車內(nèi)線纜的高空核電磁脈沖響應(yīng)分析

胡 寬，解旭彤，王 偉，趙能武，路宏敏

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

車載線纜系統(tǒng)作為完成車載平臺任務(wù)的重要部分，其所面臨的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜[1-4]。文獻[5]仿真分析了無人機內(nèi)部線纜的HEMP(High-Altitude Nuclear Electromagnetic Pulse)響應(yīng)。本文參考該文獻中采用的模型建立方法、艙室內(nèi)布線方法以及激勵源建立方法，將照射物體改為體積更大結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的車輛平臺。環(huán)境中各式各樣的電磁脈沖通過天線、金屬線纜、孔洞縫隙等途徑，耦合非常高的能量進入指揮、通信、控制、計算機及情報系統(tǒng)，對車載設(shè)備造成了嚴重威脅[6-7]。若設(shè)備的工作頻率在電磁脈沖的頻譜覆蓋范圍內(nèi)，耦合進入設(shè)備饋線、射頻鏈路的能量在設(shè)備鏈路內(nèi)部產(chǎn)生的瞬時高電壓、電流會對設(shè)備造成不可恢復(fù)的損毀，造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，有關(guān)電磁脈沖及其工程防護的理論和技術(shù)已成為當今世界大國研究的熱點[8-10]。

高空核電磁脈沖(HEMP)作為復(fù)雜電磁環(huán)境中的重要組成，受到了廣泛的關(guān)注。高空核電磁脈沖是在高空核爆炸(一般約定爆炸高度為30 km)過程中由瞬發(fā)射線引起的瞬態(tài)電磁波傳播。在地面附近，可將其作為平面波處理。HEMP是一種強瞬態(tài)高功率的時域信號，其瞬時的高電磁能量嚴重威脅到了通信系統(tǒng)的安全[11-13]。文獻[14]從電磁兼容的基本概念和研究意義出發(fā)，對高空核電磁脈沖環(huán)境進行了頻域上與時域上的介紹。文獻[15]從電磁兼容的角度闡述了電磁脈沖對車輛內(nèi)外電磁環(huán)境的影響，說明了屏蔽對于車輛電磁環(huán)境的關(guān)鍵性。本文使用CST電磁仿真軟件建立HEMP照射波形以及車載線纜系統(tǒng)對HEMP環(huán)境下的線纜電壓電流響應(yīng)進行研究，所得線纜響應(yīng)電壓電流及理論分析與文獻[16]中仿真結(jié)果具有相同的趨勢。本文研究結(jié)果根據(jù)不同線纜的響應(yīng)特性，為車載線纜系統(tǒng)的電磁脈沖防護提供理論依據(jù)，仿真結(jié)果對車載線纜系統(tǒng)的電磁脈沖防護具有一定的實際工程意義。

1 HEMP波形及方法分析

HEMP波形的波形表達式有很多不同的標準，一般HEMP場強可以用雙指數(shù)解析函數(shù)近似表達

(1)

式中，k是修正系數(shù)；E0是場強峰值；α表征脈沖前沿參數(shù)，β表征脈沖后沿參數(shù)[17]。各種高空核電磁脈沖波形的具體參數(shù)如表1所示，本文所用激勵波形時域圖如圖1所示。

表1 5種標準波形參數(shù)

本文中，線纜與參考地面所構(gòu)成的系統(tǒng)滿足傳輸線方程條件。利用CST自帶的線纜工作室進行建模仿真，線纜和參考地構(gòu)成的電磁脈沖照射模型如圖2所示。

Einc是入射電場；k是電磁波傳播方向，I(z)為感應(yīng)電流，V為感應(yīng)電壓，線纜長度為h，由麥克斯韋方程可得

(2)

將電場與磁場分解可得：Eex(激勵電場)=Einc(入射電場)+Eref(地反射電場)，同理可得Hex(激勵磁場)=Hinc(入射電場)+Href(地反射電場)。另一方面，線纜屏蔽層產(chǎn)生的散射場Esca、Hex，可由斯托克斯定理得出

(3)

對斜線部分路徑積分

(4)

電場和磁場均可以分為兩個部分的和

(5)

