胡 寬，解旭彤，王 偉，趙能武，路宏敏

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

車(chē)載線纜系統(tǒng)作為完成車(chē)載平臺(tái)任務(wù)的重要部分，其所面臨的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜[1-4]。文獻(xiàn)[5]仿真分析了無(wú)人機(jī)內(nèi)部線纜的HEMP(High-Altitude Nuclear Electromagnetic Pulse)響應(yīng)。本文參考該文獻(xiàn)中采用的模型建立方法、艙室內(nèi)布線方法以及激勵(lì)源建立方法，將照射物體改為體積更大結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的車(chē)輛平臺(tái)。環(huán)境中各式各樣的電磁脈沖通過(guò)天線、金屬線纜、孔洞縫隙等途徑，耦合非常高的能量進(jìn)入指揮、通信、控制、計(jì)算機(jī)及情報(bào)系統(tǒng)，對(duì)車(chē)載設(shè)備造成了嚴(yán)重威脅[6-7]。若設(shè)備的工作頻率在電磁脈沖的頻譜覆蓋范圍內(nèi)，耦合進(jìn)入設(shè)備饋線、射頻鏈路的能量在設(shè)備鏈路內(nèi)部產(chǎn)生的瞬時(shí)高電壓、電流會(huì)對(duì)設(shè)備造成不可恢復(fù)的損毀，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，有關(guān)電磁脈沖及其工程防護(hù)的理論和技術(shù)已成為當(dāng)今世界大國(guó)研究的熱點(diǎn)[8-10]。

高空核電磁脈沖(HEMP)作為復(fù)雜電磁環(huán)境中的重要組成，受到了廣泛的關(guān)注。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(guò)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。HEMP是一種強(qiáng)瞬態(tài)高功率的時(shí)域信號(hào)，其瞬時(shí)的高電磁能量嚴(yán)重威脅到了通信系統(tǒng)的安全[11-13]。文獻(xiàn)[14]從電磁兼容的基本概念和研究意義出發(fā)，對(duì)高空核電磁脈沖環(huán)境進(jìn)行了頻域上與時(shí)域上的介紹。文獻(xiàn)[15]從電磁兼容的角度闡述了電磁脈沖對(duì)車(chē)輛內(nèi)外電磁環(huán)境的影響，說(shuō)明了屏蔽對(duì)于車(chē)輛電磁環(huán)境的關(guān)鍵性。本文使用CST電磁仿真軟件建立HEMP照射波形以及車(chē)載線纜系統(tǒng)對(duì)HEMP環(huán)境下的線纜電壓電流響應(yīng)進(jìn)行研究，所得線纜響應(yīng)電壓電流及理論分析與文獻(xiàn)[16]中仿真結(jié)果具有相同的趨勢(shì)。本文研究結(jié)果根據(jù)不同線纜的響應(yīng)特性，為車(chē)載線纜系統(tǒng)的電磁脈沖防護(hù)提供理論依據(jù)，仿真結(jié)果對(duì)車(chē)載線纜系統(tǒng)的電磁脈沖防護(hù)具有一定的實(shí)際工程意義。

1 HEMP波形及方法分析

HEMP波形的波形表達(dá)式有很多不同的標(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)

(1)

式中，k是修正系數(shù)；E0是場(chǎng)強(qiáng)峰值；α表征脈沖前沿參數(shù)，β表征脈沖后沿參數(shù)[17]。各種高空核電磁脈沖波形的具體參數(shù)如表1所示，本文所用激勵(lì)波形時(shí)域圖如圖1所示。

表1 5種標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)

本文中，線纜與參考地面所構(gòu)成的系統(tǒng)滿足傳輸線方程條件。利用CST自帶的線纜工作室進(jìn)行建模仿真，線纜和參考地構(gòu)成的電磁脈沖照射模型如圖2所示。

Einc是入射電場(chǎng)；k是電磁波傳播方向，I(z)為感應(yīng)電流，V為感應(yīng)電壓，線纜長(zhǎng)度為h，由麥克斯韋方程可得

(2)

將電場(chǎng)與磁場(chǎng)分解可得：Eex(激勵(lì)電場(chǎng))=Einc(入射電場(chǎng))+Eref(地反射電場(chǎng))，同理可得Hex(激勵(lì)磁場(chǎng))=Hinc(入射電場(chǎng))+Href(地反射電場(chǎng))。另一方面，線纜屏蔽層產(chǎn)生的散射場(chǎng)Esca、Hex，可由斯托克斯定理得出

(3)

對(duì)斜線部分路徑積分

(4)

電場(chǎng)和磁場(chǎng)均可以分為兩個(gè)部分的和

(5)

理想導(dǎo)體表面切線場(chǎng)和為0，即E(x,h)=E(x,0)=0，故式(4)可以寫(xiě)為

(6)

