斑竹制造[I]：浅议核电磁脉冲的防护

wangj

[这个贴子最后由wangj在 2004/04/22 11:09am 第 1 次编辑]

谢谢!
对2、3两点我表示赞同，但第1点我还有疑问，2003.5防雷技术杂志上有一篇，山东莱芜钢铁集团公司的文章特别强调TVS的响应时间是皮秒级。我有点晕!!

通天雷神

1、TVS的响应速度是皮秒级吗？应该是纳秒才对。

2、TVS的极间电容太大，在超高频系统难以使用。

3、TVS的电压尖峰抑制特性没有SIDACtor元件好。

wangj

好文章!
有个问题想请教雷神
文章中“只有使用响应皮秒级的SIDACtor元件的SPD产品才具有可靠的保护能力”，那TVS不是同样也行吗？

通天雷神

请关注斑竹的另几篇论文。谢谢！

通天雷神

[这个贴子最后由通天雷神在 2004/03/09 00:12am 第 3 次编辑]

3.2 SPD对核电磁脉冲的防护

早在80年代，就有人开始设计和制造一种装置，通过线路设计和采用特殊元件，使其能承受强电磁脉冲，或者当其感受到核电磁脉冲时，靠此装置切断设备通路的方法，用以阻止核电磁脉冲的输入，来对核电磁脉冲进行防护。90年代后，由于SPD设备的不断更新和新元件的开发研制，这种技术逐渐走向成熟。

由于核电磁脉冲具有幅度大、作用时间短、频谱宽、作用范围广的特点，要对其进行有效防护，就需要依据其特点，对其进入设备的电源、信号线路安装专用的防护装置。该装置的响应时间必须小于10纳秒；工作频率应该在0到150兆赫现代军用电子设备使用的频段；尖峰抑制电压应大于100kV；电源线路脉冲电流泻放能力应大于100kA；外置天线馈线线路脉冲电流泻放能力应大于100kA；信号传输线路脉冲电流泻放能力应大于10kA。这样的参数对SPD设备的研制提出了重大的挑战。

依据核电磁脉冲特点及军用设备使用条件，可分为设备电源、外置通讯天线馈线、信号传输线三部分对核电磁脉冲进行防护。

（1） 设备电源的防护

电源线路的波阻抗Z为一常量，其大小决定于单位长度导线的电感和电容，它是一个具有阻抗的量纲，故称之为波阻抗，并用Z来表示。即：

（3-2）

架空导线的L0≈1.6×10-6 H/m，C0≈7×10-12 F/m，代入（3-2），可得架空线的波阻抗为470Ω。如果将电力电缆的L0和 C0代入，可得电力电缆的波阻抗为10～50Ω。

电磁波的能量密度包括电场分量能量密度和磁场分量能量密度。其场源总能量密度由下式确定：

电场分量能量密度（3-3）

磁场分量能量密度（3-4）


场源总能量密度 （3-5）

核电磁脉冲的电场强度最大可达100kV／m，是无线电波电磁场的几百万倍。若以电力电缆的波阻抗为10～50Ω计算，依据其电场变化，其在10～20μs间的电源线路脉冲电流峰值将大于100kA。

因此，在对电源线路进行保护时，依据习惯上的SPD测试波形，其SPD需要注重3个参数：①其响应时间应小于10ns；②其1.2/50μs电压脉冲承受峰值应大于100kV；③其8/20μs电流脉冲承受峰值应大于100kA。这样的参数对SPD设备的要求是极为苛刻的，只有极少数的SPD设备可以达到。

（2）外置通讯天线馈线的防护

军用天线常采用八木定向天线。其输入阻抗为 Zin = 73.1＋ｊ42.5 (Ω)。天线的输入阻抗 Zin 定义为：天线输入端信号电压与信号电流之比。输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin。即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，常把其长度缩短（３～５％），来消除其中的电抗分量。

