基于高功率微波的车辆拒止效应研究

武警广州指挥学院　曾德彬

基于高功率微波的车辆拒止效应研究

武警广州指挥学院曾德彬

根据高功率微波对电子设备的损伤效应和特点，分析了车辆发动机电控系统的基本组成和影响发动机正常运行的关键部件点火线圈，并对连接点火线圈的电控电路板进行微波注入效应研究。实验结果表明微波注入后，温度的上升并未明显影响点火线圈的正常工作，但微波的热效应得到了积累，并用文什-贝尔毁伤模型分析估算了微波注入后的毁伤功率阈值，约为55.1dBm。随着注入微波功率的增大，效应电压逐渐增强，在电压上升至约17.4V时，点火线圈出现故障或功能损伤。

车辆；电控系统；高功率微波；效应研究

0　引言

高功率微波（HPM）对电子器件的损伤效应日益引起研究人员的关注。随着高功率微波技术的发展，HPM信号对于电子元器件的干扰和损伤效应逐渐成为了电子器件电磁效应的研究热点。HPM可以通过前门耦合和后门耦合的方式进入电子系统，会对电子设备的集成单元造成暂时性或永久性的破坏。近几年来，很多学者已经在有意电磁干扰对二极管限制器、双极结型晶体管和金属氧化物半导体场效晶体管等的诱导破坏效应方面进行了研究。文献［1-2］分析了PIN二极管二次击穿的电热特性和电流雪崩效应。文献［3-6］研究了基于硅双极结型晶体管的电磁脉冲损伤机理和相关的脉冲破坏特性。文献［7］研究了金属氧化物半导体逆变器在高功率微波诱导攻击下的互补效应。但是，目前高功率微波对车辆电子控制系统，尤其是发动机控制系统的损伤效应研究还是比较少，针对发动机控制系统薄弱环节的分析还不够深入。

基于此，本文主要研究分析了车辆发动机控制系统的特性，通过微波注入实验，界定该系统在受到高功率微波注入时，系统中薄弱部分（点火线圈）的损伤阈值。注入功率微波功率后，车辆电子系统出现失效或者永久性损伤时，脉冲功率大小的界定。

1　车辆发动机电控系统分析

车辆上每一个电子控制系统基本结构都是由传感器与开关信号、电控单元（ECU）和执行器3部分组成。其中发动机电子控制系统（EEC）涵盖了发动机燃油喷射、微机控制点火等部分。在车辆行驶过程中，发动机的正常运行与否，是我们关注的主要问题。而点火系统的正常运行就是发动机运行与否的重点。一般点火系统包括电源、点火线圈、分电器、容电器和火花塞。它的工作原理就是利用电磁感应，将蓄电池的低压电转变为高压电，从而击穿火花塞电极间隙，产生火花。其中原理图如图1所示。

图1　点火系统工作原理

其中的关键部分就是点火线圈（见图2）。因为点火线圈一旦工作出现异常，发动机就不能正常运转。点火线圈的基本结构如图2所示，主要有铁芯、初级绕组、次级绕组、胶木盖等组成。

由此我们可知，用微波攻击车辆时，如果能使车辆的点火线圈工作出现异常或是永久性失效，那么就可以迫停车辆。

那么点火线圈工作时，一般有什么要求？从各类国产点火线圈的主要技术数据来看。从中可以看到不同型号的点火线圈（X-1202R、DQ122、DQ126、DQ130等等）有一个相同的特点，就是它能承载的工作电压值为12 V。点火线圈工作的温度不能高得使内部绝缘质和填充质熔化，所以一般温度不能超过80℃。

图2　传统点火线圈结构

2　微波注入的效应分析

2.1实验使用的脉冲信号发生器

实验中采用了直供电源供电情况下，10MHz的正弦振晶信号发生器，根据编码和拨号开关的二进制组合，来产生一个可以完成100MHz频率，占空比在45%-55%以下，上升沿在3-5ns以内，电压幅值在10-15V的方波脉冲信号输出，并设置了脉宽为50ns、100ns和150ns的，占空比控制在50%左右的方波输出。

2.2温度的测量

因为汽车电路中元器件对温度的要求一般有两种，工业级的是-40℃～+85℃，军品级的是-55℃～+150℃，而点火线圈温度一般不能超过80℃，所以选择了以DS1820位核心器件的单线数字温度测量计，如图3所示，测温范围在-55℃～+125℃之间，以0.5℃递增，由液晶芯片来实时显示发动机中点火线圈的温度。

图3　单线数字温度测量计

2.3实验数据测量方法

对注入的微波信号，我们采取的是间接的测量方法，实验中使用的是Tektronix DSA 7125的示波器来读取电压信号，读取基本电路输出波。

图4　注入微波功率-线圈温度

2.4电路板和点火线圈的热电效应分析

实验中电路板和点火线圈的温度和微波注入功率的曲线如下图4所示。从图中可知随着微波注入时间的增加，点火线圈和电路板的总体温度都在上升，脉冲的热效应随着时间发生累积。但温度的初步增加对点火线圈的正常工作的影响并不是很大。

如图5所示，我们知道点火线圈的工作电压阈值是12V，由图可知当微波注入后，点火线圈的负载电压随着注入微波的功率增大而增大，基本上当电压阈值上升到17.4V时，点火线圈就出现故障或损坏。

图5　注入微波功率-线圈电压曲线

通过估算可知，在功率为约55.1dBm时，点火线圈出现故障或毁伤。

3　结论

本文在微波注入实验的基础上研究了高功率微波对车辆中连接点火线圈的发动机电子控制进行效应分析。实验结果表明点火线圈在微波注入后出现了热电效应，热效应出现了累积，但在一定程度范围呢对其正常工作影响并不显著，随着注入微波功率的增大，直至约55.1dBm时，点火线圈电压上升至17.4V左右，点火线圈出现故障或功能毁伤。

［1］Ren X R，Chai C C，Ma Z Y and Yang Y T 2013 J.Xidian University 4036 （in Chinese）.

［2］Ren X R，Chai C C，Ma Z Y，Yang Y T，Qiao L P，Shi C L and Ren L H 2013 J. Semicond.34044004.

［3］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T and Chen B 2012 Acta Phys. Sin. 61078501 （in Chinese）.

［4］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Chen B and Zhao Y B 2012 Chin. Phys.B 21058502.

［5］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Chen B，Song K and Zhao Y B 2012 Chin. Phys.B 21098502.

［6］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Zhao Y B and Qiao L P 2013 Chin. Phys.B 22028502.

［7］Yu X H，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Xi X W and Liu Y 2014 J. Semicond.35084011.

曾德彬（1993-），男，主要研究方向：高功率微波效应。