车辆强电磁脉冲条件下的分层防护及验证方法探讨

聂秀丽，赵晓凡



车辆强电磁脉冲条件下的分层防护及验证方法探讨

聂秀丽，赵晓凡

（中国北方车辆研究所，北京 100072）

目的 提高地面整车装备在强电磁脉冲环境中的生存能力，研究高场强条件下的分层电磁防护技术。方法 研究强电磁脉冲干扰的车辆耦合途径，在综合考虑车辆生存能力、功能任务、费效比等因素的前提下，探讨从元器件级、设备分系统级、整车级进行电磁防护的方法，并提出验证方法。结果 提出了基于分层的电磁防护措施，探讨了外部射频电磁环境适应性测试和电缆束瞬态传导敏感度测试等验证方法。结论 要提高地面整车装备在强电磁脉冲环境中的生存能力，应当继续研究强干扰条件下的分层电磁防护技术，并通过整车试验进行防护效能验证。

强脉冲干扰；耦合；电磁防护；整车验证

未来战争是信息化条件下的局部高科技战争，相当多信息装备的战技指标都是通过大功率辐射来实现的。各类大功率雷达和发射机广泛应用，电磁脉冲武器及高功率微波武器屡见不鲜，其形成的强场电磁环境，破坏效果远超一般电子战设备，对装备车辆构成严重威胁。与此同时，传感器技术、计算机技术、微电子技术广泛应用于各类装备车辆，这些技术在不断提高车辆信息化程度的同时，也在不断提高车辆的电磁敏感性。两种趋势形成了尖锐的矛盾。基于上述背景，需要开展强电磁脉冲条件下的防护技术研究，改善装备车辆的电磁兼容性能，从而使车辆在复杂的外部电磁环境下能够保持生存能力，完成指定任务。

文中主要针对强电磁脉冲条件下整车电磁防护及验证方法开展了初步探讨。首先，针对整车系统阐述了强电磁脉冲的主要耦合途径及危害。在此基础上，探讨分层防护方法，结合强电磁脉冲对整车的作用机理，探讨在器件、分系统、整车层面的电磁防护措施。最后，提出了防护的验证方法。

1 强电磁脉冲的耦合途径及危害

随着军用雷达以及射频发射机的发射功率越来越大[1]，电磁脉冲（EMP）武器、高功率微波(HPM)武器大量出现，以及高空核电磁脉冲(HEMP)、雷电等的影响，装备车辆所处的战场电磁环境日益恶劣。如何提升装备车辆对未来战场可能出现的各类高峰值电磁脉冲的防护能力，已经得到越来越多的关注。

结合IEC61000以及美军标MIL-STD-464[2]中对于电磁脉冲时域波形的描述，其主要特征为：脉冲上升时间短、幅度大、瞬时峰值功率高。其中，脉冲上升时间短是最重要的特征，覆盖的频谱很宽[3]，能在很宽的频率范围内产生耦合作用。强电磁脉冲的信号特征使其可对车辆产生极大的危害。根据干扰造成破坏的程度，一般可分为干扰、降级、损伤、损毁等四个等级[4]。电磁脉冲影响车辆内部电子电气设备的方式分为“前门”耦合和“后门”耦合两种途径，如图1所示。

1.1 “前门”耦合及危害

“前门”耦合是指能量通过天线、射频部件等媒质耦合进车辆的接收机和发射系统内[5]。对于通信、指控类车辆而言，通常配备有各类电台（短波、超短波、高速数据台等）、卫星通信、敌我识别、导航设备等，通过外置天线接收语音、数据、图像等有用信号，完成组网通信、指挥控制等功能。这些天线在受到外部强电磁脉冲干扰的情况下，成为强干扰信号的耦合路径，对车内通信设备，以及敏感电子设备产生影响。一方面，影响车辆的正常通信、指挥、控制等功能；另一方面，强电磁能量通过天线耦合后可转换为瞬态电流和瞬态电压，破坏各种敏感元件，如传感器和电子器件，使元器件功能紊乱，甚至永久失效等。部分车载通信设备及工作频段如图2所示。

1.2 “后门”耦合及危害

“后门”耦合是指能量通过各种窗口、线缆进入车辆内的途径。在装备车辆中，由于结构设计和功能上的需要，不仅设置了各类观瞄探测类窗口、舱门，还包括各类连接缝隙、进出排气孔、通风口等。强电磁脉冲产生的瞬态电磁场会穿透车辆的壳体结构，通过这些“窗口”耦合进入车辆内部，形成击穿效应。

