接地线缆HEMP电流响应规律研究

2014-10-18柴焱杰张春光

无线电工程 2014年10期

柴焱杰，张春光，许凯，赵煜

(1.中国人民解放军96275部队，河南洛阳 471003;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

现代战争中，电子对抗日益激烈。HEMP和在近几场现代局部战争中被日益重视的电磁脉冲武器通过其产生的高能电磁脉冲对敌方设备造成性能降级或损伤程度以上的杀伤效果，来发挥战斗功效［1］。利用电磁脉冲对电子系统的损伤效应，可破坏并摧毁敌方目标内的电子设备，瘫痪敌指挥、控制、通信、电脑、情报和监侦系统。

线缆作为完成通信信号及电力传输的工具，是电子系统的重要组成部分。电磁脉冲在线缆中会产生强感应电流耦合进入系统设备，造成通信误码率增加或使设备出现故障甚至毁坏。因此，电磁脉冲和线缆防护成为近年来各相关领域的研究热点［2－7］。由于电子设备配设线缆的长度往往可以和HEMP的最小波长相比拟，因此很多情况下，线缆成为电磁脉冲传导耦合的重要途径，并且需要使用波动理论来分析。传输线方法是计算线缆问题的常用方法［8，9］，但该方法通常只能获得理想模型的解析解，而实际的线缆连接和布设环境是复杂的。为全面地分析线缆的电磁脉冲耦合效应，还需要使用数值计算方法深入分析。本文基于FDTD建立仿真空间，重点研究接地线缆的电磁脉冲效应。

1 HEMP表述和线缆的FDTD方法

HEMP在地面附近可作平面波处理，描述HEMP较有影响的有1976年出版物标准、Bell试验室标准和IEC标准等，这些标准是研制电磁脉冲(EMP)模拟器、制订EMP防护措施的重要参考依据。HEMP表达式以双指数函数来描述［10］:

式中，E0为峰值场强;k为修正系数;α和β为表征脉冲前、后沿的参数。磁场强度H(t)为:

本文使用 FDTD方法［11］计算接地线缆的HEMP电流响应。实际应用中，设备线缆的半径一般都比较小，如果按照其半径剖分FDTD网格，则会生成大量的网格空间和参量，从而增加计算资源。针对细线问题，Noda等人［12，13］提出了基于等效介质参数法的细线模型。与经典方法不同，Noda等人提出的方法通过改变细导线周围网格处的介电系数和磁导率来同时实现细导线周围电场、磁场分量幅度的修正，该方法物理概念清晰，比经典方法更为有效。为了模拟任意半径r的导线，可以通过修正因子m对细导线附近的介电参数进行修正来实现，如图1所示。

图1 FDTD细线模型

根据边界B的等效性，令细线和边界B之间的电容相等:

得到修正因子m为:

Noda等人推出等效半径r0为:

因此，场更新方程与一般三维FDTD方程相同，不同的是细导线邻近的电场、磁场计算要使用修正后的介电常数ε'、磁导率μ'、电导率σε'和磁阻率σm':

2 接地线缆HEMP电流响应计算分析

2.1 接地线缆HEMP耦合模型

接地线缆的半径为2.5 mm，长度10 m，两端直接接地，并与埋入地下的接地体相连接，如图2所示。HEMP平面波采用IEC标准(k=1.3，α=4×107，β =6×108)，地表电导率为 σε=0.01 S/m，相对介电常数εr=10。

图2 近地面线缆HEMP耦合计算模型

2.2 响应电流与线缆距地高度的关系

设线缆两端架高h分别为0.1 m，0.5 m和1 m。HEMP平面波的电场E沿y方向，水平极化，参数为θ=180°，φ=0°，α=90°，计算线缆中点的响应电流，如图3所示。

可见，地面附近环境场的变化是一个反射场与入射场相互交叠的波动过程，入射波水平极化时，较高位置处的总场峰值较大，因此作为线缆的激励场在线缆上引起的响应电流也相应较大。并且位于地面附近的线缆，由于反射波通过了一段有耗传输线，因此响应电流在振荡过程中呈现迅速衰减的现象。

图3 不同架高时线缆中点的响应电流

不同架高情况下线缆端点A处响应电流的计算结果，如图4所示。可以看出，线缆端点处的响应电流虽然比相应中点处的幅值小，但随架高的变化趋势与线缆中点一致。

图4 不同架高时线缆端点A的响应电流

2.3 响应电流与HEMP平面波入射方向的关系

设线缆两端均直接接地，架高 h=0.5 m。HEMP平面波电场E沿着x方向，参数为θ=180°，φ=0°，α=180°，此时仍为水平极化，并与线缆架设平面垂直。线缆中点的响应电流如图5所示。

图5 线缆中点的响应电流

可见，由于HEMP电场方向与线缆架设平面垂直，在线缆水平段和垂直段皆没有分量，故激发的响应电流为零。因此，线缆响应电流主要来自与其布设方向一致的电场分量的激励。

改变HEMP入射方向，参数为 θ=150°，φ =0°，α=90°。此时电场方向仍与线缆水平方向一致，但HEMP为水平极化下的斜入射。与垂直入射情况(θ=180°，φ =0°，α =90°)线缆中点的响应电流对比结果如图6所示。

图6 水平极化对线缆响应电流的影响

当线缆水平方向与水平极化HEMP的电场方向平行时，对于不同的入射角，地面反射波到达线缆的波程差不同，但由于HEMP的频率较低，线缆位置的入射波与反射波的相位差较小。因此与垂直入射情况下的结果相比较可见，线缆中点响应电流的峰值略有减小，但变化并不明显。

改变平面波入射方向θ为100°和170°，φ=90°，α=180°，此时HEMP平面波为垂直极化下的斜入射，Ex=0。线缆中点的响应电流如图7所示。

图7 垂直极化对线缆响应电流的影响

由图7可知，θ=170°时线缆中点产生的响应电流较大，因为水平方向的线缆长度大于垂直方向的线缆长度，所以线缆在水平导线部分受到的影响更大些。然而，线缆垂直部分对响应电流幅值的影响可与之相比拟，因此，在实际电磁防护时，该部分线缆的电磁防护不容忽视。

没有线缆存在时位于该点的近场情况如图8所示。

图8 位于线缆中点位置的环境总场

3 结束语

在现代战争中，各种电子设备及其线缆是武器系统的重要组成部分，其正常运行是赢得制信息权的重要保证。为避免电磁脉冲通过线缆耦合途径对电子系统产生破坏，需深入研究线缆的电磁脉冲效应机理。本文计算了接地线缆的HEMP效应，掌握了入射波源与线缆电流响应的若干规律，为获得更全面的认识，还需进一步分析研究带负载等复杂情况下线缆的电磁脉冲效应问题。 ■

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