高功率微波電磁脈沖對(duì)鐵路PCB類(lèi)設(shè)備的危害影響及防護(hù)措施研究

魏 波，張中源，余國(guó)泰

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.東南沿海鐵路福建有限責(zé)任公司，福建 福州 350013）

1 高功率微波電磁脈沖

高功率電磁脈沖主要分為三類(lèi)：一類(lèi)是雷暴雨，這類(lèi)雷暴是由雷云和雷云附近的地面突出體組成，當(dāng)其電場(chǎng)大于25～30 kV/cm時(shí)，會(huì)使大氣絕緣發(fā)生強(qiáng)烈的放電，并伴隨著高達(dá)2 000 ℃的高溫，使周邊的大氣或其他物質(zhì)迅速膨脹，從而引起強(qiáng)烈的電磁作用，造成輻射。二是高能超寬頻電磁武器的高海拔核爆。它是利用核能五大危險(xiǎn)中的一種，可以在短時(shí)間內(nèi)破壞或者破壞遠(yuǎn)處的電子設(shè)施。這一點(diǎn)從蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)期間對(duì)美國(guó)的西部進(jìn)行的測(cè)試中就已經(jīng)得到證實(shí)。高海拔核爆產(chǎn)生的電磁脈沖是一種高能的電磁脈沖。三是強(qiáng)沖擊式的高能量微波。它是一種新型的定向能武器，通過(guò)高能微波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行破壞，其工作頻段為100 MHz～300 GHZ，總能量達(dá)到100 MW～100 GW，同時(shí)具備更高的工作帶寬和更高的工作壽命。它是利用高能微波輻射源發(fā)出的高增益定向天線，在太空中形成高強(qiáng)度、高指向性的微波波束，可以對(duì)電子器件進(jìn)行損壞，使其無(wú)法發(fā)揮正常的作用。

由于鐵路強(qiáng)弱電系統(tǒng)內(nèi)部存在著大量的控制單元和傳感器等電子PCB設(shè)備，若未來(lái)我國(guó)鐵路受到敵對(duì)勢(shì)力的高功率微波電磁脈照射，則強(qiáng)電磁脈沖會(huì)通過(guò)耦合方式進(jìn)入系統(tǒng)中感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流，再通過(guò)傳輸線、天線等進(jìn)入電子元器件中。這會(huì)使設(shè)備內(nèi)部的數(shù)字電路產(chǎn)生熱效應(yīng)燒毀、浪涌效應(yīng)的擊穿，造成元器件CMOS電路柵氧化層或金屬化線間截止擊穿、半導(dǎo)體器件的P/N結(jié)燒毀等，輕則導(dǎo)致鐵路強(qiáng)弱電裝備信號(hào)傳輸中斷，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)完全被摧毀，后果將不堪設(shè)想，因此針對(duì)高功率電磁脈沖的防護(hù)成為鐵路電磁防護(hù)的關(guān)鍵。

2 高功率微波電磁脈沖對(duì)鐵路PCB設(shè)備的危害評(píng)估

文章研究HPM對(duì)鐵路PCB設(shè)備危害評(píng)估屬于大場(chǎng)景的電磁環(huán)境效應(yīng)分析，特點(diǎn)是：空間范圍大，從幾百米到數(shù)公里；頻率高、頻譜寬，從100 MHz到300 GHZ。單純的數(shù)值分析方法難以分析如此大的場(chǎng)景，而單純的近似算法又不能精確計(jì)算，進(jìn)而無(wú)法計(jì)算HPM干擾與PCB電路之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。因此，研究HPM對(duì)鐵路PCB設(shè)備的電磁效應(yīng)適合采用混合接力算法，即采用嚴(yán)格的數(shù)值分析和近似算法結(jié)合的方法，既能滿足復(fù)雜場(chǎng)景計(jì)算的要求，又能解決復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)的計(jì)算速度和效率問(wèn)題。此外，文章對(duì)HPM干擾源的分析和建模將通過(guò)采用射線跟蹤法（采用軟件：EastWave）仿真干擾源的傳播過(guò)程，得到被干擾對(duì)象附近的電場(chǎng)分布，然后，以被干擾對(duì)象附近的信號(hào)為輻射源，采用全波仿真FDTD數(shù)值方法（采用軟件：CST和EastWave），嚴(yán)格計(jì)算沖擊源對(duì)被沖擊對(duì)象的影響情況。建模仿真思路如圖1所示。

圖1 建模仿真思路

2.1 HPM建模及空間輻射特性仿真分析

HPM電磁脈沖功率通常為100 MW～100 GW，為了評(píng)估HPM對(duì)PCB設(shè)備的影響，文章仿真選定功率較小的HPM沖擊源（功率為1 GW）進(jìn)行建模仿真。沖擊源的輻射天線形式為拋物面天線，仿真參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 沖擊源仿真參數(shù)表

