一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于滤波器设计技术领域，特别提出了一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器 设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子产业的发展，各式各样的电子设备被越来越多地应用于生产与生活中。 电子设备的数量与密度的不断增加，使得其互相之间的干扰问题变得十分突出，同时电子 设备所处的电磁环境越来越恶劣，诸如超宽带、高功率微波甚至核爆等强电磁脉冲都将对 电子设备的正常工作进行干扰，甚至对电子设备造成毁坏。本发明考虑能抵抗极端强电磁 脉冲干扰即小型核爆条件下的滤波器设计问题。
[0003] 核爆产生的强电磁场可分为早期（E1)、中期（E2)和晚期（E3)三部分。其中，早期 形成的场占时约为1μs，可通过线缆耦合至中频、甚高频和某些超高频段的无线电设备中。 在国外的一些标准中，核电磁脉冲包含Ei(短脉冲）、Ε2(中脉冲）、Ε3(长脉冲）三个部分， 在我国的标准中，核电磁脉冲的试验波形仅仅指的是E1部分。这部分波形强度幅值大、上升 沿陡、频谱宽，对设备的影响最为严重，因此，在考虑核电磁脉冲对系统或者设备的影响时， 主要指的是短脉冲，一般称为高空核电磁脉冲（HEMP)。
[0004] 核电磁脉冲HEMP可通过前门（天线）、后门（线缆、孔缝）耦合进入电子设备内 部，对电子设备正常的工作产生影响，故需要对其干扰进行抑制。
[0005]HEMP可通过电源线对电子设备系统造成严重干扰，传统的电源滤波器可抑制电源 线上产生的低频率、小幅度电磁干扰，但由于核电磁脉冲的上升时间短、幅度大，传统电源 滤波器响应速度不够快，无法完成对HEMP的抑制。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种既可抑制传统的低频小幅电磁干扰，又能对高频大幅 HEMP干扰进行抑制的抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的，一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，其特 征是：至少包括如下步骤：
[0008] (1)核电磁脉冲干扰以双指数函数作为模型进行模拟，其t时刻电磁脉冲干扰的 场强表达式如下：
[0009] E(t) =E〇 ·k·(e〇t-ePt) (1)
[0010] 式中，场强幅值EQ= 5X104V/m，比例系数k= 1. 3,系数a= 4X107/s，系数β =6X10s/s; toon] (2)依据步骤a)计算干扰源在电源线缆上的最大耦合量级；
[0012] 核电磁脉冲对长导体耦合取传输线模型，即利用Agrawal数学模型，其二阶微分 方程为：
[0014] 其中，V为散射电压，Ez为到达线缆的电磁脉冲场强，该场强表达式对于标准核电 磁脉冲可由公式（1)表达，Z为沿线缆方向的坐标，Ez是关于坐标Z的函数，I为沿传输线 方向的电流，γ2=ZY，Ζ、γ分别为传输线对地的单位长度阻抗和导纳；
[0015] 公式（2)对应的是关于线上耦合电流的二阶微分方程，其解的形式包括通解和特 解两部分；
[0016] 通解为
[0017]I(z) =YZ+K2eYZ (3)
[0028] 式中，Zi为源端阻抗，Ζ2为负载端阻抗，Ζ。为传输线的特性阻抗；
[0029] 对于单线电缆，其单位长度的电感L。、电容C。计算如下：
[0032] 其中，h为线缆距地面高度，a为线缆半径，μ。为真空磁导率，ε。为真空电容率，
[0033] 从而，传输线的特性阻抗Ζ。的计算式为：
[0035] (3)依据步骤⑵的结果，确定防护指标；
[0036] (4)选择滤波电路，确定滤波电路所需滤波器元件；
[0037] (5)滤波器插入损耗是否满足设计指标；满足设计指标，可以进行电路输出；否 贝1J，返回步骤（4)重新确定滤波电路所需滤波器元件；直至满足要求。
[0038] 所述的步骤（4)中所述的滤波电路中包括两个5KP36CA的TVS管作为一级防护， 两个5KP36CA串联连接在输出端，串联连接点接零电位，在输出端串联连接两个22nF电 容，两个22nF电容电连接点之间接零电位；串联连接的两个22nF电容两端与串联连接两 个TVS管并联连接；还包括在输入端有串接的两个压敏电阻，两个压敏电阻的串联连接点 接零电位，与输入端有1yF电容，1yF电容与串联连接的两个压敏电阻两端并联，在一个 1yF电容和两个22nF电容之间，包括正回路的一对5mH和30μΗ电感和负回路的一对5mH 和30μΗ电感，其中1μF电容用于滤除低频差模电磁干扰，两对5mH和30μΗ电感用于滤 除低频共模电磁干扰，两个22nF电容用于滤除高频差模和共模电磁干扰。
