系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)摸底試驗(yàn)初探

李子森，郭艷輝，周成龍

（中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所 電磁兼容室，北京 100089）

系統(tǒng)由若干分系統(tǒng)或設(shè)備構(gòu)成，為了檢查系統(tǒng)的防護(hù)能力、評(píng)價(jià)防護(hù)設(shè)計(jì)的效果，應(yīng)開展系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)試驗(yàn)。系統(tǒng)的電磁脈沖效應(yīng)可以采用理論模擬、電磁脈沖場(chǎng)模擬器輻照、脈沖電流注入和近場(chǎng)輻照等手段進(jìn)行研究。理論模擬雖然能給出特定條件下設(shè)備的電磁脈沖耦合規(guī)律，如文獻(xiàn)[1]—[5]研究了設(shè)備在強(qiáng)電磁脈沖作用下的失效機(jī)理，從宏觀的熱效應(yīng)、浪涌效應(yīng)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(jí)閾值，但系統(tǒng)部件的電磁效應(yīng)閾值與計(jì)算結(jié)果有所不同。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也認(rèn)為僅靠理論分析無(wú)法給出大型復(fù)雜系統(tǒng)電磁脈沖耦合的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并認(rèn)為大型電磁脈沖模擬試驗(yàn)仍是獲得耦合數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)加固性能的唯一有效技術(shù)手段，但是大型輻射波模擬器試驗(yàn)成本高，試驗(yàn)難度大。另外一種有前景的試驗(yàn)技術(shù)是脈沖電流注入和近場(chǎng)輻照方法，該方法不要太大的花費(fèi)，其中注入方法已寫入測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

文中主要采用理論計(jì)算和摸底試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過(guò)建模理論計(jì)算獲得某裝備處理模塊所處的場(chǎng)強(qiáng)及耦合電流參數(shù)，并以此為輸入激勵(lì)，對(duì)該模塊開展近場(chǎng)輻照和電流注入試驗(yàn)研究。

1 理論計(jì)算

1.1 輻照?qǐng)鰪?qiáng)計(jì)算

以某武器裝備為原型，設(shè)置模型材料及單位，進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。設(shè)置端口和邊界條件，采用平面波入射方式，激勵(lì)源選擇HEMP，在被測(cè)信號(hào)處理模塊所在位置預(yù)設(shè)場(chǎng)監(jiān)視器[8]，通過(guò)參數(shù)掃描獲得該位置的場(chǎng)強(qiáng)大小。主要邊界參數(shù)如下：選擇激勵(lì)源HEMP波形，裝備置于無(wú)損耗自由空間，結(jié)構(gòu)尺寸為裝備實(shí)際尺寸導(dǎo)入，頻率設(shè)置在100～200 MHz，采取六面體剖分網(wǎng)格設(shè)置。由于要模擬電磁脈沖沖擊過(guò)后的一段時(shí)間內(nèi)耦合情況，仿真最大時(shí)長(zhǎng)選擇5000 ns，將探針作為計(jì)算結(jié)果輸出觀察典型位置的耦合情況。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。計(jì)算結(jié)果顯示，某武器裝備在HEMP照射下，裝備內(nèi)模塊感應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)幅值的量級(jí)為100～1000 V/m。

圖1 仿真計(jì)算結(jié)果Fig.1 Simulation calculation results

1.2 線纜感應(yīng)的電流強(qiáng)度計(jì)算

若a?λ，λ為對(duì)應(yīng)電磁波波長(zhǎng)，在頻率不是非常高的情況下，此假設(shè)基本都可以滿足細(xì)線近似。通過(guò)計(jì)算線上感應(yīng)電流密度分布，求解感應(yīng)電流產(chǎn)生的散射電場(chǎng)，并利用邊界條件建立積分方程，未知量為線上感應(yīng)電流強(qiáng)度I（x′），利用矩量法（Method of Moments，MoM）求解方程，最終得到細(xì)線上感應(yīng)電流分布。如圖3所示，邊界參數(shù)如下：線纜線長(zhǎng)2 m，線纜半徑為1.0 cm，線纜敷高為2.5 cm，大地介電常數(shù)εr=5.0，磁導(dǎo)率μr=1.0，電導(dǎo)率σ=0.01 S/m，終端負(fù)載為匹配負(fù)載150 Ω，入射角Ψ=90°，線纜半徑為1.0 cm，終端負(fù)載開路。HEMP激勵(lì)下，線中點(diǎn)處的時(shí)域電流波形如圖3所示。

圖2 有耗地面有限長(zhǎng)度傳輸線在平面波入射下感應(yīng)電流計(jì)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(yīng)的電流強(qiáng)度Fig.3 Current intensity of transmission line under irradiation of 50 kv/m

