TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3684 ~ 36 8 9   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.5014          3684     Re cei v ed O c t ober 3 1 , 201 3; Revi se d Decem b e r  17, 2013; Accept ed Ja nua ry 5,  2014   Analysis on Electromagnetic Interference with Different  Polarization of Electric Field      Yanpeng Su n * , Lele Qu,  Li w e i Sun   Coll eg e of Elec tronic an d Infor m ation En gi ne er in g, Shen ya n g  Aerosp ace U n iversit y  (SAU)   No.37 D a o y i S outh Aven ue,  Dao y i D e ve lop m ent District, Shen ya n g , 110 1 36, Chi na    *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :   s y p_ yh @si n a.com       A b st r a ct   A sim p li fi ed   mo d e l i n g   o f  sh ie ld i n g  ca vi ty wi th  a wi re p e n e trated w a estab lishe d, i n   order  to stu d y   the cou p l i ng  effects of el ectro m a g n e tic p u lse  (EMP) w i th  different i n cid ent  ang les w h e n  th e shi e ld in g cav i ty   has a  pe netrat ed w i re. F i nit e - Differenc e T i me-Do m a i n (F D T D) w a s appl ie d to a naly z e  th e rul e  of var i ati o n   of coupl in g cur r ent magn etic  field o n  the p e netrated w i re,  w i th the variat i on of an gles  o f  incide nt w a ve F u rther study show s that  the electro m ag n e tic ener gy co upl ed by p e n e t rated w i re w hen inc i de nt w a ve  radi ates asl ant  is more th an t he co upl in g e n e rgy w hen  in c i dent w a ve r adi ates the tar get  vertically  in th cond ition  of v e rtical  pol ari z e d  dir e ct ion  of  el ectric fie l d,  an d l e ss i n  th e c ond ition  of  hor i z o n tal l y p o l a ri zed   directi on  of e l e c tric field.  And   compar ed w i th  the s i tuat i on  o f  hori z o n tal  p o l a ri z e d  d i rectio n of  electric  fie l d,   mor e  el ectro m agn etic en ergy  is coupl ed w hen the dir e ct io n of electric fiel d is vertical ly p o lari z e d.      Ke y w ords   electro m agn eti c  puls e , p o lar i z e dir e ction  of el ectric fi eld, fi nite-d ifference  time-d o m a i n ,   pen etrated w i re, incid ent an gl es      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  W i th  th e  d e v e l o p m en t o f   mo d e r n  sc ien c e  a n d  te c h n o l o g y , a  va r i e t y o f  e l e c tr o n i c  and  electri c al  eq uipment p r o v ide gre a t help for  pe ople' s daily  life and social  con s tru c tion.  Mean while, the ele c trom agneti c  radi ation and el ectro m ag neti c  interfe r en ce gene rated  by  electroni c an d electri c al e quipme n t during ope rati on  restri ct the prod uctio n  a nd life of huma n   being s [1, 2]. On the other h and, th e elect r oma g netic radiatio n also  ha bad imp a ct  on  electroni c eq uipment, pro duci ng serio u s inte rfe r e n c e on n earb y  electroni equipm ent a n d   precisi on i n st ruments, affecting  the normal working.  It is nece ssary to im prove the ability of  electri c al  and  elect r oni c e quipme n t to  work i n  com p lex ele c tro m agneti c  e n vironme n t. In the  desi gn of ele c trom agn etic comp atibility, although  se amless m e tal plates h a ve  high shieldi n g   effectivene ss,  the device can not  be mas k ed  c o mpletely, for the pa rticul ar  rea s on of ventilati on,  cooli ng, p o wer  ca ble s  a n d  commu nication  wire so th at the   pre s en ce  of  ele c trom agn etic  interferen ce i s  inevitabl e [3 , 4]. So far, the re se arch o n  elect r oma g n e tic coupli ng  of ape rture  a nd  penetrated wires  th rou gh shiel d ing cav i ty  has  had  great p r og re ss. And  with  the extensi v e   appli c ation of  electromag n e tic wave s a nd fast  devel opment of compute r  tech nology, vario u s   method s hav e bee n mo re  in-de p th st u d ied, such a s  the M e tho d  of Mome nts (M oM), Fi n i te   Element Method (FEM ), the Bound ary  Element Method (BEM) and Finite-Differen c e Ti me- Domai n  (F DTD) meth od,  and so on [ 5 -9]. And FDTD is a dire ct time-dom a i n algorithm t h a t   solving  Maxwell differential  equ ation