电源线、信号线组成的线缆网引入车辆的干扰也是后门效应不可忽略的一部分。在装备车辆中，包含各类信息处理设备，广泛应用各类线缆连接不同的电气与电子系统，实现供电与信号的有效传输。外部强电磁脉冲产生的干扰信号通过在线缆表面感应出瞬时电压和电流，沿线缆传输。一方面，可通过干扰电源线，影响用电设备的正常供电；另一方面，电源线可通过线束间的串扰作用，对控制信号线等产生影响，危害信息的正常传输，还可通过线缆影响终端设备的正常工作。

另外，强电磁脉冲瞬时辐射功率较大，可在车体表面形成表面电流，影响车体地电位，干扰装备武器系统等的正常工作，甚至导致误操作，危及车辆安全。

如前所述，装备车辆中前门、后门耦合途径如图3所示。

图3 车辆中“前门”和“后门”耦合途径

2 强电磁脉冲的分层防护法

车辆电磁防护是一项系统工程，在综合考虑车辆生存能力、功能任务、费效比等因素的前提下，将电磁防护技术在研制的各个阶段进行贯彻和落实。从最初的器件加固，到设备间线束布局、接口设计，到整车屏蔽完整性、天线布局与接地设计等，逐层防护，针对“前门”和“后门”耦合通道，采用屏蔽、滤波、接地和加装保护电路等措施[6—7]，最终实现良好的整车防护性能，如图4所示。在器件级、设备分系统级、整车级分别采取相应的防护措施，层层落实，保障整车系统具备在恶劣强电磁脉冲辐照环境下的生存能力。

2.1 元器件级防护

元器件作为车辆的基本组成要素，元器件的选择和布局设计对电磁防护能力影响很大。

2.1.1 防护器件选择

随着技术的高速发展，各类半导体器件、功率器件和电路元件发生了很大的变化，开关频率越来越高，耐压值增大，敏感性越来越高，抗干扰能力下降。因此，在满足所需功能的前提下，选择具有较高抗干扰能力的器件至关重要。

1）采用瞬态防护器件。对于强电磁脉冲而言，瞬时感应的高电压是系统干扰或毁伤的主要原因，加入瞬态防护器件，将瞬态高电压旁路到地上，可以降低强电磁脉冲干扰影响。

2）增加限幅器，使低功率电平的信号通过，而高功率电平的信号受到衰减，保护高灵敏度接收机不被大功率脉冲信号烧毁，降低“前门”效应。限幅器件选用功率承受能力较高的二极管来实现。

3）考虑到强电磁脉冲覆盖的频带较宽，产生的干扰具有频率选择性，选择干扰抑制器件或功率吸收元件也是十分重要的。可采用电阻器、电容器、电感器等无源器件组合进行干扰信号的旁路、吸收、隔离、滤除和去耦。

2.1.2 元器件布局

为提高电磁防护能力，在选用加固器件的基础上，还应对元器件进行合理布局，注意减少器件间的干扰和相互影响，增强电磁防护能力。作为一般的原则，主要有以下几个方面。

1）按电路流程安排各功能器件的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一定的方向。

2）以核心器件为中心，围绕它进行布局[8]。

3）合理排列元器件。产生骚扰的元器件和敏感元件要尽量分开。低电平级和高电平级的元器件，低功率级和高功率级的元器件，应按输入和输出方向顺序排列，避免将高电平、高功率的信号耦合至低电平、低功率的器件，造成反馈骚扰。

4）尽可能缩短高频下工作元器件连线，减小环路面积。

2.2 设备分系统级电磁防护

强电磁脉冲进入车体内，在设备连接线束上感应出瞬时电压和电流，进而对终端设备产生影响。因而，在设备分系统级，主要对互连线束及设备接口进行防护设计。

2.2.1 线缆防护

设备间互连线束一方面可起到天线的作用，接收外部的电磁干扰；另一方面起到传导路径的作用。由于导线之间存在较大的分布电容和互电感，外界干扰通过线束串扰的方式耦合到其他设备，对其他设备产生干扰。

