接地線纜HEMP電流響應(yīng)規(guī)律研究

柴焱杰，張春光，許 凱，趙 煜

(1.中國人民解放軍96275部隊，河南洛陽 471003;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電子對抗日益激烈。HEMP和在近幾場現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭中被日益重視的電磁脈沖武器通過其產(chǎn)生的高能電磁脈沖對敵方設(shè)備造成性能降級或損傷程度以上的殺傷效果，來發(fā)揮戰(zhàn)斗功效［1］。利用電磁脈沖對電子系統(tǒng)的損傷效應(yīng)，可破壞并摧毀敵方目標(biāo)內(nèi)的電子設(shè)備，癱瘓敵指揮、控制、通信、電腦、情報和監(jiān)偵系統(tǒng)。

線纜作為完成通信信號及電力傳輸?shù)墓ぞ撸请娮酉到y(tǒng)的重要組成部分。電磁脈沖在線纜中會產(chǎn)生強(qiáng)感應(yīng)電流耦合進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備，造成通信誤碼率增加或使設(shè)備出現(xiàn)故障甚至毀壞。因此，電磁脈沖和線纜防護(hù)成為近年來各相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點［2－7］。由于電子設(shè)備配設(shè)線纜的長度往往可以和HEMP的最小波長相比擬，因此很多情況下，線纜成為電磁脈沖傳導(dǎo)耦合的重要途徑，并且需要使用波動理論來分析。傳輸線方法是計算線纜問題的常用方法［8，9］，但該方法通常只能獲得理想模型的解析解，而實際的線纜連接和布設(shè)環(huán)境是復(fù)雜的。為全面地分析線纜的電磁脈沖耦合效應(yīng)，還需要使用數(shù)值計算方法深入分析。本文基于FDTD建立仿真空間，重點研究接地線纜的電磁脈沖效應(yīng)。

1 HEMP表述和線纜的FDTD方法

HEMP在地面附近可作平面波處理，描述HEMP較有影響的有1976年出版物標(biāo)準(zhǔn)、Bell試驗室標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)是研制電磁脈沖(EMP)模擬器、制訂EMP防護(hù)措施的重要參考依據(jù)。HEMP表達(dá)式以雙指數(shù)函數(shù)來描述［10］:

式中，E0為峰值場強(qiáng);k為修正系數(shù);α和β為表征脈沖前、后沿的參數(shù)。磁場強(qiáng)度H(t)為:

本文使用 FDTD方法［11］計算接地線纜的HEMP電流響應(yīng)。實際應(yīng)用中，設(shè)備線纜的半徑一般都比較小，如果按照其半徑剖分FDTD網(wǎng)格，則會生成大量的網(wǎng)格空間和參量，從而增加計算資源。針對細(xì)線問題，Noda等人［12，13］提出了基于等效介質(zhì)參數(shù)法的細(xì)線模型。與經(jīng)典方法不同，Noda等人提出的方法通過改變細(xì)導(dǎo)線周圍網(wǎng)格處的介電系數(shù)和磁導(dǎo)率來同時實現(xiàn)細(xì)導(dǎo)線周圍電場、磁場分量幅度的修正，該方法物理概念清晰，比經(jīng)典方法更為有效。為了模擬任意半徑r的導(dǎo)線，可以通過修正因子m對細(xì)導(dǎo)線附近的介電參數(shù)進(jìn)行修正來實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 FDTD細(xì)線模型

根據(jù)邊界B的等效性，令細(xì)線和邊界B之間的電容相等:

得到修正因子m為:

Noda等人推出等效半徑r0為:

因此，場更新方程與一般三維FDTD方程相同，不同的是細(xì)導(dǎo)線鄰近的電場、磁場計算要使用修正后的介電常數(shù)ε'、磁導(dǎo)率μ'、電導(dǎo)率σε'和磁阻率σm':

2 接地線纜HEMP電流響應(yīng)計算分析

2.1 接地線纜HEMP耦合模型

接地線纜的半徑為2.5 mm，長度10 m，兩端直接接地，并與埋入地下的接地體相連接，如圖2所示。HEMP平面波采用IEC標(biāo)準(zhǔn)(k=1.3，α=4×107，β =6×108)，地表電導(dǎo)率為 σε=0.01 S/m，相對介電常數(shù)εr=10。

