抗強瞬態(tài)干擾及毀傷的數(shù)據(jù)總線濾波器的設計及研制

1、摘 要良好的濾波是對電磁屏蔽的有效補充。信息高度發(fā)達的今天，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性對于軍用和民生都有重要意義。當今世界，核威脅并未完全消除。在遭受核電磁脈沖打擊時保證設備能正常工作是實現(xiàn)反擊的基礎，抗強瞬態(tài)干擾與毀傷的數(shù)據(jù)總線濾波器就是在這樣的情形下應運而生。本文從總線出發(fā)，介紹幾種常用總線的傳輸特點，建立了數(shù)字信號傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?，從信號能量角度分析了信號截止頻率，并借助FFT進行驗證說明。分析核電磁脈沖的時域波形，建立簡單的場線耦合模型，列出傳輸線方程并得出結果。分析不同參數(shù)對耦合電流的影響。建立切比雪夫低通原型濾波器，根據(jù)算法算出元件的量值，并借助軟件進行仿真。比較不同浪涌抑制器，結合核電磁脈

2、沖的特點選用合適的元件，完成濾波器設計。關鍵詞：核電磁脈沖 數(shù)據(jù)總線 場線耦合 濾波器 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目錄目 錄第一章 緒論11.1 抗強瞬態(tài)干擾與毀傷的數(shù)據(jù)總線濾波器的研究背景和意義11.2 本文所做的工作2第二章 數(shù)據(jù)總線的頻譜分析32.1 數(shù)據(jù)總線簡介32.1.1 總線的概念32.1.2 兩種傳輸模式的比較42.2

7、 常用的數(shù)據(jù)總線簡介52.2.1 RS-232總線52.2.2 RS-485總線62.2.3 USB總線62.2.4 RJ-45總線72.3 信號頻譜理論分析82.4 借助MATLAB對信號進行頻率分析102.4.1 離散傅里葉算法概述112.4.2 離散傅里葉變換的實現(xiàn)112.5 本章小結13第三章 強瞬態(tài)干擾產(chǎn)生機理和特點153.1 核電磁脈沖的產(chǎn)生機理153.1.1 射線與物質(zhì)的相互作用及NEMP源區(qū)的產(chǎn)生153.1.2 高空核電磁脈沖產(chǎn)生機理153.2 核電磁脈沖的破壞形式163.3 核電磁脈沖波形特點173.4 本章小結19第四章 線纜在核電磁脈沖照射下的耦合特性214.1 建立場線

8、耦合模型214.2 不同參數(shù)對耦合電流的影響244.2.1 高度對耦合電流的影響244.2.2 線纜長度對耦合電流影響244.2.3 不同入射仰角對耦合電流的影響254.2.4 不同大地電導率對耦合電流的影響264.3 本章小結27第五章 抗強瞬態(tài)干擾的數(shù)據(jù)總線濾波器的設計295.1 濾波器的整體設計思路295.2 穩(wěn)態(tài)濾波器的設計305.2.1 A參量矩陣和插入損耗305.2.2 反射系數(shù)和阻抗失配325.2.3 切比雪夫原型濾波器設計簡介335.2.4 濾波器參數(shù)設計實例355.2.5 高頻分布參數(shù)對器件特性影響375.3 瞬態(tài)抑制器的選用395.3.1 瞬態(tài)抑制器件簡介395.3.2 瞬

9、態(tài)器件選擇415.4 本章小結42第六章 總結與展望436.1 全文總結436.2 下一步工作思路43致謝45參考文獻47Error! No text of specified style in document.47第一章 緒論1.1 抗強瞬態(tài)干擾與毀傷的數(shù)據(jù)總線濾波器的研究背景和意義在電磁防護領域中，對強瞬態(tài)干擾的防護一直是一個熱點。強瞬態(tài)電磁脈沖不僅對人類本身造成傷害，對更遠距離的電子設備同樣構成威脅。盡管各核大國承諾不使用戰(zhàn)略核武器，但防患于未然，對核武器產(chǎn)生的強瞬態(tài)電磁脈沖的防護勢在必行。上個世紀60年代，前蘇聯(lián)在北極圈進行核實驗。猛烈的核爆炸不僅炸毀了爆心附近的一切，還對數(shù)千公里范

10、圍內(nèi)的電子系統(tǒng)產(chǎn)生猛烈沖擊。蘇聯(lián)的防空雷達被破壞，無法探測空中目標；上千公里長的通信線路中斷，部隊一個多小時處于無法指揮的狀態(tài)。次年，美國在太平洋的約翰斯頓島上空進行核實驗后，距離島1400公里外的夏威夷群島陷入一片混亂。防盜報警器響個不停，街燈熄滅，動力設備上的繼電器一個個被燒毀。當時人們還不能解開這個迷。后來經(jīng)過幾年研究，才發(fā)現(xiàn)這是核爆炸產(chǎn)生的強瞬態(tài)脈沖所致。在各國此后進行的核試驗中，核電磁脈沖破壞、干擾電子系統(tǒng)的例子數(shù)見不鮮。因此對核電磁脈沖進行有效的防護對國計民生具有重大的意義。由于電子設備對強瞬態(tài)干擾很敏感，所以必須對系統(tǒng)進行電磁防護。但是我國的核電磁脈沖防護能力還處于研究階段。目前

