某型车载电台强电磁脉冲环境效应仿真和试验

刘树中，陈岳承，田博，卢治钢

（华阴兵器试验中心电磁环境适应性试验鉴定与评估重点实验室，陕西华阴，714200）

关键字：电台；强电磁脉冲；环境效应；耦合；仿真；辐射；辐照试验

0 引言

电磁脉冲试验【1】是 GJB1389A-2005 和 GJB151B-2013 的重要项目。武器装备的通信电台是指挥控制系统中枢，生存能力至关重要，且通信电台工作频段与电磁脉冲频谱重合度高，遭受电磁脉冲攻击风险很大，电磁脉冲环境适应性考核具有十分重要的意义。对于电磁脉冲效应研究很多，文献[2]基于电磁脉冲场路耦合仿真，对设备机箱内串口电路信号完整性问题进行了研究，文献[3]采用仿真方法对实装情况下的车载单极子天线耦合变化规律进行了研究，文献[4]分析了强电磁脉冲对车辆的作用机理,确定了车辆总体防护指标；文献[5][6]对通信类实装的电磁脉冲效应阈值进行了试验研究。但是，对于电台类整机设备电磁脉冲效应试验结果，公开文献较少。本文选取某型车载通信电台作为分析对象，通过仿真方法对其耦合特性进行分析，并据此开展威胁级辐照试验研究，得到了有益结论，可为电磁易损性评估和防护加固提供依据。

1 电磁脉冲对电台毁伤机理

电磁脉冲能量进入电台内部的路径分为2类：前门耦合和后门耦合【7】。前门耦合主要是天线耦合；后门耦合则主要是通过机箱孔、缝和线缆耦合进入。电磁脉冲能量经过不同路径进入内部电路，形成脉冲电流和电压，与有用信号叠加，导致解调、判别错误，如果耦合能量足够大，则造成半导体器件内部介质击穿、电阻器电阻值改变或击穿、电容器绝缘特性改变等电效应。对于集成电路来说，由于端口、通路多，效应会成倍增加。对短暂电击穿，功能尚能部分恢复，如果能量足够大，形成热击穿，则会造成永久性的损毁【8】。

某型通信电台含三个单元：主机、手持话筒、射频天线。主机含机壳、电路主板、前面板。话筒通过信号线与主机连接，天线为鞭状天线，通过同轴馈线与主机连接。手持话筒和主机通过8芯线连接；显示屏和主机通过8芯带状线缆连接；电源通过两根分立绝缘导线连接到主机。

主电路板位于金属主机壳内，前门耦合对其射频前端电路影响很大，可影响信号接收、处理模块；电源线位于主机机壳后方，电源线后门耦合电流也可进入电路板，对所有电路器件形成干扰；手持话筒线，产生场线耦合能量进入主机，对其控制电路和音频处理电路产生干扰。主机金属外壳上的进出线口、通风散热孔等则形成孔缝耦合。

2 电台电磁脉冲耦合仿真

2.1 建立模型

(1)主体

电台整机尺寸 140×44×207（mm），采用全尺寸建模，导入CST微波工作室。图1是电台的外形结构，两个部分：前面板非金属材料、主机外壳金属材料。将主机外壳设置为理想导体，厚度4mm。

图1 电台外形

机箱过孔有3个：前面板显示屏接线过孔、话筒接线过孔、电源线过孔。外壳散热孔缝2组，位于外壳的上表面。此外，还有1个通风口和1个单极天线同轴接口，如图2所示。

图2 模型中的接口、孔缝和天线

(2)天线

天线为鞭状天线，经同轴电缆与主电路板相连。同轴电缆采用实体结构模型，外层屏蔽层采用圆桶状壳体等效，电缆内外导体均为理想导体，同轴电缆特征阻抗设为50Ω。鞭状天线采用1m长圆柱模型。天线末端加50Ω电阻负载。通信话筒尺寸小，对电磁脉冲耦合小，话筒不作为实体出现，仅作为话筒线的负载。

(3)电缆

含3条互连电缆：显示屏电缆位于主机壳内部，长度0.12m；外接话筒电缆和外接电源电缆的走向设置遵循效应最大化原则，走向兼顾两种极化方向，沿-z和-y方向，电源线长度0.61m，话筒线长度0.60m。

三条电缆线型横截面如图3所示。话筒电缆为8芯非屏蔽电缆；显示屏电缆为8芯的扁平非屏蔽电缆；数据线线芯直径0.3mm。电源线为两根独立导线，线芯直径2mm。线芯均为铜质。

图3 电台模型中的电缆路径和电缆截面

图4 两种入射方式

电缆负载：电源线供电一端负极短接到地，正极接1kΩ电阻，负极对地短路；话筒线和显示屏线两端的负载设置相同，2条线芯对地接0.1Ω电阻；2条设置为共模状态，对地负载分别为50Ω；另外4根设置为差模状态。

2.2 耦合仿真

2.2.1 条件设置

激励源采用平面波，2种照射方向：（1）在电台右侧，由X轴水平方向入射，电场矢量沿Y方向，垂直于地面；（2）从顶部垂直向下照射，电场矢量沿X轴，平行于地面。电场脉冲采用GJB1389A-2005标准波形，10kV/m-50kV/m。计算频率最高为200MHz。

2.2.2 仿真结果

以下是50kV/m场强时的线缆芯线感应电流以及天线端口负载电压仿真结果。

(1)电源线

水平照射时，供电侧感应电流最大值为96A；设备一侧最大感应电流峰值78A；垂直照射时，供电端最大耦合电流峰值为40A，设备一侧最大感应电流峰值35A。水平照射产生的耦合电流大于垂直照射。

