射时，当改变入射仰角时，必引起沿电缆轴向合成电场的变化，从而引起感应电流的变化。4.2.4 不同大地电导率对耦合电流的影响令线缆特性阻抗，始端阻抗，线缆长度，大地电导，高度,z轴坐标z=L/2,取不同仰角画图： 图4.6 不同大地电导率对耦合电流影响由图4.6看出，感应电流随着大地电导率的增加而增大，但变化不大。大地电导率增加，使得线缆和大地构成的回路阻抗变小。4.3 本章小结本章结合传输线方程建立场线耦合模型，并给出了这种简单模型的解。利用这个解法分析了不同参数对耦合电流的影响。第五章 抗强瞬态干扰的数据总

47、线滤波器的设计滤波是为了抑制传导干扰的一种有效的措施，同时也是屏蔽技术中一个必不可少的环节。抗强瞬态干扰的总线滤波器不仅要工作在稳态，对干扰信号进行滤除，而且当有瞬态信号到来时，仍能保护稳态电路和工作电路。滤波是频域处理技术，即在线路中插入一种网络，该网络的转移阻抗是频率的函数，它使有用的频谱分量（如信号和有功功率）能够顺利通过，而限制无用的频谱分量（如噪声、信号的谐波及边带）的通过。5.1 滤波器的整体设计思路强瞬态电磁脉冲耦合到线缆上后，沿线缆传输到滤波器的瞬态电路，当电压上升到瞬态电路箝位电压时，瞬态电路“短路”导通，为电磁脉冲过电压作用下产生的瞬态过电流提供旁通泄放路径，使过电压的能量

48、大部分能够被旁路泄放。稳态滤波电路的输入电压为瞬态电路的箝位电压，低于稳态滤波电路的最大耐受电压。稳态滤波电路对电磁脉冲过电压信号中的高于设计截止频率的部分进行衰减与泄放，最终使电磁脉冲过电压信号降低到电子设备的敏感度以下，保护电子设备的正常工作10。示意图如图5.1所示。图 5.1 滤波器结构示意图5.2 稳态滤波器的设计5.2.1 A参量矩阵和插入损耗滤波器电路设计可以等效为一个双端口网络，而插入损耗的定义是基于A参量矩阵。双端口网络在于研究其输入口及输出口中电流电压的关系。联系这些电流电压的方程式就叫做双口网络的传输方程15。传输方程中电压或电流前的系数就构成了双口网络的参量矩阵。由于不

49、同的电路形式，其对应不同网络参量矩阵获取的难易程度不同。本节仅讨论与插入损耗有关的A参量矩阵。图5.2如图5.2所示为任一复杂的双口网络，关心其输入、输出特性。A参量矩阵是系统传输方程的系数矩阵，它描述了2端口电压、电流与1端口电压、电流的传输关系，即： (5-1)或： (5-2)A参量矩阵中的A、B、C、D可利用开路短路法求出： (5-26)A称为开路电压比，B称为短路转移阻抗，C称为开路转移导纳，D称为短路电流比。对一般的双口网络来说，A、B、C、D四个参数都是独立的。但对于互易网络，有。EMI滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL(Insertion Loss)来衡量。插入损耗定义为：

50、没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率和接入滤波器后，从噪声源传输到负载的功率之比，用dB（分贝）表示，滤波器接入前、后的电路如图5.3所示: 图5.3 滤波器插入前后的电路比较由插入损耗定义有： (5-3) (5-4)由图5.3左图得到： (5-5)根据图5.4右图可得： (5-6)由(5-5)(5-6)联立解： (5-7)将、代入式(5-7)得： (dB) (5-8)式中A、B、C、D为A参数矩阵的四个元素。由(5-8)式可知，EMI滤波器的插入损耗与滤波器网络的网络参量、源端阻抗以及负载端阻抗有关1。5.2.2 反射系数和阻抗失配对于源阻抗和负载阻抗不等的电路，如果将一个端口特性阻抗和分别等于源内阻和负载阻抗的理想二端口网络接在源和负载之间，如图5.3右图所示，则此时二端口网络仅匹配阻抗作用，源所能提供的功率全部被负载吸收，于是有： (5-9)由方程组(6)得流过负载的电流为 (5-10)反之，当该电路未接此理想匹配网络时，流过负载的电流为 (5-11)于是有未接入理想网络时和接入理想匹配网络时流过负载的电流之比为 (5-12)这种负载电流的变化()是由于源与负载阻抗不匹配而产生电流反射引起的，并且这种反射同样也会引起功率损耗，其功率损耗变现为反射损耗，大小为： (5-13)其中