甚高频无线通信系统高空电磁脉冲易损性分析

杜传报， 毛从光†， 崔志同， 孙东阳， 吴 伟， 陈 伟， 吴志强， 考书婷

(1. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室； 2. 西北核技术研究所： 西安 710024；3. 北京航天晨信科技公司， 北京 102300)

高空电磁脉冲(high altitude electromagnetic pulse, HEMP)具有覆盖范围广、电场强度峰值高、响应快及持续时间短等特点，主要能量范围集中在300 MHz以下，会对工作在此频段内的无线通信设备造成严重威胁[1-2]。甚高频无线通信系统是铁路通信的主要手段之一，在大多数应用场景下都已根据防雷要求在天线端口安装雷电防护器，但由于工作频率位于HEMP频谱范围内，现有雷电防护水平是否能抵挡HEMP脉冲的冲击，是研究的主要关注点。

目前，针对无线通信系统电磁脉冲效应方面的研究主要集中在耦合响应及防护设计等方面。电磁脉冲耦合响应计算方面，文献[3]使用等效电路方法研究了偶极子天线带外响应特性，文献[4-6]使用时域有限差分方法对高功率电磁脉冲和高空电磁脉冲天线耦合响应进行了时域计算和分析，文献[7]使用矩量法和混沌多项式统计方法计算求解了高空电磁脉冲环境下单极子天线的耦合响应。电磁脉冲防护设计方面，李亚南等[8-9]针对短波通信射频前端开展了防护模块仿真与设计工作，上海交通大学尹文言团队[10]针对接收机低噪声放大器组件进行了电磁脉冲防护加固研究。此外，文献[11]针对射频组件低噪声放大器开展了损伤机理方面的研究。但是，目前关于系统级HEMP效应、易损性和效应机理方面的研究结果较少。

为分析甚高频无线通信系统在HEMP环境下的易损特性，本文开展了从环境到耦合再到防护失效完整效应链路条件下的易损性机理分析，基于可靠性理论中的应力-强度干涉模型[12-13]，开展了耦合应力计算分析，求解出关键端口和舱体内部耦合场环境的响应波形；基于耦合分析结果，针对性开展了天线和主机的脉冲辐照试验，通过效应检测获取了间接效应现象，确定了被试系统的强度水平。最后，通过效应机理的深入分析，给出了防护设计优化建议和量化防护指标。

1 HEMP环境和通信系统

1.1 HEMP环境波形

HEMP环境波形分为早期(E1)、中期(E2)和晚期(E3)3个阶段。对于天线、线缆等小尺度耦合结构主要关注E1阶段波形。E1阶段波形具有分布范围广、脉冲幅值大、频谱范围宽和作用时间短等特点，对无线通信设备威胁最大，国际标准[14]均使用双指数波形作为标准环境波形，其上升沿为2.5 ns，脉宽为23 ns，峰值为50 kV·m-1，可表示为

(1)

其中：E0=50 kV·m-1；a=4×107s-1；b=6×108s-1；k0=1.3。

E1时频域波形如图1所示。由式(1)计算可知，99%的脉冲能量均集中在300 MHz以下。

1.2 铁路无线电台

甚高频无线通信系统工作频段在甚高频30～300 MHz内，采用半双工通信制式，接收机结构类型主要有超外差式、零中频式、低中频式和带通采样等[15]。本文研究的试验对象采用超外差式通信接收机结构，如图2所示。

无线电台的天线通常安装于机车顶部，天线通常使用底馈单极子天线，如图3所示，长度为0.3～3 m，电尺寸长度位于HEMP主要能量频段范围内。

由于常规电磁兼容要求，天线是雷电脉冲冲击的主要耦合通道，天线端口通常配置有雷电脉冲防护器，防护器采用旁路泄流方式，核心器件为气体放电管或TVS瞬态抑制放电二极管，系统自带雷电防护器如图4所示。与雷电脉冲波形响应相比，HEMP标准波形上升沿快、持续时间短，雷电防护器后端残余脉冲电流仍可能造成被保护设备故障。

