王 彥，馮柏潤(rùn)，孫海航，張 文

(沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)，110144)

1 引言

隨著科技的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)：雷電與核爆炸均可產(chǎn)生電磁脈沖(Electromagnetic Pulse)。電磁脈沖所攜帶的電磁場(chǎng)具有高強(qiáng)度，快瞬時(shí)等特點(diǎn)，極易被電子系統(tǒng)接收，從而產(chǎn)生不利影響。生活中的雷電現(xiàn)象產(chǎn)生的脈沖就是電磁脈沖中的一種，對(duì)于雷電磁脈沖的研究相對(duì)較早，并早已制定了明確的標(biāo)準(zhǔn)要求，防護(hù)措施已較為成熟?？蒲腥藛T的目光投向核爆炸產(chǎn)生的副產(chǎn)品--核電磁脈沖(Nuclear Electromagnetic Pulse)(以下簡(jiǎn)稱電磁脈沖)，它具有比雷電磁脈沖更強(qiáng)的破壞能力，所以更加受關(guān)注。上個(gè)世紀(jì)六十年代，美國(guó)在距離夏威夷群島1300km處爆炸了一顆核裝置，使夏威夷群島上大量路燈燒毀，大量防盜報(bào)警裝置無(wú)端報(bào)警，許多電力線路發(fā)生斷路跳閘。除此之外，它還能使處于影響范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)跌落，使正在運(yùn)行的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。高空核爆產(chǎn)生的電磁脈沖有如此威力，一旦作用在城市之中，銀行的電子金融系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)商的通信系統(tǒng)及我們每個(gè)人的終端設(shè)備都不能幸免，將會(huì)給我們?nèi)粘Ｉ顜?lái)極大不便。

2 電磁脈沖耦合路徑分析

為了避免敏感的系統(tǒng)受到威脅，需要分析電磁脈沖的耦合路徑。電磁脈沖可以通過(guò)系統(tǒng)的接收天線感應(yīng)到系統(tǒng)內(nèi)部，沿著設(shè)計(jì)路線匯聚電磁能量，這種方式稱為"前門耦合"；另一方面，透過(guò)殼體孔縫或互連線纜進(jìn)入系統(tǒng)稱為"后門耦合"。后門耦合中通過(guò)線纜的天線效應(yīng)接收能量的方式稱為電磁場(chǎng)到線纜的耦合(簡(jiǎn)稱"場(chǎng)線耦合")。

線纜耦合：一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)必然存在不止一個(gè)模塊，各個(gè)模塊未必在同一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的屏蔽之下。不同模塊之間電源、控制和信號(hào)的傳遞大部分依靠線纜完成。線纜往往比較長(zhǎng)，而且暴露在空氣中。電磁脈沖輻照時(shí)，線纜通過(guò)天線效應(yīng)接收電磁波，尤其當(dāng)線纜長(zhǎng)度和電磁波波長(zhǎng)可比擬時(shí)，耦合尤為嚴(yán)重。圖1是線纜遭受脈沖輻射的示意圖。

圖1 模塊間互連線纜遭受電磁脈沖輻射示意圖

線纜在系統(tǒng)互連中被大量使用。處在電磁脈沖打擊范圍內(nèi)，互連線纜會(huì)耦合大量電磁能量，并將其傳導(dǎo)到工作電路中，對(duì)工作電路產(chǎn)生毀傷效應(yīng)。高密度的MOS芯片靠極窄的內(nèi)部"芯線"來(lái)連接稠密的部件，當(dāng)遇到了超過(guò)十倍的設(shè)計(jì)電壓它將永久損壞。測(cè)試表明10kV/m的脈沖就足以引起廣泛的破壞，感應(yīng)電荷的能量比系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要大10億倍。這不僅能燒壞器件，某些情況下可以將關(guān)鍵部件熔化。因此，未加固的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)、顯示器、信號(hào)處理器、導(dǎo)航設(shè)備等都容易受到電磁脈沖毀傷。

熟知不同脈沖對(duì)電子設(shè)備的耦合量以及該設(shè)備所要求的防護(hù)級(jí)，才能選擇合理的加固措施及恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)器件。當(dāng)電磁脈沖作用在線纜上時(shí)，線纜通過(guò)天線效應(yīng)接收電磁波，尤其當(dāng)線纜長(zhǎng)度和電磁波波長(zhǎng)可比擬時(shí)，耦合尤為嚴(yán)重,可以耦合到百安甚至千安的電流到導(dǎo)線芯線上，普通設(shè)備根本無(wú)法耐受，而且不同的工況所得的耦合量也不盡相同。所以確切地把握?qǐng)鼍€耦合規(guī)律是合理加固設(shè)計(jì)的前提。

