李子森，郭艷輝，周成龍

（中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所 電磁兼容室，北京 100089）

系統(tǒng)由若干分系統(tǒng)或設(shè)備構(gòu)成，為了檢查系統(tǒng)的防護能力、評價防護設(shè)計的效果，應(yīng)開展系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)試驗。系統(tǒng)的電磁脈沖效應(yīng)可以采用理論模擬、電磁脈沖場模擬器輻照、脈沖電流注入和近場輻照等手段進行研究。理論模擬雖然能給出特定條件下設(shè)備的電磁脈沖耦合規(guī)律，如文獻[1]—[5]研究了設(shè)備在強電磁脈沖作用下的失效機理，從宏觀的熱效應(yīng)、浪涌效應(yīng)或微觀的電子元器件失效分析了其耦合作用，給出了元器件級閾值，但系統(tǒng)部件的電磁效應(yīng)閾值與計算結(jié)果有所不同。美國等發(fā)達國家也認為僅靠理論分析無法給出大型復(fù)雜系統(tǒng)電磁脈沖耦合的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并認為大型電磁脈沖模擬試驗仍是獲得耦合數(shù)據(jù)和檢驗加固性能的唯一有效技術(shù)手段，但是大型輻射波模擬器試驗成本高，試驗難度大。另外一種有前景的試驗技術(shù)是脈沖電流注入和近場輻照方法，該方法不要太大的花費，其中注入方法已寫入測試標(biāo)準(zhǔn)。

文中主要采用理論計算和摸底試驗相結(jié)合的方法，通過建模理論計算獲得某裝備處理模塊所處的場強及耦合電流參數(shù)，并以此為輸入激勵，對該模塊開展近場輻照和電流注入試驗研究。

1 理論計算

1.1 輻照場強計算

以某武器裝備為原型，設(shè)置模型材料及單位，進行結(jié)構(gòu)建模。設(shè)置端口和邊界條件，采用平面波入射方式，激勵源選擇HEMP，在被測信號處理模塊所在位置預(yù)設(shè)場監(jiān)視器[8]，通過參數(shù)掃描獲得該位置的場強大小。主要邊界參數(shù)如下：選擇激勵源HEMP波形，裝備置于無損耗自由空間，結(jié)構(gòu)尺寸為裝備實際尺寸導(dǎo)入，頻率設(shè)置在100～200 MHz，采取六面體剖分網(wǎng)格設(shè)置。由于要模擬電磁脈沖沖擊過后的一段時間內(nèi)耦合情況，仿真最大時長選擇5000 ns，將探針作為計算結(jié)果輸出觀察典型位置的耦合情況。計算結(jié)果如圖1所示。計算結(jié)果顯示，某武器裝備在HEMP照射下，裝備內(nèi)模塊感應(yīng)的場強幅值的量級為100～1000 V/m。

圖1 仿真計算結(jié)果Fig.1 Simulation calculation results

1.2 線纜感應(yīng)的電流強度計算

若a?λ，λ為對應(yīng)電磁波波長，在頻率不是非常高的情況下，此假設(shè)基本都可以滿足細線近似。通過計算線上感應(yīng)電流密度分布，求解感應(yīng)電流產(chǎn)生的散射電場，并利用邊界條件建立積分方程，未知量為線上感應(yīng)電流強度I（x′），利用矩量法（Method of Moments，MoM）求解方程，最終得到細線上感應(yīng)電流分布。如圖3所示，邊界參數(shù)如下：線纜線長2 m，線纜半徑為1.0 cm，線纜敷高為2.5 cm，大地介電常數(shù)εr=5.0，磁導(dǎo)率μr=1.0，電導(dǎo)率σ=0.01 S/m，終端負載為匹配負載150 Ω，入射角Ψ=90°，線纜半徑為1.0 cm，終端負載開路。HEMP激勵下，線中點處的時域電流波形如圖3所示。

圖2 有耗地面有限長度傳輸線在平面波入射下感應(yīng)電流計算Fig.2 Calculation of induced current of transmission line with limited length under lossy ground under plane wave incidence

圖3 線纜在50 kV/m輻照下感應(yīng)的電流強度Fig.3 Current intensity of transmission line under irradiation of 50 kv/m

可以看出，從線纜感應(yīng)的電流強度為20～120 A。

下面的測試設(shè)備將模擬該強度的場強或感應(yīng)電流來進行測試。電磁脈沖發(fā)生器如圖4所示，主要由直流高壓源、開關(guān)模塊、匹配負載組成。直流高壓源是電磁脈沖發(fā)生器的能源，用于給儲能元件脈沖電容器充電，與開關(guān)和匹配負載形成放電回路[9]。

