317
電子設(shè)備因其固有的“前門耦合”及“后門耦合”通道，極易受到諸如高空核爆電磁脈沖(HEMP)、高功率微波(HPM)等的電磁干擾，從而導(dǎo)致設(shè)備功能降級(jí)甚至毀傷。如何快速、準(zhǔn)確地評(píng)估電磁脈沖經(jīng)耦合通道侵入電子設(shè)備的能量，以確定防護(hù)指標(biāo)和器件選型，則是實(shí)現(xiàn)電磁脈沖有效防護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)際工程所面臨的一大挑戰(zhàn)。
背景介紹
由于傳統(tǒng)實(shí)物測(cè)試方法存在時(shí)間周期長(zhǎng)、資金費(fèi)用高等缺點(diǎn)。而利用仿真手段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，可定量地預(yù)估防護(hù)對(duì)象在電磁脈沖輻照下受到的電磁干擾能量，為防護(hù)指標(biāo)的制定和防護(hù)措施的選用提供有效支撐，減小傳統(tǒng)實(shí)物驗(yàn)證的迭代次數(shù)，甚至評(píng)估實(shí)物驗(yàn)證所不能開(kāi)展的測(cè)試項(xiàng)目，最終可大幅降低經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本。
本案例以作為“前門耦合”的天線為例，介紹利用 ANSYS HFSS 仿真天線感應(yīng)電磁脈沖能量的一般流程，以期提供一種有效的天線電磁脈沖感應(yīng)能量的評(píng)估方法。
兩種典型的電磁脈沖
評(píng)估天線感應(yīng)電磁脈沖能量大小，前提是明確電磁脈沖激勵(lì)。通過(guò)參照 IEC61000-2-9 和相關(guān)文獻(xiàn)，可以給出 HEMP 和 HPM 兩種典型電磁脈沖的時(shí)域波形表達(dá)式：
HFSS 仿真流程 3.1?求解類型 由于要模擬的是時(shí)域電磁脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，將 Solution Type 設(shè)置為 Transient，Driven Options 設(shè)置為 Composite Excitation，才能在后續(xù)的激勵(lì)設(shè)置中定義所需的時(shí)域脈沖波形。
3.2?天線建模
利用 HFSS Antenna Toolkit,實(shí)現(xiàn) 88MHz 單極子天線和 3.5GHz 貼片天線的快速建模。如下圖所示：
3.3?添加入射平面波 3.3.1?插入平面波激勵(lì)(Incident Wave Source)
在 Antenna Toolkit 生成的 HFSS Design 中，添加平面波激勵(lì)。
?
注：在添加平面波激勵(lì)前，需將原來(lái)的激勵(lì)刪除，并將端口設(shè)置為 Lumped RLC 邊界(50Ω)。
3.3.2?設(shè)置激勵(lì)源位置和入射方向
???88MHz 單極子天線
?
3.5GHZ 貼片天線
?
3.3.3?定義時(shí)域波形
???HEMP 時(shí)域波形
?
HPM 時(shí)域波形
3.4?仿真設(shè)置、參掃設(shè)置 ???添加 Solution Setup(默認(rèn)設(shè)置) ???添加 Parametrics，進(jìn)行參數(shù)掃描設(shè)置
?
3.5?運(yùn)行并查看仿真結(jié)果
???Check & Run Analyze
???View Results
不同入射角度下，單極子天線端口處感應(yīng)的電壓波形
不同入射角度下，貼片天線端口處感應(yīng)的電壓波形
小結(jié)
本文重點(diǎn)介紹了 ANSYS HFSS 軟件仿真天線感應(yīng)電磁脈沖能量的一般流程，參照該方法可以得到天線端口的感應(yīng)電壓(或者電流)。結(jié)合天線后端射頻電路或器件對(duì)電壓(或電流)的受擾、受損閾值，該結(jié)果可以為防護(hù)指標(biāo)確定、防護(hù)器件選擇提供定量的數(shù)據(jù)支撐。
同時(shí)，我們亦可利用 HFSS 對(duì)電磁脈沖環(huán)境下線纜、孔縫等后門耦合效應(yīng)進(jìn)行仿真評(píng)估，從而為電磁脈沖防護(hù)指標(biāo)和器件選擇提供更為全面的數(shù)據(jù)支撐。
