陳曉微，王添文，薛 峰，趙少瓊，趙煒銘

(中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

隨著1962年，美國太平洋約翰斯頓島上空40 km處進行一次威力為140萬頓TNT當(dāng)量、代號為“海盤車”的高空核試驗的進行，使1 280 km之外的夏威夷瓦胡島上大面積停電，電話中斷、收音機不響、各種電子儀器故障，后經(jīng)專家研究才發(fā)現(xiàn)罪魁禍?zhǔn)资呛穗姶琶}沖。自此之后，越來越多的學(xué)者開始研究電磁脈沖模擬器，開展電磁脈沖環(huán)境條件下電子設(shè)備的敏感及損傷效應(yīng)研究。2014年周開明等分析了實驗室瞬態(tài)X射線產(chǎn)生的系統(tǒng)電磁脈沖(SGEMP)效應(yīng)測試所面臨的技術(shù)問題，提出了實驗室模擬瞬態(tài)X射線的SGEMP模擬試驗方法[1]。馬繼峰結(jié)合CST軟件特點開展了控制系統(tǒng)電磁脈沖輻射環(huán)境分析方案設(shè)計，并選取設(shè)計方案中的典型部分開展了電磁脈沖輻射環(huán)境分析試驗，得到了分析結(jié)論[2]。周啟明從響應(yīng)的角度論述了強脈沖X射線裝置和各種電激勵技術(shù)模擬實驗裝置，兩類系統(tǒng)的電磁脈沖(SGEMP)模擬信號源[3]。中物院電子學(xué)研究所在HPM研究上，利用感應(yīng)直線加速器產(chǎn)生的3.3 MV、1.5 KA、90 ns電子束，獲得了34.5 GHz、140 MW的峰值功率。另外還有相關(guān)研究所正進行電磁軌道炮的研究[4]。國內(nèi)對電磁脈沖耦合機理的研究，大多集中在單線傳輸線和天線，對涉及數(shù)據(jù)總線的傳輸線屏蔽雙絞線以及同軸線的前門耦合以及后門耦合研究較少，缺乏系統(tǒng)性。在電磁脈沖損傷，基本停留在器件閾值的仿真上[5]，研究目標(biāo)和人員比較分散，整體水平與發(fā)達國家存在很大的差距，尤其是缺乏對電子設(shè)備在強電磁脈沖環(huán)境下的敏感及損傷情況的研究。在電磁脈沖試驗方面，強電磁脈沖場模擬手段不夠完善，雖然建立了一些電磁脈沖模擬設(shè)備，但技術(shù)相對落后，試驗配套設(shè)施不夠健全，目前解放軍理工大學(xué)在線纜的電磁脈沖注入系統(tǒng)方面開展了研究[6]，但其注入系統(tǒng)只能隨機注入，不能對總線電平信號進行同步注入。在電磁脈沖防護方面，目前集中在理論研究，缺少具體的防護特性測量以及防護數(shù)據(jù)，如防護元器件的防護特性、屏蔽電纜的防護特性、防護裝置的防護特性，缺少建立電磁脈沖損傷評估系統(tǒng)來評估對數(shù)據(jù)總線的敏感特性研究。

本文介紹了一種總線模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)，用于開展數(shù)據(jù)總線的電磁脈沖試驗。數(shù)據(jù)總線廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)，用于控制以及聯(lián)絡(luò)武器系統(tǒng)各部件，在某種程度上總線是武器系統(tǒng)的控制中樞，其在電磁脈沖條件下的響應(yīng)特性將影響武器系統(tǒng)的工作特性。

1 電磁脈沖試驗評估系統(tǒng)

現(xiàn)有的電磁脈沖試驗評估系統(tǒng)一般有2種：一種是電磁脈沖輻照系統(tǒng)，電磁脈沖波形發(fā)生器產(chǎn)生電磁脈沖波形，通過天線發(fā)射，對電子產(chǎn)品進行整體輻照，觀察產(chǎn)品的響應(yīng)特性；另一種是電磁脈沖注入系統(tǒng)，電磁脈沖通過注入卡鉗將電磁脈沖注入到線纜上，美軍標(biāo)MIL-STD-188-125-2采用注入的方法來評估防護模塊的防護效果[7]。現(xiàn)有的電磁脈沖波形發(fā)生器一般都是通過升壓模塊升壓，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)直流高壓電源對儲能電容充電，電容充滿電后通過開關(guān)對負載(如有界波電磁脈沖模擬器、GTEM室等)放電形成所需脈沖[8]。這種電磁脈沖波形發(fā)生器只能間隔式產(chǎn)生單個的電磁脈沖，該波形產(chǎn)生的方式是隨機的，在進行總線線纜電磁脈沖注入試驗時，很難控制將電磁脈沖信號注入到所指定的信號電平位置上。