11、，并非所有的軍用設備都得到了有效的電磁防護，一旦軍事要害單位的電子設備遭到外國強電磁脈沖的打擊，必然對我國造成不可估量的損失，損害國家利益。傳統(tǒng)的電磁防護主要基于電子設備屏蔽殼體，利用金屬殼體對電磁場的屏蔽作用保護脆弱的電子設備。但是在實際應用中，由于各種需要，金屬殼體不能做成完全封閉，孔縫電磁泄露不可避免；外部電纜屏蔽效能較弱，或者根本沒有屏蔽，也會大量耦合強電磁干擾。這些強瞬態(tài)干擾通過場線耦合，由場量變成電壓作用在各種數(shù)據(jù)線上，由輻射干擾轉(zhuǎn)化為傳導干擾，進而對數(shù)據(jù)傳輸構成惡劣影響。所以，在數(shù)據(jù)總線上加強瞬態(tài)濾波器對抑制強瞬態(tài)干擾具有很好的效果。1.2 本文所做的工作本文吸收了前人豐富的經(jīng)驗

12、，通過理論分析和仿真分別得到不同速率數(shù)據(jù)總線的截止頻率；利用已有的成熟的場線耦合模型進行計算強瞬態(tài)場的耦合量，并改變不同參數(shù)得到其中規(guī)律；根據(jù)原型濾波器計算出穩(wěn)態(tài)濾波網(wǎng)絡，并根據(jù)耦合量選取合適的瞬態(tài)抑制器，完成數(shù)據(jù)總線濾波器的設計。本文具體包含以下幾個方面：第一章，緒論主要介紹抗強瞬態(tài)干擾的研究背景和重要意義，提出研究總線濾波器的必要性。第二章，引入了數(shù)據(jù)總線的概念，并簡要介紹了RS-232，RS-485，USB和RJ-45的傳輸特性，為后續(xù)分析做準備。并從功率角度分析信號諧波的能量百分比，得出理論截止頻率。借助MATLAB軟件進行快速傅里葉變換計算理論分析中的截止頻率，并將所得結果與理論值相

13、對比。選取合適值為下一步穩(wěn)態(tài)濾波器設計做準備。第三章，分析核電磁脈沖的產(chǎn)生和危害形式，并用一種具體標準分析能量的頻率范圍。第四章，利用成熟的傳輸線理論及其推導，計算了不同參數(shù)下的耦合電流，并做出圖線，得出圖線的變化規(guī)律，并得到耦合電流，為下一步選取瞬態(tài)抑制器提供參考。第五章，簡述原型濾波器概念，依據(jù)原型濾波器設計方法設計出穩(wěn)態(tài)濾波器，并選取合適的瞬態(tài)抑制器，完成數(shù)據(jù)總線濾波器的設計。第二章 數(shù)據(jù)總線的頻譜分析2.1 數(shù)據(jù)總線簡介2.1.1 總線的概念在電子系統(tǒng)中，處理器與其他設備之間命令與數(shù)據(jù)交換是通過一組線路來完成的。如果各種設備都擁有各自獨立的線路，那樣系統(tǒng)內(nèi)的線路將會混亂不堪，甚至難以實

14、現(xiàn)。為了簡化硬件電路和系統(tǒng)結構，常用一組線路，并配以各種適當?shù)慕涌陔娐罚瑢⒉煌牟考屯鈬O備連接起來，這組公用的線路被稱為總線4?？偩€是一組信號線的集合，是一種在各模塊間傳送信息的公共通路。電子系統(tǒng)中利用總線實現(xiàn)芯片內(nèi)部、印刷電路板各部件之間、機箱內(nèi)部各插板之間、主機與外部設備之間或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接與通信。根據(jù)連接設備的不同，總線一般分為片內(nèi)總線、板局部總線、系統(tǒng)總線和外部總線四種。內(nèi)部總線是系統(tǒng)內(nèi)部各種芯片與處理器之間的總線，用來連接各功能單元的信息通路，及作為在印刷電路板上連接各芯片之間的公共通路，屬于芯片一級的互連；在板局部總線是連接印刷電路板上各芯片之間的公共通路，例如CPU及其

15、支持芯片與其局部資源之間的通道，這些資源可以是在板資源，也可以是插在板上局部總線擴展槽上的功能擴展板上的資源；系統(tǒng)總線又稱為內(nèi)總線（如PCI總線，SATA總線等），是系統(tǒng)各種插卡與主板之間的總線，它是處理擴展某塊CPU板的局部資源，或為總線上所有CPU板擴展共享資源之間的信息通道；外部總線也稱為數(shù)據(jù)總線，即電子系統(tǒng)與外部設備之間的總線，也用于設備一級的互相連接。按照傳送的位數(shù)總線可分為串行傳輸和并行傳輸。串行傳輸在一組數(shù)據(jù)線上將數(shù)據(jù)按位發(fā)送和接收；并行傳輸每次傳送多位比特流。顯而易見，同等條件下并行傳送比串行傳送速率高。在實際應用中并行傳送卻不適合遠距離傳送。由于現(xiàn)在的串行傳輸速度已經(jīng)可以達到

