某型車載電臺強電磁脈沖環境效應仿真和試驗

劉樹中，陳岳承，田博，盧治鋼

（華陰兵器試驗中心電磁環境適應性試驗鑒定與評估重點實驗室，陜西華陰，714200）

關鍵字：電臺；強電磁脈沖；環境效應；耦合；仿真；輻射；輻照試驗

0 引言

電磁脈沖試驗【1】是 GJB1389A-2005 和 GJB151B-2013 的重要項目。武器裝備的通信電臺是指揮控制系統中樞，生存能力至關重要，且通信電臺工作頻段與電磁脈沖頻譜重合度高，遭受電磁脈沖攻擊風險很大，電磁脈沖環境適應性考核具有十分重要的意義。對于電磁脈沖效應研究很多，文獻[2]基于電磁脈沖場路耦合仿真，對設備機箱內串口電路信號完整性問題進行了研究，文獻[3]采用仿真方法對實裝情況下的車載單極子天線耦合變化規律進行了研究，文獻[4]分析了強電磁脈沖對車輛的作用機理,確定了車輛總體防護指標；文獻[5][6]對通信類實裝的電磁脈沖效應閾值進行了試驗研究。但是，對于電臺類整機設備電磁脈沖效應試驗結果，公開文獻較少。本文選取某型車載通信電臺作為分析對象，通過仿真方法對其耦合特性進行分析，并據此開展威脅級輻照試驗研究，得到了有益結論，可為電磁易損性評估和防護加固提供依據。

1 電磁脈沖對電臺毀傷機理

電磁脈沖能量進入電臺內部的路徑分為2類：前門耦合和后門耦合【7】。前門耦合主要是天線耦合；后門耦合則主要是通過機箱孔、縫和線纜耦合進入。電磁脈沖能量經過不同路徑進入內部電路，形成脈沖電流和電壓，與有用信號疊加，導致解調、判別錯誤，如果耦合能量足夠大，則造成半導體器件內部介質擊穿、電阻器電阻值改變或擊穿、電容器絕緣特性改變等電效應。對于集成電路來說，由于端口、通路多，效應會成倍增加。對短暫電擊穿，功能尚能部分恢復，如果能量足夠大，形成熱擊穿，則會造成永久性的損毀【8】。

某型通信電臺含三個單元：主機、手持話筒、射頻天線。主機含機殼、電路主板、前面板。話筒通過信號線與主機連接，天線為鞭狀天線，通過同軸饋線與主機連接。手持話筒和主機通過8芯線連接；顯示屏和主機通過8芯帶狀線纜連接；電源通過兩根分立絕緣導線連接到主機。

主電路板位于金屬主機殼內，前門耦合對其射頻前端電路影響很大，可影響信號接收、處理模塊；電源線位于主機機殼后方，電源線后門耦合電流也可進入電路板，對所有電路器件形成干擾；手持話筒線，產生場線耦合能量進入主機，對其控制電路和音頻處理電路產生干擾。主機金屬外殼上的進出線口、通風散熱孔等則形成孔縫耦合。

2 電臺電磁脈沖耦合仿真

2.1 建立模型

(1)主體

電臺整機尺寸 140×44×207（mm），采用全尺寸建模，導入CST微波工作室。圖1是電臺的外形結構，兩個部分：前面板非金屬材料、主機外殼金屬材料。將主機外殼設置為理想導體，厚度4mm。

圖1 電臺外形

機箱過孔有3個：前面板顯示屏接線過孔、話筒接線過孔、電源線過孔。外殼散熱孔縫2組，位于外殼的上表面。此外，還有1個通風口和1個單極天線同軸接口，如圖2所示。

圖2 模型中的接口、孔縫和天線

(2)天線

天線為鞭狀天線，經同軸電纜與主電路板相連。同軸電纜采用實體結構模型，外層屏蔽層采用圓桶狀殼體等效，電纜內外導體均為理想導體，同軸電纜特征阻抗設為50Ω。鞭狀天線采用1m長圓柱模型。天線末端加50Ω電阻負載。通信話筒尺寸小，對電磁脈沖耦合小，話筒不作為實體出現，僅作為話筒線的負載。