2 电磁脉冲耦合分析

铁路无线电台的电磁脉冲耦合通道主要分为“前门”天线耦合和“后门”舱体孔缝渗透2种。在已有效应试验中，天线耦合的脉冲能量会沿射频前端组件逐级冲击，射频组件距离天线端口越近受损伤风险越大，如低噪声放大器等敏感组件易发生损伤及性能降级等效应现象，严重威胁无线通信系统的生存能力。通常舱体具有40～80 dB范围的屏蔽性能，进入到舱体内部的脉冲能量已得到有效抑制，通过被试设备的外壳后，会进一步衰减，因此耦合场对设备内部核心电路的冲击会大幅度减弱。

由于天线是无线电台的主要电磁脉冲耦合通道，本文针对舱顶天线进行天线端口的耦合响应开展分析。将舱顶天线简化为平板单极子天线，防护器启动瞬间阻抗较低，可近似为短路，故设天线末端负载为短路负载。使用经典电磁计算方法—矩量法[16]对平板单极子天线进行理论计算。参数设置为：天线长为3 m，平板长为20 m，宽为3 m；天线安装于舱顶前部。使用电场强度为50 kV·m-1的平面波作为电场激励，沿天线方向为电场方向。图5为矩量法网格剖分示意图和时域电流响应计算结果。

由图5(b)可见，耦合电流峰值达到了430 A，会对后端设备电路有严重威胁，需使用防护器将电流峰值控制在合理水平。

利用CST计算软件计算机车舱内的耦合场。舱体假设为理想导体，长为20 m，宽为3 m，高为2.5 m。使用电场强度为50 kV·m-1的平面波作为电场激励，入射方向正对舱体前窗，电场方向垂直于地面。舱体模型和舱内耦合波形计算结果如图6所示。由图6(b)监测舱体内部控制台(距车头2 m)耦合场分布可见，耦合分量主要为y和z方向，其中z方向电场强度可达20 kV·m-1。

基于上述耦合分析结果，重点关注通过射频前端耦合效应，兼顾考虑设备主机裸露在脉冲辐照环境下的“后门”耦合效应。

3 效应试验和机理分析

3.1 脉冲辐照试验方法

使用垂直极化有界波模拟器开展脉冲辐照效应试验，该模拟器能产生上升沿为2.5 ns、脉宽为23 ns和电场强度峰值高达50 kV·m-1的双指数脉冲电场波形。选取某型铁路无线电台作为被试品，分别设计了天线脉冲和主机脉冲辐照试验，天线脉冲辐照试验电场强度峰值为50 kV·m-1，主机脉冲辐照试验电场强度峰值为20 kV·m-1，试验结束后进行功能性和性能指标测试。通信功能包括数据分组成功率、通话质量、同步性和功能模块自检等功能，性能指标包括发送功率和接收灵敏度。图7为试验方案示意图。

3.2 试验数据分析

天线辐照试验中，电场强度为10～50 kV·m-1，监测典型电场波形、天线端口和防护器后端电流耦合响应波形。图8为电场测试波形，电场强度峰值为54.5 kV·m-1。

图9为电流响应测试波形。由图9可见，天线末端电流峰值可达320 A，防护器后端电流峰值可达29 A。对防护器前后电流响应进行频谱分析对比，如图10所示。

由图10可见，防护器对天线主频响应范围区间内的频谱起到了较大幅度的限制作用。综合比较，系统自带防护器的电流泄放能力可达到90%，一定程度上可抑制HEMP引起的电流响应。

每个试验等级结束后对被试系统进行功能性检测和性能指标检测。低试验等级条件下，被试品功能和性能指标检测均为正常。当电场强度为50 kV·m-1时，经功能性检测，发现被试品出现“电源模块故障”的效应现象，系统宕机，无法工作。更换试验样本后开展主机脉冲辐照试验，电场强度为5～20 kV·m-1，最高试验等级下电场强度峰值为21.5 kV·m-1，试验结束后进行效应指标测试，被试品通信功能和指标检测未出现效应现象。

