方 磊，緒 梅，韓志勇

（1.防化學(xué)院，北京 102205；2.93501部隊(duì)，北京 101114）

HEMP環(huán)境下屏蔽箱體對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)感應(yīng)電流的影響

方 磊1，緒 梅1，韓志勇2

（1.防化學(xué)院，北京 102205；2.93501部隊(duì)，北京 101114）

屏蔽箱體上的貫通導(dǎo)線(xiàn)可以使箱體內(nèi)部電路上的HEMP感應(yīng)電流顯著增加，研究表明這是由HEMP直接與導(dǎo)線(xiàn)及其周?chē)鷮?dǎo)體耦合作用的結(jié)果，輻射耦合對(duì)其影響很小。此研究對(duì)電子裝備的設(shè)計(jì)和安裝有一定的指導(dǎo)意義。

高空核電磁脈沖；導(dǎo)線(xiàn)；耦合；屏蔽；感應(yīng)電流

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，很多電路、電子、電器元件的工作頻率不斷提高，而工作電壓卻逐漸降低，因此電子設(shè)備對(duì)電磁脈沖（EMP）的敏感性和易損性也不斷增加。高空核電磁脈沖（HEMP）具有場(chǎng)強(qiáng)高、頻譜寬、作用范圍廣等特點(diǎn)，對(duì)破壞計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)電設(shè)備和雷達(dá)的部件、組件及電子、電器元件有著相當(dāng)高的效能。故研究HEMP對(duì)電子設(shè)備的干擾、破壞機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上研究有效的防護(hù)方法尤為重要。

很多電子設(shè)備外都有箱體對(duì)其屏蔽，然而箱體內(nèi)的電子設(shè)備經(jīng)常需要和外部資源（如電源，天線(xiàn)，打印機(jī)等）進(jìn)行信息傳遞，均需要導(dǎo)線(xiàn)對(duì)屏蔽箱體的不接觸貫穿來(lái)完成。這樣，HEMP可以通過(guò)對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)的直接耦合，將能量傳遞到屏蔽箱體內(nèi)的電子設(shè)備，屏蔽箱體對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)感應(yīng)電流的影響自然便是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而目前，中國(guó)雖然在HEMP對(duì)線(xiàn)纜效應(yīng)的研究方面有眾多成果，但對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)及其終端負(fù)載感應(yīng)電流的研究很少涉及。文獻(xiàn)［1］運(yùn)用時(shí)域有限差分（FDTD）方法研究了HEMP環(huán)境下屏蔽機(jī)箱上的貫通導(dǎo)線(xiàn)，結(jié)果表明，機(jī)箱內(nèi)與貫通導(dǎo)線(xiàn)直接相連或不相連電路上的HEMP耦合電流顯著增強(qiáng)，其認(rèn)為這是由于屏蔽機(jī)箱外殼產(chǎn)生的散射場(chǎng)與貫通導(dǎo)線(xiàn)耦合作用的結(jié)果。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，屏蔽機(jī)箱外殼產(chǎn)生的散射場(chǎng)對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)感應(yīng)電流的影響很小，HEMP直接與導(dǎo)線(xiàn)及其周?chē)鷮?dǎo)體耦合作用是機(jī)箱內(nèi)電路上的HEMP耦合電流顯著增強(qiáng)的主要原因。

1 計(jì)算模型

簡(jiǎn)化的計(jì)算模型如圖1所示，本文抽象地使用外露集總元件R1代表箱體外部相連電路的阻抗，內(nèi)部集總元件R2代表內(nèi)部電路的阻抗，求解R2上電流的時(shí)域波形，以此研究屏蔽箱體對(duì)貫通導(dǎo)線(xiàn)感應(yīng)電流的影響，具體設(shè)置如下。