圖2 被損傷的電路板

3 電磁脈沖波形及能量分布

電磁場(chǎng)影響電氣電子系統(tǒng)途徑有兩個(gè)：

1)通過(guò)導(dǎo)線耦合形成感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)線進(jìn)入電氣電子設(shè)備，即傳導(dǎo)耦合，一般情況下，最大感應(yīng)電流出現(xiàn)在導(dǎo)線尺寸為電磁波波長(zhǎng)的1/4或者1/2時(shí)。在較高的頻率上，耦合會(huì)以波長(zhǎng)的平方成正比例降低。

2) 隨著頻率繼續(xù)增大，電磁波在電纜上的損耗增大，主要的耦合路徑由線纜傳導(dǎo)變?yōu)樵跉んw、連接器、導(dǎo)線接口孔隙上的透射，即輻照耦合。

以此考慮外界電磁環(huán)境的影響，包括電磁脈沖EMP、雷電磁脈沖LEMP、高強(qiáng)輻射場(chǎng)HIRF，在10KHz～400MHz需要考慮傳導(dǎo)耦合，在100MHz～40GHz需要考慮輻照耦合(100MHz～400MHz為重疊區(qū))。

電磁脈沖特征參考GJB1389A-2005和GJB151B-2013的相關(guān)規(guī)定，具體見圖3。

極限值峰值場(chǎng)強(qiáng)為50000V/m、前沿2.5ns、0.1倍場(chǎng)強(qiáng)值寬度小于75ns干擾

其波形表達(dá)式為：E(t)=kE0(e-at-e-βt)，其中：k=1.3，E0=50kV/m，a=4×107s-1，β=6×108s-1。根據(jù)電磁脈沖的形成機(jī)理，電磁脈沖從時(shí)間上分為E1、E2和E3 共三個(gè)階段，不同階段的波形不盡相同。而E1階段由于上升沿最為陡峭，故所含高頻分量最豐富，可以耦合到低頻(30kHz～300kHz)、中頻(0.3MHz～3MHz)、高頻(3MHz～30MHz)和甚高頻(30MHz～300MHz)等波段的電子通信設(shè)備中。核電磁脈沖能量分布見表1。

表1 核電磁脈沖能量占比表

由上表可見，電磁脈沖的主要能量分布在100MHz頻段以下。

4 電纜在電磁脈沖作用下的耦合特性趨勢(shì)分析

在實(shí)際中，系統(tǒng)互連所用線纜的長(zhǎng)度、架設(shè)高度、線纜半徑均易變化，外界瞬態(tài)電磁場(chǎng)的入射角也因環(huán)境而定，這些因素都會(huì)決定耦合電流的大小。如果能把握其中變化規(guī)律，那么實(shí)際系統(tǒng)使用中就能規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

為了探究單根導(dǎo)體在電磁脈沖輻照下不同參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，選取高空核電磁脈沖E1階段的波形作為激勵(lì)。采用傳輸線法通過(guò)仿真軟件對(duì)線纜不同長(zhǎng)度、同架設(shè)高度、線纜半徑、入射角對(duì)產(chǎn)生耦合電流的影響進(jìn)行仿真分析。

線纜不同長(zhǎng)度對(duì)耦合電流的影響，線纜離地高度、線纜半徑、兩端負(fù)載阻抗、極化角、入射角、方位角條件不變時(shí)。得到線長(zhǎng)與電流峰值的關(guān)系，線纜長(zhǎng)度在0.1m～6m范圍內(nèi)，耦合量隨線長(zhǎng)增加而增加。

線纜不同架設(shè)高度對(duì)耦合電流的影響，在其它條件不變，計(jì)算不同高度下的耦合電流峰值，線纜高度在0.25m～8m區(qū)間時(shí)，耦合電流隨高度的增大而增大。

線纜半徑對(duì)耦合電流的影響，在其它條件不變，計(jì)算線纜終端處的耦合電流值，線纜半徑在0.5mm～7.5mm 范圍內(nèi)，隨著線纜半徑增大，耦合電流峰值隨之增大。

入射角對(duì)耦合電流的影響，在其它條件不變，計(jì)算線纜終端處的耦合電流值，入射角在π/6～π/2范圍內(nèi)，隨著入射角增大，耦合電流逐漸上升。

5 轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中線纜種類繁多，同時(shí)還有不同電纜與不同屏蔽套組合使用情況，由于屏蔽層模型復(fù)雜(尤其是編織型屏蔽層)，實(shí)際使用中的屏蔽層形狀未必高度規(guī)則，而且建模時(shí)不能把所有實(shí)際因素均考慮在內(nèi)，所以解析計(jì)算得到的值與實(shí)際情況會(huì)存在偏差。在結(jié)果要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，就要進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