[0039] 所述的步骤（3)中，防护指标为：过流量为1000A，响应时间为ns级，插入损耗大 于 30dB。
[0040] 本发明的优点是：本发明通过确定核电磁脉冲干扰的数学模型，依据数学模型计 算干扰源在电源线缆上的最大耦合量级；依据最大耦合量级确定防护指标；然后选择滤波 电路，确定滤波电路所需滤波器元件；通过滤波器插入损耗反复调试，确定滤波电路所需滤 波器元件；直至满足要求。在择滤波电路中，电源线滤波器的设计分为两部分：瞬态抑制部 分和稳态抑制部分。瞬态抑制部分主要抑制脉冲幅度大、上升时间短的核电磁脉冲，依靠瞬 态抑制器件完成；稳态部分主要抑制进入电网的幅度小、上升时间缓慢的普通电磁干扰，可 通过传统电源滤波器件实现。
【附图说明】
[0041] 图1核电磁脉冲时域波形图；
[0042] 图2核电磁脉冲频域波形图；
[0043]图3耦合量最大时的核电磁脉冲入射方向图；
[0044] 图4 Agrawal模型电路描述图；
[0045] 图5核电磁脉冲滤波器电路图；
[0046] 图6滤波器共模插入损耗仿真图；
[0047] 图7滤波器差模插入损耗仿真图。
【具体实施方式】
[0048] 一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，将以一个24VDC/2A的抗核电磁脉 冲的电源线滤波器设计为例，给出具体的设计过程。
[0049] (1)分析核电磁脉冲干扰的特性。
[0050] 核电磁脉冲特性以双指数函数作为模型进行模拟，其场强表达式如下：
[0051] E(t) =E〇 ·k·(e 〇t-ePt) (1)
[0052]式中，E0= 5X10 4V/m，k= 1· 3，α= 4X107/s，β= 6X108/s;
[0053] 从核电磁脉冲的时域波形（图1)可知，HEMP具有极快的上升时间2. 3ns，幅值为 50kV/m;从频域波形（图2)可知，其频谱从100Hz至200MHz，可覆盖较宽的频带，对多种电 子设备造成干扰。
[0054] (2)仿真计算干扰源在电源线缆上的最大耦合量级。
[0055] 核电磁脉冲对于电线、电缆等长导体耦合取传输线模型，利用Agrawal数学模型， Agrawal数学模型是由Agrawal等人提出的用于求解场线親合的一种模型，是将外界电磁 场对传输线的耦合问题看作一个电磁散射过程。该模型中把从地面上方入射的电磁脉冲视 为平面波，电场和磁场均可分解为平行于线缆和垂直于线缆这两个方向。对于电场，平行于 线缆的场强E//可耦合至线缆；对于磁场，垂直于线缆的场强Η±与地面构成的回路产生磁 通，使得线上产生感应电流。
[0056] 考虑干扰耦合量最大时的情况，电磁脉冲的入射方向如图3所示。Agrawal方程 中，外界电磁场对传输线的耦合可以通过沿导线切线方向的入射电场分量在传输线上产生 分布电压源来表不。
[0057] Agrawal模型是一种传输线模型，在该模型中电路是以分布参数表示的。但与传统 的传输线模型不同，场线耦合的传输线模型中要将外界强电磁脉冲源等效至线缆上，故长 度为dz的一段电缆上的分布参数如图4所示。
[0058] 图4中的二阶微分方程为：
[0060] 其中，V为散射电压，Ez为到达线缆的场强，z为沿线缆方向坐标，I为沿传输线电 流，γ2=ZY，Z、Y分别为传输线对地的单位长度阻抗和导纳。
[0061] 工程中关心的是线上的耦合电流，即关于电流的二阶微分方程，其解的形式包括 通解和特解两部分。
[0062] 通解为
[0074] 式中，Zi为源端阻抗，Z2为负载端阻抗，Z。为传输线的特性阻抗。
[0075] 上面的分析的求解过程都是基于频域的，我们关心的参数为电流峰值、上升沿、半 高宽等参数，这些参数均是在时域下得到的结果，因此，只要对频率域的计算结果进行反傅 里叶变换，就可以获取时间域的计算结果。公式中的d是求导数，p是函数以及没有特别说 明字母，因为是通用的含义，因此就不给出具体说明了。
[0076] 对于单线电缆，其单位长度的电感L。、电容C。计算如下：
[0079] 其中，h为线缆距地面高度，a为线缆半径，μ。为真空磁导率，ε。为真空电容率，
[0080] 特征阻抗计算式为：
[0082