屏蔽箱體的結(jié)構(gòu)尺寸：a×b×c，本文中取a＝b＝c＝60 mm；

導(dǎo)線(xiàn)和屏蔽箱體的材料：PEC（所以電磁波不會(huì)通過(guò)屏蔽層進(jìn)入箱體內(nèi)部）；

HEMP的波形：E（t）＝1.3×5×104×（e－4×107t－e－6×108t），V／m；

孔縫的幾何中心位于屏蔽箱體上表面的正中央，其尺寸為10 mm×4 mm；

圖1 簡(jiǎn)化的計(jì)算模型

電阻的阻值：R1＝R2＝50Ω；屏蔽箱體外的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為P0P1；屏蔽箱體內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為P2P3；屏蔽箱體的厚度為P1P2＝2 mm；導(dǎo)線(xiàn)的半徑為r＝0.5 mm。

2 數(shù)值計(jì)算及討論

2.1 內(nèi)部電路與箱體接觸

在有些情況下，內(nèi)部電路電阻R2直接與箱體接觸，即圖1中的P3點(diǎn)在箱體上（P2P3＝56 mm）。圖2給出了入射HEMP電場(chǎng)方向與導(dǎo)線(xiàn)軸向（Z軸）平行，導(dǎo)線(xiàn)取不同設(shè)置情況下，R2上感應(yīng)電流的時(shí)域波形。

1）對(duì)比圖2a）和圖2c）可知，HEMP通過(guò)貫通導(dǎo)線(xiàn)將更多的能量耦合到屏蔽箱體內(nèi)，而且感應(yīng)電流高達(dá)數(shù)百毫安，對(duì)后續(xù)電路構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

2）對(duì)比圖2b）和圖2c）可知，由于屏蔽箱體的存在，使得更多的電磁能量被耦合到導(dǎo)線(xiàn)上。表明屏蔽箱體能夠收集電磁能量，影響周?chē)碾娐贰?/p>

3）對(duì)比圖2c）和圖2d）可知，即使切斷了線(xiàn)纜的連接，聚集在箱體外導(dǎo)體上的大量能量仍可以通過(guò)輻射傳導(dǎo)的途徑進(jìn)入箱體內(nèi)部電路。

4）由圖2e）和圖2f）可以看出，R2上的電流峰值與貫通導(dǎo)線(xiàn)的外露長(zhǎng)度基本成線(xiàn)性正比關(guān)系。

圖2 入射電場(chǎng)方向與導(dǎo)線(xiàn)軸向平行時(shí)箱體內(nèi)電路上的感應(yīng)電流

改變?nèi)肷銱EMP的入射方向，圖3給出了脈沖沿－Z方向入射，電場(chǎng)極化方向與孔縫的短邊平行，P0P3全段存在，P0P1＝20 mm時(shí)，R2上感應(yīng)電流的時(shí)域波形。圖3中的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［2］基本一致，說(shuō)明在平面波電場(chǎng)與導(dǎo)線(xiàn)垂直時(shí)，通過(guò)貫通導(dǎo)線(xiàn)耦合的能量相對(duì)較小。

由文獻(xiàn)［3］可知，當(dāng)電磁脈沖垂直于開(kāi)口平面入射時(shí)，耦合進(jìn)箱體內(nèi)的電磁脈沖場(chǎng)最強(qiáng)。因此可以說(shuō)明在本文的案例中，HEMP通過(guò)孔縫直接耦合到箱體內(nèi)部的能量對(duì)R2上感應(yīng)電流的影響很小，這是由于本案例模型中通過(guò)孔縫耦合進(jìn)入箱體的電場(chǎng)在導(dǎo)線(xiàn)軸向的分量很少。

2.2 內(nèi)部電路與箱體不接觸

當(dāng)內(nèi)部電路R2不與箱體接觸時(shí)，這里以P2P3＝55 mm，P0P1＝20 mm為例。圖4給出了在入射HEMP電場(chǎng)方向與導(dǎo)線(xiàn)軸向平行情況下，R2上感應(yīng)電流的時(shí)域波形。