16、很高要求，并行傳輸?shù)膬?yōu)點漸漸不明顯，所以數(shù)據(jù)總線中大多數(shù)都采用串行傳輸。本文所指的數(shù)據(jù)總線有專用的視頻總線，例如HDMI（高清晰度多媒體接口），DVI（數(shù)字視頻接口）等；也有通用的傳輸各類數(shù)據(jù)的總線，如RS-232等等。本文感興趣的是后者，即各類通用的數(shù)據(jù)總線。2.1.2 兩種傳輸模式的比較常見傳輸模式有兩種：單端傳輸和差分傳輸。圖2.1 總線傳輸示意圖如圖2.1所示，和分別指兩根信號線的電壓，指地線電壓。單端傳輸中，信號“1”：； 信號“0”：；其中，、均為總線協(xié)議中定義的邏輯電壓。以下同理。差分傳輸中，信號“1”： ； 信號“2”： ；理論上講，差分傳輸中可以沒有地線。但是為了抑制共模干擾

17、，常常帶有地線。兩種傳輸方式比較4：(1). 差分傳輸抗干擾能力較強。當外界的干擾場照射到信號線時，幾乎是一起耦合到兩根線上，而接收端恰恰關注的是兩信號的差值，所以外界的共模干擾噪聲可以被完全抵消。(2). 差分傳輸能更有效地抑制EMI，同樣的道理，因為兩根信號的極性相反，它們輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄露到外界的電磁能量就越少。(3). 差分傳輸?shù)臅r序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受到工藝和溫度的影響較小，故能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。(4). 單端傳輸以其傳輸特點可以實現(xiàn)真正的雙工

18、通信，而差分傳輸只能做到半雙工通信。在某些場合中，單端傳輸有其不可替代性。2.2 常用的數(shù)據(jù)總線簡介2.2.1 RS-232總線RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industry Association)制定的串口標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設備和數(shù)據(jù)通信設備之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術標準”。RS是英文“Recommend Standard”的縮寫，232是標識號4。RS-232標準設有25條信號線，包括一個主要通道和一個輔助通道。輔助通道主要提供通道控制，速率較低，使用較少。實際中RS-232有兩種接口,9針和25針，其橫截面如圖2.2所示。圖2.2 25/9針R

19、S232接口橫截面在多數(shù)情況下主要使用主通道。對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線和一條信號地。RS-232標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232的電氣特性：RS-232采用單端傳輸。其邏輯電壓定義如下：在傳送和接收數(shù)據(jù)線上，邏輯“1” 邏輯“0”在其他控制線上，信號有效 信號無效介于之間的電壓無意義，低于或高于的電壓也認為無意義。因?qū)嶋H工作時，應保證電平在之間。RS-232用正負電壓表示邏輯狀態(tài)，與TTL電平規(guī)定的邏輯狀態(tài)不同。因此，為了能夠同計算機接口的TTL器件連接

20、，還需要電平和邏輯的轉(zhuǎn)換。RS-232信號采用雙極性非歸零反向碼（NRZI-Not Return Zero Inverse），此種編碼在下文中介紹。2.2.2 RS-485總線為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-485定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s,傳輸距離延長到1219m，并允許在一條平衡總線上連接多個接收器，可以實現(xiàn)多點雙向通信。同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。在總線允許的范圍內(nèi)，帶負載數(shù)越多，信號的傳輸距離就越??；帶負載數(shù)越少，信號能傳輸?shù)木嚯x就越遠。為了提高RS-485的可靠性和保證總線連續(xù)匹配，需要兩個終接電阻，其阻值

21、要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需要終接電阻，即一般在300m以下。終接電阻接在傳輸總線的兩端。RS-485采用差分傳輸，故只能實現(xiàn)半雙工工作方式。接收和發(fā)送信號時由使能端加以約束。RS-485的邏輯電平定義如下：兩信號線兩端的電壓差為表示邏輯“1” ；兩信號線兩端的電壓差為表示邏輯“0” ；邏輯電壓浮動的原因是傳輸距離的不同所導致。地電位對RS-485工作的影響5由于RS-485采用差分傳輸，所以有一定抑制共模干擾的能力，但是由于RS-485接收器差分輸入端對“地”的共模電壓允許范圍為（-712）V，不在此范圍的電壓會導致總線非正常工作。而且瞬間變化的共模電壓會損壞器件。強瞬態(tài)

22、電磁脈沖如果作用到總線上，其能量可以瞬間燒毀傳輸線上所有器件。2.2.3 USB總線USB的中文名稱是“通用串行總線”，最初由Intel和Microsoft兩大公司倡導發(fā)起，后來共有七家公司合作開發(fā)。已經(jīng)從USB1.0發(fā)展到現(xiàn)在的USB3.0,目前USB2.0已經(jīng)廣泛走入我們的生活，本文所指的USB傳輸均指USB2.0版本。USB最大的特點是支持熱插拔和即插即用，而且它可以用于絕大部分外設與主機的連接，所以被廣大用戶所接受。USB正常使用需要主機、操作系統(tǒng)和外設三方面共同支持。為了能將多個外設與主機相連，采用樹形結構，將主控制器與USB集線器相連，層層連接最多可以支持127個外部設備。USB傳

