王 偉，解旭彤，胡 寬，王 雯

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710071)

隨著通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多由敏感電子元器件組成的電子設(shè)備及系統(tǒng)被集中在一個(gè)有限的狹窄空間里來應(yīng)用于國防、電力、航空及現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域[1]。雖然電子設(shè)備的性能得到了提升顯著，但電磁兼容問題也變得尤為突出[2-3]。高空核電磁脈沖(High-altitude Nuclear Electromagnetic Pulse，HEMP)可對(duì)敏感設(shè)備造成嚴(yán)重的損害，從而破壞或摧毀電子信息平臺(tái)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境造成嚴(yán)重干擾，其已成為現(xiàn)代信息戰(zhàn)的首選武器[4]。高空核電磁脈沖的破壞作用主要體現(xiàn)在：(1)對(duì)人員的殺傷力；(2)通過破壞武器系統(tǒng)中的電子設(shè)備對(duì)各種武器系統(tǒng)的破壞，使其喪失作戰(zhàn)效能；(3)對(duì)隱身武器進(jìn)行攻擊[5]。由于高空核電磁脈沖具有輻射范圍廣、強(qiáng)度大、頻譜寬等特點(diǎn)，會(huì)在車輛表面某些位置形成強(qiáng)感應(yīng)電流分布，可對(duì)分布其中的設(shè)備造成嚴(yán)重危害[6]。以往對(duì)高空核電磁脈沖照射下車輛表面感應(yīng)電流的研究主要集中在定性分析和總結(jié)變化規(guī)律等方面。本文通過仿真手段研究車輛表面感應(yīng)電流在核電磁脈沖環(huán)境下的響應(yīng)情況，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，然后以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)，為HEMP照射下車輛電磁防護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。所得車輛表面電流響應(yīng)情況及理論分析與文獻(xiàn)[7]中仿真結(jié)果具有相同的趨勢(shì)，獲得的仿真結(jié)果對(duì)電磁脈沖防護(hù)具有一定的實(shí)際工程意義。

1 脈沖模型建立

高空核電磁脈沖是在高空核爆炸(一般約定爆炸高度為30 km)過程中由瞬發(fā)射線引起的瞬態(tài)電磁波傳播，在地面附近可將其作為平面波處理[8]。迄今為止，HEMP波形表達(dá)式已有很多不同的標(biāo)準(zhǔn)。一般HEMP場(chǎng)強(qiáng)可以用雙指數(shù)解析函數(shù)近似表達(dá)

E(t)=E0k(e-at-e-βt)

(1)

式中k是修正系數(shù)；E0是場(chǎng)強(qiáng)峰值；a表征脈沖前沿參數(shù)；β表征脈沖后沿參數(shù)。高空核電磁脈沖波形的具體參數(shù)，目前國際上有多個(gè)已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，從Bell實(shí)驗(yàn)室波形，再到IEC和DOD波形，可以看出標(biāo)準(zhǔn)變化的基本趨勢(shì)是脈沖前沿變快、脈寬變窄[9]，各參數(shù)具體數(shù)值如表所示。

美軍標(biāo)MIT-STD-461G和我國標(biāo)準(zhǔn)GJB-151B-2013都沿用了IEC6100發(fā)布的高空核電磁脈沖的波形，波形時(shí)域圖和頻域圖如圖1和圖2所示。

高空核電磁脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度峰值很高，脈沖上升時(shí)間很短，為納秒量級(jí)，而波形下降較為平緩。快速變換的信號(hào)可能對(duì)電子設(shè)備造成很大損害[10]。下文中，利用該標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形進(jìn)行仿真分析。

2 車輛電磁模型建立

建立車輛電磁模型如圖3所示。

為了提高仿真的高效性并優(yōu)化仿真效果，本研究去除部分對(duì)仿真精確度影響較小的車輛結(jié)構(gòu)和部件[11-12]，圖3為簡(jiǎn)化和修正后的車輛電磁模型。為了方便研究，本文選取45°斜入射HEMP水平極化波照射。

一般來說，電磁環(huán)境是指某些區(qū)域內(nèi)所有電磁現(xiàn)象的總和[13]，不同電磁環(huán)境中最基本的是電磁計(jì)算數(shù)據(jù)，目前常用的電磁計(jì)算方法是時(shí)域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)和傳輸線法[14]。FDTD方法具有計(jì)算思路清晰、通用性強(qiáng)、并行計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；而傳輸線法可以簡(jiǎn)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)，模擬開放場(chǎng)的無限自由空間[15]。利用電磁拓?fù)涞母拍?，將整個(gè)復(fù)雜的電子信息系統(tǒng)分解為幾個(gè)小區(qū)域，整體仿真取決于這些相關(guān)部分[16]。本文采用基于FDTD方法的CST電磁仿真軟件，模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下高空核電磁脈沖對(duì)裝甲車車輛表面的電磁效應(yīng)。