s  [1 0]. Z. Yo u w e n  did  mo delin g an cal c ula t ion to  study t h e   effects  of couplin g current in th circuit in   th e shieldin cavity from  the interfe r e n ce   electroma gne tic [11]. Z. Shi et.al comp a r ed a nd a nal yzed the el ectromag netic  couplin g ene rgy  that coupl ed  by irreg u la r a pertu re on th e sheil d ing  cavity in the condition of ve rtical p o lari za tion  of elect r ic fie l d [12]. S. Pengfei  re sea r che d   the  rul e  of ele c tro m agneti c  p u l s with diffe ren t   angle s   of in ci den ce  co uple d  into th ca vity with hole s  o n  it,in the   con d ition s  of  hori z ontal  an vertical pol ari z ed di re ction  of E field resp ectively [13].    Those re sea r che s  did wel l   on ele c tro m agnet i c   co upling  of a p e rture a nd  p enetrate wire s th rou g h  shi e ldin cavity, and  had g ood  g u ide to th desi gn of  an ti- interfe r en ce of  electroma gne tic in the  shi e lding  cavity. Although th e situatio ns  of different p o lari zed  dire ction  with wires  penetrated into  s h ie l d ing  cavi ty were i n vol v ed, the mod e ling a nd a n a lysis  we re  n o thorou gh en o ugh. Finite-Di fference Time -Do m ain (FDTD) i s  applie d for modelin g the cou p lin g of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis o n  Electrom ag neti c  Interferen ce  with  Different  Polarization  of Electric… (Yanpen g Sun )   3685 an in cide nt electroma gne tic pul se  (EMP) with  con d u c ting  wirepe netrated  into a  shiel d ing   cavity with  hole. Simul a tion a nd  analy s is a r don by differe nt in cide nce a ngl es  of EMP in   the  con d ition s   of hori z ontally a nd  verti c ally polari z e d  di re ction  of E fiel d re sp ectivel y , to analyze  the   rule of variati on of cou p lin g curre n t magnetic fi eld o n  the penetra ted wire, with  the variation  of  angle s  of in cide nt EMP. The results sho w   that  the ele c trom agneti c  en ergy cou p led  by  penetrated wire whe n   in ci dent wave radiate s   a s l a n t  is le ss tha n  the  co uplin g en ergy  wh en   incid ent wave ra diate s  th e targ et verti c ally in  th condition  of vertical  pol ari z ed di re ction  of E  field, and m o re in the  co ndi tion of ho rizo ntal pola r ized  dire ction  of E field, howe v er. Futhe r m o re,  comp ared wit h  the situatio n of vertical polari z e d   direction of E field, the mag netic en ergy  of  curre n t cou p led by penetrated wire wit h  incide nt  wa ve radiating  asla nt is a little complex  and  more tha n  the situation of  hori z ontal  p o l a rized di re ction of E field.      2. Rese arch  Metho d   2.1.  Theoretical Founda tion  Let the gri d  o f  FDTD i s   cu be, namely  space gri d  ste pping  x = y = z = . Consi deri n g   the influen ce  of FDTD n u m e rical dispe r si on errors,   is     mi n N                   ( 1 )     in whi c mi n  is corre s po ndi ng wavele ng th,  N =1 0. If the com putati onal dom ain  contai ns o n ly free sp ace an d perfe ct con ducto r, then:     mi n ma x c f                 ( 2 )     in which  c  is t he  spe ed  of  wave i n  free  spa c e  (m ediu m ),  ma x f  is the m a ximum value of   con c e r ne d freque ncy. The  grid  size of  FDT D  can b e  determi ned  by  ma x f . In fac t, FDTD  s p ace  grid i s  eq uiva lent to a lo w-pass filter tha t  the  freque n c y com pon en ts of the pul se whi c h i s  hig her  than  ma x f  is filtered out  whe n   passin g  the  FDT D  spa c grid in th e ex citation p u lse ,  which the  results  will have a great  errors. And t o  guarant ee  the stability of the numeri c al counts in t he  iterative cal c u l ation FDT D , the time of steppin g   t  is :      22 2 1 1/ 1/ 1/ t cx y z                     (3)    Whe n  the r e a r curre n ts a nd ma gnetic flux in unifo rm  medium, the  Maxwell' s e q uation s   can b e     m Ej H J Hj E J                  ( 4 )     in whi c h:   E   is the intensit y of electric fi eld, V/m,    H   is the intensit y of magnetic field field, A/m,    is the perm e ability of the  medium, H/m ,      is the permitt ivity of the medium, F/m,   J  is the den sity of current, A/m 2 ,   m J   is the den sity of magnetic f l ux, V/ m 2 The ra diation  field of curren t and the mag netic flux is:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3684 – 36 89   3686  1 1 EF A j F jA A j                         (5)     1 1 HA F j A jF F j                          (6)    in whi c n mn Je H J eE        , a nd   (' ) ( , ' ) ' (' ) ( , ' ) ' m A rJ r G r r d V F rJ r G r r d V     A  and  F  are ve ctor  pot ential  function s, an (, ' ) Gr r   is Gre en' s functio n  of free spa c e.   