系統電磁脈沖效應摸底試驗初探

李子森，郭艷輝，周成龍

（中國兵器工業新技術推廣研究所 電磁兼容室，北京 100089）

系統由若干分系統或設備構成，為了檢查系統的防護能力、評價防護設計的效果，應開展系統電磁脈沖效應試驗。系統的電磁脈沖效應可以采用理論模擬、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備的電磁脈沖耦合規律，如文獻[1]—[5]研究了設備在強電磁脈沖作用下的失效機理，從宏觀的熱效應、浪涌效應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，但系統部件的電磁效應閾值與計算結果有所不同。美國等發達國家也認為僅靠理論分析無法給出大型復雜系統電磁脈沖耦合的準確數據，并認為大型電磁脈沖模擬試驗仍是獲得耦合數據和檢驗加固性能的唯一有效技術手段，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準。

文中主要采用理論計算和摸底試驗相結合的方法，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，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，設置模型材料及單位，進行結構建模。設置端口和邊界條件，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設場監視器[8]，通過參數掃描獲得該位置的場強大小。主要邊界參數如下：選擇激勵源HEMP波形，裝備置于無損耗自由空間，結構尺寸為裝備實際尺寸導入，頻率設置在100～200 MHz，采取六面體剖分網格設置。由于要模擬電磁脈沖沖擊過后的一段時間內耦合情況，仿真最大時長選擇5000 ns，將探針作為計算結果輸出觀察典型位置的耦合情況。計算結果如圖1所示。計算結果顯示，某武器裝備在HEMP照射下，裝備內模塊感應的場強幅值的量級為100～1000 V/m。

圖1 仿真計算結果Fig.1 Simulation calculation results

1.2 線纜感應的電流強度計算

若a?λ，λ為對應電磁波波長，在頻率不是非常高的情況下，此假設基本都可以滿足細線近似。通過計算線上感應電流密度分布，求解感應電流產生的散射電場，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電流分布。如圖3所示，邊界參數如下：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εr=5.0，磁導率μr=1.0，電導率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，從線纜感應的電流強度為20～120 A。

下面的測試設備將模擬該強度的場強或感應電流來進行測試。電磁脈沖發生器如圖4所示，主要由直流高壓源、開關模塊、匹配負載組成。直流高壓源是電磁脈沖發生器的能源，用于給儲能元件脈沖電容器充電，與開關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，可產生脈沖場強最高為7 kV/m，主要模擬高空核爆源區外空間的輻射場環境。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，可做效應試驗前的摸底測試，以及小尺寸試驗件效應試驗。

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

圖5 電磁脈沖發生器輸出時域波形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：控制電路和數據傳輸電路。模塊正常上電后，數據傳輸端口發送RS422工作信號。輻照試驗采取單部件試驗，未連接任何互連設備，只對模塊加電，監測信號模塊的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]，從低到高調節模擬器工作空間場強，觀察被測件的敏感狀態及示波器測試結果?？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，取平均值作為近場輻照場強，同時觀察監測終端的狀態，然后逐步提高脈沖源輸出，記錄下剛出現敏感狀態及百分之百敏感狀態時相應的數據。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，取平均值作為線纜感應的干擾電流。同時觀察監測終端的狀態，然后逐步提高脈沖源輸出，記錄下剛出現敏感狀態及百分百敏感狀態時相應的數據。干擾電流與脈沖源的輸出電壓、測試設備阻抗和布線阻抗均有關系。在測試設備阻抗、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系。具體見表4。

輻照試驗與注入試驗的結果表明，在工作狀態下，隨著施加電場強度的增加，模塊會出現“復位”形式的失效。這些失效狀態是瞬態的，可以自動恢復正常工作，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象，敏感現象表現為復位。在1.68 s時間內，模塊接口無輸出數據。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，就會出現敏感。

表4 注入試驗不同測試配置的結果比較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。根據試驗數據可知，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，出現了敏感，并且該數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敏感現象的斷續性，即敏感門限的間斷現象。一般認為，這與計算機內部軟件的程序運行有關[11—14]，通過同一狀態試驗次數的增加，可以部分消除這種不確定性。如果這種現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，加上防護銅網布屏蔽后，敏感門限值得到較大提高。模塊平放測試數據如下：未屏蔽時，敏感門限對應的天線輸入脈沖電壓為1.4 kV；接口線纜屏蔽后，門限對應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于對模塊本身的屏蔽效果。

4）電流注入量與布線阻抗有關。電源線的電流注入試驗，電源線本身是一個回路，或電源線與相應分布參數形成一個回路。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，注入電流達到數安或數十安時，就會敏感。當注入到屏蔽線時，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 結語

模型計算為電磁脈沖試驗提供了理論依據，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復位故障。在復位期間計算機接口無輸出信號，該故障屬于可靠性的嚴重故障，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，更適用于設備外殼屏蔽、孔縫較多的情況。從試驗結果來看，處理模塊出現敏感狀態和百分之百敏感時，電流注入的輸出電壓均低于近場輻照時的輸出電壓。這說明產生同樣的敏感狀態，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，試驗結果并不能代表所有處理模塊的電磁脈沖效應能力。試驗表明，該試驗方法可行、試驗系統可靠，為進一步研究系統裝備電子部件的電子脈沖效應提供了借鑒。

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