強電磁脈沖對計算機電纜的注入毀傷效應研究

鄭　箘，王璐靜，任凱琦

(中國航天科工二院七〇六所，北京 100854)

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強電磁脈沖對計算機電纜的注入毀傷效應研究

鄭箘，王璐靜，任凱琦

(中國航天科工二院七〇六所，北京 100854)

為研究強電磁脈沖對計算機系統(tǒng)電纜端口的毀傷效應，通過電磁脈沖耦合注入方式分別對未加裝防護電路和加裝防護電路的VGA視頻端口進行電磁脈沖毀傷試驗，詳細記錄了VGA視頻端口的測試結(jié)果。通過試驗數(shù)據(jù)表明，計算機電纜接口的毀傷閾值相對較低，而增加專用的電磁脈沖接口抑制電路后，計算機視頻電纜接口的抗強電磁脈沖打擊能力明顯提高。

電磁脈沖；注入試驗；電纜毀傷閾值

0　引言

電纜耦合是“后門耦合”的一種主要方式，它主要是在連接設備、電力網(wǎng)或電話網(wǎng)的電線和電纜上產(chǎn)生巨大的瞬時電流、電壓，進入設備的瞬時高壓脈沖會激發(fā)內(nèi)部諧振對內(nèi)部的其他元器件造成破壞。用于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、工業(yè)控制的計算機，在連接外接電纜后都容易遭受電磁脈沖破壞。在考察電路受電磁脈沖干擾時，常用的試驗手段有脈沖輻照法[1]和脈沖電流注入法，其中脈沖電流注入法最適合用于定位干擾狀態(tài)以及判斷防護效果，本文采用該方法分析了電路的毀傷機理，同時也驗證了視頻防護電路的有效性。

1　電纜毀傷效應試驗方法研究

在研究外接電纜的毀傷效應時最直觀的試驗方法是脈沖電流注入法，電磁脈沖注入測試中的一個關鍵問題就是如何在被測設備加電工作狀態(tài)下把模擬的騷擾信號注入到相應的設備端口[2]，同時還要減小注入裝置對原信號通道的影響，阻止騷擾信號對同一電網(wǎng)中其他非受試設備的干擾。因此，電磁脈沖信號的注入必須滿足3個條件：① 要與工程實際耦合情況相符，即在系統(tǒng)正常工作設置下，通過對線纜的耦合進行注入；② 確保受試設備以外的其他裝置不受影響，即要對電磁脈沖信號進行去耦；③ 實驗結(jié)果要有一定的統(tǒng)計意義和典型性，以便于防護要求的制定。

根據(jù)以上3個條件的限定，試驗采用間接注入法，注入方式為導體夾鉗耦合，這等效為電磁脈沖的空間輻射場干擾，其干擾類型為近場感應干擾。這種注入方式的優(yōu)點：① 信號源與被測試對象沒有直接的電接觸，不會改變試驗對象的物理線路和電氣參數(shù)；② 可以在測試對象處于工作狀態(tài)時進行試驗；接近于真實情況下電磁脈沖對系統(tǒng)的作用等，具體的電流注入示意圖如圖1所示。

圖1　計算機互聯(lián)線纜脈沖電流注入示意圖

具體試驗中，采用解放軍理工大學研制的GMF-8E型高壓毫微秒脈沖源作為電磁脈沖源，采用1 m長電容耦合夾，實現(xiàn)脈沖加載，文獻[3-5]中描述了相似的測量方法。電磁脈沖源的主要參數(shù)為：脈沖峰值(0～4～8) kV，上升時間2.8 ns，半峰時間28 ns，其典型脈沖波形如圖2所示。

圖2　電磁脈沖源典型脈沖信號波形

2　計算機電纜端口電磁脈沖注入毀傷效應試驗

電磁脈沖源輸出高壓電磁脈沖，經(jīng)電容耦合夾耦合至試件電纜，在電纜上感應脈沖電壓與脈沖電流。試驗中需要強調(diào)的是所有測試數(shù)據(jù)必須在屏蔽機柜內(nèi)[6]完成，否則電容耦合夾附近的電磁場將嚴重影響測試數(shù)據(jù)。

在屏蔽機柜內(nèi)使用示波器測試耦合電壓與電流，并利用相關的測試軟件，同步觀察主機、顯示器、鍵盤和鼠標的各類異常現(xiàn)象，整個注入毀傷測試均按照增加脈沖電壓的方式逐次測試。

計算機視頻顯示是最重要和最直接的計算機信息窗口，經(jīng)驗表明，電磁脈沖通過計算機視頻顯示電纜耦合產(chǎn)生的電磁干擾經(jīng)常會造成計算機黑屏、甚至重啟等各種毀傷效應，相關損傷研究見參考文獻[7-9]，因此文中重點針對視頻VGA端口開展電磁脈沖注入毀傷效應試驗研究，試驗過程分為兩步：① 對未加裝視頻電磁脈沖防護電路的計算機系統(tǒng)進行電磁脈沖注入毀傷效應試驗；② 對加裝視頻電磁脈沖防護電路的計算機系統(tǒng)進行電磁脈沖注入毀傷效應對比試驗。

2.1未加裝視頻電磁脈沖防護電路測試

VGA端口測試布局圖如圖3所示。

圖3　VGA視頻端口測試布局圖

試驗數(shù)據(jù)及試驗現(xiàn)象如表1所示，表1波形數(shù)據(jù)記錄中的數(shù)字代表脈沖源的脈沖峰值。

表1　VGA端口未防護測試數(shù)據(jù)