23、輸線中一共有四根線纜：中間兩根差分傳輸線互絞而成，旁邊還有電源線和地線GND，如圖2.3所示：圖2.3 USB信號線圖采用差分傳輸?shù)腢SB總線的邏輯定義分為兩種，低速和全速時：為邏輯“1”，為邏輯“0”；高速傳輸時：為邏輯“1”，為邏輯“0”。USB也采用NRZI編碼形式。 圖2.4 NRZI編碼圖從圖2.4中可以看出，NRZI電平的一次翻轉(zhuǎn)代表邏輯0，與前一個電平相同的信號代表邏輯1（翻轉(zhuǎn)為0，不變?yōu)?）。如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)有連續(xù)的6個1，則在進行NRZI編碼前，在這6個連續(xù)的1后面會插入1個0，然后再進行NRZI編碼。接收端收到連續(xù)6個1，將自動去掉后面的1個0，從而恢復原數(shù)據(jù)。這使得

24、通信的接收同步更加可靠。2.2.4 RJ-45總線RJ-45總線在其標準中定義了8針的模塊化插孔和插頭，8根線各有不同顏色，兩兩雙絞而成。它已經(jīng)廣泛用于各種以太網(wǎng)通信中，傳輸速率有10Mbps,100Mbps,1000Mbps。在10/100Mbps傳輸中，共使用4根線；在1000Mbps傳輸中8根線都使用7。RJ45總線接口的排序有兩種標準，一種為T-568A，另一為T-568B。兩種標準的差別在于橙、綠兩組線對調(diào)。如圖2.5所示。圖2.5 RJ45接口示意圖RJ-45總線速率在10Mbps時采用曼切斯特(Manchester)編碼，“1”用“10”表示，“0”用“01”表示。用0.85V和

25、0.85V分別表示高/低電平。將以上常用總線的傳輸特性列表總結,得到表2.17總線類型信號幅值編碼速率線制介質(zhì)傳輸模式RS23215/ 12VNRZI一般19.2kbpsDB25DB9雙絞線單端傳送RS48526VNRZI一般10Mbps2線/4線雙絞線差分傳送USB總線高速：400mV全速、低速：3VNRZI480Mbps， 12Mbps ，1.5Mbps4線雙絞線差分傳送RJ45總線10Mbps:0.85V100/1000Mbps:1VManchester10,100Mbps1000Mbps4線8線雙絞線光纖差分傳送2.3 信號頻譜理論分析數(shù)據(jù)總線濾波器是頻域下的產(chǎn)物，所以總線信號截止頻率

26、對于濾波器設計十分重要。信號截止頻率與濾波器截止頻率定義不同，濾波器側重于對于干擾信號的抑制，而信號截止頻率側重于讓信號不失真。讓信號復現(xiàn)的決定性因素是功率，即絕大多數(shù)功率分量都能通過，信號便不失真。理論上占總功率95%97%的頻點認為是信號截止頻率，本文中理論推導中取總功率的97%。在實際的信號傳輸中，真正的矩形波是不存在的。由于邏輯電路的影響，矩形波的上升前沿都需要一定時間。因此在實際的信號傳輸中，信號都是由梯形波脈沖串組成的1。傅里葉級數(shù)告訴我們：一個符合狄利克雷條件的周期函數(shù)可以寫成無限個正交函數(shù)之和（三角型或復指數(shù)型），每一個分量的頻率都是基波的整數(shù)倍。為了便于得到梯形波的功率表達式

27、，我們寫出梯形波一個周期的時域解析表達式。這里設時域周期為T，上升時間為tr，最大電壓和最小電壓分別為U+和U。一位的脈寬為。梯形波的時域波形如圖2.6所示。圖2.6 梯形波示意圖 梯形波在一個周期內(nèi)的函數(shù)解析式： (2-1)為了方便，研究周期信號在上消耗的平均功率，稱為歸一化平均功率。如果周期信號是時間的實函數(shù)，其平均功率為： (2-2)將式(2-1)代入(2-2)得： (2-3)將展開成指數(shù)型傅里葉級數(shù)： (2-4)復傅里葉系數(shù)： (2-5)代入后得： (2-6)這里為基波角頻率。特別地，當n=0時： (2-7)前n次諧波內(nèi)的歸一化功率和： (2-8)現(xiàn)僅以RS-232的傳輸信號舉例，應用

28、以上理論推導。計算結果如下:表2.2速率上升時間諧波次數(shù)Pn/P截止頻率9600 bps500 ns 14 96.94%67.2KHz19200 bps500 ns 1597.11%144KHz注：功率比以最接近97%的為準。P:歸一化平均功率 Pn:次諧波以內(nèi)的歸一化功率之和2.4 借助MATLAB對信號進行頻率分析MATLAB軟件是一款強大的數(shù)學分析軟件，它是基于矩陣或向量工作的。對于一個連續(xù)時域信號，在一定的采樣頻率下變成離散信號方可被計算機識別。實際的數(shù)字信號未必都是均勻的0101信號，但為了研究方便，取一個周期的典型信號，即圖2.6所示的均勻梯形波。這里僅輸入一個周期的時域波形。MA