(3)電纜

含3條互連電纜：顯示屏電纜位于主機殼內部，長度0.12m；外接話筒電纜和外接電源電纜的走向設置遵循效應最大化原則，走向兼顧兩種極化方向，沿-z和-y方向，電源線長度0.61m，話筒線長度0.60m。

三條電纜線型橫截面如圖3所示。話筒電纜為8芯非屏蔽電纜；顯示屏電纜為8芯的扁平非屏蔽電纜；數據線線芯直徑0.3mm。電源線為兩根獨立導線，線芯直徑2mm。線芯均為銅質。

圖3 電臺模型中的電纜路徑和電纜截面

圖4 兩種入射方式

電纜負載：電源線供電一端負極短接到地，正極接1kΩ電阻，負極對地短路；話筒線和顯示屏線兩端的負載設置相同，2條線芯對地接0.1Ω電阻；2條設置為共模狀態，對地負載分別為50Ω；另外4根設置為差模狀態。

2.2 耦合仿真

2.2.1 條件設置

激勵源采用平面波，2種照射方向：（1）在電臺右側，由X軸水平方向入射，電場矢量沿Y方向，垂直于地面；（2）從頂部垂直向下照射，電場矢量沿X軸，平行于地面。電場脈沖采用GJB1389A-2005標準波形，10kV/m-50kV/m。計算頻率最高為200MHz。

2.2.2 仿真結果

以下是50kV/m場強時的線纜芯線感應電流以及天線端口負載電壓仿真結果。

(1)電源線

水平照射時，供電側感應電流最大值為96A；設備一側最大感應電流峰值78A；垂直照射時，供電端最大耦合電流峰值為40A，設備一側最大感應電流峰值35A。水平照射產生的耦合電流大于垂直照射。

(2)話筒線

水平照射最大峰值耦合電流為33A左右，垂直照射最大峰值電流17A?？傮w來說，話筒線的耦合量小于電源線。垂直照射耦合電流均小于水平照射。

(3)顯示屏線

顯示屏線耦合電流很小，無論共模還是差模，峰值都在100毫安以下。兩個方向照射耦合電流差別不大。

（4)天線響應

水平照射，天線饋電端口峰值電壓達到 6000V（電流 120A）；垂直照射時，耦合電壓達到1200V（電流24A）。電場方向與天線方向平行時，耦合較大，方向垂直時，耦合量小很多。

（5）主機殼內部感應場垂直照射，產生的場強較小，最大為1100V/m；水平照射 時，峰值場達到7000V/m。

圖5 電源線耦合電流

圖6 話筒線耦合電流

圖7 顯示屏線耦合電流

圖8 天線端口感應電壓

圖9 機殼內場強

2.2.3 仿真結果分析

(1）電臺的天饋線耦合能量大，是電磁脈沖耦合最重要的通路[9]；天線垂直安裝，水平照射時電場方向與天線平行，耦合能量最大。

(2)不同線纜耦合量不同，電源線耦合電流最強，其余線纜較小，為次要耦合通路。線纜長度越長，耦合能量越大，線纜走向與電場方向平行時，耦合量最大。電源線是電磁脈沖防護的重點。

(3)孔縫耦合在機殼內產生的場強為數千V/m量級，脈沖信號能量集中于低頻段，在小尺寸元件上產生的感應電流較小。

3 輻照試驗

3.1 試驗配置

采用逼真度高的威脅級輻照方法，因電臺尺寸較小，天線高約1.0m，可開展全尺寸輻照試驗。試驗環境采用錐形有界波模擬器，有效輻射空間尺寸為 5m（長）×3m（寬）×4m（高），脈沖源采用雙指數波形，上升時間（2.5±0.5）ns，半峰值寬度（25±5）ns。