通過(guò)EastWave軟件進(jìn)行建模仿真，可以分別得出代表1 GW功率HPM沖擊源輻射特性的近遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)圖和空間變化規(guī)律及電場(chǎng)值，HPM電磁脈沖在主瓣方向的能量最強(qiáng)，當(dāng)被輻射器件裸露在HPM主瓣方向時(shí)，所受影響最大。

2.2 鐵路PCB器件建模及電磁沖擊仿真分析

文章選取了典型端口帶有信號(hào)耦合線圈的鐵路應(yīng)答器PCB電路板。通過(guò)使用EastWave軟件中“自定義”計(jì)算模式，設(shè)置電路板內(nèi)各引腳的對(duì)地阻抗，來(lái)模擬仿真計(jì)算鐵路應(yīng)答器PCB板路面對(duì)HPM電磁脈沖的不同距離照射時(shí)，鐵路應(yīng)答器 PCB板中的電場(chǎng)分布。

2.2.1 鐵路應(yīng)答器PCB電路建模

選取的輻射源頻率范圍為50 MHz～18 GHz，為了更好地模擬輻射源在頻域和時(shí)域?qū)﹁F路應(yīng)答器的影響，本仿真建模將輻射源頻率歸一化在1～2 GHz范圍內(nèi)，并選取PCB板環(huán)形天線的寬度為1.55 mm、介質(zhì)層厚度為0.32 mm（1/700波長(zhǎng)）、介電常數(shù)為4.8。其中環(huán)形天線內(nèi)部的最小尺度是0.55 mm，約1/400波長(zhǎng)（1.3 GHz）。

2.2.2 裸露狀態(tài)下PCB受沖擊影響仿真結(jié)果

通過(guò)使用CST和EastWave軟件仿真，可得出鐵路應(yīng)答器PCB電路內(nèi)環(huán)形耦合線圈端口感應(yīng)電壓和內(nèi)部端口感應(yīng)電壓與頻率的相互關(guān)系，其頻域影響關(guān)系可以得知鐵路應(yīng)答器PCB板內(nèi)部環(huán)形耦合線圈端口在輻射源歸一化頻率為1.06 GHz時(shí)感應(yīng)電壓最大，達(dá)到了0.018 V，因此可知當(dāng)HPM電磁脈沖源工作在低頻段時(shí)對(duì)鐵路PCB設(shè)備影響較大。

在時(shí)域方面，結(jié)合上一節(jié)1 GW HPM電磁脈沖源空間電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果和FDTD數(shù)值方法，可得出實(shí)際輻照信號(hào)下鐵路應(yīng)答器PCB板內(nèi)部器件端口和環(huán)形耦合線圈端口的感應(yīng)電壓隨距離的關(guān)系。

2.3 影響危害評(píng)估

目前，鐵路元器件PCB板大部分為COMS和TTL器件集成電路，其一般工作電壓在3.2～3.6 V，額定工作電壓為5 V。根據(jù)COMS電平標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓正常工作范圍L：＜0.3＊Vcc；H：＞0.7＊Vcc，即最小輸入電壓小于0.96～1.08 V時(shí)認(rèn)為設(shè)備可以正常工作，所以取感應(yīng)電壓1.0 V為電子設(shè)施無(wú)影響的臨界值。因此，將HPM鐵路電子設(shè)備受沖擊電壓的影響分為三個(gè)等級(jí)，分別為無(wú)影響、干擾和損傷，其具體定義內(nèi)容如下表2所示。

綜合表2的內(nèi)容進(jìn)行分析，可得出本次仿真模型下，HPM電磁脈沖輻射下鐵路PCB設(shè)備元器件的具體的影響情況。由表3可以看出，在功率為1 GW的HPM電磁脈沖的主瓣照射下，鐵路應(yīng)答器PCB板內(nèi)部的環(huán)形線圈和內(nèi)部端口都會(huì)在不同的照射距離下產(chǎn)生不同等級(jí)的損壞效應(yīng)，輕則造成干擾，重則造成損傷，都不能使應(yīng)答器正常穩(wěn)定的工作，進(jìn)而影響鐵路的行車(chē)安全。