1）线缆布局。外部电磁脉冲耦合进车辆内部线缆产生干扰，线缆上能量的耦合很大程度上取决于线缆的布局。一方面，应该尽量减小线缆与外部强场源之间的耦合，尽量避免线缆穿过车体或结构件上的开口、不连续搭接或非金属结构，将靠近外部的线缆就近依靠金属壳体结构良好接地。另一方面，布局时考虑减小线缆间的串扰耦合。由于车内空间有限，无法满足线缆拉开足够间距的要求，致使电缆间耦合非常严重，因此，在线缆敷设时，应考虑以下几点：将线缆分为电源线、信号线和射频线缆，不同类型线缆分开走线和捆扎，并尽量保留一定的敷设间距，减少敏感线缆间的平行布线；减小线缆的数量和长度，建议采用分布式布线；接地线应尽量短；电台的天线馈线应单独布线，并贴近车壁走线，尽量靠近电台主机或天线调谐器，拉开与其他线缆的间距。

2）线缆屏蔽。为提高抗扰能力，装备车辆一般采用屏蔽线，且屏蔽层良好接地。对于任务关键性设备的线束，如电控单元ECU线束，除采用屏蔽线外，还可进行铠装。对于高频信号传输线（如高速CAN 总线），可采用光纤或同轴电缆替代，增强信号传输的可靠性，降低电磁脉冲的干扰影响。

2.2.2 接口设计

对于电气连接器，由于通常为塑料制品，即使与屏蔽线缆相连，也不具备屏蔽效能。可考虑为连接器加装金属屏蔽壳，或采用其他措施，与接插件电连接器插头配合后，其屏蔽效能大于或等于相同长度屏蔽电缆的屏蔽性能。

2.3 整车系统级电磁防护

高场强电磁干扰信号可以通过天线、电源线、信号线、传输线等媒质线性耦合到车辆内部，破坏前端电子设备，也可以通过散热孔、通风孔等孔洞或缝隙耦合到车辆内部，干扰或烧毁电子器件（微处理芯片和半导体器件等）和电路，使设备无法正常工作。

在整车级防护时，主要针对“前门”和“后门”效应入手，通过改善车体的屏蔽完整性、天线布局以及接地设计来提高车辆的整体防护效能。

2.3.1 整车壳体屏蔽

在各种电磁防护措施中，最简单有效的方式就是进行屏蔽。金属结构的车体是一道有效屏障，对电磁波起到很好的防护作用。然而，屏蔽效能在更大程度上依赖于壳体结构，即屏蔽体的完整性。基于功能和生存的需要，车辆设置了各种窗口，包括通风窗、观察窗、仪表安装孔、缝隙、电缆孔等，破坏了屏蔽的完整性，电磁波通过这些缝隙、孔洞泄漏进去[9]，直接作用于电子设备或元器件，造成设备状态紊乱或损伤。

影响屏蔽效能的的主要因素包括：各种大型的开孔，如车窗、观察窗等；各种通风散热孔；各种固定和活动的安装缝，如舱盖的结合缝等。如图5所示。

提高整车壳体屏蔽效能是提高电磁防护能力的重要因素。在对车辆进行外部结构研究时发现，壳体的孔洞及窗体是电磁耦合的主要部位，应根据干扰电磁波的频率和波长，合理设计开孔的尺寸，并对这些部位进行重点屏蔽。另外，还应考虑车体上线缆的防护设计。

2.3.2 天线布局

天线作为直接接收外界电磁能量的端口，是电磁脉冲“前门”耦合的主要途径。装备车辆车顶的空间是有限的，不同功能、频段天线间存在能量的相互耦合，由于天线是主动收发耦合部件，无法采用屏蔽方法，只有通过合理优化天线布局，使互耦影响减到最小，降低干扰。主要考虑以下三个方面：采用天线合路器，减少天线数量，从而减小耦合的干扰大小；天线底座应与车体表面进行良好接地，降低天线的耦合干扰；天线进入车体与通信等设备连接前，可以设置电涌保护器保护后再连接至设备[10]。

2.3.3 接地设计

装备车辆接地系统由车体和电缆组成。80%的电磁兼容问题是由于电缆和接地网络不合理造成的。首先，要尽可能多地设置接地点，将接地线尽量加粗；其次，对整车地线和电源电缆布局进行电磁兼容优化设计，合理布局；第三，确保大功率或强干扰源接地点的接地电阻足够小，接地系统电缆应尽量短，用搭接条直接与车体可靠连接，搭接条设计应保证与两连接体可靠连接。对于任务关键性系统，必须保证良好接地。

