基于人工引雷實驗的閃電通道附近帶孔縫金屬機箱耦合仿真研究

巴文學 歐建芳 丁 潔 陳 雪 張紅萍

（1．青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧 810001；2．成都信息工程大學，四川 成都 610225）

1 介紹

本文利用Moini等人提供的天線理論，利用的CST工作室建立了閃電回擊仿真模型。以人工引雷得到的閃電通道基流為回擊模型源。討論了當帶孔縫的金屬機箱以不同擺放放置在靠近閃電通道區(qū)域時的耦合效應。

2 實驗與模型仿真

自2005年以來，山東人工引雷基地一直在不斷地進行人工引雷實驗。電流由頻率范圍為0.9～1.5 MHz的皮爾遜線圈測量得到和在0～3.2 MHz的頻率覆蓋范圍內(nèi)具有恒定電阻5 mΩ的電流觀察分流器。磁天線由低頻磁天線和信號處理模塊兩部分組成，工作頻率范圍為3～330 kHz。

圖1顯示了2015年夏季成功實驗的通道基電流和磁場。（a）是通道基底電流；（b）是距閃電通道78 m處的實測磁通密度和仿真得到的磁通密度的歸一化幅度。

圖1 2015年夏季人工觸發(fā)雷電實驗的通道電流和磁通密度

由于仿真閃電通道是與實際曲折通道不同的垂直導電通道，仿真的幅值和實驗的結果雖然不完全相同。但是整體來說還是比較吻合的。所以，這個仿真模型對于計算閃電通道周圍的磁通量密度是有效的。

3 帶孔縫的金屬機箱的耦合效應

通道基極電流由以下雙指數(shù)函數(shù)描述：

其中：I0=81.881 kA，α=37.075 μs，β=1.545 μs1個1 mm厚的完全封閉的鋁箱擁有著非常好的屏蔽效果。文章中，σ= 3.54×107s/m是電導率，μr=1是相對磁導率，2 mm是鋁箱的厚度，所以，可以確定機箱內(nèi)部的磁通量密度是通過孔縫（孔縫的直徑為0.02 m）的所有耦合，并且機箱模型的大小為600 mm×600 mm×600 mm如圖2和圖3所示建立。圖3示出了三個不同的機箱相對于閃電通道的擺放位置。

圖2 P0、P1、P2為機箱內(nèi)3個樣本點

在本文中，基于Moini等人研發(fā)的天線理論建立了閃電回擊模型。導電通道被建立為具有有限導電率的地面上的閃電回擊通道。把閃電通道電阻率設為ρ=0.07 Ω/m，通道相對介電常數(shù)設為ε=5.3，土壤電導率設為σ=0.02 S/m。然后把激勵源放置在閃電通道的底部，并把機箱放置在距離通道78 m的位置。

由于結構的對稱性，本文提出了三個采樣點P0，P1和P2的磁場強度，如圖2所示。P0是邊長為600 mm的機箱的中心。

圖3 機箱相對于閃電電通道的三種不同擺放位置的示意圖

當機箱處于三種不同擺放位置時，點P0，P1和P2的磁通量密度波形如圖3所示。A，B和C模型的P0處的磁通量密度全部都超過了0.07 Gs。A模型的峰值磁通密度也完全能達到11.2 Gs。其他已達到1.83 G和2.39 G。因此，無論機箱的擺放位置如何，耦合磁通量密度都將嚴重威脅機箱內(nèi)部的集成電路。并且點P1和P2的磁通密度總是比P0小得多。

4 結語

當帶孔縫機箱于閃電通道附近時，對機箱內(nèi)部電子電路的危害最大的擺放位置如A模型。如果帶孔縫機箱安置在離閃電通有78 m的地方，盡管只有一個孔縫，但是機箱中心處的磁場強度也很可能會對集成電路晶體管造成永久性的損壞。因此，在閃電通道附近工作的金屬機箱上設計適當?shù)目卓p是非常重要的。根據(jù)以上分析，由于雷電的方位難以預料，所以把孔縫放置在機箱的頂部，并把敏感的電子電路放在在機箱的四個角落將是更好的選擇。