表3 HPM電磁脈沖輻射對(duì)鐵路應(yīng)答器PCB板內(nèi)部的危害影響情況

3 鐵路PCB設(shè)備電磁防護(hù)措施建議

針對(duì)鐵路強(qiáng)弱電系統(tǒng)和設(shè)備的HPM電磁脈沖輻射防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，防護(hù)措施可以分為工程類(lèi)、技術(shù)設(shè)備類(lèi)和監(jiān)測(cè)告警類(lèi)。其中，工程類(lèi)措施通常是對(duì)強(qiáng)弱電設(shè)備加蓋混凝土對(duì)外界干擾進(jìn)行屏蔽的站前防護(hù)；技術(shù)設(shè)備類(lèi)主要通過(guò)對(duì)鐵路強(qiáng)弱電設(shè)備采用加設(shè)防護(hù)模塊、采用屏蔽電纜、控制柜體密封性和接地來(lái)實(shí)現(xiàn)；監(jiān)測(cè)告警類(lèi)則是通過(guò)在鐵路沿線部署電磁脈沖測(cè)量預(yù)警裝置對(duì)HPM等電磁脈沖進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，以便調(diào)度管理和作業(yè)單位采取緊急措施。由于PCB電路板均集成于鐵路強(qiáng)弱電設(shè)備內(nèi)部，在面對(duì)HPM電磁脈沖沖擊時(shí)，除了要做好各設(shè)備外部的整體防護(hù)外，也需要針對(duì)PCB電路板做好自身的抗干擾設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)措施可歸納為以下幾點(diǎn)。

3.1 PCB電路板內(nèi)部設(shè)計(jì)防護(hù)

（1）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。

（2）IC元件要盡可能地與線路板焊接，不要采用IC插座，另外，濾波器及限幅電路的布局也要適當(dāng)，并且要盡可能地接近IC管腳。

（3）采用串聯(lián)一條電阻器的方法，減小了在控制回路中的跳躍率。

（4）嘗試對(duì)繼電器等的線圈執(zhí)行元件，在繞組上并聯(lián)一個(gè)RC衰減回路。

（5）采用最小的時(shí)鐘頻率，以符合該系統(tǒng)的需求。

（6）對(duì)于輸入到印制電路板上的訊號(hào)，應(yīng)采用過(guò)濾和保護(hù)裝置，來(lái)自高噪聲區(qū)的訊號(hào)，亦應(yīng)加以過(guò)濾和保護(hù)。

（7）為了降低高頻訊號(hào)在外部的輻射和耦合，印制電路板盡可能地采用45°折線代替90°折線。

（8）時(shí)鐘信號(hào)、母線及芯片選擇信號(hào)應(yīng)與輸入輸出線路及插接器保持一定距離。

（9）將類(lèi)比電壓輸入端和基準(zhǔn)電壓端盡可能地與數(shù)位線路的訊號(hào)線分開(kāi)，尤其是與時(shí)鐘保持一定距離。

（10）易受噪音影響的線路，不能并行于大電流、高速度的切換線路。

（11）一種微弱的信號(hào)線路，在其附近不構(gòu)成一個(gè)電流回路。

（12）沒(méi)有一個(gè)信號(hào)構(gòu)成回路，如果是必然的話，則使回路區(qū)域盡可能地減小。

（13）一種去耦電容，用于每一IC。在每一個(gè)電解電容器的旁邊必須加上一個(gè)小型的高頻旁通電容器。

（14）在配線上，應(yīng)盡可能地減小印制導(dǎo)線的非連續(xù)性，如導(dǎo)線寬度不得突然變化，導(dǎo)線的轉(zhuǎn)角要避開(kāi)銳角，禁止繞圈等。

3.2 PCB電路板接地設(shè)計(jì)防護(hù)

（1）地線設(shè)計(jì)的原則：將PCB電路板的數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。其中，低頻PCB電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地，而高頻PCB電路盡量采用多點(diǎn)接地的方法，以避免單點(diǎn)接地時(shí)地線過(guò)長(zhǎng)造成的天線輻射問(wèn)題。

（2）接地線構(gòu)成閉環(huán)路：只由數(shù)字電路組成的PCB電路板，其接地電路布成閉環(huán)路。

（3）單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地，電源線、地線盡量粗，用多層板以減小電源、地的容生電感。

（4）盡量加粗接地線，若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電磁武器技術(shù)的日益成熟，電磁脈沖武器將向著功率更高、頻譜更寬、脈沖前后沿更窄的方向發(fā)展，對(duì)各種基建設(shè)施的電子設(shè)備威脅也日益加重。因此，在隨著我國(guó)鐵路朝著智能化、一體化的發(fā)展方向的同時(shí)，對(duì)各種鐵路電子設(shè)備的防護(hù)也應(yīng)引起各方的重視。鐵路電磁兼容除了采用一些基本外部防護(hù)技術(shù)之外，更關(guān)鍵的是要制定和完善各種設(shè)備內(nèi)部PCB器件的電路、模塊、系統(tǒng)的電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)防護(hù)要求，采用新技術(shù)、新思路不斷發(fā)展鐵路設(shè)備內(nèi)部PCB元器件的防護(hù)措施和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且將防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)列入設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和驗(yàn)收全過(guò)程，提高我國(guó)鐵路強(qiáng)弱電設(shè)備在強(qiáng)電磁沖擊下的生存能力。