3 仿真分析

選取45°斜入射HEMP波從正面、側(cè)面、后面3個(gè)方向分別進(jìn)行照射，將得到的仿真結(jié)果以及不同頻點(diǎn)下車輛表面感應(yīng)電流的最大值繪制成曲線圖，如圖5所示。

圖5中，A、B、C分別為側(cè)面照射、后面照射、正面照射時(shí)車輛表面感應(yīng)電流最大值曲線圖?？梢钥闯?～30 MHz范圍內(nèi)，側(cè)面照射時(shí)車輛表面感應(yīng)電流最大值遠(yuǎn)大于后方照射及正面照射，峰值為1.82×103 A·m-1。

對(duì)0～30 MHz內(nèi)不同頻點(diǎn)的車輛表面感應(yīng)電流分布情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)側(cè)面照射時(shí)車輛表面感應(yīng)電流最大值遠(yuǎn)高于其它兩個(gè)照射方向的峰值區(qū)域集中在炮管位置。

移除炮管部位，其它條件不變，從側(cè)面對(duì)車輛進(jìn)行照射，結(jié)果如圖6所示。

A為正常情況下車輛表面感應(yīng)電流最大值曲線圖，B為移除炮管后，側(cè)面照射時(shí)車輛表面感應(yīng)電流最大值曲線圖。對(duì)比可知，HEMP波從側(cè)面照射炮管部位，在0～30 MHz范圍內(nèi)會(huì)感應(yīng)出遠(yuǎn)大于其它部位的表面電流。

這是因?yàn)閭?cè)面照射時(shí)，炮管相當(dāng)于炮塔平面的突起部位，感應(yīng)電流在炮管、炮塔及車體平面連接處流動(dòng)并相互疊加，故感應(yīng)電流值遠(yuǎn)大于其它區(qū)域。該結(jié)果與已知電磁兼容理論符合。

炮管部位一般不安裝電子設(shè)備，屬于非敏感區(qū)域，但感應(yīng)電流值遠(yuǎn)大于其它部位，對(duì)研究工作存在較大的干擾作用。因此，在下面研究中去除炮管進(jìn)行仿真。

圖7為去除炮管后，不同照射方向的車輛表面感應(yīng)電流最大值曲線圖。車輛除一些細(xì)小結(jié)構(gòu)外，基本為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故在180°范圍內(nèi)選取五個(gè)方向進(jìn)行照射，研究車輛表面感應(yīng)電流隨方向的變化情況。實(shí)驗(yàn)中，A為正面照射，E為后方照射，A～E間依次相差45°。

通過對(duì)不同照射方向、不同頻點(diǎn)的車輛表面感應(yīng)電流分布進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)不同位置的車輛表面感應(yīng)電流差異明顯：峰值區(qū)域集中在不同車體平面連接處，棱角處及平面凸起處，而平面區(qū)域的感應(yīng)電流較其它區(qū)域小，即車輛表面感應(yīng)電流大小與照射方向車輛表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度呈正相關(guān)變化。

本文車輛電磁模型中，側(cè)面照射的炮管部位為全車最復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)。去除炮管后不同照射方向的峰值電流遠(yuǎn)小于有炮管時(shí)側(cè)面照射的峰值電流也驗(yàn)證了這點(diǎn)。炮管屬于非敏感區(qū)域，而車輛重點(diǎn)防護(hù)的敏感區(qū)域均位于車輛平面上，而平面區(qū)域的表面感應(yīng)電流小于去除炮管后照射方向的峰值電流，不同照射方向的峰值電流又遠(yuǎn)小于正常情況下側(cè)面照射的峰值電流，故可以把正常情況下側(cè)面照射的峰值電流作為本車電磁防護(hù)的最大感應(yīng)電流參考值，即1.82×103A·m-1。

不同照射方向的車輛表面感應(yīng)電流最大值曲線呈現(xiàn)波浪形變化，但整體變化趨勢(shì)一致，即在頻段內(nèi)整體呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)。由圖2可知，HEMP電場(chǎng)強(qiáng)度隨頻率增大不斷減小，兩者隨頻率呈現(xiàn)正相關(guān)變化。波源電磁能量主要集中在0～40 MHz范圍內(nèi)，得到的車輛表面感應(yīng)電流最大值曲線圖中，電磁能量也集中在0～40 MHz頻段內(nèi)，因此0～40 MHz屬于重點(diǎn)防護(hù)頻域。

4 結(jié)束語

HEMP會(huì)在車輛表面形成強(qiáng)感應(yīng)電流，車輛表面感應(yīng)電流大小與照射方向車輛表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度呈正相關(guān)變化，在炮管部位有遠(yuǎn)高于其它部位的感應(yīng)電流。本文中，車輛最大感應(yīng)電流參考值為1.82×103A·m-1，重點(diǎn)防護(hù)頻段為0～40 MHz。本文通過仿真分析核電磁脈沖下車輛表面電流的分布情況，為HEMP照射下車輛電磁防護(hù)提供了依據(jù)，具有一定的參考價(jià)值。