29、TLAB提供了一套計算快速傅里葉變換的函數(shù)，它們包括求一維、二維和N維離散傅里葉變換函數(shù)fft，fft2，fftn。還包括求上述各維離散傅里葉變換的逆變換函數(shù)ifft，ifft2，ifftn等8。2.4.1 離散傅里葉算法概述在某時間片段等距地抽取N個抽樣時間處的樣本值，且記為，這里為的一個離散傅里葉變換。由于MATLAB不允許有零下標，所以將上述中的m的下標均移動1，于是得到相應公式8： (2-9)由求的過程，稱為求的離散傅里葉變換，又稱為為的離散頻譜。反之，由逆求的過程，稱為離散傅里葉逆變換，相應的變換公式為： (2-10)2.4.2 離散傅里葉變換的實現(xiàn)MATLAB提供了對向量或直接對矩

30、陣進行離散傅里葉變換的函數(shù)。下面只介紹一維傅里葉變換函數(shù)，其調(diào)用格式為：fft(Q):返回向量Q的離散傅里葉變換。設Q長度（即元素個數(shù)）為N，若N為2的冪次，則為以2為基數(shù)的快速傅里葉變換，否則為運算速度很慢的非2冪次的算法。對于矩陣M，fft（M）應用于矩陣的每一列。值得一提的是，當已知給出的樣本數(shù)N0不是2的冪次時，可以取一個N使它大于N0且是2的冪次，此時結果是最快而且精確的?，F(xiàn)仍以RS-232兩種傳輸速率舉例，將表2.2中兩組時域周期和傳輸速率輸入到式(2-1)中，得到時域方程，取離散時間點得到U(t)向量，然后借助MATLAB中的FFT進行運算和畫圖：(a)(b)圖2.7 RS-23

31、2五種速率頻譜圖MATLAB得到的傅里葉變換圖像的縱軸表示電壓譜密度，只有電壓譜密度的圖像無法得到截止頻率。所以這里還需借助信號處理中的功率譜密度公式。 (2-11)其中功率譜是的偶函數(shù)，它只決定于頻譜函數(shù)的模量，而與相位無關。功率譜反映了信號功率在頻域中的分布情況，它的單位是。是電壓譜密度，即圖2.7中的縱坐標。借助上式(2-11)，對頻譜圖的縱坐標進行運算，將所有采樣點縱坐標相加求出總功率，進而以總功率的97%反代入原圖，得到用FFT求得的截止頻率，并與理論值相比較，列表如下：表2.3 傳輸速率上升時間理論截止頻率fft計算值誤差9600 bps500 ns 67.2 KHz50.8 KH

32、z24.4%19200 bps500 ns 144 KHz101.6 KHz29.4%結論：用FFT計算的截止頻率與理論截止頻率有一定誤差。在FFT建模時用一個周期的梯形波代替真實波形，有一定特殊性，而理論計算進行了一般性的推導。濾波器截止頻率以理論截止頻率為準。2.5 本章小結本章引入了總線概念，比較了兩種傳輸方式的優(yōu)劣，并簡要介紹了四種常用總線的傳輸特性。從理論和仿真兩個方面分析RS-232總線五種速率下的信號截止頻率，對兩者結果進行對比，分析誤差產(chǎn)生原因，并最終確定截止頻率，為下一步濾波器設計做好準備。第三章 強瞬態(tài)干擾產(chǎn)生機理和特點強瞬態(tài)電磁干擾分為核電磁脈沖(HEMP)和超寬帶微波(

33、UWB)，本文僅分析核電磁脈沖。3.1 核電磁脈沖的產(chǎn)生機理3.1.1 射線與物質(zhì)的相互作用及NEMP源區(qū)的產(chǎn)生核爆炸時，不論是鈾或钚的裂變還是氫同位素的聚變都可以在極短時間內(nèi)釋放出射線射線。核反應產(chǎn)生的中子與周圍物質(zhì)作用也可以在極短時間內(nèi)產(chǎn)生射線。光子與物質(zhì)原子中的電子碰撞，把大約50%的能量傳遞給電子，電子大體上沿入射初級光子運動方向高速向前運動，稱為康普頓電子。康普頓電子運動形成康普頓電流。而初級光子被散射后能量降低，并沿與初射方向成一定角度的方向運動，稱次級光子，核電磁脈沖主要由康普頓電子電流引起。就產(chǎn)生NEMP來說，能量較低，方向隨機的次級光子的作用常被忽略9。對于空中爆炸，包括高空

34、爆炸主要是爆炸周圍的大氣與射線發(fā)生互相作用。瞬發(fā)射線與周圍大氣發(fā)生康普頓效應，康普頓電子大體上沿徑向迅速離開帶正電荷的離子，形成徑向電場。與此同時，帶有大量動能的康普頓電子在向外運動中與周圍空氣分子碰撞，使空氣電離，并在徑向電場作用下形成傳導電流。光子與周圍物質(zhì)相互作用區(qū)域通常稱作光子的沉積區(qū)，也就是NEMP的源區(qū)。3.1.2 高空核電磁脈沖產(chǎn)生機理如果核爆炸發(fā)出的射線為各向同性，并且爆炸發(fā)生在各個方向都是均勻的無限大的理想大氣中，其沉積區(qū)是個完全對稱的球形，因而康普頓電流及其形成的徑向電場也完全對稱，從沉積區(qū)外的遠處來看，就不會存在輻射場。然而事實上，不論射線的發(fā)射還是爆炸發(fā)生的周圍環(huán)境都不