When F D T D   is applied in  cal c ul ations for  radi ation, i t  will  be  divided into the total field  area  and the  scattered fie l d are a . FDT D  is u s e d  for  calculating  e l ectri c  field in  the total field,  whi c h i s   sum   of inci dent fiel d an scatte red field.  T he  stren g th of  m agneti c  field  H i s  p r op ortio nal  to the  current . The  stre ngt h of ma gneti c  field of in du ced current  i s  the  str ength   of magn etic fi eld   of the current   2.2. Numeric a l Cacula tio n   Establish the  physi cal mo d e l of elect r oni c eq ui pme n t shiel d ing  cavi ty with a con ductin g   wire p enetrated, as sh own  in Figure 1. The  dimen s io n of cavity is  200mm  × 20 0mm × 200 m m There is a h o l e of 12m × 12mm i n  the  cente r   of  on e plan e, an with a  wire th roug h the  ce nter  hole. Th e ra dius  of the  wire i s  0.51 m m . The le ngt h of the  wire  is 1 00mm  with the expo sing   length of the  wire  outsid e   of the cavity 50mm. In cid e n t radiation  source i s  a uni form plan e. The   prop agatio n dire ction is p a rallel to the  wire  whe n   in cide nt wave radiate s  the target pla ne  with   hole vertically. Choo se Ga ussian p u lse as pul se  wav e  sou r ce, whi c h is:        2 0 0 2 4 exp i tt Et E                 ( 7 )     In which  i Et  is the stren g th of electri c  fi eld of incident  Gaussia n  p u lse,  0 E = 1000 V/m,    determi ne s th e wi dth of the  Gau s sian  pul se,  = 1 0 0 t , length of  spa c e l a ttice  steppi n g   x = y = z =1mm, and  pulse pea k a ppea rs at  0 tt         Figure 1. The  Physical Mo del     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis o n  Electrom ag neti c  Interferen ce  with  Different  Polarization  of Electric… (Yanpen g Sun )   3687 Based o n  the  setting of the model above ,  ca cul a te the  amplitude of  cou p ling  current on  the wire whi c h pe netrate d into the cavity during  0~3 0 G H z, consi deri ng th e influnen ce  of  different inci d ent angle s  in  the con d ition s  of di fferent  polari z e d  dire ction of ele c tric field.      3. Results a nd Discu ssi on  3.1. Vertically   Polarized E Field  In the ca se  of vertically  polari z e d  ele c tri c   field, m a intaining th e  con s tant ele c tri c  field  intensity of i n cid ent el ect r oma gneti c  p u lse,  ch ang e  the di re ctio n of in cid ent  ele c trom agn etic  pulse. The  m a in  comp one nts of  ele c tri c  field  en erg y  cou p led  into the  shi e ldi ng  cavity by  the  penetrated  wi re a r e con c e n trated in th e  dire cti on of  x-axis an d z-axis, and the  magneti c  fie l d   energy is  co n c entrated i n  the di re ction o f  y-axis. Figu re 3  sho w s th e cu rve of  y H  at  one lo catio n   on the  wi re  p enetrate d int o  the  cavity  whe n  the  in ci dent di re ction  of EMP i s  ta ken   0 30 45 and  60  res p ec tively.         Figure 2. The   y H  with Differen t  Incident Direction of EM     As can b e  se en from the Figure 2, in the co ndi tion s of the struct ure of shi e ldi ng cavity  and pe netrat ed wire, the couplin g rule o f  the Gaussia n  pulse in the  case of vertically pola r ize d  E  field is that t he  cou p ling   magneti c  fiel d on   the  wire with  the i n cide nt an gle  of EMP  0  (of  0.08A/m) is l e ss than tho s e of  the an gle of incide nce of  30 45 , and  60 . It  s hows tha t   cou p ling m a g netic field  en ergy of in cide nt wave r adia t ing the targ et vertically (an g le of in ciden ce   EMP is   0 ) is le ss th an that  of incid ent wave radi ati ng  asla nt in the  ca se of ve rtically polari z e d   electri c  field.     