高功率微波电磁脉冲对铁路PCB类设备的危害影响及防护措施研究

魏 波，张中源，余国泰

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2.东南沿海铁路福建有限责任公司，福建 福州 350013）

1 高功率微波电磁脉冲

高功率电磁脉冲主要分为三类：一类是雷暴雨，这类雷暴是由雷云和雷云附近的地面突出体组成，当其电场大于25～30 kV/cm时，会使大气绝缘发生强烈的放电，并伴随着高达2 000 ℃的高温，使周边的大气或其他物质迅速膨胀，从而引起强烈的电磁作用，造成辐射。二是高能超宽频电磁武器的高海拔核爆。它是利用核能五大危险中的一种，可以在短时间内破坏或者破坏远处的电子设施。这一点从苏联在冷战期间对美国的西部进行的测试中就已经得到证实。高海拔核爆产生的电磁脉冲是一种高能的电磁脉冲。三是强冲击式的高能量微波。它是一种新型的定向能武器，通过高能微波对目标进行破坏，其工作频段为100 MHz～300 GHZ，总能量达到100 MW～100 GW，同时具备更高的工作带宽和更高的工作寿命。它是利用高能微波辐射源发出的高增益定向天线，在太空中形成高强度、高指向性的微波波束，可以对电子器件进行损坏，使其无法发挥正常的作用。

由于铁路强弱电系统内部存在着大量的控制单元和传感器等电子PCB设备，若未来我国铁路受到敌对势力的高功率微波电磁脉照射，则强电磁脉冲会通过耦合方式进入系统中感应出过电压和过电流，再通过传输线、天线等进入电子元器件中。这会使设备内部的数字电路产生热效应烧毁、浪涌效应的击穿，造成元器件CMOS电路栅氧化层或金属化线间截止击穿、半导体器件的P/N结烧毁等，轻则导致铁路强弱电装备信号传输中断，严重时将会导致系统完全被摧毁，后果将不堪设想，因此针对高功率电磁脉冲的防护成为铁路电磁防护的关键。

2 高功率微波电磁脉冲对铁路PCB设备的危害评估

文章研究HPM对铁路PCB设备危害评估属于大场景的电磁环境效应分析，特点是：空间范围大，从几百米到数公里；频率高、频谱宽，从100 MHz到300 GHZ。单纯的数值分析方法难以分析如此大的场景，而单纯的近似算法又不能精确计算，进而无法计算HPM干扰与PCB电路之间的复杂耦合关系。因此，研究HPM对铁路PCB设备的电磁效应适合采用混合接力算法，即采用严格的数值分析和近似算法结合的方法，既能满足复杂场景计算的要求，又能解决复杂电磁环境效应的计算速度和效率问题。此外，文章对HPM干扰源的分析和建模将通过采用射线跟踪法（采用软件：EastWave）仿真干扰源的传播过程，得到被干扰对象附近的电场分布，然后，以被干扰对象附近的信号为辐射源，采用全波仿真FDTD数值方法（采用软件：CST和EastWave），严格计算冲击源对被冲击对象的影响情况。建模仿真思路如图1所示。

图1 建模仿真思路

2.1 HPM建模及空间辐射特性仿真分析

HPM电磁脉冲功率通常为100 MW～100 GW，为了评估HPM对PCB设备的影响，文章仿真选定功率较小的HPM冲击源（功率为1 GW）进行建模仿真。冲击源的辐射天线形式为抛物面天线，仿真参数设置如表1。

表1 冲击源仿真参数表

通过EastWave软件进行建模仿真，可以分别得出代表1 GW功率HPM冲击源辐射特性的近远场场图和空间变化规律及电场值，HPM电磁脉冲在主瓣方向的能量最强，当被辐射器件裸露在HPM主瓣方向时，所受影响最大。

2.2 铁路PCB器件建模及电磁冲击仿真分析

文章选取了典型端口带有信号耦合线圈的铁路应答器PCB电路板。通过使用EastWave软件中“自定义”计算模式，设置电路板内各引脚的对地阻抗，来模拟仿真计算铁路应答器PCB板路面对HPM电磁脉冲的不同距离照射时，铁路应答器 PCB板中的电场分布。

2.2.1 铁路应答器PCB电路建模

选取的辐射源频率范围为50 MHz～18 GHz，为了更好地模拟辐射源在频域和时域对铁路应答器的影响，本仿真建模将辐射源频率归一化在1～2 GHz范围内，并选取PCB板环形天线的宽度为1.55 mm、介质层厚度为0.32 mm（1/700波长）、介电常数为4.8。其中环形天线内部的最小尺度是0.55 mm，约1/400波长（1.3 GHz）。

2.2.2 裸露状态下PCB受冲击影响仿真结果

通过使用CST和EastWave软件仿真，可得出铁路应答器PCB电路内环形耦合线圈端口感应电压和内部端口感应电压与频率的相互关系，其频域影响关系可以得知铁路应答器PCB板内部环形耦合线圈端口在辐射源归一化频率为1.06 GHz时感应电压最大，达到了0.018 V，因此可知当HPM电磁脉冲源工作在低频段时对铁路PCB设备影响较大。