理想導(dǎo)體表面切線場和為0，即E(x,h)=E(x,0)=0，故式(4)可以寫為

(6)

由于h?λ，故令

(7)

(8)

磁通量表達式為

(9)

而L=μ0/2π(ln2h/a)，將式(7)～式(8)代入式(9)，即可得到傳輸線第一方程

(10)

其中

(11)

同理可得傳輸線第二方程

(12)

利用傳輸線第一第二方程聯(lián)合求解。

2 車輛及線纜系統(tǒng)模型建立

根據(jù)一致性幾何繞射理論，具有較多細小結(jié)構(gòu)的部件對平面波照射結(jié)果影響較小，但在仿真時會占用計算機大量內(nèi)存。因此在建立車輛模型時，刪除了瞄準鏡等一些與耦合相關(guān)不大的精密小部件以簡化模型。簡化后的車輛模型、車輛及車載線纜系統(tǒng)電磁模型如圖3～圖5所示。

線纜系統(tǒng)部分位于屏蔽體內(nèi)外，采用雙絞線以及同軸線來模擬車輛信號傳輸以及其他控制線纜。屏蔽體采用金屬鋁材料。

外界輻照電磁能量通過“后門耦合”的方式從車體的孔縫耦合進入車輛內(nèi)部，并對車輛內(nèi)部部分電子部件造成干擾，使得車輛系統(tǒng)性能降級或無法工作，甚至使車輛處于癱瘓狀態(tài)。本次仿真主要分析HEMP對車載線纜的耦合情況。

3 仿真與分析

HEMP照射車輛模型如圖6所示。選取45°斜入射HEMP波從側(cè)照射，車載線纜的時域電壓電流響應(yīng)特性如圖7～圖10所示。

由仿真結(jié)果可知，屏蔽體外部雙絞線電流值高于屏蔽體內(nèi)雙絞線端口電壓值；屏蔽體外部同軸線電壓電流值要明顯高于屏蔽體內(nèi)同軸線端口電壓電流值。這些仿真結(jié)果表明，屏蔽體對于車載線纜的屏蔽作用是較為明顯的。

屏蔽體由于存在開孔，因此構(gòu)成了一個諧振腔，在諧振頻率處因為電磁能量較大一般會出現(xiàn)較大響應(yīng)電壓電流值。仿真屏蔽體內(nèi)線纜的頻域電壓電流響應(yīng)，結(jié)果如圖11和圖12所示。

根據(jù)以上仿真結(jié)果，總結(jié)了HEMP照射下兩種線纜的電磁效應(yīng)特點。雙絞線由于構(gòu)造原因，響應(yīng)電壓值較大，而響應(yīng)電流較小，這與已知理論是相符的。而屏蔽體對于線纜電流電壓值有顯著影響，有屏蔽體的線纜電壓值以及電流平均值比無機箱屏蔽體時低至少20 dB。機箱屏蔽體在仿真頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了3個諧振點，諧振頻率都遠高于HEMP能量集中分布的100 MHz，故機箱的諧振對線纜的影響較小。

4 結(jié)束語

本文利用電磁仿真軟件CST對車內(nèi)關(guān)鍵部件線纜系統(tǒng)進行了仿真實驗和分析。通過仿真分析出了車載線纜的HEMP響應(yīng)特性。當來波方向為45°側(cè)面時，雙絞線和同軸線的頻域響應(yīng)電壓集中在-100～60 dBμV之間；頻域響應(yīng)電流則集中在-220～40 dBμA；時域響應(yīng)電壓集中在50～160 dBμV之間，且在260 MHz、550 MHz和780 MHz處出現(xiàn)電壓電流峰值。該結(jié)果證明這些頻點是車載屏蔽腔體的諧振點，提示應(yīng)對工作于這些頻率的設(shè)備應(yīng)加強防護。時域響應(yīng)電流集中分布在40～130 dBμA時，不同線纜類型對于電壓和電流的響應(yīng)不同，但是屏蔽體對于降低線纜上響應(yīng)電壓和電流具有非常明顯的作用。因此，車載線纜需要做良好的電磁屏蔽和防護措施，以保證其處于安全工作范圍。本文仿真結(jié)果對于車載線纜的選取以及防護都具有一定的實際工程意義。