电缆线的屏蔽层接地也是非常复杂的问题，禁止设备电源负线接地与线缆屏蔽层接地共用同一接地点，需分别敷设。禁止设备电源负线通过壳体地接地。

3 电磁防护验证方法

通过之前的描述，分别从元器件级、设备分系统级、整车级探讨了进行电磁防护的方法。考虑到成本因素，进行强电磁脉冲防护还应从有效规避或局部防护两个手段入手。针对不同关键性、不同功能的系统要分别予以考虑。

对于电磁防护效果的验证，国内还欠缺具体的评估方法，需要参照国外的相关标准进行验证和评估。基本方法是：通过技术手段构建电磁干扰模拟环境，搭建整车系统测试平台，建立试验方法、指标要求进行测试，从而对电磁干扰防护设计进行验证，进而为车辆总体电磁环境效应试验验证技术研究创造条件，提升信息化装备总体设计、试验验证能力，提高装甲车辆在未来战场复杂电磁环境中的生存能力。

3.1 科学选择验证项目

首先定义装备车辆的背景环境和威胁环境，给出干扰类型、干扰样式、干扰量级及响应机理，规定采购方和设计方认可的环境定义、考核项目及设施方法，逐步开展试验考核。这是量化验证评估的基础，也是一个难点，如何精确定义干扰环境还需持续开展研究。

针对强电磁脉冲干扰环境适应性验证考核来说，对于不同的项目和干扰强度，产品将经历从干扰到毁伤的不同阶段，防护设计的阈值直接关系到产品的生存性。对于一个特定的装备来说，最终的考核项目和限值的选择方法主要是参考相关标准来选择。在标准不具体的情况下，需要重点考虑装备战技指标、电磁干扰对功能的威胁程度、试验的可实现性和结果的可评估性，根据其功能特点和电磁干扰的影响程度来选择具体考核项目和考核等级是非常重要的。

当前，国内主要采用试验测试的方法对整车系统的强电磁场防护设计措施进行验证。根据强电磁场耦合进整车系统的干扰途径，主要通过两种测试方法对防护设计进行验证，即外部射频电磁环境适应性测试和电缆束瞬态传导敏感度测试。

3.2 外部射频电磁环境适应性测试

外部射频电磁环境适应性测试是通过形成空间辐射场的方式对整车系统在高场强条件下的防护效能进行试验验证和评估。

具体的验证方法是：由电场发生装置产生规定场强的电场，通过天线将该电场辐射至受试车辆，考核其设备和线缆是否由于外部强辐射场的耦合形成干扰信号，使整车系统受到影响而产生敏感现象[11]，测试配置如图6所示。

图6 外部射频电磁环境适应性测试

测试中，应选择强电磁脉冲最易耦合进整车系统的位置，如车辆结构性孔缝（门缝、舱门以及缝隙、通风窗等）、任务关键性设备和安全关键性设备位置处等，从而能够更好地对各层防护效果进行判断。根据系统受强场干扰程度的不同，测试结果可以分为四种情况：干扰撤销后能够自行恢复正常的瞬时敏感现象（含未出现敏感现象）；工作失常，干扰撤销后无人为干预下，无法自行恢复的敏感现象；关键器件性能下降或非关键器件失效现象；永久性毁损或损伤。结合试验中出现的敏感现象验证各层防护措施是否到位，从而对被测系统的强场防护设计作出评估。

外部射频电磁环境适应性测试能够基本反映整车系统强电磁场的防护效能。目前的各型装备车辆在进行整车电磁兼容试验时，按照GJB 1389A的要求[12]，进行外部射频电磁环境适应性测试的验证。对于强电磁脉冲而言，还应进一步研究其信号特征，修正施加场的功率幅值、干扰持续时间等。对于出现敏感现象的系统，逐层分析其防护设计是否已经落实，对于未落实到位的防护措施，应该进行整改，并再次进行验证，直至达到敏感度判据要求。

3.3 电缆束瞬态传导敏感度测试方法

电缆束瞬态传导敏感度测试是一种模拟电缆束电场感应效应的替代方法。通过模拟系统外部瞬态环境产生的干扰在线缆上的耦合，考察设备承受感应到互连电缆上的脉冲及阻尼正弦瞬变的能力，即可以对线缆的防护效能进行评估。主要包括电缆束注入脉冲激励传导敏感度测试和电缆束及电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度测试。