(2)话筒线

水平照射最大峰值耦合电流为33A左右，垂直照射最大峰值电流17A。总体来说，话筒线的耦合量小于电源线。垂直照射耦合电流均小于水平照射。

(3)显示屏线

显示屏线耦合电流很小，无论共模还是差模，峰值都在100毫安以下。两个方向照射耦合电流差别不大。

（4)天线响应

水平照射，天线馈电端口峰值电压达到 6000V（电流 120A）；垂直照射时，耦合电压达到1200V（电流24A）。电场方向与天线方向平行时，耦合较大，方向垂直时，耦合量小很多。

（5）主机壳内部感应场垂直照射，产生的场强较小，最大为1100V/m；水平照射 时，峰值场达到7000V/m。

图5 电源线耦合电流

图6 话筒线耦合电流

图7 显示屏线耦合电流

图8 天线端口感应电压

图9 机壳内场强

2.2.3 仿真结果分析

(1）电台的天馈线耦合能量大，是电磁脉冲耦合最重要的通路[9]；天线垂直安装，水平照射时电场方向与天线平行，耦合能量最大。

(2)不同线缆耦合量不同，电源线耦合电流最强，其余线缆较小，为次要耦合通路。线缆长度越长，耦合能量越大，线缆走向与电场方向平行时，耦合量最大。电源线是电磁脉冲防护的重点。

(3)孔缝耦合在机壳内产生的场强为数千V/m量级，脉冲信号能量集中于低频段，在小尺寸元件上产生的感应电流较小。

3 辐照试验

3.1 试验配置

采用逼真度高的威胁级辐照方法，因电台尺寸较小，天线高约1.0m，可开展全尺寸辐照试验。试验环境采用锥形有界波模拟器，有效辐射空间尺寸为 5m（长）×3m（宽）×4m（高），脉冲源采用双指数波形，上升时间（2.5±0.5）ns，半峰值宽度（25±5）ns。

采 用FS100K型（频率范围 10kHz～550MHz）作为场强传感器，通过光电转换器和光纤与TDS5054B示波器（带宽：500MHz；采样率：5GS/s，）通路1连接；采用Pearson 8585C电流探头（频率范围：10kHz-200MHz；峰值电流500A）经过光电转换器、光纤与示波器通路2连接，监测耦合电流；为避免辐射影响，光电转换器采用金属屏蔽网包裹。

图10 脉冲电场传感器和电流探头

试验布局如图11所示，电台放置在锥形模拟器前段，高0.6m的无反射平台上，天线垂直放置，全设备位于有效辐射空间；话筒线和电源线全部采取下垂走向，可获得最大耦合。电流探头分别固定于天线馈线、话筒线、电源线中间位置；由于设备内部空间有限，显示屏线电流无检测手段，机壳内部场强无法检测。

图11 试验布置示意图

3.2 试验方法

为避免首次高场强损坏设备，采用逐步提高场强的方法，观测电台在不同场强照射下的耦合效应。根据仿真结果，确定从较低场强(10kV/m)开始，逐级增加强度，直至50kV/m或者出现效应为止。首先将电台不加电，进行辐照试验，检测各线缆和天线的感应电流，确定重点耦合路径；然后加电，处于典型通信状态，施加辐照，检验效应情况。

加电试验步骤：（1）对场强测量传输链路进行校准；（2）配置被试电台、场强探头、电流探头；（3）被试电台加电后处于典型工作状态，与场外同型号陪试电台进行正常通信；（4）开启脉冲源，采用10kV/m场强进行辐射照射，用示波器记录场强和电流波形；（5）检查电台是否出现异常，如未受扰，依次进行更高场强脉冲照射试验，如受扰，则根据受扰程度，采取降辐试验或停止试验。

3.3 试验结果

(1)不加电状态

图12为实电磁测脉冲场波形，上升时间为2.5ns，脉宽为26ns，符合军标要求。不同部位耦合电流如表1。

图12 试验辐照场典型实测波形

表1 不加电试验结果

与50kV/m仿真结果进行对比，该照射级的实际辐照场强分别为49.2kV/m、54.2kV/m、52.2kV/m，与理想仿真场略有差异；耦合电流实测结果（86.3A、67.1A、110.7A）与仿真值（120A、33A、96A）也有一定差异，但考虑真实试验环境、被测设备和仿真理想模型之间存在差异，以及测试设备的误差因素，可以说，试验和仿真结果吻合程度较好。产生差异的原因有：线缆仿真模型走向分为2段：垂直和水平，试验中线缆完全垂直走向，且实际场强大于仿真值，故而实测结果偏大；而天线仿真模型外形和材质较为理想，且仿真电流探针位于天馈线末端50Ω负载，试验中电流探头无法连接负载，只能卡在天线中间段，导致实测结果小于仿真值。总体来说，仿真能较为真实地反映了前门、后门耦合规律。

(2)加电状态

电台加电，处于典型通信状态，施加辐照。在场强峰值达到50kV/m时，电台出现跳频现象，解码紊乱，通信中断，但是重启后状态可恢复，并未造成硬件损坏。射频前端为受扰部位。

图13 辐照脉冲和耦合电流波形

表2 加电试验结果

4 结语

天馈线和电源线是某型通信电台电磁脉冲耦合主要通路，也是防护的重点。在电磁脉冲场强达到50kV/m时，产生频率跳变的受扰现象，重新启动后状态能恢复；造成故障的重点耦合通路是天线和电源线。仿真结果能反映电台各个通路的耦合情况，辐照场强和感应电流呈现线性关系；对设备建模，采用仿真方法预测耦合大小，可指导试验方案设计。电台耦合量受到照射方向影响很大，电场方向与线缆、天线方向平行时耦合最强。