指挥通信车强电磁脉冲效应仿真分析

寇科男，金晗冰，吴海燕，戴弃君

(1.北京京航计算通讯研究所，北京 100074；.成都四威高科技产业园有限公司，四川 成都 611731 )

0 引言

强电磁脉冲主要包括核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、静电电磁脉冲及高功率微波等[1]。核电磁脉冲包括高空核电磁脉冲(High Altitude Nuclear Electromagnetic Pulse，HEMP)和源区核电磁脉冲。强电磁脉冲能以多种途径耦合到电子系统中，造成电子系统功能紊乱甚至损坏，对系统构成严重威胁[2]。特别是车载指挥通信系统，装载了丰富的天线、通信模块和电子控制模块等，敏感设备更多、工作频带更宽，面临强电磁脉冲攻击的问题更加严峻[3]。因此，研究指挥通信车系统的强电磁脉冲效应和防护技术，对保障指挥通信车的作战效能和生存能力具有重要意义。本文基于时域有限积分法，通过仿真计算分析指挥通信车HEMP效应，为指挥通信车的电磁易损性评估和电磁防护设计提供数据支撑。

1 通信车强电磁脉冲耦合分析

强电磁脉冲通过前门耦合和后门耦合2种途径进入指挥通信车系统[4]。“前门”主要指天线系统，“后门”主要指门窗、孔缝和设备互联线缆。

指挥通信车的车顶布置超短波电台、无线微波传输设备及卫星通信设备等多种类型指挥通信天线，其中超短波天线通信频段是2～80 MHz，是电磁脉冲干扰和毁伤最为严重的耦合途径之一[5]。车门、车窗及观察操作的大型结构开孔、车身的电源接口窗、信号接口窗等多排引线端子，以及通风口等多种类型的结构开孔是电磁脉冲主要的孔缝耦合通道。车上电子设备繁多，电子设备之间的通信错综复杂，车内的各类电子设备与车顶的通信天线通过电源线、信号线及控制线等外露线缆进行通信连接，强电磁脉冲辐射会在线缆上感应较强的脉冲信号，干扰设备的正常工作。电磁脉冲通过这些耦合途径进入电子设备，对指挥通信车系统带来威胁。

2 仿真建模方法

HEMP是在地面30 km或以上的核爆炸与大气相互作用产生的电磁脉冲，它的电场强度高达数万V/m，覆盖频谱范围达百兆赫兹，作用半径上千千米[2]。目前公开的国内外HEMP波形标准，包括我国GJB 151B《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》和GJB 8848《系统电磁环境效应试验方法》在内，大多与国际电工委员会IEC 61000-2-9标准规定的波形一致[6-10]。该波形为双指数型数学模型，电场峰值为50 kV/m，波形的上升沿为2.5 ns，半高宽为23 ns，其表达式如下：

E(t)=kE0(e-αt-e-βt)，

k=1.3,E0=50 000,α=4×107,β=6×108，

式中，E(t)为电场强度；E0为电场峰值；k为修正系数；α，β为表征波形上升沿和下降沿的参数。

仿真模型如图1所示。指挥通信车尺寸约为6 m×2.5 m×2.5 m(长×宽×高)，HEMP从车头方向入射，照射方向与水平面夹角为45°(斜向下)。

图1 通信车强电磁脉冲效应仿真模型Fig.1 Simulation model of command vehicle irradiated by HEMP

超短波天线安装位于车顶左后侧及右前侧，天线长度约3.5 m，仿真中天线为起竖工作状态。考虑HEMP对不同区域线缆的影响，分别在车内部和车顶各选取一条典型的线缆路径，线缆类型设为非屏蔽单线和射频同轴线，如图2所示。车内沿底盘敷设的线缆，连接车载显示控制单元和车后部电子设备，线缆长度3.85 m。车顶部的外露线缆连接超短波天线和天线接口窗，线缆长度2.4 m。为考察车内耦合电场强度，在车头中部和车尾中部设置电场监测点(图2箭头位置)，获取这些位置的电场时频域波形。

图2 线缆布设和电场监测点示意Fig.2 Layout of cables and electric field probes

3 仿真结果与分析

3.1 天线耦合分析

仿真得到天线馈电端口的耦合电压时域波形和频域波形如图3所示。天线在HEMP辐照下的耦合电压波形为衰减震荡波，耦合电压峰值达17.5 kV，上升沿时间约3.2 ns。天线在20 MHz接收到的能量最大，接近天线的谐振频率22 MHz。

图3 天线端口耦合电压波形Fig.3 Coupling induced voltage waveforms onthe antenna port

根据仿真结果，进一步计算得到HEMP在天线端负载的瞬时功率峰值可达6.2 MW，远大于天线系统的工作功率，沉积能量约120 mJ，远高于典型电子元器件的毁伤阈值(如表1所示[11])，可能导致后端的放大器及开关等敏感模块损坏，使天线系统无法工作。因此，需要在天线端口增加HEMP防护手段，将纳秒级瞬态能量泄放，保护天线系统不受损毁[12]。

