杜傳報(bào)， 毛從光?， 崔志同， 孫東陽(yáng)， 吳 偉， 陳 偉， 吳志強(qiáng)， 考書婷

(1. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2. 西北核技術(shù)研究所： 西安 710024；3. 北京航天晨信科技公司， 北京 102300)

高空電磁脈沖(high altitude electromagnetic pulse, HEMP)具有覆蓋范圍廣、電場(chǎng)強(qiáng)度峰值高、響應(yīng)快及持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，主要能量范圍集中在300 MHz以下，會(huì)對(duì)工作在此頻段內(nèi)的無(wú)線通信設(shè)備造成嚴(yán)重威脅[1-2]。甚高頻無(wú)線通信系統(tǒng)是鐵路通信的主要手段之一，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下都已根據(jù)防雷要求在天線端口安裝雷電防護(hù)器，但由于工作頻率位于HEMP頻譜范圍內(nèi)，現(xiàn)有雷電防護(hù)水平是否能抵擋HEMP脈沖的沖擊，是研究的主要關(guān)注點(diǎn)。

目前，針對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)方面的研究主要集中在耦合響應(yīng)及防護(hù)設(shè)計(jì)等方面。電磁脈沖耦合響應(yīng)計(jì)算方面，文獻(xiàn)[3]使用等效電路方法研究了偶極子天線帶外響應(yīng)特性，文獻(xiàn)[4-6]使用時(shí)域有限差分方法對(duì)高功率電磁脈沖和高空電磁脈沖天線耦合響應(yīng)進(jìn)行了時(shí)域計(jì)算和分析，文獻(xiàn)[7]使用矩量法和混沌多項(xiàng)式統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算求解了高空電磁脈沖環(huán)境下單極子天線的耦合響應(yīng)。電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)方面，李亞南等[8-9]針對(duì)短波通信射頻前端開(kāi)展了防護(hù)模塊仿真與設(shè)計(jì)工作，上海交通大學(xué)尹文言團(tuán)隊(duì)[10]針對(duì)接收機(jī)低噪聲放大器組件進(jìn)行了電磁脈沖防護(hù)加固研究。此外，文獻(xiàn)[11]針對(duì)射頻組件低噪聲放大器開(kāi)展了損傷機(jī)理方面的研究。但是，目前關(guān)于系統(tǒng)級(jí)HEMP效應(yīng)、易損性和效應(yīng)機(jī)理方面的研究結(jié)果較少。

為分析甚高頻無(wú)線通信系統(tǒng)在HEMP環(huán)境下的易損特性，本文開(kāi)展了從環(huán)境到耦合再到防護(hù)失效完整效應(yīng)鏈路條件下的易損性機(jī)理分析，基于可靠性理論中的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型[12-13]，開(kāi)展了耦合應(yīng)力計(jì)算分析，求解出關(guān)鍵端口和艙體內(nèi)部耦合場(chǎng)環(huán)境的響應(yīng)波形；基于耦合分析結(jié)果，針對(duì)性開(kāi)展了天線和主機(jī)的脈沖輻照試驗(yàn)，通過(guò)效應(yīng)檢測(cè)獲取了間接效應(yīng)現(xiàn)象，確定了被試系統(tǒng)的強(qiáng)度水平。最后，通過(guò)效應(yīng)機(jī)理的深入分析，給出了防護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議和量化防護(hù)指標(biāo)。

1 HEMP環(huán)境和通信系統(tǒng)

1.1 HEMP環(huán)境波形

HEMP環(huán)境波形分為早期(E1)、中期(E2)和晚期(E3)3個(gè)階段。對(duì)于天線、線纜等小尺度耦合結(jié)構(gòu)主要關(guān)注E1階段波形。E1階段波形具有分布范圍廣、脈沖幅值大、頻譜范圍寬和作用時(shí)間短等特點(diǎn)，對(duì)無(wú)線通信設(shè)備威脅最大，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[14]均使用雙指數(shù)波形作為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境波形，其上升沿為2.5 ns，脈寬為23 ns，峰值為50 kV·m-1，可表示為

(1)

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

E1時(shí)頻域波形如圖1所示。由式(1)計(jì)算可知，99%的脈沖能量均集中在300 MHz以下。

1.2 鐵路無(wú)線電臺(tái)

甚高頻無(wú)線通信系統(tǒng)工作頻段在甚高頻30～300 MHz內(nèi)，采用半雙工通信制式，接收機(jī)結(jié)構(gòu)類型主要有超外差式、零中頻式、低中頻式和帶通采樣等[15]。本文研究的試驗(yàn)對(duì)象采用超外差式通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

無(wú)線電臺(tái)的天線通常安裝于機(jī)車頂部，天線通常使用底饋單極子天線，如圖3所示，長(zhǎng)度為0.3～3 m，電尺寸長(zhǎng)度位于HEMP主要能量頻段范圍內(nèi)。

