指揮通信車強電磁脈沖效應仿真分析

寇科男，金晗冰，吳海燕，戴棄君

(1.北京京航計算通訊研究所，北京 100074；.成都四威高科技產業園有限公司，四川 成都 611731 )

0 引言

強電磁脈沖主要包括核電磁脈沖、雷電電磁脈沖、靜電電磁脈沖及高功率微波等[1]。核電磁脈沖包括高空核電磁脈沖(High Altitude Nuclear Electromagnetic Pulse，HEMP)和源區核電磁脈沖。強電磁脈沖能以多種途徑耦合到電子系統中，造成電子系統功能紊亂甚至損壞，對系統構成嚴重威脅[2]。特別是車載指揮通信系統，裝載了豐富的天線、通信模塊和電子控制模塊等，敏感設備更多、工作頻帶更寬，面臨強電磁脈沖攻擊的問題更加嚴峻[3]。因此，研究指揮通信車系統的強電磁脈沖效應和防護技術，對保障指揮通信車的作戰效能和生存能力具有重要意義。本文基于時域有限積分法，通過仿真計算分析指揮通信車HEMP效應，為指揮通信車的電磁易損性評估和電磁防護設計提供數據支撐。

1 通信車強電磁脈沖耦合分析

強電磁脈沖通過前門耦合和后門耦合2種途徑進入指揮通信車系統[4]。“前門”主要指天線系統，“后門”主要指門窗、孔縫和設備互聯線纜。

指揮通信車的車頂布置超短波電臺、無線微波傳輸設備及衛星通信設備等多種類型指揮通信天線，其中超短波天線通信頻段是2～80 MHz，是電磁脈沖干擾和毀傷最為嚴重的耦合途徑之一[5]。車門、車窗及觀察操作的大型結構開孔、車身的電源接口窗、信號接口窗等多排引線端子，以及通風口等多種類型的結構開孔是電磁脈沖主要的孔縫耦合通道。車上電子設備繁多，電子設備之間的通信錯綜復雜，車內的各類電子設備與車頂的通信天線通過電源線、信號線及控制線等外露線纜進行通信連接，強電磁脈沖輻射會在線纜上感應較強的脈沖信號，干擾設備的正常工作。電磁脈沖通過這些耦合途徑進入電子設備，對指揮通信車系統帶來威脅。

2 仿真建模方法

HEMP是在地面30 km或以上的核爆炸與大氣相互作用產生的電磁脈沖，它的電場強度高達數萬V/m，覆蓋頻譜范圍達百兆赫茲，作用半徑上千千米[2]。目前公開的國內外HEMP波形標準，包括我國GJB 151B《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》和GJB 8848《系統電磁環境效應試驗方法》在內，大多與國際電工委員會IEC 61000-2-9標準規定的波形一致[6-10]。該波形為雙指數型數學模型，電場峰值為50 kV/m，波形的上升沿為2.5 ns，半高寬為23 ns，其表達式如下：

E(t)=kE0(e-αt-e-βt)，

k=1.3,E0=50 000,α=4×107,β=6×108，

式中，E(t)為電場強度；E0為電場峰值；k為修正系數；α，β為表征波形上升沿和下降沿的參數。

仿真模型如圖1所示。指揮通信車尺寸約為6 m×2.5 m×2.5 m(長×寬×高)，HEMP從車頭方向入射，照射方向與水平面夾角為45°(斜向下)。

圖1 通信車強電磁脈沖效應仿真模型Fig.1 Simulation model of command vehicle irradiated by HEMP

超短波天線安裝位于車頂左后側及右前側，天線長度約3.5 m，仿真中天線為起豎工作狀態。考慮HEMP對不同區域線纜的影響，分別在車內部和車頂各選取一條典型的線纜路徑，線纜類型設為非屏蔽單線和射頻同軸線，如圖2所示。車內沿底盤敷設的線纜，連接車載顯示控制單元和車后部電子設備，線纜長度3.85 m。車頂部的外露線纜連接超短波天線和天線接口窗，線纜長度2.4 m。為考察車內耦合電場強度，在車頭中部和車尾中部設置電場監測點(圖2箭頭位置)，獲取這些位置的電場時頻域波形。

圖2 線纜布設和電場監測點示意Fig.2 Layout of cables and electric field probes

3 仿真結果與分析

3.1 天線耦合分析

仿真得到天線饋電端口的耦合電壓時域波形和頻域波形如圖3所示。天線在HEMP輻照下的耦合電壓波形為衰減震蕩波，耦合電壓峰值達17.5 kV，上升沿時間約3.2 ns。天線在20 MHz接收到的能量最大，接近天線的諧振頻率22 MHz。

圖3 天線端口耦合電壓波形Fig.3 Coupling induced voltage waveforms onthe antenna port

根據仿真結果，進一步計算得到HEMP在天線端負載的瞬時功率峰值可達6.2 MW，遠大于天線系統的工作功率，沉積能量約120 mJ，遠高于典型電子元器件的毀傷閾值(如表1所示[11])，可能導致后端的放大器及開關等敏感模塊損壞，使天線系統無法工作。因此，需要在天線端口增加HEMP防護手段，將納秒級瞬態能量泄放，保護天線系統不受損毀[12]。