采 用FS100K型（頻率范圍 10kHz～550MHz）作為場強傳感器，通過光電轉換器和光纖與TDS5054B示波器（帶寬：500MHz；采樣率：5GS/s，）通路1連接；采用Pearson 8585C電流探頭（頻率范圍：10kHz-200MHz；峰值電流500A）經過光電轉換器、光纖與示波器通路2連接，監測耦合電流；為避免輻射影響，光電轉換器采用金屬屏蔽網包裹。

圖10 脈沖電場傳感器和電流探頭

試驗布局如圖11所示，電臺放置在錐形模擬器前段，高0.6m的無反射平臺上，天線垂直放置，全設備位于有效輻射空間；話筒線和電源線全部采取下垂走向，可獲得最大耦合。電流探頭分別固定于天線饋線、話筒線、電源線中間位置；由于設備內部空間有限，顯示屏線電流無檢測手段，機殼內部場強無法檢測。

圖11 試驗布置示意圖

3.2 試驗方法

為避免首次高場強損壞設備，采用逐步提高場強的方法，觀測電臺在不同場強照射下的耦合效應。根據仿真結果，確定從較低場強(10kV/m)開始，逐級增加強度，直至50kV/m或者出現效應為止。首先將電臺不加電，進行輻照試驗，檢測各線纜和天線的感應電流，確定重點耦合路徑；然后加電，處于典型通信狀態，施加輻照，檢驗效應情況。

加電試驗步驟：（1）對場強測量傳輸鏈路進行校準；（2）配置被試電臺、場強探頭、電流探頭；（3）被試電臺加電后處于典型工作狀態，與場外同型號陪試電臺進行正常通信；（4）開啟脈沖源，采用10kV/m場強進行輻射照射，用示波器記錄場強和電流波形；（5）檢查電臺是否出現異常，如未受擾，依次進行更高場強脈沖照射試驗，如受擾，則根據受擾程度，采取降輻試驗或停止試驗。

3.3 試驗結果

(1)不加電狀態

圖12為實電磁測脈沖場波形，上升時間為2.5ns，脈寬為26ns，符合軍標要求。不同部位耦合電流如表1。

圖12 試驗輻照場典型實測波形

表1 不加電試驗結果

與50kV/m仿真結果進行對比，該照射級的實際輻照場強分別為49.2kV/m、54.2kV/m、52.2kV/m，與理想仿真場略有差異；耦合電流實測結果（86.3A、67.1A、110.7A）與仿真值（120A、33A、96A）也有一定差異，但考慮真實試驗環境、被測設備和仿真理想模型之間存在差異，以及測試設備的誤差因素，可以說，試驗和仿真結果吻合程度較好。產生差異的原因有：線纜仿真模型走向分為2段：垂直和水平，試驗中線纜完全垂直走向，且實際場強大于仿真值，故而實測結果偏大；而天線仿真模型外形和材質較為理想，且仿真電流探針位于天饋線末端50Ω負載，試驗中電流探頭無法連接負載，只能卡在天線中間段，導致實測結果小于仿真值?？傮w來說，仿真能較為真實地反映了前門、后門耦合規律。

(2)加電狀態

電臺加電，處于典型通信狀態，施加輻照。在場強峰值達到50kV/m時，電臺出現跳頻現象，解碼紊亂，通信中斷，但是重啟后狀態可恢復，并未造成硬件損壞。射頻前端為受擾部位。

圖13 輻照脈沖和耦合電流波形

表2 加電試驗結果

4 結語

天饋線和電源線是某型通信電臺電磁脈沖耦合主要通路，也是防護的重點。在電磁脈沖場強達到50kV/m時，產生頻率跳變的受擾現象，重新啟動后狀態能恢復；造成故障的重點耦合通路是天線和電源線。仿真結果能反映電臺各個通路的耦合情況，輻照場強和感應電流呈現線性關系；對設備建模，采用仿真方法預測耦合大小，可指導試驗方案設計。電臺耦合量受到照射方向影響很大，電場方向與線纜、天線方向平行時耦合最強。