静电放电电磁脉冲的实验研究

   关键词： 静电放电 电磁脉冲 频谱

   静电放电(ElectrostaticDischarge，ESD)可分为接触式放电和非接触式放电．也就是电流注人放电和空气击穿放电两种方式。以往人们关注的ESD危害主要是注人电流的作用，在理论建模和实验研究方面已做了大量的工作，并取得了一些重要的研究成果[1~4]。为了测试电子产品的ESD敏感度，人们已投人了相当的精力去研究ESD电流波形，并建立了相应的标准，如国际电工委员会标准IEC61000—4—2等等。研究者们特别感兴趣的是由于带电量、接近速度和电极类型(人体、转运工具、工作平台等)的不同而引起的电流幅值及其上升时间的变化．然而对非接触式静电放电即空气放电产生的电磁脉冲辐射场却认识不多[5，6]。人体一金属模型放电电流[5]对时问的变化率很大．而辐射场的幅值主要取决于电流及电流对时间的导数；脉宽小于lns的窄脉冲具有极宽的频谱，其上限频率可达吉赫。这就是说ESD电磁脉冲具有较高的幅值和极宽的频谱，它是复杂多变的电磁环境效应中的主要近场危害源之一[7]。

1 静电放电模型

    静电放电是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，由于介质电离而使带电体上的电荷部分或全部消失的现象，这是一个复杂多变的过程。因此，人们对实际中各种可能产生危害的静电放电的静电源进行了深人的研究+根据其主要特点建立了相应的静电放电模型。如人体一金属模型、家具模型、带电器件模型、机器模型及场感应模型等等我们选取具有快上升前沿的人体一金属模型和具有较大电流的家具模型作为典型代表来对其电磁脉冲辐射场进行研究。

1.1 静电放电的人体金属模型
人体是产生静电危害*主要的静电源之一．人体一金属模型用来模拟带电人体通过手持的小金属物件+如螺丝刀，钥匙等+对其它物体产生放电时的情形+其基本电路模型为单RC结构．放电参数R和c分别取33OΩ和150pF，典型的放电电流波形如图1所示．它具有亚纳秒的上升前沿．半高脉宽为30ns，其峰值从充电电压为2kV时的9A到l5kV时的70A。

1.2 静电放电的家具模型

   家具静电放电指的是在计算机机房或实验室内那些易于移动的家具，如椅子、小的仪器搬运车等，由于摩擦或感应带电后对其它仪器设备产生的放电过程，其电路模型也为单RC结构，通常取R＝15Ω，C＝lOOpF。其典型的放电电流波形如图2所示。

2静电放电电磁脉冲的测试设备和实验条件

   静电放电电磁脉冲的测试是在模拟自由空间中进行的，主要仪器放置在屏蔽室里。静电放电模拟器采用瑞士Schafaer公司的NSG435以及日本NoiseKen公司的Ess-200AX，其接触式放电*高电压分别为8、15kV，非接触式放电*高电压为15、30kV。放电通过标准的模拟器放电网络和放电电极来进行，测试天线采用中国船舶工业总公司电磁兼容中心研制的单极子小天线，经实验标定，其工作上限频率可达1GHz，信号波形记录采用美国Tektronix公司的TDS680B示波器(带宽1GHz，采样速率5×10^-4T／s)。测试时的环境温度为18C．相对湿度为27%．天线距放电点距离为1 8cm，其放置方向与放电通道方向平行。

   图6为采用家具模型时NSG435对地放电的辐射场波形及其频谱，实验中模拟家具带电2kV空气放电方式。可以看出，家具模型在空气放电时的辐射场波形与接触放电也很相似．但后续的振荡明显碱弱，其峰值场强可达23kV／m．频谱主要分量分布在20MHz以下，中心频率在5MHz。