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電子設備因其固有的“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，從而導致設備功能降級甚至毀傷。如何快速、準確地評估電磁脈沖經(jīng)耦合通道侵入電子設備的能量，以確定防護指標和器件選型，則是實現(xiàn)電磁脈沖有效防護的關鍵環(huán)節(jié)，也是實際工程所面臨的一大挑戰(zhàn)。
背景介紹
由于傳統(tǒng)實物測試方法存在時間周期長、資金費用高等缺點。而利用仿真手段，在產(chǎn)品設計初期，可定量地預估防護對象在電磁脈沖輻照下受到的電磁干擾能量，為防護指標的制定和防護措施的選用提供有效支撐，減小傳統(tǒng)實物驗證的迭代次數(shù)，甚至評估實物驗證所不能開展的測試項目，最終可大幅降低經(jīng)濟和時間成本。
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能量的評估方法。
兩種典型的電磁脈沖
評估天線感應電磁脈沖能量大小，前提是明確電磁脈沖激勵。通過參照 IEC61000-2-9 和相關文獻，可以給出 HEMP 和 HPM 兩種典型電磁脈沖的時域波形表達式：
HFSS 仿真流程 3.1?求解類型 由于要模擬的是時域電磁脈沖激勵產(chǎn)生的耦合效應，將 Solution Type 設置為 Transient，Driven Options 設置為 Composite Excitation，才能在后續(xù)的激勵設置中定義所需的時域脈沖波形。
3.2?天線建模
利用 HFSS Antenna Toolkit,實現(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(Incident Wave Source)
在 Antenna Toolkit 生成的 HFSS Design 中，添加平面波激勵。
?
注：在添加平面波激勵前，需將原來的激勵刪除，并將端口設置為 Lumped RLC 邊界(50Ω)。
3.3.2?設置激勵源位置和入射方向
???88MHz 單極子天線
?
3.5GHZ 貼片天線
?
3.3.3?定義時域波形
???HEMP 時域波形
?
HPM 時域波形
3.4?仿真設置、參掃設置 ???添加 Solution Setup(默認設置) ???添加 Parametrics，進行參數(shù)掃描設置
?
3.5?運行并查看仿真結果
???Check & Run Analyze
???View Results
不同入射角度下，單極子天線端口處感應的電壓波形
不同入射角度下，貼片天線端口處感應的電壓波形
小結
本文重點介紹了 ANSYS HFSS 軟件仿真天線感應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電壓(或者電流)。結合天線后端射頻電路或器件對電壓(或電流)的受擾、受損閾值，該結果可以為防護指標確定、防護器件選擇提供定量的數(shù)據(jù)支撐。
同時，我們亦可利用 HFSS 對電磁脈沖環(huán)境下線纜、孔縫等后門耦合效應進行仿真評估，從而為電磁脈沖防護指標和器件選擇提供更為全面的數(shù)據(jù)支撐。