如果開展注入試驗，其負載為在一定范圍內(nèi)呈阻性的水電阻。時域波形如圖5所示。開展輻照試驗，其匹配負載是夾角為β的V形板天線，它既是模擬器的輻射天線，又是放電回路的負載。距模擬裝置天線口面的0.6 m處，可產(chǎn)生脈沖場強最高為7 kV/m，主要模擬高空核爆源區(qū)外空間的輻射場環(huán)境。有界波模擬器模擬的電磁脈沖場為垂直方向，與高空電磁脈沖場有一定差異，可做效應(yīng)試驗前的摸底測試，以及小尺寸試驗件效應(yīng)試驗。

圖4 電磁脈沖發(fā)生器原理框圖Fig.4 Principle block diagram of HEMP generator

圖5 電磁脈沖發(fā)生器輸出時域波形Fig.5 Time domain waveform of HEMP generator

2 信號處理模塊電磁脈沖試驗

2.1 近場輻照試驗

被測設(shè)備EUT選自某裝備上信息處理的模塊，它分為兩部分：控制電路和數(shù)據(jù)傳輸電路。模塊正常上電后，數(shù)據(jù)傳輸端口發(fā)送RS422工作信號。輻照試驗采取單部件試驗，未連接任何互連設(shè)備，只對模塊加電，監(jiān)測信號模塊的RS422總線。

試驗時，將如圖6所示的模塊置于有界波電磁脈沖模擬器工作空間[10]，從低到高調(diào)節(jié)模擬器工作空間場強，觀察被測件的敏感狀態(tài)及示波器測試結(jié)果?？紤]入射角度、極化方向以及屏蔽整改措施，在6種測試配置條件下開展測試，見表1。

測試時設(shè)定脈沖源的輸出電壓，固定輸出測試5次，記錄場強接收機的讀數(shù)，取平均值作為近場輻照場強，同時觀察監(jiān)測終端的狀態(tài)，然后逐步提高脈沖源輸出，記錄下剛出現(xiàn)敏感狀態(tài)及百分之百敏感狀態(tài)時相應(yīng)的數(shù)據(jù)。具體見表2。

表1 輻照測試配置Table 1 Irradiation test configuration

圖6 信號處理模塊近場輻照試驗連接Fig.6 The near field irradiation test connection diagram for the signal processing module

2.2 電流注入試驗

注入試驗時，對模塊加電，用示波器監(jiān)測模塊接口的RS422總線，如圖7所示。注入試驗是對模塊電源線進行的，測試考慮了電源高位線、電源高位及回路，以及整改，分別在4種條件下開展了測試，具體見表3。

測試時設(shè)定脈沖源的輸出電壓，固定輸出測試5次，記錄檢測探頭的讀數(shù)，取平均值作為線纜感應(yīng)的干擾電流。同時觀察監(jiān)測終端的狀態(tài)，然后逐步提高脈沖源輸出，記錄下剛出現(xiàn)敏感狀態(tài)及百分百敏感狀態(tài)時相應(yīng)的數(shù)據(jù)。干擾電流與脈沖源的輸出電壓、測試設(shè)備阻抗和布線阻抗均有關(guān)系。在測試設(shè)備阻抗、布線阻抗一定的情況下，脈沖源輸出與干擾電流成一定的正比關(guān)系。具體見表4。

輻照試驗與注入試驗的結(jié)果表明，在工作狀態(tài)下，隨著施加電場強度的增加，模塊會出現(xiàn)“復(fù)位”形式的失效。這些失效狀態(tài)是瞬態(tài)的，可以自動恢復(fù)正常工作，為保護裝備的信號處理模塊，沒有進行更大強度的破壞性試驗。

表2 不同測試配置下近場輻照敏感度結(jié)果比較Table 2 Comparison of radiation sensitivity results under different test configuration

表3 電流注入測試配置Table 3 Configuration of the pulse current injection test

圖7 信號處理模塊電源線電流注入試驗連接Fig.7 The pulse current injection test connection diagram for the signal processing module

3 試驗結(jié)果分析

1）信號處理模塊在輻照試驗和電流注入試驗過程中都發(fā)生了敏感。這說明兩者試驗具有一定的替代性，盡管兩者并不完全等效，至少電流注入試驗可以引起與輻射相近的敏感現(xiàn)象，敏感現(xiàn)象表現(xiàn)為復(fù)位。在1.68 s時間內(nèi)，模塊接口無輸出數(shù)據(jù)。敏感時的輻照場強并不高或注入電流強度均不大，天線輸入脈沖幅度1.3～1.4 kV（相當(dāng)于輻射場強約為310 V/m），而電流注入4.3 A（單線）或6.4 A（雙線）電源線，就會出現(xiàn)敏感。