3.2. Horizon t ally  Po larize d E Field  In the case of horizontall y  polarized  electri c  field,  chan ge the  incide nt direction of  electroma gne tic pulses (i.e.  the angle bet wee n  pro pag ation dire ctio n and the z-a x is), the elect r ic  field energy cou p led into  the shiel d ing  cavity  by th e penetrated  wire i s  co n c entrated in  the  dire ction  of y-axis, a nd th e main  comp onent s of  m a gnetic field e nergy  are  co nce n trated  in  the  dire ction  of x-axis a nd  z-ax is. Fig u re  2  shows th cu rve of  synthe sis  |H|  of  x H  and   z H  at one  locatio n  on th e wi re p enetrated into the   cavity  whe n  the in cide nt di rectio n of EM P is taken  0 30 45 , and  60  res p ec tively.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3684 – 36 89   3688     Figure 3. The  Synthesis  |H |  with Different In cide nt Dire cti on of EMP      As shown in  Figure 3, i n  the conditi ons  of   the stru cture  of shiel d ing cav i ty  and   penetrated  wire when th e  E field is ho rizo ntally  pol arized, the  couplin g rul e   of the Gau ssian   pulse is that the cou p ling  magneti c  field on the  wire  reache s the maximum (0. 1 A/m) whe n  the  angle  of in ci dent EMP i s   0 , and  de cre a se with a n g le of in cid e n ce  be comi n g  large r , after   comp ari ng th e total a m plit ude  of the  m agneti c  fiel d  that synth e si zed from  th couplin g ma gn etic  field comp on ent  x H  and  z H . It indicate s that the energ y  of magnetic field cou p l ed into the  cavity de crea se with in creasi ng  angl e  of in cide nt  EMP. It also   sho w s that  couplin g ma gn etic   field ene rgy  of inci dent  wave ra diating  the tar get v e rtically  (an g l e  of in cide nce EMP is  0 ) is   greate r  than  that of incide nt wave radi ating asla nt  in the case of horizontally polari z e d  ele c tri c   field.     3.3. Compari t ion   Comp ared Fi gure 2  with Figure 3, we  c an see th e differen c of magnetic  energy  cou p led  into  cavity by t he p enet rate d wi re   bet ween th e two  situatio ns o f  vertically  a n d   hori z ontally p o lari zed E field, that is, the magn etic field stren g th of coupli n g cu rre nt in the  con d ition s  of vertically pol arization el ectric fiel d is  greater tha n  that of  horizont ally polari z ati o n   electri c  field.  It indicates th at more  cou p ling  ene rgy is introdu ce d b y  the penetra ted wire in th ca se of vertically polari z ed  E field than  that of horizo n tally polari z ed  E field.  The i nnovati on in  this p aper is that  t he coupli n g  effects intro duced  by pe netrated   con d u c ting  wire  are   comp ared,  with  di fferent p o lari zation  di re ctions of E  fiel d an differe nt  incid e n c e an gles of ele c tromagn etic pu lse, to get  the rule of variati ons of the co upling field.       4. Conclusio n   Simulation a n d  analy s is  are don e by diff erent  i n ci den ce a ngle s  of  EMP in the  condition of hori z o n tall y and ve rtica lly polari z e d   dire ction  of   E field resp e c tively, to an alyze th e rul e  of  variation of couplin g cu rre n t magnet i c  field on the p e netrated  wire, wi th the vari ation of angl e s  of  incid ent EMP. Results  sho w  that the el ectro m ag neti c  en ergy  cou p led by p ene trated  wire  whe n   incid ent wave  radiate s  a s la nt is more than t he coupli ng ene rgy wh en inci dent wave radi ates t h e   target ve rtica lly in the  co n d ition of ve rtical  pola r ized  dire ction  of  electri c  fiel d,  and l e ss i n  t he  con d ition  of hori z ontal pol arized  di re ction of ele c tri c  field. And  compa r ed  with the situatio n of  hori z ontally  p o lari zed  di re ction of  elect r i c  field,  mo re  electroma gne tic en ergy is  cou p led  whe n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis o n  Electrom ag neti c  Interferen ce  with  Different  Polarization  of Electric… (Yanpen g Sun )   3689 the dire ction  of electri c  fiel d is vertically pol ari z ed. T herefo r e, con ductin g  wire  penetrated in to   openi ng cavit y  must be strictly controll ed, to avoi affecting sta b le ope ration  of the internal  electroni c ci rcuit in the cavity that from th e outsid e  inte rfere n ce.      