圖2 近地面線纜HEMP耦合計算模型

2.2 響應(yīng)電流與線纜距地高度的關(guān)系

設(shè)線纜兩端架高h(yuǎn)分別為0.1 m，0.5 m和1 m。HEMP平面波的電場E沿y方向，水平極化，參數(shù)為θ=180°，φ=0°，α=90°，計算線纜中點的響應(yīng)電流，如圖3所示。

可見，地面附近環(huán)境場的變化是一個反射場與入射場相互交疊的波動過程，入射波水平極化時，較高位置處的總場峰值較大，因此作為線纜的激勵場在線纜上引起的響應(yīng)電流也相應(yīng)較大。并且位于地面附近的線纜，由于反射波通過了一段有耗傳輸線，因此響應(yīng)電流在振蕩過程中呈現(xiàn)迅速衰減的現(xiàn)象。

圖3 不同架高時線纜中點的響應(yīng)電流

不同架高情況下線纜端點A處響應(yīng)電流的計算結(jié)果，如圖4所示。可以看出，線纜端點處的響應(yīng)電流雖然比相應(yīng)中點處的幅值小，但隨架高的變化趨勢與線纜中點一致。

圖4 不同架高時線纜端點A的響應(yīng)電流

2.3 響應(yīng)電流與HEMP平面波入射方向的關(guān)系

設(shè)線纜兩端均直接接地，架高 h=0.5 m。HEMP平面波電場E沿著x方向，參數(shù)為θ=180°，φ=0°，α=180°，此時仍為水平極化，并與線纜架設(shè)平面垂直。線纜中點的響應(yīng)電流如圖5所示。

圖5 線纜中點的響應(yīng)電流

可見，由于HEMP電場方向與線纜架設(shè)平面垂直，在線纜水平段和垂直段皆沒有分量，故激發(fā)的響應(yīng)電流為零。因此，線纜響應(yīng)電流主要來自與其布設(shè)方向一致的電場分量的激勵。

改變HEMP入射方向，參數(shù)為 θ=150°，φ =0°，α=90°。此時電場方向仍與線纜水平方向一致，但HEMP為水平極化下的斜入射。與垂直入射情況(θ=180°，φ =0°，α =90°)線纜中點的響應(yīng)電流對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 水平極化對線纜響應(yīng)電流的影響

當(dāng)線纜水平方向與水平極化HEMP的電場方向平行時，對于不同的入射角，地面反射波到達(dá)線纜的波程差不同，但由于HEMP的頻率較低，線纜位置的入射波與反射波的相位差較小。因此與垂直入射情況下的結(jié)果相比較可見，線纜中點響應(yīng)電流的峰值略有減小，但變化并不明顯。

改變平面波入射方向θ為100°和170°，φ=90°，α=180°，此時HEMP平面波為垂直極化下的斜入射，Ex=0。線纜中點的響應(yīng)電流如圖7所示。

圖7 垂直極化對線纜響應(yīng)電流的影響

由圖7可知，θ=170°時線纜中點產(chǎn)生的響應(yīng)電流較大，因為水平方向的線纜長度大于垂直方向的線纜長度，所以線纜在水平導(dǎo)線部分受到的影響更大些。然而，線纜垂直部分對響應(yīng)電流幅值的影響可與之相比擬，因此，在實際電磁防護(hù)時，該部分線纜的電磁防護(hù)不容忽視。

沒有線纜存在時位于該點的近場情況如圖8所示。

圖8 位于線纜中點位置的環(huán)境總場

3 結(jié)束語

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，各種電子設(shè)備及其線纜是武器系統(tǒng)的重要組成部分，其正常運行是贏得制信息權(quán)的重要保證。為避免電磁脈沖通過線纜耦合途徑對電子系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，需深入研究線纜的電磁脈沖效應(yīng)機(jī)理。本文計算了接地線纜的HEMP效應(yīng)，掌握了入射波源與線纜電流響應(yīng)的若干規(guī)律，為獲得更全面的認(rèn)識，還需進(jìn)一步分析研究帶負(fù)載等復(fù)雜情況下線纜的電磁脈沖效應(yīng)問題。 ■

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