??? 摘 要： 仿真研究了兩根貫通導(dǎo)線對(duì)屏蔽體內(nèi)印制電路板" title="印制電路板">印制電路板終端負(fù)載的影響。研究表明,貫通導(dǎo)線與屏蔽體外的電磁脈沖" title="電磁脈沖">電磁脈沖波耦合，可使傳入屏蔽體內(nèi)印制電路板終端負(fù)載上的電壓增大很多；當(dāng)雙線連接時(shí),不僅存在著空間輻射干擾" title="輻射干擾">輻射干擾波通過導(dǎo)線吸收傳導(dǎo)進(jìn)入電路而產(chǎn)生的干擾電壓，而且還存在著兩線間串?dāng)_" title="串?dāng)_">串?dāng)_電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著頻率的增加，線間串?dāng)_增大，在終端負(fù)載產(chǎn)生的總干擾電壓，比只有通過線吸收傳導(dǎo)進(jìn)入電路產(chǎn)生的電壓要大。這些工作對(duì)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝具有指導(dǎo)意義。
??? 關(guān)鍵詞： 導(dǎo)線? 屏蔽體? 電磁干擾
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??? 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，很多電子部件和電路的工作頻率不斷提高,而工作電壓卻逐漸降低,因而對(duì)電磁脈沖的敏感性和易損性也不斷增加。對(duì)某些電磁脈沖而言,因其場(chǎng)強(qiáng)極高,上升到峰值的時(shí)間極短,覆蓋范圍極寬。為了能使電子電路穩(wěn)定工作,研究電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備和系統(tǒng)的干擾及損傷效應(yīng)變得十分迫切。很多電子設(shè)備都有屏蔽機(jī)箱,當(dāng)屏蔽機(jī)箱上開有小孔時(shí),只要孔徑相對(duì)于電磁脈沖主要頻段信號(hào)的最小波長(zhǎng)足夠小,機(jī)箱對(duì)該脈沖波就有較高的屏蔽效能。然而，當(dāng)小孔中有貫通導(dǎo)線穿過時(shí),機(jī)箱的屏蔽效能將大大降低。此時(shí)外部的干擾電磁場(chǎng)可以直接將電磁能量耦合到暴露在屏蔽體外的貫通導(dǎo)線上，并通過導(dǎo)線引入屏蔽體內(nèi)部，使屏蔽體內(nèi)的電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜，從而使機(jī)箱內(nèi)電路上的耦合電壓(電流)顯著增強(qiáng)。若電磁脈沖入射電場(chǎng)與貫通導(dǎo)線在機(jī)箱外的部分平行,則貫通導(dǎo)線可直接從入射場(chǎng)中耦合電磁能量并將其引入機(jī)箱內(nèi)電路,從而使機(jī)箱內(nèi)電路上的耦合電壓(電流)也顯著增強(qiáng)。目前其研究工作主要局限在研究導(dǎo)線穿過無限大導(dǎo)體平面時(shí)的耦合干擾問題[1]。參考文獻(xiàn)[2]和[3]分別應(yīng)用多層快速多極子算法(MLFMM)和時(shí)域有限差分方法(FDTD)對(duì)屏蔽體有貫通導(dǎo)線的輻射干擾問題進(jìn)行了研究，而對(duì)屏蔽體內(nèi)部電路干擾的研究還很少。
??? 為了更好地認(rèn)識(shí)屏蔽機(jī)箱上貫通導(dǎo)線對(duì)機(jī)箱內(nèi)電路耦合電壓的影響,本文建立了貫通導(dǎo)線及屏蔽機(jī)箱內(nèi)電路的簡(jiǎn)化模型,研究分析了無貫通導(dǎo)線和有單根貫通導(dǎo)線時(shí)對(duì)屏蔽體內(nèi)印制電路板終端負(fù)載干擾的影響以及兩根導(dǎo)線(有輻射干擾、傳導(dǎo)干擾和兩根線間的串?dāng)_)的綜合影響。