Ackn o w l e dg ements   This  wo rk was  su ppo rted  by the S c ie nce  and  Te chnolo g y Fou ndation  of Li aono ng   Province of China (G ra nt No. 20120 2171 ), the Aer ona utical Scie nce Found ation  of China (Gra nt  No. 201 12 C5 4009 ) and th e Found ation  of Liaonin g  Prov inci al De p a rtment of Ed ucatio n of Chi n a   (Grant No. L2 0130 68)      Referen ces   [1]  Koy a ma T ,  Mat s umoto H, Ohta  Y, Machid a M. Numerica l Stud y  for  El ect r omag netic W a ve  Emissio n  i n   T h in Samples  of Intrinsi c Iose phso n  Juncti on s.  Physica C: Superc ond uctivit y . 2011; 47 1(2 1 -22): 12 02- 120 5.  [2]  Gábor G, Bá lin t N, István K, István B. Sh iel d in g Effi cie n c y  of Co nd uctive  Cloth in g i n  M agn etic F i e l d .   Journ a l of Elec trostatics . 2013 ; 71(3): 392-3 9 5 [3]  Khan  Z . A, Ba yram Y, Vol a kis  JL. EMI/EMC Meas ureme n ts an d Sim u lati ons for  Ca bles  an d P C B s   Enclos ed  w i th i n  Metallic Stru ctures.  IEEE Transacti ons o n  Electro m a gneti c  Compati b il ity.  2008; 50( 2):   441- 445.   [4]  Levi a tan  Y, H udis  E, Einz ig er PD. A  Met hod   of M o me nts Ana l ysis  o f  Electroma g n e tic C oup lin g   throug h Sl ots  Using  a  Gauss i an  Beam  E x p ansi on.   IEEE Transacti ons  on  Anten nas  an d  Prop agati o n 198 9; 37(1 2 ): 1537- 154 4.   [5]  Min L, J oe  N, Dre w n i ak J L DuBroff RE, H ubi ng T H , Van  Dore n T P . EMI  from Airflo w  A perture  Arra ys   in S h ie ldi n g  Encl osures- e xper iments,  F D T D , and  MoM Mo del in g.  IEEE Transactions  on  Electro m a gneti c  Compati b il ity.  2000; 4 2 (3): 2 65-2 75.   [6]  Moss CD, Gr zegorcz yk T ,  O'Neill K, Ji n a u   K. A  H y bri d  T i me-domai n Mod e of El ectromag netic   Inductio n  from  Con ducti ng,  Permea b le T a rgets.  IEEE  Transacti ons on   Geoscie n ce and Re mot e   Sensi n g . 20 06;  44(10): 29 16- 292 6.   [7]  Carp es W P , Pincho n L, Raz e k A. Anal ysis  o f  t he Cou p li ng  of an Inci de nt W a ve  w i th a  W i re insi de  a   Cavit y  Us ing  an F E M in  F r equ enc and   T i me Domains .   IEEE Transactions on Elec trom agnetic   Co mp atibi lity.  200 2; 44 (3): 4 70-4 75.   [8]  Georgak op oul os SV, Birtche r  CR, Bal anis   CA. HI RF  Pen e tration t h rou g h  Apertur e s: F D T D  versus   Measur ements .   IEEE  Transac tions on El ectromag netic Co m p atib ility.  200 1; 43(3):  282- 294.   [9]  Hadj ira B, F e h a m M, Abri M. Compact an d  Integr ated Ro uting Ph oton ic  Cr y s tals Struc t ures Desi gn   Using th e T w o d im ens ion a l  F D T D  Meth od.  T E LKOMNIKA Indones ian Jo urna l of Electrica l   Engi neer in g . 2012; 1(3): 1 81- 187.   [10] Yubi ao  G.  T he F i nite-Differ ence T i me-D o m a i n Meth od  for Electroma gnetic W a ves.  Xi' an:  Xi' a Electron ic Sien ce &T echnolo g y  Un iversit y  Pr ess. 2005.   [11]  You w e n  Z ,  Gu ang bin  L. T he  Cou p li ng  of El ectrom ag netic  Pulse   to Circu i t   in Cavit y   w i th   Co nducti n g   Wires.  Journa l of Sichua n Ord nanc e . 201 1; 32(6): 71-7 3 [12]  Yanp en g S, Shi Z ,  Xia ohe A ,  Hongp en g S. Char acter i stic s of Electroma gnetic Pu lse C oup lin g into   Annu lar Ap ertu res.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jo urna of Electrical  E n g i neer ing . 2 0 1 3 ; 11(1 1 ): 684 8- 685 4.  [13]  Pengfe i  S, Jinshen g Z ,   T i ng y o ng  J, Youji Y, Xi yu a n  S. Numerical An al ysis  on Hol e  Co upl i ng Effects of  Electroma gneti c  Puls w i t h   D i fferent An gl es  of Inci de nce.  Mi cro c om pu te Inform ation.  2 010;  26( 11):   180- 184.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.