35、可能完全對稱。就環(huán)境來說，爆點上下大氣密度梯度不同，地面影響都是不對稱因素。這樣，就在某個方向（一般說來是在垂直地球表面方向）出現(xiàn)凈徑向電場，也就是說，存在輻射的NEMP。對于高空核爆來說，除了爆點上下空氣密度不同形成的不對稱外，更重要的是地球磁場的影響9。高空核爆時，沉積區(qū)在離地面15km60km處形成。這個區(qū)域大氣比較稀薄，康普頓電子射程較大。在地球磁場的作用下，原本大體上以直線運動射向地面的康普頓電子又附加一個橫向螺旋運動，使其運動軌跡變成螺旋式向前。這個橫向電流是高空核電磁脈沖（HEMP）形成的最大不對稱因素。有不對稱因素在，就形成了在某方向上隨時間變化的凈電流，按照麥克斯韋方程，變化

36、電流產(chǎn)生磁場，時變磁場產(chǎn)生電場，這就是HEMP瞬變電磁場的產(chǎn)生機理。3.2 核電磁脈沖的破壞形式強瞬態(tài)電磁脈沖對于電子系統(tǒng)的影響通過能量的傳導耦合、輻射耦合發(fā)生作用。其破壞形式主要是以下幾個方面10：(1).熱效應。強電磁脈沖產(chǎn)生的熱效應基本上在納秒級結束，而且是一種絕熱過程。這種效應會瞬間引爆易爆氣體或引燃易燃液體，當然也能使計算機系統(tǒng)中的微電子器件、電磁敏感模塊發(fā)熱過度，造成熱損傷，使電路性能下降或損毀。(2).射頻效應。電磁輻射會造成射頻干擾，對計算機系統(tǒng)產(chǎn)生電噪聲，使數(shù)字邏輯電路產(chǎn)生誤觸發(fā)或功能失效。也有可能器件能暫時工作，但性能參數(shù)下降，形成累計效應，潛在的危害被埋下，電路系統(tǒng)可靠性

37、降低。(3).強電場效應。電磁激勵源形成的強電場不僅可以使電子設備中金屬氧化物(MOS)電路的柵氧化層擊穿，導致電路失效，而且能對設備自檢儀器和敏感器件的工作可靠性造成影響。(4).磁效應。強瞬態(tài)電磁脈沖引起的強電流可以產(chǎn)生強磁場，使電磁能量直接耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，干擾計算機系統(tǒng)的正常工作?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)中大規(guī)模集成電路是核心，但大規(guī)模集成電路對強瞬態(tài)干擾的承受能力非常薄弱。強瞬態(tài)脈沖照射到線纜上時耦合成線上電壓和電流，強大的電流使數(shù)字邏輯電路發(fā)生可恢復翻轉(zhuǎn)或永久性翻轉(zhuǎn)，降低電子器件的性能，使系統(tǒng)無法正常工作，甚至燒壞電子元器件。所以現(xiàn)代電子系統(tǒng)很容易受到強瞬態(tài)干擾的威脅。3.3 核電磁脈沖波形特點

38、為了了解核電磁脈沖對電子器件的破壞程度，需要定量研究它的波形。目前，根據(jù)實驗測量波形將核電磁脈沖擬合為各種不同的數(shù)學函數(shù)表達形式6。其具體數(shù)學模型有雙指數(shù)脈沖、高斯脈沖和調(diào)制高斯脈沖等，其中以雙指數(shù)函數(shù)表達式應用最廣泛，本文以雙指數(shù)函數(shù)舉例分析。雙指數(shù)函數(shù)表達式為: (3-1)其中為峰值場強，、表征脈沖的前、后沿參數(shù)，是修正系數(shù)。目前，國際上已有美軍標、國際電工委員會、Bell實驗室及各種學術出版物等給出函數(shù)(3-1)中的參數(shù)值，比較著名的有DOD-STD-2169（美國國防部制定的標準），1976年出版物標準和Bell實驗室標準11。本文以第一個標準舉例： 將上述參數(shù)代入(3-1),畫圖得：

39、圖3.1 核電磁脈沖電場波形對(3-1)時域表達式進行傅立葉變換,得: (3-2)根據(jù)能量密度譜公式： (3-3)計算得此波形的能量密度： (3-4) 根據(jù)公式(3-4)畫圖：注：橫坐標采用對數(shù)坐標圖3.2 能量密度譜由圖3.1和圖3.2可以得出DOD-STD-2169標準下脈沖的時域和頻域參數(shù)，列表如下：表3.1上升時間(10%90%)下降時間(90%10%)半高寬(50%50%)頻帶寬度3.19 ns84.9 ns30.3 ns100Hz100MHz前三項是時域參數(shù)，顯而易見，核電磁脈沖的上升時間十分短暫，衰落也比較迅速，這對于瞬態(tài)抑制器件的響應時間提出了很嚴格的要求。為了方便，頻帶寬度的

