窄带HPM强电磁环境中控制系统的EMC分析和设计

更新时间:2023-11-02 23:53:22 阅读: 评论:0

关于端午的古诗-儿童才艺表演

窄带HPM强电磁环境中控制系统的EMC分析和设计
2023年11月2日发(作者:护蛋作文)

窄带HPM强电磁环境中控制系统的EMC分析和设计

晖,罗敏,刘

(中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室,四川绵阳621900)

要:针对窄带高功率微波(HPM)强电磁环境对控制系统的性能影响,采用理论分析和实验测试等方法对电磁干

扰fEMI)的干扰源和耦合途径进行研究,提出控制系统电磁兼容性的设计方法,从电磁屏蔽、滤波和接地等方面进行

分析并采取措施。实验结果验证了控制系统在屏蔽、滤波和接地等方面采取的措施,对抑制窄带HPM源强电磁环境

下的电磁干扰有效可行,控制系统的设计满足HPM源的工作要求。同时窄带HPM控制系统的电磁兼容性(EMC)分

析和设计也为强电磁环境下仪器设备防护加固提供技术支撑。

关键词:电磁兼容;强电磁环境;窄带HPM系统;电磁屏蔽;滤波;接地

中图分类号:TM89 文献标识码:A DOI:10.16157/j.ssn.0258—7998.2016.06.021

中文引用格式:金晖,罗敏,刘忠.窄带HPM强电磁环境中控制系统的EMC分析和设计【J】.电子技术应用,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-powerectomagnetc envionment[J]Applcaton of Electonic 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 Powe Microwave Laboratory,nsute of Appled Electonics,CAEP,Mianyang 621900,China)

Abstact:In alusion to thenfuence of narow—band hih power microwave(HPM)source electomagnet envionment on perormance

of contolystem,the intererenceource and couplng paths of elect magnetc interence(EMI)arsearched through theorca

analys and expermental measurements.Electo magnetc compatbiy(EMC)design ohe contol sysem,electomagnethielding,

ter and grounding are analyzed.Relevant measures are putn to practice too.These measures prove that the experiments on re·

straining EMI of high-power electromagetic environment are effective and feasible.The design of control system satisfes the re—

quirements of HPM source.Meanwhile,technical suppo ̄s 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—

ng;fter;grounding

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

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

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[-3 工作指令,完成现场HPM源及其相关设备的工作时序控

窄带HPM系统是指产生微波脉冲输出功率为0.1 GW~ 制,同时返回指控系统各组成部分状态信息。HPM系统运

00 GW、频率为0. GHz~300 GHz、百分比带宽小于5% 行过程中,仪器设备曾经出现不同程度的故障现象。分析

的微波系统;强电磁环境指峰值电场强度超过了100 V/m,

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:

对自由空间的平面波而言,即功率密度超过了26.5 w/m 。

开展窄带HPM源强电磁环境中控制系统电磁兼容性

Electro Magnetc Compatbiy,EMC)分析研究和设计,为 (数微秒内)过程可产生强电磁脉冲。

解决有关电子设备在恶劣环境下的可靠性问题奠定基

(1)充电电源达到预定充电值时,高压开关快速导通

2)电子束源真空二极管输出电子束,轰击在靶上或

77

《电子技术应用》2016年第42卷第6期

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【

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,两芯线问连接2 kft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I_

现场干扰源电缆

HBYV非双绞2芯线

瞬变脉冲群干扰的测量方法示意图

测量中采用高阻探头串联同轴固定衰减器从2 kn

电阻接人数字示波器,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

GHz~18 GHz,测量功率范围一6 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 场产生的微波、高频电磁脉冲和磁场等将以前述论及的

78 欢迎网上投稿www.ChinaAET.cor

50

1∞

1∞

.瑚 2OO 4OO

600 eo。 1蚴 200 4∞ 500

t/ns

(a)时域波形

(b)频域波形

图2传导干扰测量波形图

t/ns

(a)时域波形

ooi ̄*ooo 2.OOE+O07 4,∞E+唧

,/Hz

(b)频域波形

图3空间耦合干扰测量波形图

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

《电子技术应用》2016年第42卷第6期

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f三方面进行考虑。

2.1控制系统的电磁屏蔽

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

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l 7l。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 数字化信息传输网络:

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。

空气 空气

图4电磁波穿过金属屏蔽柜体图

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( )和多次反射修正项(C)。

屏蔽效能S 可表示为:

SE=A+R+C (1)

其中A与屏蔽层的厚度和传播常数有关, 、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&和相对磁导率肼近

似表示为:

A=K1 Z ̄ ̄/Zrgr (2)

式中:K 是系数,当Z以m为单位时,K 为131.4;厂是电

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:

R=-201gltl (3)

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 ≤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 地线和机壳地线等,因此地线分组敷设。其中,信号地线

纤波导管引入;屏蔽通风窗做成截止波导形式,波导窗

《电子技术应用》2016年第42卷第6期

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

(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

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】O0 dB。

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 Q),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。

参考文献

【1]刘尚合.武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J】.装备

指挥技术学院学报,2005,16(11:1—6.