可以看出，從線纜感應(yīng)的電流強(qiáng)度為20～120 A。

下面的測(cè)試設(shè)備將模擬該強(qiáng)度的場(chǎng)強(qiáng)或感應(yīng)電流來(lái)進(jìn)行測(cè)試。電磁脈沖發(fā)生器如圖4所示，主要由直流高壓源、開關(guān)模塊、匹配負(fù)載組成。直流高壓源是電磁脈沖發(fā)生器的能源，用于給儲(chǔ)能元件脈沖電容器充電，與開關(guān)和匹配負(fù)載形成放電回路[9]。

如果開展注入試驗(yàn)，其負(fù)載為在一定范圍內(nèi)呈阻性的水電阻。時(shí)域波形如圖5所示。開展輻照試驗(yàn)，其匹配負(fù)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(fù)載。距模擬裝置天線口面的0.6 m處，可產(chǎn)生脈沖場(chǎng)強(qiáng)最高為7 kV/m，主要模擬高空核爆源區(qū)外空間的輻射場(chǎng)環(huán)境。有界波模擬器模擬的電磁脈沖場(chǎng)為垂直方向，與高空電磁脈沖場(chǎng)有一定差異，可做效應(yīng)試驗(yàn)前的摸底測(cè)試，以及小尺寸試驗(yàn)件效應(yīng)試驗(yàn)。

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

圖5 電磁脈沖發(fā)生器輸出時(shí)域波形Fig.5 Time domain waveform of HEMP generator

2 信號(hào)處理模塊電磁脈沖試驗(yàn)

2.1 近場(chǎng)輻照試驗(yàn)

被測(cè)設(shè)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(shù)據(jù)傳輸電路。模塊正常上電后，數(shù)據(jù)傳輸端口發(fā)送RS422工作信號(hào)。輻照試驗(yàn)采取單部件試驗(yàn)，未連接任何互連設(shè)備，只對(duì)模塊加電，監(jiān)測(cè)信號(hào)模塊的RS422總線。

試驗(yàn)時(shí)，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(diào)節(jié)模擬器工作空間場(chǎng)強(qiáng)，觀察被測(cè)件的敏感狀態(tài)及示波器測(cè)試結(jié)果?？紤]入射角度、極化方向以及屏蔽整改措施，在6種測(cè)試配置條件下開展測(cè)試，見表1。

測(cè)試時(shí)設(shè)定脈沖源的輸出電壓，固定輸出測(cè)試5次，記錄場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)的讀數(shù)，取平均值作為近場(chǎng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)，同時(shí)觀察監(jiān)測(cè)終端的狀態(tài)，然后逐步提高脈沖源輸出，記錄下剛出現(xiàn)敏感狀態(tài)及百分之百敏感狀態(tài)時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。具體見表2。

表1 輻照測(cè)試配置Table 1 Irradiation test configuration

圖6 信號(hào)處理模塊近場(chǎng)輻照試驗(yàn)連接Fig.6 The near field irradiation test connection diagram for the signal processing module

2.2 電流注入試驗(yàn)

注入試驗(yàn)時(shí)，對(duì)模塊加電，用示波器監(jiān)測(cè)模塊接口的RS422總線，如圖7所示。注入試驗(yàn)是對(duì)模塊電源線進(jìn)行的，測(cè)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(cè)試，具體見表3。

測(cè)試時(shí)設(shè)定脈沖源的輸出電壓，固定輸出測(cè)試5次，記錄檢測(cè)探頭的讀數(shù)，取平均值作為線纜感應(yīng)的干擾電流。同時(shí)觀察監(jiān)測(cè)終端的狀態(tài)，然后逐步提高脈沖源輸出，記錄下剛出現(xiàn)敏感狀態(tài)及百分百敏感狀態(tài)時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。干擾電流與脈沖源的輸出電壓、測(cè)試設(shè)備阻抗和布線阻抗均有關(guān)系。在測(cè)試設(shè)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(guān)系。具體見表4。

輻照試驗(yàn)與注入試驗(yàn)的結(jié)果表明，在工作狀態(tài)下，隨著施加電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，模塊會(huì)出現(xiàn)“復(fù)位”形式的失效。這些失效狀態(tài)是瞬態(tài)的，可以自動(dòng)恢復(fù)正常工作，為保護(hù)裝備的信號(hào)處理模塊，沒(méi)有進(jìn)行更大強(qiáng)度的破壞性試驗(yàn)。

表2 不同測(cè)試配置下近場(chǎng)輻照敏感度結(jié)果比較Table 2 Comparison of radiation sensitivity results under different test configuration

表3 電流注入測(cè)試配置Table 3 Configuration of the pulse current injection test

圖7 信號(hào)處理模塊電源線電流注入試驗(yàn)連接Fig.7 The pulse current injection test connection diagram for the signal processing module