现代军用电子设备使用的频段在几兆赫到100兆赫之间，是一个接受频率低且窄的频段。而依据核电磁脉冲的防护要求，期望得到一种响应时间小于10ns、电压脉冲承受峰值大于100kV、电流脉冲承受峰值大于100kA、工作频率在几兆赫到100兆赫之间的天馈线路SPD设备是很难的。

（3）信号传输线的防护

对于具有屏蔽层的，且屏蔽层良好接地的信号传输线路，其受核电磁脉冲的破坏要小于电源和外置通讯天线馈线线路，其对尖峰电压抑制能力大于20kV，脉冲电流泻放能力大于10kA。但因受工作频率的限制，其响应时间应小于1ns。这个要求使许多使用MOV、TVS、GDT元件的SPD产品的保护能力变得不可靠，只有使用响应皮秒级的SIDACtor元件的SPD产品才具有可靠的保护能力。并且对于SPD产品本身，其内部电路也应具备尖峰电压抑制和脉冲电流泻放两套分立的电路。这样品质的SPD产品，在目前国内的防雷产品中也只有极少数。

综上所述，屏蔽与接地是防护核电磁脉冲的基础，在此基础上使用SPD设备是可以有效的对核电磁脉冲武器进行电磁防护的。

2 结 论

核电磁脉冲并不是想象中的那么可怕，是无坚不摧、无孔不入的。只要了解了它的破坏机理，针对其幅度大、作用时间短、频谱宽、作用范围广的特点，可采用钢、铁、坡莫合金等高磁导率材料和合理的屏蔽体机构，对其进行屏蔽。对设备电源、信号线路安装专用的高性能SPD，核电磁脉冲也可以象雷电电磁脉冲、无线电干扰波、雷达波一样，根据电磁原理是可以采取必要的措施进行防护的。

参考文献

1 白同云、吕晓德编著．电磁兼容设计［M］．北京邮电大学出版社，2001．

2 王庆斌、刘萍、尤利文等．电磁干扰与电磁兼容技术［M］．机械工业出版社，1999．

3 军用通信设备及系统安全要求（GJB663--89）．

4 核电磁脉冲对兵器电子元件的破坏．物理探索［J］．

注：拙论发表于2004年第一期《防雷技术》，经ASP和余乃纵老先生校审，特表示感谢。感谢webfair安排的作业。文中如有不恰当的观点望网友指正。感谢万分。

通天雷神

 

图1 两类基本源在空间所产生的叠加场

电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流。因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。

（2）电磁屏蔽中需要注意的问题

电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。

屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关，三类屏蔽所涉及的频率范围及控制要素如表1所示：

表1 泄漏耦合结构与控制要素

 

实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构（n个），设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能（如只考虑接缝）为SEi（i=1,2,…，n），则屏蔽体总的屏蔽效能：

 

由上式可以看出，屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构所决定的，即由屏蔽最薄弱的环节所决定的。因此进行屏蔽设计时，明确不同频段的泄漏耦合结构，确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。

在三类屏蔽中，磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大。尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制最为关键，成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。根据孔耦合理论，决定孔缝泄漏量的因素主要有两个：孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。两者皆大，则泄漏最为严重；面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。孔缝主要分为四类：

（1）机箱（机柜）接缝：该类缝虽然面积不大，但其最大线度尺寸即缝长却非常大，由于维修、开启等限制，致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝，采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏。该类孔缝屏蔽设计的关键在于：合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制。

（2）通风孔：该类孔面积和最大线度尺寸较大，通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设计。观察孔与显示孔在满足通风性能的条件下，应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风部件。

（3）观察孔与显示孔：该类型孔面积和最大线度尺寸较大，其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计。

（4）连接器与机箱接缝：这类缝的面积与最大线度尺寸均不大，但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大，从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，往往导致整个设备的辐射发射出现超标，为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。

因此如果采用合理的屏蔽材料，进行合理的设计，对屏蔽体孔缝具有有效的抑制，则核电磁脉冲也是可以象雷电电磁脉冲、无线电干扰波、雷达波一样，根据电磁原理采取必要的措施进行防护的。