表1 典型元器件損害閾值
Tab.1 Damage thresholds of typical components

器件種類能量/μJ點接觸二極管0.7～12集成電路10低功率晶體管20～1 000高功率晶體管1 000開關二極管70～100齊納二極管1 000整流器500

3.2 電磁場耦合分析

仿真計算得到指揮通信車內監測點的電場波形和空間電場分布情況。圖4為輻照過程中20 ns時刻，指揮通信車橫向剖面的空間電場分布。車窗玻璃和門縫是電磁脈沖耦合進入車內的主要結構耦合通道，距離開孔越近，耦合的電場強度越大。

圖4 指揮通信車空間電場分布圖(俯視)Fig.4 Electric filed distribution of command vehicle (Top view)

2個監測點的電場時域波形如圖5所示。

圖5 車內電磁場時域波形Fig.5 Time-domain electric filed waveforms in the vehicle

車頭和車尾位置處的電場峰值分別為25，8 kV/m。可以看出，電磁脈沖的前沿部分很容易進入車內，主脈沖的幅值從車頭到車尾有很大衰減。電場波形的高頻振蕩，與車壁反射引起的腔體諧振有關。

監測點的電場頻域波形如圖6所示。車頭位置電場出現2個諧振點，分別約為77，109 MHz，車尾位置電場波形諧振點分別為123，142 MHz。指揮通信車內部尺寸約為4.2 m×2.3 m×1.4 m(長×寬×高)，如果忽略車窗開孔，根據矩形腔體諧振頻率計算公式：

式中，c為光速；a，b，d分別為腔體邊長；m，n，p為諧振模式，估算得到指揮通信車的諧振頻率TM011約為124 MHz，與車尾位置電場波形的一次諧振頻率相吻合。車頭位置的諧振頻率低于124 MHz，可能是由于車窗開孔導致電磁尺寸增大，使諧振頻率降低[13]。

圖6 車內電場頻域波形Fig.6 Frequency-domain electric field waveforms in the vehicle

根據電場頻域波形，進一步分析指揮通信車的結構屏蔽效能情況如圖7所示。

圖7 通信車結構屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of the vehicle

屏蔽效能定義是空間中某點在沒有屏蔽體時的場強與有屏蔽體時的電場強度或磁場強度之比，通常以dB為單位。指揮通信車結構對低頻信號的屏蔽效能較大，車前位置比后方位置低10～20 dB。隨頻率增加，車體的屏蔽效能逐漸降低，當頻率大于100 MHz時，對電磁波幾乎沒有屏蔽作用。

結果表明，HEMP對指揮通信車開孔窗口附近區域影響較大，車內電子設備應盡量遠離開孔附近。指揮通信車內電場峰值可達25 kV/m，遠高于軍用設備/分系統射頻連續波輻射敏感度標準要求(200 V/m)[8]，部分電子設備可能無法正常工作。指揮通信車結構的高頻屏蔽效能很差，存在較大的防護設計空間。

3.3 線纜耦合分析

通過仿真得到指揮通信車上的線纜耦合電流電壓情況。對于車內部的底盤線纜，裸導線和同軸線端口感應的短路電流峰值分別為6，0.6 A，開路電壓峰值約300，15 V。對于直接暴露在HEMP環境中的車頂外露線纜，裸導線和同軸線端口的短路電流峰值分別為20，0.4 A，開路電壓分別約1 600，12 V。外露線纜端口短路電流時域波形如圖8所示。

圖8 車頂線纜感應的短路電流時域波形Fig.8 Time-domain waveforms of short circuit current of exposed cables excited by HEMP

裸導線由于沒有外屏蔽層，對周圍電磁場環境非常敏感，產生了較大的感應信號，其感應波形與電磁場波形的變化趨勢類似。而同軸線由于包裹了屏蔽層，大幅降低了芯線的耦合水平。因此，線纜的屏蔽防護具有重要的作用。

指揮通信車電子設備之間的信息傳輸通常工作在較低的電平，如常用的RS232串行數據信號范圍為3～15 V。如果線纜采用沒有屏蔽的裸導線，或者屏蔽層接地不好、遭到破壞等，則HEMP會在線纜上感應數千伏瞬態高壓信號，足以造成設備功能失效甚至毀傷[14]。

4 結束語

圍繞指揮通信車強電磁脈沖耦合效應，采用有限積分數值模擬方法研究了指揮通信車天線、結構和線纜的耦合特性。結果表明，HEMP耦合的瞬態能量將導致電子設備出現干擾甚至損毀等現象，這些現象極有可能導致指揮通信車執行關鍵緊急任務失敗，帶來不利影響。研究結果對指揮通信車電磁防護設計有一定指導作用，指揮通信車的天線必須考慮HEMP電磁防護設計，可在天線饋電端口增加限幅器；指揮通信車需要提高結構電磁屏蔽效能，車窗應采用屏蔽玻璃，車身結構中較大縫隙或開孔需屏蔽處理；車輛電纜應采用屏蔽線纜，接線面板應注意與結構的360°低阻抗端接，同時增加濾波和瞬態抑制設計[15]。電磁仿真是電磁防護工程的重要測試和評估手段，后續工作需要利用試驗驗證等方法修正仿真模型，提高仿真的準確性和有效性，實現系統級電磁脈沖問題的精確模擬，為裝備電磁防護設計指標分解等工作提供支撐。