表4 注入試驗不同測試配置的結(jié)果比較Table 4 Comparison of pulse current injection results under different test configuration

2）電磁脈沖敏感的門限和敏感概率。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，信號處理模塊在天線輸入脈沖幅度為1.4 kV或電源線輸入4.3～6.4 A脈沖電流時，出現(xiàn)了敏感，并且該數(shù)值為初次敏感門限值，此時的敏感概率較低。隨著輸入電壓或注入電流增大，敏感的概率也在提高。如輸入電壓達到2.2 kV以上時，輻照的敏感概率達到100%，這種敏感趨勢是很明顯的。在試驗過程中也會出現(xiàn)敏感現(xiàn)象的斷續(xù)性，即敏感門限的間斷現(xiàn)象。一般認為，這與計算機內(nèi)部軟件的程序運行有關(guān)[11—14]，通過同一狀態(tài)試驗次數(shù)的增加，可以部分消除這種不確定性。如果這種現(xiàn)象超過了輸入電壓提高的因素，則需要找到軟件運行與敏感性的規(guī)律。

3）模塊及接口線纜屏蔽防護對敏感性的影響。對模塊及線纜加防護銅網(wǎng)布屏蔽，能有效提高模塊抗電磁脈沖的敏感門限。屏蔽分為模塊及接口線纜全屏蔽和接口線纜屏蔽，由于模塊殼體只有部分屏蔽，接口線只是一般的雙絞線，加上防護銅網(wǎng)布屏蔽后，敏感門限值得到較大提高。模塊平放測試數(shù)據(jù)如下：未屏蔽時，敏感門限對應(yīng)的天線輸入脈沖電壓為1.4 kV；接口線纜屏蔽后，門限對應(yīng)的天線輸入脈沖電壓幅度為10 kV；模塊和接口屏蔽后，敏感門限對應(yīng)的電壓為15 kV。假定天線輸入脈沖電壓與所激勵的電場近似成線性關(guān)系，接口線纜屏蔽后，其屏蔽效能為SE=17 dB，完全屏蔽的屏蔽效能為SE=20.6 dB。這說明屏蔽效果是明顯的，而且接口線纜的屏蔽作用要優(yōu)于對模塊本身的屏蔽效果。

4）電流注入量與布線阻抗有關(guān)。電源線的電流注入試驗，電源線本身是一個回路，或電源線與相應(yīng)分布參數(shù)形成一個回路。由于回路中的負載不同，使得注入電流也不同。

一般注入電流檢測卡鉗檢測到的是卡鉗內(nèi)所有電流總和，由于單純電源線的負載阻抗較大，注入電流達到數(shù)安或數(shù)十安時，就會敏感。當(dāng)注入到屏蔽線時，由于屏蔽層回路阻抗很小，在同樣注入脈沖電壓時，注入電流會很大。例如當(dāng)注入電壓為0.9 kV時，純布線的注入電流為4.35 A，有屏蔽層注入電流為22.19 A，注入電流增大5倍。

4 結(jié)語

模型計算為電磁脈沖試驗提供了理論依據(jù)，針對某模塊開展的近場輻照和電流注入摸底試驗表明，電磁脈沖（上升時間2.5 ns，脈沖寬度23 ns）可使信號處理模塊出現(xiàn)復(fù)位故障。在復(fù)位期間計算機接口無輸出信號，該故障屬于可靠性的嚴(yán)重故障，下一步須對故障機理進行分析。此外，電流注入試驗對設(shè)備電氣接口之間的互連電纜上注入干擾很有效。近場輻照的方法，更適用于設(shè)備外殼屏蔽、孔縫較多的情況。從試驗結(jié)果來看，處理模塊出現(xiàn)敏感狀態(tài)和百分之百敏感時，電流注入的輸出電壓均低于近場輻照時的輸出電壓。這說明產(chǎn)生同樣的敏感狀態(tài)，脈沖電流注入比近場輻照注入的干擾效率要高些。

電磁脈沖效應(yīng)隨機性很強，各種處理模塊的功能組成也不完全相同[16]。文中對某一部件進行試驗研究，試驗結(jié)果并不能代表所有處理模塊的電磁脈沖效應(yīng)能力。試驗表明，該試驗方法可行、試驗系統(tǒng)可靠，為進一步研究系統(tǒng)裝備電子部件的電子脈沖效應(yīng)提供了借鑒。

[1] LIBOR P，LUBOS S.High Power Microwave Effects on Computer Networks[C]//York，UK：Proc of the 10th Int.Symposium on Electromagnetic Compatibility（EMC Europe 2011），2011：26—30.