結(jié)果表明，無貫通導(dǎo)線時(shí)在終端負(fù)載產(chǎn)生的干擾電壓要小很多，而有貫通導(dǎo)線時(shí)則使屏蔽體內(nèi)部電子電路的抗干擾能力大大減弱，很容易使電路性能下降，影響設(shè)備的正常工作；在有兩根導(dǎo)線時(shí)，既存在著輻射干擾也存在著兩根線間串?dāng)_，隨著頻率的增加，兩根線之間的串?dāng)_也明顯增大，其產(chǎn)生的影響也變大。同時(shí)由于導(dǎo)線耦合了干擾源" title="干擾源">干擾源輻射出的脈沖波產(chǎn)生的影響與兩根線之間的串?dāng)_產(chǎn)生的影響疊加在一起的總的干擾對(duì)終端負(fù)載的影響是巨大的，它能使屏蔽體內(nèi)的電路無法正常工作。這些研究可以為電子系統(tǒng)的電磁兼容、抗電磁干擾及其防護(hù)提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)和數(shù)值依據(jù)。
1 模型建立
??? 雙貫通導(dǎo)線模型如圖1所示。模型說明：線的半徑為0.3cm，長(zhǎng)度為15cm，線間的距離為1cm，距離無限大接地平面高度為5.5cm，首端都接50Ω電阻，末端接入屏蔽腔體內(nèi)并與印制電路板上的金屬帶相聯(lián)結(jié)，進(jìn)入屏蔽箱體的長(zhǎng)度為0.5cm，金屬帶的寬度為0.6cm；印制電路板終端(Port1)和(Port3)接50Ω電阻，印制電路板的長(zhǎng)、寬、高分別為10cm、6cm、0.5cm，屏蔽腔體的長(zhǎng)、寬、高分別為15cm、10cm、5cm，印制電路板在腔體內(nèi)寬度方向上中心位置，距離腔體前端0.5cm處；模擬的橡膠臺(tái)與屏蔽腔體尺寸大小一樣，模擬汽車電子控制系統(tǒng)中各種電氣電子設(shè)備放置的平臺(tái)。設(shè)干擾源為一端口port2，其位置水平方向上與線的首端的距離為7.5cm， 垂直方向上與近端線的距離為12cm，其工作的中心頻率為1.67GHz。
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??? 首先仿真研究無貫通導(dǎo)線和有單根貫通導(dǎo)線時(shí)在終端負(fù)載產(chǎn)生的影響，最后分析既有干擾源輻射耦合導(dǎo)線上對(duì)終端負(fù)載的影響又有兩根線之間的串?dāng)_的綜合干擾影響。
2 計(jì)算理論分析
??? 在本文中,設(shè)干擾源端口port2電壓為U2，印制電路板終端負(fù)載端口port1、port3電壓分別為U1、U3，定義干擾源與終端負(fù)載電壓關(guān)系式：
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??? 假設(shè)計(jì)算端口1(Port1)受到的總體干擾電壓和為U（輻射傳導(dǎo)干擾和串?dāng)_）并做如下處理：
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????則對(duì)應(yīng)的分貝表示式為：
??? S=20×log10(|U|)
??? 為此，可以分離出干擾源對(duì)兩根線的干擾和兩根線之間的串?dāng)_，這樣就可以計(jì)算端口1(Port1)受到的總體干擾。同樣對(duì)于三根或三根以上的貫通導(dǎo)線也可以做類似的處理，求解某一端口受到的總的干擾情況。
3 數(shù)值仿真結(jié)果與分析
??? 為了研究貫通導(dǎo)線對(duì)屏蔽體內(nèi)電路的影響，首先分析在沒有導(dǎo)線情況時(shí)其電壓傳輸關(guān)系圖(為只有端口1導(dǎo)線存在時(shí)的電壓關(guān)系)如圖2所示。
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??? 從圖2可以看出，電磁脈沖經(jīng)開孔耦合進(jìn)屏蔽體內(nèi)作用在終端負(fù)載上的干擾隨著頻率的增加逐漸增大。另外，受模型自身結(jié)構(gòu)的影響，在模型諧振頻率處(如圖中2.65GHz附近的頻段)其干擾則最大。又因?yàn)樽兓那€起伏較小，可知在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生了諧振，出現(xiàn)振蕩，但是干擾的電壓值很小(S21<115dB)。所以，屏蔽體在只有開孔且開孔比較小的時(shí)候，外部干擾電磁波在內(nèi)部電路耦合的電壓比較小。