40、頻率范圍取10的整數(shù)次方。核電磁脈沖能量分布的頻帶范圍很廣，從甚低頻段到射頻段，對各類電子設備和無線電通信構成嚴重的威脅。3.4 本章小結本章簡要介紹了核電磁脈沖的產(chǎn)生機理及破壞形式，并結合一種擬合函數(shù)模型，分析了核電磁脈沖的時域和頻域特點。此函數(shù)模型為下一章的場線耦合計算做準備。第四章 線纜在核電磁脈沖照射下的耦合特性普通數(shù)據(jù)總線通常埋在地下或離地面附近架空，在有核電磁脈沖照射時，線纜會產(chǎn)生耦合電壓和電流，為了定量研究耦合量，選取瞬態(tài)抑制器件，本章建立簡單情況下的場線耦合模型。場線耦合的計算有兩種思路：場的方法和路的方法。場的方法基于麥克斯韋方程組，精確但運算復雜12，路的方法基于傳輸線方程

41、，結果有一定近似但計算較容易。本文采用傳輸線方程的方法分析，求得耦合電流的頻域和時域的表達式，確定電流的響應時間和峰值。4.1 建立場線耦合模型從地面上方入射的核電磁脈沖(NEMP)可視為平面波。圖4.1給出了描述入射波傳播方向的坐標系統(tǒng)13。p為入射方向。E、B分別是電場和磁場。圖4.1 描述HEMP入射波方向的坐標系統(tǒng)假設線纜直接裸露在空氣中，并且和大地構成閉合回路。遠場平面波的高頻分量很多，并且耦合在線上每一個微元，所以要建立具有分布參數(shù)的傳輸線方程。將遠場等效為沿長度分布在傳輸線上的激勵電壓源，圖4.2中除去電壓源之外，電路圖同標準的傳輸線模型相近。所以計算單位長度串聯(lián)阻抗()和并聯(lián)導

42、納()與標準傳輸線的方法類似。圖4.2 等效傳輸線電路當頻率為的平面波作用在如圖4.2所示的傳輸線上，沿線的電壓和電流滿足以下微分方程： (4-1) (4-2)對其中一個方程求導，再代入另一個方程，可得到下列二階微分方程： (4-3) (4-4)式中的稱為傳播常數(shù)，是反映波經(jīng)過單位長度傳輸線后波的幅度和相位變化的一個物理量。有。方程(4-3)(4-4)為二階非齊次方程，聯(lián)立解得： (4-5) (4-6)式中 (4-7) (4-8)式中，是傳輸線的特性阻抗，常數(shù)和由和處端接的負載與確定。其中和是終端的反射系數(shù)，由下式確定：； (4-9) 式(4-7)(4-8)中的是在導線不存在時，在導線架設高度

43、處的電場強度。實際上，在距地面h高度處的導體將受到入射場和地面反射場的共同作用。對于架設高度為h的傳輸線，在HEMP入射場和地面反射場的共同作用下，架空線上沿z軸方向的場強為13： (4-10)其中為垂直極化波的反射系數(shù)： (4-11)為水平極化波： (4-12)(4-11)(4-12)中的,分別為大地的電導率、相對介電常數(shù)及介電常數(shù)，為真空中的相位常數(shù)(或波數(shù))。式中的相位是相對于，處的入射波相位。反射系數(shù)和在01之間變化。當?shù)孛媸抢硐雽w時(),。式(3-2)等價于，這里的與(4-10)中的相同。式(4-5)(4-6)中，由以下提供： (4-13) (4-14)方程(4-5)(4-6)不僅

44、是距離z的函數(shù)，而且是角頻率的函數(shù)。得到某點的電壓電流表達式后，還需要借助于MATLAB中的IFFT進行運算，方能得到線纜上關于時間變化的電壓和電流。4.2 不同參數(shù)對耦合電流的影響應用4.1節(jié)中的公式并進行IFFT，得到耦合電流方程。為探究參數(shù)對耦合電流影響，現(xiàn)采用控制變量法，并借助MATLAB畫出圖像，研究其中規(guī)律。4.2.1 高度對耦合電流的影響 令線纜特性阻抗，始端阻抗，入射仰角，大地電導率，導線長度L=10m,z軸坐標z=L/2,取不同高度值畫圖：圖4.3 不同高度下耦合電流由圖4.3可以看出，隨著架設高度的增加，耦合電流也隨之增加。架設高度增加后，線纜和大地構成的回路面積變大，電感

45、效應增強，更容易耦合電磁場。4.2.2 線纜長度對耦合電流影響令線纜特性阻抗，始端阻抗，入射仰角，大地電導率，高度,z軸坐標z=L/2,取不同線長值畫圖：圖4.4 不同線長下的耦合電流由圖4.4可以看出，耦合電流隨著電纜長度的增加而增加，而且持續(xù)時間變長。電纜相當于線天線，線纜長度相當于天線長度，天線越長，天線效應越強烈。4.2.3 不同入射仰角對耦合電流的影響令線纜特性阻抗，始端阻抗，線纜長度，大地電導，高度,z軸坐標z=L/2,取不同仰角畫圖：圖4.5 不同仰角對耦合電流影響由圖4.5可以看出，隨著入射仰角增加，耦合電流也在增加，但有一點可以看出：不同入射仰角，上升時間是不變的。如圖4.1