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）信號(hào)處理模塊在輻照試驗(yàn)和電流注入試驗(yàn)過(guò)程中都發(fā)生了敏感。這說(shuō)明兩者試驗(yàn)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(yàn)可以引起與輻射相近的敏感現(xiàn)象，敏感現(xiàn)象表現(xiàn)為復(fù)位。在1.68 s時(shí)間內(nèi)，模塊接口無(wú)輸出數(shù)據(jù)。敏感時(shí)的輻照?qǐng)鰪?qiáng)并不高或注入電流強(qiáng)度均不大，天線輸入脈沖幅度1.3～1.4 kV（相當(dāng)于輻射場(chǎng)強(qiáng)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(huì)出現(xiàn)敏感。

表4 注入試驗(yàn)不同測(cè)試配置的結(jié)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(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，信號(hào)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(shí)，出現(xiàn)了敏感，并且該數(shù)值為初次敏感門限值，此時(shí)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(dá)到2.2 kV以上時(shí)，輻照的敏感概率達(dá)到100%，這種敏感趨勢(shì)是很明顯的。在試驗(yàn)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)敏感現(xiàn)象的斷續(xù)性，即敏感門限的間斷現(xiàn)象。一般認(rèn)為，這與計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件的程序運(yùn)行有關(guān)[11—14]，通過(guò)同一狀態(tài)試驗(yàn)次數(shù)的增加，可以部分消除這種不確定性。如果這種現(xiàn)象超過(guò)了輸入電壓提高的因素，則需要找到軟件運(yùn)行與敏感性的規(guī)律。

3）模塊及接口線纜屏蔽防護(hù)對(duì)敏感性的影響。對(duì)模塊及線纜加防護(hù)銅網(wǎng)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(hù)銅網(wǎng)布屏蔽后，敏感門限值得到較大提高。模塊平放測(cè)試數(shù)據(jù)如下：未屏蔽時(shí)，敏感門限對(duì)應(yīng)的天線輸入脈沖電壓為1.4 kV；接口線纜屏蔽后，門限對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的電壓為15 kV。假定天線輸入脈沖電壓與所激勵(lì)的電場(chǎng)近似成線性關(guān)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(shuō)明屏蔽效果是明顯的，而且接口線纜的屏蔽作用要優(yōu)于對(duì)模塊本身的屏蔽效果。

4）電流注入量與布線阻抗有關(guān)。電源線的電流注入試驗(yàn)，電源線本身是一個(gè)回路，或電源線與相應(yīng)分布參數(shù)形成一個(gè)回路。由于回路中的負(fù)載不同，使得注入電流也不同。

一般注入電流檢測(cè)卡鉗檢測(cè)到的是卡鉗內(nèi)所有電流總和，由于單純電源線的負(fù)載阻抗較大，注入電流達(dá)到數(shù)安或數(shù)十安時(shí)，就會(huì)敏感。當(dāng)注入到屏蔽線時(shí)，由于屏蔽層回路阻抗很小，在同樣注入脈沖電壓時(shí)，注入電流會(huì)很大。例如當(dāng)注入電壓為0.9 kV時(shí)，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(jié)語(yǔ)

模型計(jì)算為電磁脈沖試驗(yàn)提供了理論依據(jù)，針對(duì)某模塊開展的近場(chǎng)輻照和電流注入摸底試驗(yàn)表明，電磁脈沖（上升時(shí)間2.5 ns，脈沖寬度23 ns）可使信號(hào)處理模塊出現(xiàn)復(fù)位故障。在復(fù)位期間計(jì)算機(jī)接口無(wú)輸出信號(hào)，該故障屬于可靠性的嚴(yán)重故障，下一步須對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行分析。此外，電流注入試驗(yàn)對(duì)設(shè)備電氣接口之間的互連電纜上注入干擾很有效。近場(chǎng)輻照的方法，更適用于設(shè)備外殼屏蔽、孔縫較多的情況。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，處理模塊出現(xiàn)敏感狀態(tài)和百分之百敏感時(shí)，電流注入的輸出電壓均低于近場(chǎng)輻照時(shí)的輸出電壓。這說(shuō)明產(chǎn)生同樣的敏感狀態(tài)，脈沖電流注入比近場(chǎng)輻照注入的干擾效率要高些。

電磁脈沖效應(yīng)隨機(jī)性很強(qiáng)，各種處理模塊的功能組成也不完全相同[16]。文中對(duì)某一部件進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果并不能代表所有處理模塊的電磁脈沖效應(yīng)能力。試驗(yàn)表明，該試驗(yàn)方法可行、試驗(yàn)系統(tǒng)可靠，為進(jìn)一步研究系統(tǒng)裝備電子部件的電子脈沖效應(yīng)提供了借鑒。

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