由于h?λ，故令

(7)

(8)

磁通量表達(dá)式為

(9)

而L=μ0/2π(ln2h/a)，將式(7)～式(8)代入式(9)，即可得到傳輸線第一方程

(10)

其中

(11)

同理可得傳輸線第二方程

(12)

利用傳輸線第一第二方程聯(lián)合求解。

2 車(chē)輛及線纜系統(tǒng)模型建立

根據(jù)一致性幾何繞射理論，具有較多細(xì)小結(jié)構(gòu)的部件對(duì)平面波照射結(jié)果影響較小，但在仿真時(shí)會(huì)占用計(jì)算機(jī)大量?jī)?nèi)存。因此在建立車(chē)輛模型時(shí)，刪除了瞄準(zhǔn)鏡等一些與耦合相關(guān)不大的精密小部件以簡(jiǎn)化模型。簡(jiǎn)化后的車(chē)輛模型、車(chē)輛及車(chē)載線纜系統(tǒng)電磁模型如圖3～圖5所示。

線纜系統(tǒng)部分位于屏蔽體內(nèi)外，采用雙絞線以及同軸線來(lái)模擬車(chē)輛信號(hào)傳輸以及其他控制線纜。屏蔽體采用金屬鋁材料。

外界輻照電磁能量通過(guò)“后門(mén)耦合”的方式從車(chē)體的孔縫耦合進(jìn)入車(chē)輛內(nèi)部，并對(duì)車(chē)輛內(nèi)部部分電子部件造成干擾，使得車(chē)輛系統(tǒng)性能降級(jí)或無(wú)法工作，甚至使車(chē)輛處于癱瘓狀態(tài)。本次仿真主要分析HEMP對(duì)車(chē)載線纜的耦合情況。

3 仿真與分析

HEMP照射車(chē)輛模型如圖6所示。選取45°斜入射HEMP波從側(cè)照射，車(chē)載線纜的時(shí)域電壓電流響應(yīng)特性如圖7～圖10所示。

由仿真結(jié)果可知，屏蔽體外部雙絞線電流值高于屏蔽體內(nèi)雙絞線端口電壓值；屏蔽體外部同軸線電壓電流值要明顯高于屏蔽體內(nèi)同軸線端口電壓電流值。這些仿真結(jié)果表明，屏蔽體對(duì)于車(chē)載線纜的屏蔽作用是較為明顯的。

屏蔽體由于存在開(kāi)孔，因此構(gòu)成了一個(gè)諧振腔，在諧振頻率處因?yàn)殡姶拍芰枯^大一般會(huì)出現(xiàn)較大響應(yīng)電壓電流值。仿真屏蔽體內(nèi)線纜的頻域電壓電流響應(yīng)，結(jié)果如圖11和圖12所示。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，總結(jié)了HEMP照射下兩種線纜的電磁效應(yīng)特點(diǎn)。雙絞線由于構(gòu)造原因，響應(yīng)電壓值較大，而響應(yīng)電流較小，這與已知理論是相符的。而屏蔽體對(duì)于線纜電流電壓值有顯著影響，有屏蔽體的線纜電壓值以及電流平均值比無(wú)機(jī)箱屏蔽體時(shí)低至少20 dB。機(jī)箱屏蔽體在仿真頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了3個(gè)諧振點(diǎn)，諧振頻率都遠(yuǎn)高于HEMP能量集中分布的100 MHz，故機(jī)箱的諧振對(duì)線纜的影響較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用電磁仿真軟件CST對(duì)車(chē)內(nèi)關(guān)鍵部件線纜系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和分析。通過(guò)仿真分析出了車(chē)載線纜的HEMP響應(yīng)特性。當(dāng)來(lái)波方向?yàn)?5°側(cè)面時(shí)，雙絞線和同軸線的頻域響應(yīng)電壓集中在-100～60 dBμV之間；頻域響應(yīng)電流則集中在-220～40 dBμA；時(shí)域響應(yīng)電壓集中在50～160 dBμV之間，且在260 MHz、550 MHz和780 MHz處出現(xiàn)電壓電流峰值。該結(jié)果證明這些頻點(diǎn)是車(chē)載屏蔽腔體的諧振點(diǎn)，提示應(yīng)對(duì)工作于這些頻率的設(shè)備應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。時(shí)域響應(yīng)電流集中分布在40～130 dBμA時(shí)，不同線纜類型對(duì)于電壓和電流的響應(yīng)不同，但是屏蔽體對(duì)于降低線纜上響應(yīng)電壓和電流具有非常明顯的作用。因此，車(chē)載線纜需要做良好的電磁屏蔽和防護(hù)措施，以保證其處于安全工作范圍。本文仿真結(jié)果對(duì)于車(chē)載線纜的選取以及防護(hù)都具有一定的實(shí)際工程意義。