具体的验证方法是：通过传导注入的方法对整车安装的电缆施加干扰（主要针对关键电子电气系统或易耦合外部信号的部分），测试配置如图7所示。

通过前面的研究，线缆是实现强电磁场防护的重要环节。车辆中线束众多，布局繁杂，仅依照GJB 151B[13]的方法对设备部件级进行该项试验无法验证在整车集成后的防护效能，因此应在整车系统中进行该项测试，更加有效、全面地验证整车中线束的强场防护措施。在目前的各型车辆中进行整车电磁兼容试验时进行了该项测试，以验证系统线缆防护的性能。

3.4 验证结果的分级评估

对强电磁脉冲的防护设计进行整车验证后，应依据系统的重要程度、任务与安全关键性，对防护效果进行分级评估，例如允许非关键系统在进行试验验证时，发生一定的敏感现象。对于任务关键性、安全关键性系统要加严评估。

4 结语

信息战已经成为现代战争的主要特点，高场强辐射是现代化战争中武器装备最大的威胁之一，将会大大改变未来战争的样式和战术。为提高地面整车装备在强电磁脉冲环境中的生存能力，应当继续研究高场强条件下的分层电磁防护技术，逐层设计、逐层防护，并通过整车系统级电磁兼容试验对整车电磁防护效能进行试验验证和分级评估，提升装备在复杂电磁环境下的生存能力和作战效能。

[1] 谭志良, 胡小锋, 毕军建. 电磁脉冲防护理论与技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013.

[2] MIL-STD-464, Electromgnetic Environmental Effects Requirements for Systems[S].

[3] 朱礼杰, 沈卫东, 王建立. 通信车电磁脉冲耦合及防护分析[J]. 移动电源与车辆, 2012.

[4] 钱宗峰, 张德兴, 曹学军.现代战争中电磁脉冲武器的战场运用及防护[J]. 装备与技术, 2006(33):.

[5] 卢新科. 电磁脉冲的耦合及防护[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2009.

[6] 周壁华, 陈彬, 石立华. 电磁脉冲及其工程防护[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[7] 张兴华, 张建华, 尹成友. 高功率微波武器及其应用[M]. 北京: 解放军出版社, 2003.

[8] 田建学, 魏俊淦. 机载设备电磁兼容设计与实施[M]. 北京: 国防工业出版社,010.

[9] 孙学士. 汽车电子设备电磁屏蔽措施及屏蔽效能测试研究[D]. 吉林: 吉林大学, 2012.

[10] 刘培国, 李高升, 周东明. 电磁兼容维护技术[M]. 北京: 科学出版社, 2015.

[11] 陈淑凤, 马蔚宇, 马晓庆.电磁兼容试验技术[M].北京: 北京邮电大学出版社, 2012.

[12] GJB 1389A—2005, 系统电磁兼容性要求[S].

[13] GJB 151B—2013, 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量[S].

Discussion on the Layered Protection and Verification Method for the Vehicle under the Condition of Intensive Electromagnetic Pulse

NIE Xiu-li, ZHAO Xiao-fan

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Objective Improve the ground equipment in strong electromagnetic pulse of the environment of survival ability, the high field strength under the condition of stratified electromagnetic protection technology. Methods The vehicle coupling way to the strong electromagnetic pulse interference, in consideration of vehicle survivability, functional task, under the premise of factors such as cost effectiveness, discussed from levels of components, equipment subsystem, the vehicle level method for electromagnetic shielding, and validation method is put forward. Results Is proposed based on hierarchical electromagnetic protection measures, this paper discusses the external electromagnetic environment adaptability test and the cable of the radio beam transient conduction sensitivity test validation method, etc. Conclusion To improve the ground equipment in strong electromagnetic pulse of the environment of survival ability, should continue to study under the condition of strong interference hierarchical electromagnetic protection technology, and through the vehicle test verifies the protective effectiveness..

intensive pulse interference; coupling; electromagnetic protection; vehicle verification

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.008

TJ811

A

1672-9242(2017)04-0036-06

2016-10-31；

2016-11-31

聂秀丽（1988—），女，山东人，工程师，主要从事车辆电磁兼容研究。