??? 圖3(a)和圖3(b)為當(dāng)導(dǎo)線與干擾源距離為12cm時(shí)，印制電路板終端負(fù)載端口port1耦合電壓傳輸關(guān)系圖和電壓比值圖。
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??? 比較圖3(a)和圖2，有導(dǎo)線時(shí)比沒有導(dǎo)線時(shí)干擾的電壓大得多，而在圖3(a)中最高也只有-20dB。從圖3(b)可以看出，電壓的比值受干擾源工作頻率的影響較大，當(dāng)在干擾源工作頻率范圍內(nèi)其干擾最大，與沒有導(dǎo)線比較則在終端負(fù)載耦合的電壓也大。由此說明，貫通導(dǎo)線對(duì)屏蔽體內(nèi)部電子電路系統(tǒng)的抗干擾能力大大減弱，很容易使電路性能下降，影響設(shè)備的正常工作。
??? 圖4(a)和圖4(b)分別是近端線即port1和遠(yuǎn)端線即port3受到干擾源輻射干擾的耦合電壓關(guān)系。從圖4可以看出，由于線之間的距離為1cm，在高頻段其干擾的情況沒有大的區(qū)別，而在500MHz以下時(shí)接近干擾源的線上干擾要明顯比遠(yuǎn)端的大。與此同時(shí)兩根線之間也存在串?dāng)_，圖5給出了端口1和端口3之間的串?dāng)_關(guān)系。
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??? 干擾過程分析：首先由干擾源輻射出的干擾電磁波向空間傳播，然后通過線傳導(dǎo)進(jìn)入屏蔽箱體內(nèi)的印制電路終端負(fù)載，從而對(duì)終端負(fù)載產(chǎn)生干擾；其次，由于兩根線束之間還存在著串?dāng)_(即在端口1(Port1)和端口3(Port3))。為了分析總體的干擾，也必須考慮兩根線之間的串?dāng)_。圖6給出了端口1受到的總的干擾情況。
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??? 把圖6和圖4(a)比較可知，干擾在頻率較低時(shí)結(jié)果將增大3～5dB左右,而在頻率相對(duì)較高時(shí)增大更多。如在頻率為2.5GHz時(shí)，在圖4(a)時(shí)干擾只有－8dB左右，而在圖6時(shí)則增加到6dB左右?？梢婋S著頻率的增加兩根線之間的串?dāng)_也越來越變得明顯。
??? 本文通過仿真研究了雙貫通導(dǎo)線對(duì)屏蔽體內(nèi)印制電路板電路電磁干擾的影響，在這種情況下，不僅存在著通過導(dǎo)線吸收外部干擾波滯后傳導(dǎo)進(jìn)入屏蔽體內(nèi)印制電路板電路上，而且還存在兩個(gè)貫通導(dǎo)線之間的串?dāng)_的影響。研究表明：在無貫通導(dǎo)線時(shí)，干擾的電磁脈沖通過貫通孔耦合進(jìn)入屏蔽體，受屏蔽體結(jié)構(gòu)影響在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生諧振，但當(dāng)孔的尺寸很小時(shí)，與有貫通導(dǎo)線比較，在無貫通導(dǎo)線時(shí)其干擾的電壓小很多。由此說明，有貫通導(dǎo)線時(shí)減小了屏蔽體內(nèi)電子電路的抗干擾能力；當(dāng)有兩根貫通導(dǎo)線時(shí)的綜合干擾，比沒有兩根線間串?dāng)_干擾要大，且隨著頻率的增加干擾也增大；而干擾源發(fā)出的干擾波對(duì)兩根線產(chǎn)生的干擾，低頻時(shí)對(duì)近線產(chǎn)生的干擾明顯比遠(yuǎn)線大，而在高頻，產(chǎn)生的干擾則近似一樣。由分析可知，隨著頻率的增加，兩根線間串?dāng)_也明顯增大。這些研究對(duì)電子電路的設(shè)計(jì)以及安裝有著理論和數(shù)值指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
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