試驗過程中，計算機出現(xiàn)了多次的黑屏現(xiàn)象，測試數(shù)據(jù)驗證了計算機視頻端口在電磁脈沖環(huán)境下較為脆弱，為提高視頻端口的電磁脈沖防護能力，必須增加專用的電磁脈沖防護電路[10]。

專用電磁脈沖防護電路設計過程中，要盡量在所有的輸入端和輸出端加浪涌保護器件[11]，進行適當保護，當必須使用浪涌抑制器件時，應保證所加的浪涌器件不會影響信號傳輸。對于視頻接口的傳輸信號：R、G、B和行(H)、場(V)同步信號，其中R、G、B為模擬信號，峰峰值0.7～1 V左右，特性阻抗75 Ω，抑制電路采用放電管和TVS管配合使用[12]，由于視頻端口傳輸信號帶寬較寬，設計要重點考慮電路中的電容效應。

2.2加裝視頻電磁脈沖防護電路測試

VGA端口測試布局圖如圖4所示。

圖4　VGA視頻端口測試布局(加裝防護電路)

試驗數(shù)據(jù)及試驗現(xiàn)象如表2所示，表2波形數(shù)據(jù)記錄中的數(shù)字代表脈沖源的脈沖峰值。

表2　VGA端口未防護測試數(shù)據(jù)

綜合分析上面的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

① 電磁脈沖直接注入視頻線纜會出現(xiàn)各種計算機異常工作現(xiàn)象；

② 加裝防護電路前，從注入電壓為470 V，顯示屏出現(xiàn)瞬時閃屏干擾現(xiàn)象；加裝防護電路后，到注入電壓為1 570 V，顯示端口未出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

3　注入毀傷效應試驗數(shù)據(jù)及分析

由于計算機電纜端口毀傷效應非常復雜，不同的接口會有不同的毀傷原因[13]，下面將從端口阻抗特性來分析視頻電纜接口的毀傷原因。

從端口測試數(shù)據(jù)可以計算出端口電壓和電流的對應關系，設Z表示接口環(huán)路阻抗，有Z=V/I，接口環(huán)路阻抗反應了接入防護電路后在脈沖注入情況下阻抗的變化。對應的阻抗與注入電壓的關系如圖5所示。

從圖5可以看出，在無防護電路時端口注入電壓和電流并不是線性增長關系，中間出現(xiàn)多次振蕩，同時，環(huán)路阻抗在注入監(jiān)測電壓達到800 V時開始出現(xiàn)變低趨勢，而注入電流在此時也顯著升高。這主要是因為電磁脈沖干擾下，耦合的電磁波將在接口電路環(huán)路中產(chǎn)生感應電流，該電流作用于端口輸入或輸出阻抗時將在端口上產(chǎn)生高壓干擾電信號(脈沖電壓)，該電壓造成環(huán)路阻抗變低，在低阻通路上因注入功率或注入能量過多而發(fā)生正向熱受損和反向擊穿引發(fā)的熱擊穿受損。

圖5　VGA電纜端口無防護阻抗特性曲線

從試驗結(jié)果可以看出，增加防護電路后視頻電纜端口抗干擾能力得到提升，在1 000 V脈沖源注入條件下加裝防護電路與未加裝防護電路的電纜端口測試數(shù)據(jù)對比如圖6所示。

圖6　1 000 V注入電壓VGA電纜測試曲線

4　結(jié)束語

通過注入試驗研究強電磁脈沖通過互聯(lián)電纜對計算機系統(tǒng)造成的毀傷效應，試驗結(jié)果表明，VGA視頻接口受電磁脈沖干擾受損的主要原因在于通過耦合夾鉗在VGA傳輸線上產(chǎn)生的感生電流在端口上產(chǎn)生高壓，該電壓造成環(huán)路阻抗變低，在低阻通路上因注入功率或注入能量過多而發(fā)生正向熱受損和反向擊穿引發(fā)的熱擊穿受損。為了抵御強電磁脈沖的毀傷，必須在端口增加專用的電磁脈沖接口抑制電路，才能提升計算機系統(tǒng)的抗強電磁脈沖打擊能力。

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鄭箘女，(1979—)，高工。主要研究方向：電磁脈沖防護。

王璐靜女，(1986—)，工程師。主要研究方向：電磁場與微波。

Study on Damage Effect of High Electromagnetic Pulse Injecting Computer Cable Interfaces

ZHENG Jun,WANG Lu-jing,REN Kai-qi

(InstituteNo.706oftheSecondAcademy,ChinaAerospaceScience&IndustryCorp.,Beijing100854,China)

In this paper,the high electromagnetic pulse (EMP) damage effect of computer cable interfaces is studied.By using the coupling injection method,the electromagnetic pulse damage experiment is performed for VGA video interfaces of circuits with protection and without protection,and the test results of VGA video interfaces are recorded in detail.The results show that the computer cable interfaces have lower threshold of destruction,but with the special EMP protection circuit,the capability of resisting electromagnetic pulse is significantly improved.

EMP;injecting test;threshold of cable destruction

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.19

2016-04-20

TN97

A

1003-3106(2016)08-0079-04

引用格式：鄭箘，王璐靜，任凱琦.強電磁脈沖對計算機電纜的注入毀傷效應研究[J].無線電工程,2016,46(8):79-82.