关键电磁设备的强电磁脉冲耦合效应仿真方法

电子设备因其固有的“前门耦合”及“后门耦合”通道，极易受到诸如高空核爆电磁脉冲(HEMP)、高功率微波(HPM)等的电磁干扰，从而导致设备功能降级甚至毁伤。如何快速、准确地评估电磁脉冲经耦合通道侵入电子设备的能量，以确定防护指标和器件选型，则是实现电磁脉冲有效防护的关键环节，也是实际工程所面临的一大挑战。

由于传统实物测试方法存在时间周期长、资金费用高等缺点。而利用仿真手段，在产品设计初期，可定量地预估防护对象在电磁脉冲辐照下受到的电磁干扰能量，为防护指标的制定和防护措施的选用提供有效支撑，减小传统实物验证的迭代次数，甚至评估实物验证所不能开展的测试项目，最终可大幅降低经济和时间成本。

本案例以作为“前门耦合”的天线为例，介绍利用ANSYSHFSS仿真天线感应电磁脉冲能量的一般流程，以期提供一种有效的天线电磁脉冲感应能量的评估方法。

评估天线感应电磁脉冲能量大小，前提是明确电磁脉冲激励。通过参照IEC61000-2-9和相关文献，可以给出HEMP和HPM两种典型电磁脉冲的时域波形表达式：

HFSS仿真流程

3.1求解类型

由于要模拟的是时域电磁脉冲激励产生的耦合效应，将SolutionType设置为Transient，DrivenOptions设置为CompositeExcitation，才能在后续的激励设置中定义所需的时域脉冲波形。

利用HFSSAntennaToolkit,实现88MHz单极子天线和3.5GHz贴片天线的快速建模。如下图所示：

3.3添加入射平面波

3.3.1插入平面波激励(IncidentWaveSource)

在AntennaToolkit生成的HFSSDesign中，添加平面波激励。

注：在添加平面波激励前，需将原来的激励删除，并将端口设置为LumpedRLC边界(50Ω)。

3.3.2设置激励源位置和入射方向

î88MHz单极子天线

3.5GHZ贴片天线

3.3.3定义时域波形

îHEMP时域波形

HPM时域波形

3.4仿真设置、参扫设置

î添加SolutionSetup(默认设置)

î添加Parametrics，进行参数扫描设置

3.5运行并查看仿真结果

îCheckRunAnalyze

îViewResults

不同入射角度下，单极子天线端口处感应的电压波形

不同入射角度下，贴片天线端口处感应的电压波形

小结

本文重点介绍了ANSYSHFSS软件仿真天线感应电磁脉冲能量的一般流程，参照该方法可以得到天线端口的感应电压(或者电流)。结合天线后端射频电路或器件对电压(或电流)的受扰、受损阈值，该结果可以为防护指标确定、防护器件选择提供定量的数据支撑。

同时，我们亦可利用HFSS对电磁脉冲环境下线缆、孔缝等后门耦合效应进行仿真评估，从而为电磁脉冲防护指标和器件选择提供更为全面的数据支撑。