通过2种试验，可确定由天线端口耦合进入的电磁脉冲能量是造成被试品出现效应现象的主要原因，被试品自身的金属外壳能保护内部电路免受脉冲辐照“后门”耦合的影响。

3.3 效应机理分析和防护建议

对被试品展开效应机理分析，故障模块为电源板，部分限流电阻器件烧毁，器件局部烧毁的电路如图11所示。

图12为设备收发切换原理示意图，其中S1和S2分别为发射和接收通道上的射频开关PIN二极管。当设备处于发射状态时，即PTT(press to talk)为0(导通)时，电源模块的电平转换电路输出-3 V到S1 负极，呈导通态，而S2负极则接电源模块输出的500 V电压，呈截止态；反之，当PTT为1时，设备处于接收状态，S1负极接500 V电压，呈截止态，S2负极接-3 V，呈导通态。结合脉冲射频前端耦合传导机理和被试品收发切换原理，确定失效原因为：脉冲耦合电流经天线端口传导进入收发切换组件时，以负载为50 Ω时计算，耦合电流水平为30 A，脉冲耦合电压峰值约为1 500 V，损坏的PIN二极管(图12中S2)处于截止态(截止电压为500 V)，则施加到PIN二极管两端的总压差大于2 000 V。由于该PIN二极管的最大反偏耐受电压为1 500 V，故被击穿，导致电压模块的电平转换电路输出的500 V高压信号接地，通过导通的PIN二极管形成对地回路，驱动500 V高压电源将限流电阻烧毁。因此，防护设计需考虑PIN二极管的最大反偏耐受电压和截止电压，确定最大脉冲电压峰值上限为1 000 V，考虑到安全裕度，到达射频开关前端的脉冲电压峰值不应大于500 V，建议设计防护器，使后端残余电流峰值小于10 A。

综上所述，故障原因是防护器后端的残余电流冲击造成设备射频前端射频开关(PIN二极管)击穿短路，进而引发电源板内部供电电路出现短路，电流过大，部分电阻器件烧毁，造成电源板功能彻底失效故障。这是一起典型的由于脉冲冲击引起的间接效应，被冲击器件射频开关的击穿并未直接造成设备的功能和性能发生变化，而是由于其短路造成电源板部分电路短路电流急剧增大，使未被脉冲冲击的器件烧毁，进而造成功能性故障。此外，防护器泄流水平良好并不能表示防护效果优秀，防护器的设计除器件选型和天线耦合响应水平以外，更需关注被试品端口的电磁敏感特性。

4 结论

本文针对甚高频无线通信系统开展了耦合计算分析、脉冲辐照试验和效应机理分析，最后给出了防护建议。通过计算分析和效应试验确定了天线端口为主要耦合通道，射频前端电路为被试品的易损薄弱环节，在天线脉冲辐照试验中出现了设备电源模块故障的间接效应现象，由脉冲冲击引起，但毁伤器件并非被冲击器件，而是由系统自身电路模块造成。这是首次从试验中捕获到间接效应现象，对于效应研究提出了新的需求，即除直接效应外，还需研究间接效应。

在安装泄放能力优秀的避雷器条件下依然发生电源模块故障这种严重的效应现象，这就要求在设计防护器时，无论采用何种防护器，均需进一步了解设备射频端口的敏感特性，并使用旁路泄放和带通滤波相结合的组合式防护设计思路，进一步降低响应水平。基于效应机理的分析，本文给出了防护设计的残余电流指标要求。决定防护器设计是否有效的理论依据基于应力-强度干涉模型，应力依赖于环境和耦合结构的电磁计算，决定防护器件类型和启动电压等参数，而强度则依赖于系统本身的端口电路特性，决定防护器残余电流的设计要求。通用防护思路只能解决防护有无问题，只有综合考虑耦合响应、设备敏感特性和防护器件特性3种因素，才能实现精细化防护，提高防护水平。下一步将基于本文研究结果，开展防护设计优化和验证试验方面的工作。