[2] MATS G B.Member，IEEE，Susceptibility of Electronic Systems to High-power Microwaves：Summary of Test Experience[C]//IEEE Transactionson Electromagnetic Compatibility，2004，46（3）：396—397.

[3]RICHARD H，ANDREW L.HPEM and HEMP Susceptibility Assessments of Computer Equipment[C]//17th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility，2006：168—171.

[4]DANIEL N，MICHAEL C.Susceptibility of Some Electronic Equipment to HPEM Threats[C]//IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2004，46（3）：385—388.

[5]RICHARD H，NIGEL J C，DAVID H.Trends in EM Susceptibility of IT Equipment[C]//IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2004，46（3）：390—395.

[6]李名杰，劉進.電子裝備面臨的強電磁脈沖環(huán)境分析[J].裝備環(huán)境工程，2012，9（2）：69—73.LI Ming-jie，LIU Jin.Environmental Analysis of High Power EMP on Electronic Equipment[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（2）：69—73.

[7] 周壁華，陳彬，石立華.電磁脈沖及其工程防護[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003：197—211.ZHOU Bi-hua，CHEN Bin，SHI Li-hua.EMP and EMP Protection[M].Beijing：National Defense Industry Press，2003：197—211.

[8] 孫榮平，成本茂，郭龍.復(fù)雜電磁環(huán)境下機載電子設(shè)備的電磁兼容仿真研究[J].裝備環(huán)境工程，2012，9（2）：57—60.SUN Rong-ping，CHENG Ben-mao，GUO Long.Study on EMC Simulation of Airborne Avionics under Complex Electromagnetic Environment[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（2）：57—60.

[9] 陸峰，陳彬，萬海軍，等.小型脈沖電場屏蔽效能測試設(shè)備[J].高電壓技術(shù)，2006，32（8）：49—51.LU Feng，CHEN Bin，WAN Hai-jun，et al.Portable Electric Field Shielding Effectiveness Measurement Device[J].High Voltage Engineering，2006，32（8）：49—51.

[10]李小偉，孫鳳杰.系統(tǒng)級電磁脈沖模擬源輻照試驗方法[J].信息與電子工程，2012，10（5）：551—553.LI Xiao-wei，SUN Feng-jie.System Level Test Method on Electromagnetic Pulse Simulators[J].Information and Electronic Engineerlng，2012，10（5）：551—553.

[11]張春俠，路靜，周春梅.飛控計算機電磁脈沖效應(yīng)試驗研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012，32（6）：715—716.ZHANG Chun-xia，LU Jing，ZHOU Chun-mei.Experimental Study of EMP Effect on Computer of Aircraft[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2012，32（6）：715—716.

[12]周星，王書平，魏光輝.電磁脈沖對數(shù)字電路的輻照效應(yīng)研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32（10）：46—49.ZHOU Xing，WANG Shu-ping，WEI Guang-hui.Study on Radiation Effects of EMP on Digital Circuits[J].High Voltage Engineering，2006，32（10）：46—49.

[13]侯民勝，劉尚合，王書平.單片機系統(tǒng)在核電磁脈沖輻照下的效應(yīng)研究[J].強激光與粒子束，2001，13（5）：521—524.HOU Min-sheng，LIU shang-he，WANG shu-ping.Study on Irradiation Effects of Nucleus Electronmagnetic Pulse on Single Chip Computer System[J].High Power Laser and Particle Beams，2001，13（5）：521—524.

[14]陳棟，許黎明，李紅剛.電磁脈沖對計算機設(shè)備的易感性問題研究[J].裝備環(huán)境工程，2009，6（5）：25—27.CHEN Dong，XU Li-ming，Li Hong-gang.Research on Susceptibility of Computer Equipment under Electromagnetic Pulse Threat[J].Equipment Environmental Engineering，2009，6（5）：25—27.

[15]陳偉華，張厚，楊宇軍.強電磁脈沖環(huán)境下計算機設(shè)備的防護[J].裝備環(huán)境工程，2007，4（1）：71—74.CHEN Wei-hua，ZHANG Hou，YANG Yu-jun.Protection of Computer Equipment in Strong Electromagnetic Pulse[J].Equipment Environmental Engineering，2007，4（1）：71—74.

[16]常悅，高聰杰，陳志文，等.電火工品電磁脈沖危害檢測及評估方法研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007，27（5）：183—185.CHANG Yue，GAO Cong-jie，CHEN Zhi-wen，et al.Research on the Measurement and Evaluation Method of EED′Electromagnetism Impulse Harm[J].Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2007，27（5）：183—185.