表面轉(zhuǎn)移阻抗是評(píng)價(jià)屏蔽層屏蔽效能的重要參數(shù)，三同軸法測(cè)量屏蔽層表面轉(zhuǎn)移阻抗，已廣泛應(yīng)用在航空電纜屏蔽層和線束屏蔽層電磁兼容測(cè)試中。目前使用較多也較成熟的標(biāo)準(zhǔn)是IEC62453-4-3-2013。三同軸法將影響影響屏蔽層性能的電磁場(chǎng)用等效的表面電流和表面電荷代替，使用三同軸裝置構(gòu)建外回路。三同軸法將復(fù)雜的電磁感應(yīng)機(jī)理轉(zhuǎn)化為電路參數(shù)，測(cè)試結(jié)果可重復(fù)性好。IEC62453-4-3-2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了三種測(cè)試方法，對(duì)比三種測(cè)試方法，方法B可測(cè)試頻段(70MHz)略小于方法A(160MHz),但其工程操作簡(jiǎn)單，不易引入測(cè)試誤差，測(cè)試出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

另測(cè)得轉(zhuǎn)移阻抗后可通過(guò)公式SE=20*log10[(Z1+Z2)/Zt*L]，推到出屏蔽效能。由公式可知，已知轉(zhuǎn)移阻抗Zt后，需要了解實(shí)際使用導(dǎo)線長(zhǎng)度L和導(dǎo)線端接電阻Z1、Z2，可計(jì)算屏蔽效能。轉(zhuǎn)移阻抗越小，屏蔽效能越好。

選取部分典型導(dǎo)線及屏蔽套采用IEC62453-4-3-2013《金屬通信電纜試驗(yàn)方法。電磁兼容性(EMC)表面轉(zhuǎn)移阻抗.三軸法》進(jìn)行轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)試,針對(duì)導(dǎo)線情況組成對(duì)比組分別為1與6、2與7、3與8、4與9、5與10、11與22、12與14、18與23不同屏蔽導(dǎo)線與增加同種防波套后進(jìn)行對(duì)比，了解屏蔽(或同軸導(dǎo)線)與增加防波套后差別；2與3、4與5分別對(duì)比50Ω和75Ω兩種近似同軸線轉(zhuǎn)移阻抗差異；15、16、17、18、23對(duì)比4種防波套適配單芯屏蔽導(dǎo)線的區(qū)別；19、20、21、24對(duì)比4種防波套適配單芯導(dǎo)線的區(qū)別，即四種防波套屏蔽能力區(qū)別；11、13、22、25對(duì)比相同屏蔽導(dǎo)線增加防波套及不同接地形式的區(qū)別。通過(guò)以上形式可了解屏蔽導(dǎo)線(或同軸導(dǎo)線)自身與增加防波套后屏蔽能力，不同防波套的屏蔽能力以及實(shí)際使用時(shí)不同屏蔽處理屏蔽能力區(qū)別。

表2 典型導(dǎo)線及防波套分組及長(zhǎng)度要求表

各分類組合導(dǎo)線的轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)試結(jié)果見圖。

圖8 轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)試結(jié)果圖

6 測(cè)試結(jié)果分析

由測(cè)試結(jié)果可知：

1)屏蔽導(dǎo)線(或射頻導(dǎo)線)增加防波套屏蔽能力加強(qiáng)，原屏蔽導(dǎo)線屏蔽效果好的導(dǎo)線，即使自身在低頻段(1MHz以下)不加防波套屏蔽效果好，但高于1MHz以后，增加防波套后屏蔽效果明顯變好趨勢(shì)。在屏蔽導(dǎo)線自身屏蔽能力滿足需求時(shí)可不增加屏蔽，但在實(shí)際使用或測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線自身屏蔽能力不能滿足屏蔽需求時(shí)，可增加防波套進(jìn)行防護(hù)。

2)屏蔽端接方式對(duì)比，屏蔽單端浮地和屏蔽雙端浮地幾乎無(wú)區(qū)別。屏蔽導(dǎo)線(雙層屏蔽，屏蔽效果好)時(shí)，如采用以上兩種形式增加防波套來(lái)提升屏蔽能力與不采用差異不大。另經(jīng)實(shí)際測(cè)試，僅僅為提升導(dǎo)線屏蔽能力，當(dāng)雙層屏蔽間有絕緣隔離時(shí)，最外層屏蔽兩端接地效果最好，但僅為增加屏蔽效果再多增加屏蔽層，屏蔽效果增加不明顯。

3) 防波套對(duì)比，對(duì)比四種防波套屏蔽能力，其中混編防波套屏蔽效果較差，如采用屏蔽導(dǎo)線可不使用該防波套，L-1防波套效果最好，R-1與T-1效果近似，屏蔽效果比L-1略差，由此可見，雖然廠家給出屏蔽護(hù)套信息完全一致，但屏蔽護(hù)套轉(zhuǎn)移阻抗值仍不同，應(yīng)與屏蔽護(hù)套編制工藝有關(guān)。