46、，沿垂直于電纜的方向入射時，當改變?nèi)肷溲鼋菚r，必引起沿電纜軸向合成電場的變化，從而引起感應電流的變化。4.2.4 不同大地電導率對耦合電流的影響令線纜特性阻抗，始端阻抗，線纜長度，大地電導，高度,z軸坐標z=L/2,取不同仰角畫圖： 圖4.6 不同大地電導率對耦合電流影響由圖4.6看出，感應電流隨著大地電導率的增加而增大，但變化不大。大地電導率增加，使得線纜和大地構成的回路阻抗變小。4.3 本章小結本章結合傳輸線方程建立場線耦合模型，并給出了這種簡單模型的解。利用這個解法分析了不同參數(shù)對耦合電流的影響。第五章 抗強瞬態(tài)干擾的數(shù)據(jù)總線濾波器的設計濾波是為了抑制傳導干擾的一種有效的措施，同時也是屏

47、蔽技術中一個必不可少的環(huán)節(jié)。抗強瞬態(tài)干擾的總線濾波器不僅要工作在穩(wěn)態(tài)，對干擾信號進行濾除，而且當有瞬態(tài)信號到來時，仍能保護穩(wěn)態(tài)電路和工作電路。濾波是頻域處理技術，即在線路中插入一種網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)移阻抗是頻率的函數(shù)，它使有用的頻譜分量（如信號和有功功率）能夠順利通過，而限制無用的頻譜分量（如噪聲、信號的諧波及邊帶）的通過。5.1 濾波器的整體設計思路強瞬態(tài)電磁脈沖耦合到線纜上后，沿線纜傳輸?shù)綖V波器的瞬態(tài)電路，當電壓上升到瞬態(tài)電路箝位電壓時，瞬態(tài)電路“短路”導通，為電磁脈沖過電壓作用下產(chǎn)生的瞬態(tài)過電流提供旁通泄放路徑，使過電壓的能量大部分能夠被旁路泄放。穩(wěn)態(tài)濾波電路的輸入電壓為瞬態(tài)電路的箝位電壓

48、，低于穩(wěn)態(tài)濾波電路的最大耐受電壓。穩(wěn)態(tài)濾波電路對電磁脈沖過電壓信號中的高于設計截止頻率的部分進行衰減與泄放，最終使電磁脈沖過電壓信號降低到電子設備的敏感度以下，保護電子設備的正常工作10。示意圖如圖5.1所示。圖 5.1 濾波器結構示意圖5.2 穩(wěn)態(tài)濾波器的設計5.2.1 A參量矩陣和插入損耗濾波器電路設計可以等效為一個雙端口網(wǎng)絡，而插入損耗的定義是基于A參量矩陣。雙端口網(wǎng)絡在于研究其輸入口及輸出口中電流電壓的關系。聯(lián)系這些電流電壓的方程式就叫做雙口網(wǎng)絡的傳輸方程15。傳輸方程中電壓或電流前的系數(shù)就構成了雙口網(wǎng)絡的參量矩陣。由于不同的電路形式，其對應不同網(wǎng)絡參量矩陣獲取的難易程度不同。本節(jié)僅討

49、論與插入損耗有關的A參量矩陣。圖5.2如圖5.2所示為任一復雜的雙口網(wǎng)絡，關心其輸入、輸出特性。A參量矩陣是系統(tǒng)傳輸方程的系數(shù)矩陣，它描述了2端口電壓、電流與1端口電壓、電流的傳輸關系，即： (5-1)或： (5-2)A參量矩陣中的A、B、C、D可利用開路短路法求出： (5-26)A稱為開路電壓比，B稱為短路轉(zhuǎn)移阻抗，C稱為開路轉(zhuǎn)移導納，D稱為短路電流比。對一般的雙口網(wǎng)絡來說，A、B、C、D四個參數(shù)都是獨立的。但對于互易網(wǎng)絡，有。EMI濾波器對干擾噪聲的抑制能力用插入損耗IL(Insertion Loss)來衡量。插入損耗定義為：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率和接入濾波器后，從噪聲

50、源傳輸?shù)截撦d的功率之比，用dB（分貝）表示，濾波器接入前、后的電路如圖5.3所示: 圖5.3 濾波器插入前后的電路比較由插入損耗定義有： (5-3) (5-4)由圖5.3左圖得到： (5-5)根據(jù)圖5.4右圖可得： (5-6)由(5-5)(5-6)聯(lián)立解： (5-7)將、代入式(5-7)得： (dB) (5-8)式中A、B、C、D為A參數(shù)矩陣的四個元素。由(5-8)式可知，EMI濾波器的插入損耗與濾波器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡參量、源端阻抗以及負載端阻抗有關1。5.2.2 反射系數(shù)和阻抗失配對于源阻抗和負載阻抗不等的電路，如果將一個端口特性阻抗和分別等于源內(nèi)阻和負載阻抗的理想二端口網(wǎng)絡接在源和負載之間，如圖5.3右圖所示，則此時二端口網(wǎng)絡僅匹配阻抗作用，源所能提供的功率全部被負載吸收，于是有： (5-9)由方程組(6)得流過負載的電流為 (5-10)反之，當該電路未接此理想匹配網(wǎng)絡時，流過負載的電流為 (5-11)于是有未接入理想網(wǎng)絡時和接入理想匹配網(wǎng)絡時流過負載的電流之比為 (5-12)這種負載電流的變化()是由于源與負載阻抗不匹配而產(chǎn)生電流反射引起的，并且這種反射同樣也會引起功率損耗，其功率損耗變現(xiàn)為反射損耗，大小為： (5-13)其中,稱為