在时域方面，结合上一节1 GW HPM电磁脉冲源空间电场强度仿真结果和FDTD数值方法，可得出实际辐照信号下铁路应答器PCB板内部器件端口和环形耦合线圈端口的感应电压随距离的关系。

2.3 影响危害评估

目前，铁路元器件PCB板大部分为COMS和TTL器件集成电路，其一般工作电压在3.2～3.6 V，额定工作电压为5 V。根据COMS电平标准输入电压正常工作范围L：＜0.3＊Vcc；H：＞0.7＊Vcc，即最小输入电压小于0.96～1.08 V时认为设备可以正常工作，所以取感应电压1.0 V为电子设施无影响的临界值。因此，将HPM铁路电子设备受冲击电压的影响分为三个等级，分别为无影响、干扰和损伤，其具体定义内容如下表2所示。

综合表2的内容进行分析，可得出本次仿真模型下，HPM电磁脉冲辐射下铁路PCB设备元器件的具体的影响情况。由表3可以看出，在功率为1 GW的HPM电磁脉冲的主瓣照射下，铁路应答器PCB板内部的环形线圈和内部端口都会在不同的照射距离下产生不同等级的损坏效应，轻则造成干扰，重则造成损伤，都不能使应答器正常稳定的工作，进而影响铁路的行车安全。

表3 HPM电磁脉冲辐射对铁路应答器PCB板内部的危害影响情况

3 铁路PCB设备电磁防护措施建议

针对铁路强弱电系统和设备的HPM电磁脉冲辐射防护是一个系统工程，防护措施可以分为工程类、技术设备类和监测告警类。其中，工程类措施通常是对强弱电设备加盖混凝土对外界干扰进行屏蔽的站前防护；技术设备类主要通过对铁路强弱电设备采用加设防护模块、采用屏蔽电缆、控制柜体密封性和接地来实现；监测告警类则是通过在铁路沿线部署电磁脉冲测量预警装置对HPM等电磁脉冲进行监测报警，以便调度管理和作业单位采取紧急措施。由于PCB电路板均集成于铁路强弱电设备内部，在面对HPM电磁脉冲冲击时，除了要做好各设备外部的整体防护外，也需要针对PCB电路板做好自身的抗干扰设计，设计措施可归纳为以下几点。

3.1 PCB电路板内部设计防护

（1）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

（2）IC元件要尽可能地与线路板焊接，不要采用IC插座，另外，滤波器及限幅电路的布局也要适当，并且要尽可能地接近IC管脚。

（3）采用串联一条电阻器的方法，减小了在控制回路中的跳跃率。

（4）尝试对继电器等的线圈执行元件，在绕组上并联一个RC衰减回路。

（5）采用最小的时钟频率，以符合该系统的需求。

（6）对于输入到印制电路板上的讯号，应采用过滤和保护装置，来自高噪声区的讯号，亦应加以过滤和保护。

（7）为了降低高频讯号在外部的辐射和耦合，印制电路板尽可能地采用45°折线代替90°折线。

（8）时钟信号、母线及芯片选择信号应与输入输出线路及插接器保持一定距离。

（9）将类比电压输入端和基准电压端尽可能地与数位线路的讯号线分开，尤其是与时钟保持一定距离。

（10）易受噪音影响的线路，不能并行于大电流、高速度的切换线路。

（11）一种微弱的信号线路，在其附近不构成一个电流回路。

（12）没有一个信号构成回路，如果是必然的话，则使回路区域尽可能地减小。

（13）一种去耦电容，用于每一IC。在每一个电解电容器的旁边必须加上一个小型的高频旁通电容器。

（14）在配线上，应尽可能地减小印制导线的非连续性，如导线宽度不得突然变化，导线的转角要避开锐角，禁止绕圈等。

3.2 PCB电路板接地设计防护

（1）地线设计的原则：将PCB电路板的数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。其中，低频PCB电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地，而高频PCB电路尽量采用多点接地的方法，以避免单点接地时地线过长造成的天线辐射问题。

（2）接地线构成闭环路：只由数字电路组成的PCB电路板，其接地电路布成闭环路。

（3）单面板和双面板用单点接电源和单点接地，电源线、地线尽量粗，用多层板以减小电源、地的容生电感。

（4）尽量加粗接地线，若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗。如有可能，接地线的宽度应大于3 mm。

4 结语

随着电磁武器技术的日益成熟，电磁脉冲武器将向着功率更高、频谱更宽、脉冲前后沿更窄的方向发展，对各种基建设施的电子设备威胁也日益加重。因此，在随着我国铁路朝着智能化、一体化的发展方向的同时，对各种铁路电子设备的防护也应引起各方的重视。铁路电磁兼容除了采用一些基本外部防护技术之外，更关键的是要制定和完善各种设备内部PCB器件的电路、模块、系统的电磁防护标准和设计防护要求，采用新技术、新思路不断发展铁路设备内部PCB元器件的防护措施和设计标准，并且将防护标准列入设备的设计、生产和验收全过程，提高我国铁路强弱电设备在强电磁冲击下的生存能力。