2】WYA1 K,JOST R J.Electomagnet compatbi pocke

uide:key EMC facts,equatons,and daa[M]Raleigh,U.S.A.

Tech Publishing,Inc,2013.

3]LABOURE E,REVOL B.Electomagnetc compatbiy i

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

power electonics[M].London,U.K.:STE Ltd&Hoboken,

U.S.A:John Wiley&Sons,Inc,20t4.

4】王定华,赵家升.电磁兼容原理与设计[M】.成都:电子科

技大学出版社,1995.

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

【5】邹哲强,庄捷,屈世甲.一种测量工业环境感应传导干扰

的方法【J].工矿自动化,2012(6):28—32.

6】王新新,马蕾,蔡新景,等.抗强电磁干扰的高电压同步

EMC设计。控制设备采用屏蔽机柜安装,在要求的10

MHz一10 GHz频率范围内屏蔽效能均不小于40 dB;控制

控制系统【J].高电压技术,2010,36(3):632—636.

7】何金良.电磁兼容概论【M】.北京:科学出版社,2010.

收稿日期:2016—02一O1)

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

作者简介:

金晖(1972一),通信作者,女,硕士,副高,主要研究方

向:脉冲功率源及测控技术,E-mail:qiqin1@163.com。

罗敏(1972一),男,硕士,副高,主要研究方向:脉冲功

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

率源及开关技术。

电磁环境下有关电子设备的可靠性问题奠定了基础。

(上接第73页)

53(3):410—414.

EEE802.15.6基带信号处理IP核进行了大量的测试验

6】陆许明,温伟杰,谭洪舟.基于FPGA的OFDM基带软硬

证,基本满足了体域网基带芯片的设计验证需求。同时

件联合验证平台的设计[J].电子技术应用,2013,39(3):

30—36.

也可以扩展应用到其他近距离无线通信芯片的设计验

证应用中。

参考文献

【1]骆丽,吴凤姣.应用于无线体域网2.4 GHz超低功耗唤醒

接收机的设计fJ1北京交通大学学报,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 radi pico-

s ̄enKes[C] Proceedings ofhe 2014 8th Internatona

Conference on Telecommunication Systems Services and

Applications,Kuta,Indonesia,2014:1—6.

(收稿日期:2016—02-01)

作者简介:

吴开斌(1990一),男,硕士研究生,主要研究方向:无线

area networks[S】.

【3】王志军,胡封晔,尹颖奇,等.基于无线体域网的传输功率

体域网基带信号处理、通信系统硬件电路设计。

陈岚(1968一),通信作者,女,博士,博士生导师,主要

研究方向:纳米及SoC芯片设计方法学、移动通信系统低功

耗技术及物联网芯片技术等,E—mail:ehenlan@ime.ac.cn。

吕超(1980一),男,博士,主要研究方向:低功耗无线通

信技术、体域网SoC设计等。

控制和调度算法【J】.通信学报,2015,36(10):271—277.

4】李辉.TD—LTE基带芯片验证系统信号完整性研究【D】

京:南京理工大学,2013.

5]陆希玉,肖振宇,金德鹏,等.基于单载波超宽带的高速

异构无线体域网fJ1.清华大学学报(自然科学版),2013,

上接第76页)

CPU and insucton seterencede[EB/OL]Htp://

WW3N.ti.corcn,2008.

作者简介:

许虎(1985一),男,硕士,工程师,主要研究方向:LTE/

LTE—A移动通信系统开发。

林艺辉(1988一),男,硕士,工程师,主要研究方向:DSP

系统开发。

6】Texasnsmentncorporated.田黎育,何佩琨,朱梦宇,

TMS320C6000系列DSP编程工具与指南【M].北京:清华

大学出版社,2006.

刘小刚(1987一),男,硕士,工程师,主要研究方向:

(收稿Et期:2016-03-08)

LTE/L]E—A移动通信系统开发。

80 欢迎网上投稿www.ChinaAET.cor

《电子技术应用》2016年第42卷第6期

教育实习个人总结-复韵母有哪些

窄带HPM强电磁环境中控制系统的EMC分析和设计

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