對(duì)比圖2a）和圖4a）、圖2c）和圖4b）可知，在本文案例中內(nèi)部電路與箱體接觸時(shí)電路上的感應(yīng)電流是不接觸時(shí)的3～4倍。因此，屏蔽箱體收集到的電磁能量主要是通過(guò)傳導(dǎo)耦合進(jìn)入屏蔽箱體內(nèi)部電路的。

2.3 導(dǎo)線(xiàn)與導(dǎo)體板相連

由上述實(shí)驗(yàn)可知：當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)與周?chē)膶?dǎo)體相接觸時(shí)，周?chē)鷮?dǎo)體收集到的電磁能量便可傳遞到導(dǎo)線(xiàn)，使得導(dǎo)線(xiàn)上的感應(yīng)電流大大增加。圖5給出了入射HEMP電場(chǎng)方向與導(dǎo)線(xiàn)軸向平行時(shí)，長(zhǎng)度為80 mm的導(dǎo)線(xiàn)與不同面積的導(dǎo)體板連接時(shí)導(dǎo)線(xiàn)上感應(yīng)電流的時(shí)域波形。對(duì)比圖2b）、圖5a）、圖5b）進(jìn)一步證明了上述結(jié)論的正確性，同時(shí)也說(shuō)明導(dǎo)體面積越大，導(dǎo)線(xiàn)上的感應(yīng)電流就越大。

圖3 入射電場(chǎng)方向與導(dǎo)線(xiàn)軸向垂直時(shí)箱體內(nèi)電路上的感應(yīng)電流

圖4 內(nèi)部電路與箱體不接觸時(shí)箱體內(nèi)電路上的感應(yīng)電流

圖5 導(dǎo)線(xiàn)與導(dǎo)體板直接接觸時(shí)的感應(yīng)電流

3 結(jié) 論

屏蔽箱體上的貫通導(dǎo)線(xiàn)可以將箱體外的HEMP能量耦合到箱體內(nèi)部電路，并產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，對(duì)其構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，通過(guò)本文的實(shí)驗(yàn)研究表明該感應(yīng)電流主要受以下幾個(gè)因素的影響：1）貫穿導(dǎo)線(xiàn)暴露在箱體外部分的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，感應(yīng)電流越大；2）入射HEMP沿貫通導(dǎo)線(xiàn)軸向的電場(chǎng)分量越大，感應(yīng)電流越大；3）導(dǎo)線(xiàn)與其周?chē)膶?dǎo)體相連接會(huì)大大增加其感應(yīng)電流，相連接的導(dǎo)體面積越大，感應(yīng)電流越大。

根據(jù)對(duì)上述耦合特性的分析，HEMP環(huán)境下帶有貫通導(dǎo)線(xiàn)的屏蔽箱體可以采取以下防護(hù)措施：1）掐斷電磁能量的傳輸途徑，這里主要是傳導(dǎo)耦合。盡量減少電磁敏感設(shè)備與外界連接的導(dǎo)線(xiàn)，避免其與各種導(dǎo)體的接觸，縮短暴露在外的導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度；2）箱體內(nèi)部的導(dǎo)線(xiàn)要盡量沿著垂直于箱體上孔縫平面的方向布線(xiàn)；3）盡量減小屏蔽箱體的表面積，以及其他的一些防護(hù)措施，譬如接地、濾波等。

［1］ 余同彬，周璧華.貫通導(dǎo)線(xiàn)對(duì)屏蔽機(jī)箱內(nèi)電路 HEMP耦合電流的影響［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（5）：481-484.

［2］ 丁 昱.核電磁脈沖線(xiàn)纜耦合效應(yīng)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009.

［3］ 李 旭，俞集輝.地面附近開(kāi)口箱體孔縫耦合效應(yīng)的數(shù)值仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（6）：1 217-1 219.

TM15

A

1008-1542（2011）07-0153-04

2011-06-20；責(zé)任編輯:李 穆

方 磊（1987-），男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事電磁脈沖的效應(yīng)和防護(hù)方面的研究。