表1 典型元器件损害阈值
Tab.1 Damage thresholds of typical components

器件种类能量/μJ点接触二极管0.7～12集成电路10低功率晶体管20～1 000高功率晶体管1 000开关二极管70～100齐纳二极管1 000整流器500

3.2 电磁场耦合分析

仿真计算得到指挥通信车内监测点的电场波形和空间电场分布情况。图4为辐照过程中20 ns时刻，指挥通信车横向剖面的空间电场分布。车窗玻璃和门缝是电磁脉冲耦合进入车内的主要结构耦合通道，距离开孔越近，耦合的电场强度越大。

图4 指挥通信车空间电场分布图(俯视)Fig.4 Electric filed distribution of command vehicle (Top view)

2个监测点的电场时域波形如图5所示。

图5 车内电磁场时域波形Fig.5 Time-domain electric filed waveforms in the vehicle

车头和车尾位置处的电场峰值分别为25，8 kV/m。可以看出，电磁脉冲的前沿部分很容易进入车内，主脉冲的幅值从车头到车尾有很大衰减。电场波形的高频振荡，与车壁反射引起的腔体谐振有关。

监测点的电场频域波形如图6所示。车头位置电场出现2个谐振点，分别约为77，109 MHz，车尾位置电场波形谐振点分别为123，142 MHz。指挥通信车内部尺寸约为4.2 m×2.3 m×1.4 m(长×宽×高)，如果忽略车窗开孔，根据矩形腔体谐振频率计算公式：

式中，c为光速；a，b，d分别为腔体边长；m，n，p为谐振模式，估算得到指挥通信车的谐振频率TM011约为124 MHz，与车尾位置电场波形的一次谐振频率相吻合。车头位置的谐振频率低于124 MHz，可能是由于车窗开孔导致电磁尺寸增大，使谐振频率降低[13]。

图6 车内电场频域波形Fig.6 Frequency-domain electric field waveforms in the vehicle

根据电场频域波形，进一步分析指挥通信车的结构屏蔽效能情况如图7所示。

图7 通信车结构屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of the vehicle

屏蔽效能定义是空间中某点在没有屏蔽体时的场强与有屏蔽体时的电场强度或磁场强度之比，通常以dB为单位。指挥通信车结构对低频信号的屏蔽效能较大，车前位置比后方位置低10～20 dB。随频率增加，车体的屏蔽效能逐渐降低，当频率大于100 MHz时，对电磁波几乎没有屏蔽作用。

结果表明，HEMP对指挥通信车开孔窗口附近区域影响较大，车内电子设备应尽量远离开孔附近。指挥通信车内电场峰值可达25 kV/m，远高于军用设备/分系统射频连续波辐射敏感度标准要求(200 V/m)[8]，部分电子设备可能无法正常工作。指挥通信车结构的高频屏蔽效能很差，存在较大的防护设计空间。

3.3 线缆耦合分析

通过仿真得到指挥通信车上的线缆耦合电流电压情况。对于车内部的底盘线缆，裸导线和同轴线端口感应的短路电流峰值分别为6，0.6 A，开路电压峰值约300，15 V。对于直接暴露在HEMP环境中的车顶外露线缆，裸导线和同轴线端口的短路电流峰值分别为20，0.4 A，开路电压分别约1 600，12 V。外露线缆端口短路电流时域波形如图8所示。

图8 车顶线缆感应的短路电流时域波形Fig.8 Time-domain waveforms of short circuit current of exposed cables excited by HEMP

裸导线由于没有外屏蔽层，对周围电磁场环境非常敏感，产生了较大的感应信号，其感应波形与电磁场波形的变化趋势类似。而同轴线由于包裹了屏蔽层，大幅降低了芯线的耦合水平。因此，线缆的屏蔽防护具有重要的作用。

指挥通信车电子设备之间的信息传输通常工作在较低的电平，如常用的RS232串行数据信号范围为3～15 V。如果线缆采用没有屏蔽的裸导线，或者屏蔽层接地不好、遭到破坏等，则HEMP会在线缆上感应数千伏瞬态高压信号，足以造成设备功能失效甚至毁伤[14]。

4 结束语

围绕指挥通信车强电磁脉冲耦合效应，采用有限积分数值模拟方法研究了指挥通信车天线、结构和线缆的耦合特性。结果表明，HEMP耦合的瞬态能量将导致电子设备出现干扰甚至损毁等现象，这些现象极有可能导致指挥通信车执行关键紧急任务失败，带来不利影响。研究结果对指挥通信车电磁防护设计有一定指导作用，指挥通信车的天线必须考虑HEMP电磁防护设计，可在天线馈电端口增加限幅器；指挥通信车需要提高结构电磁屏蔽效能，车窗应采用屏蔽玻璃，车身结构中较大缝隙或开孔需屏蔽处理；车辆电缆应采用屏蔽线缆，接线面板应注意与结构的360°低阻抗端接，同时增加滤波和瞬态抑制设计[15]。电磁仿真是电磁防护工程的重要测试和评估手段，后续工作需要利用试验验证等方法修正仿真模型，提高仿真的准确性和有效性，实现系统级电磁脉冲问题的精确模拟，为装备电磁防护设计指标分解等工作提供支撑。