電磁脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的是瞬態(tài)的電磁脈沖，干擾信號脈寬為ns級，如GJB 151B規(guī)定的電磁脈沖波形，其脈沖寬度為23 ns，峰值場強為50 kV/m[9]，而總線信號是個周期信號，總線傳輸速率從幾十K到幾十M。以CAN總線為例，最高傳輸速率為1 M，每位的位寬為1 μs級，根據(jù)CAN擴展數(shù)據(jù)幀如圖1所示[10]，其最長時間為150位×1 μs=150 μs。只有當(dāng)瞬態(tài)干擾疊加到數(shù)據(jù)電平信號時，才能使總線信號產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)或者信號干擾。電磁脈沖波形發(fā)生器每次的觸發(fā)間隔時間最小是2～3 s，而這種觸發(fā)相對信號電平來說是隨機的，因此很難讓電磁脈沖干擾信號疊加到總線電平，更不用說疊加到具體的總線電平碼位上，如仲裁段、控制端、數(shù)據(jù)段和CRC。

圖1 CAN總線擴展數(shù)據(jù)幀

要使總線產(chǎn)生通信誤碼，必須將干擾疊加到總線電平信號上，電磁脈沖為ns級的干擾信號，而CAN總線發(fā)送信號的周期為ms級，在1個周期內(nèi)總線電平信號只有幾十μs到上百μs，如果通過隨機的方式將干擾信號施加到總線電平上，很難出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象，只能出現(xiàn)復(fù)位或死機的現(xiàn)象。

2 模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)

為了使每次產(chǎn)生的干擾信號都能疊加到總線信號上，設(shè)計了一種總線模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)。該系統(tǒng)組成如圖2所示，產(chǎn)生的電磁脈沖模型波形如圖3所示，其工作原理是：任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的電磁脈沖波形，經(jīng)過寬頻功率放大器放大后，通過注入卡鉗注入到總線信號上。另外通過示波器監(jiān)測總線信號，如總線工作時，產(chǎn)生TTL電平觸發(fā)任意波形發(fā)生器，調(diào)節(jié)任意波形發(fā)生器觸發(fā)延時，使得干擾信號疊加到總線電平上及所需要觀察的碼位上。另外使用電流探頭監(jiān)測注入電流大小，總線解碼示波器解碼總線波形數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)既可以同步注入也可以隨機注入，還可以調(diào)節(jié)注入的間隔。

圖2 總線電磁脈沖同步注入系統(tǒng)

圖3 電磁脈沖模擬波形

模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)與電磁脈沖注入系統(tǒng)相比，優(yōu)缺點見表1。模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)的主要優(yōu)點是可以與示波器觸發(fā)配合，將干擾波形注入到所規(guī)定的總線信號的任意位置，可以產(chǎn)生多種干擾波形，可以觀察總線碼型發(fā)生變化，其最大的缺點是能量小，波形受限于任意波形發(fā)生器的精度和功放寬頻放大系數(shù)；而傳統(tǒng)的電磁脈沖注入系統(tǒng)優(yōu)點是高壓，大電流，但無法指定位置注入，只能隨機注入。

表1 2種注入系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較

3 CAN總線電磁脈沖模擬注入試驗

按照圖2所示進行總線電磁脈沖模擬注入試驗，觀察電磁脈沖不同位置注入、不同觸發(fā)類型、不同傳輸速率時CAN總線的敏感特性。表2為電磁脈沖從空閑位同步注入，觸發(fā)間隔20 ms，總線主機發(fā)送1 000次數(shù)據(jù)時，總線終端接收次數(shù)的數(shù)據(jù)。從表2中可以看出，該條件下，其敏感電流約為1.2 A。

表2 EMP空閑位同步注入(同步觸發(fā)，觸發(fā)間隔為20 ms)

表3為電磁脈沖在隨機觸發(fā)條件下，當(dāng)觸發(fā)間隔為1 s時，很難引起總線傳輸敏感，在傳輸速率一致的條件下，隨著觸發(fā)間隔逐漸變小，其開始容易敏感。當(dāng)傳輸速率為1 M時，比較敏感。這表明傳輸速率越快，單位時間出現(xiàn)的總線電平越多，干擾越有機會疊加到總線電平上。

表3 EMP隨機觸發(fā)

表4為電磁脈沖在同步觸發(fā)條件下，觸發(fā)間隔為20 ms。從表4可以看出，在不同位置注入時，其敏感情況有差別，在CRC位、EFF位注入較敏感，數(shù)字位注入較不敏感。同步觸發(fā)時，隨著傳輸速率的提高，敏感程度更明顯。正常的CAN總線電平如圖4所示，在數(shù)字位置(66)注入干擾如圖5所示，在數(shù)字位置(22)注入干擾如圖6所示。

表4 EMP同步觸發(fā)(位置可調(diào))

圖4 正常的CAN總線電平

圖5 在數(shù)字位置(66)注入干擾

圖6 在數(shù)字位置(22)注入干擾

4 結(jié)語

通過試驗可以看出，該總線電磁脈沖模擬注入系統(tǒng)可以實現(xiàn)低電平的電磁脈沖模擬注入，可以隨機注入，也可以指定位置同步注入，另外可以設(shè)置注入間隔。從CAN總線電磁脈沖模擬注入試驗可以看出：1)隨著觸發(fā)間隔變小，電磁脈沖注入的次數(shù)變多，其更容易敏感；2)隨著傳輸速率變快，同步注入時，CRC位置、EFF位置比數(shù)字位敏感；3)隨著傳輸速率的提高，也容易敏感。