由于常規(guī)電磁兼容要求，天線是雷電脈沖沖擊的主要耦合通道，天線端口通常配置有雷電脈沖防護(hù)器，防護(hù)器采用旁路泄流方式，核心器件為氣體放電管或TVS瞬態(tài)抑制放電二極管，系統(tǒng)自帶雷電防護(hù)器如圖4所示。與雷電脈沖波形響應(yīng)相比，HEMP標(biāo)準(zhǔn)波形上升沿快、持續(xù)時(shí)間短，雷電防護(hù)器后端殘余脈沖電流仍可能造成被保護(hù)設(shè)備故障。

2 電磁脈沖耦合分析

鐵路無(wú)線電臺(tái)的電磁脈沖耦合通道主要分為“前門”天線耦合和“后門”艙體孔縫滲透2種。在已有效應(yīng)試驗(yàn)中，天線耦合的脈沖能量會(huì)沿射頻前端組件逐級(jí)沖擊，射頻組件距離天線端口越近受損傷風(fēng)險(xiǎn)越大，如低噪聲放大器等敏感組件易發(fā)生損傷及性能降級(jí)等效應(yīng)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅無(wú)線通信系統(tǒng)的生存能力。通常艙體具有40～80 dB范圍的屏蔽性能，進(jìn)入到艙體內(nèi)部的脈沖能量已得到有效抑制，通過(guò)被試設(shè)備的外殼后，會(huì)進(jìn)一步衰減，因此耦合場(chǎng)對(duì)設(shè)備內(nèi)部核心電路的沖擊會(huì)大幅度減弱。

由于天線是無(wú)線電臺(tái)的主要電磁脈沖耦合通道，本文針對(duì)艙頂天線進(jìn)行天線端口的耦合響應(yīng)開(kāi)展分析。將艙頂天線簡(jiǎn)化為平板單極子天線，防護(hù)器啟動(dòng)瞬間阻抗較低，可近似為短路，故設(shè)天線末端負(fù)載為短路負(fù)載。使用經(jīng)典電磁計(jì)算方法—矩量法[16]對(duì)平板單極子天線進(jìn)行理論計(jì)算。參數(shù)設(shè)置為：天線長(zhǎng)為3 m，平板長(zhǎng)為20 m，寬為3 m；天線安裝于艙頂前部。使用電場(chǎng)強(qiáng)度為50 kV·m-1的平面波作為電場(chǎng)激勵(lì)，沿天線方向?yàn)殡妶?chǎng)方向。圖5為矩量法網(wǎng)格剖分示意圖和時(shí)域電流響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

由圖5(b)可見(jiàn)，耦合電流峰值達(dá)到了430 A，會(huì)對(duì)后端設(shè)備電路有嚴(yán)重威脅，需使用防護(hù)器將電流峰值控制在合理水平。

利用CST計(jì)算軟件計(jì)算機(jī)車艙內(nèi)的耦合場(chǎng)。艙體假設(shè)為理想導(dǎo)體，長(zhǎng)為20 m，寬為3 m，高為2.5 m。使用電場(chǎng)強(qiáng)度為50 kV·m-1的平面波作為電場(chǎng)激勵(lì)，入射方向正對(duì)艙體前窗，電場(chǎng)方向垂直于地面。艙體模型和艙內(nèi)耦合波形計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6(b)監(jiān)測(cè)艙體內(nèi)部控制臺(tái)(距車頭2 m)耦合場(chǎng)分布可見(jiàn)，耦合分量主要為y和z方向，其中z方向電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)20 kV·m-1。

基于上述耦合分析結(jié)果，重點(diǎn)關(guān)注通過(guò)射頻前端耦合效應(yīng)，兼顧考慮設(shè)備主機(jī)裸露在脈沖輻照環(huán)境下的“后門”耦合效應(yīng)。

3 效應(yīng)試驗(yàn)和機(jī)理分析

3.1 脈沖輻照試驗(yàn)方法

使用垂直極化有界波模擬器開(kāi)展脈沖輻照效應(yīng)試驗(yàn)，該模擬器能產(chǎn)生上升沿為2.5 ns、脈寬為23 ns和電場(chǎng)強(qiáng)度峰值高達(dá)50 kV·m-1的雙指數(shù)脈沖電場(chǎng)波形。選取某型鐵路無(wú)線電臺(tái)作為被試品，分別設(shè)計(jì)了天線脈沖和主機(jī)脈沖輻照試驗(yàn)，天線脈沖輻照試驗(yàn)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值為50 kV·m-1，主機(jī)脈沖輻照試驗(yàn)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值為20 kV·m-1，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行功能性和性能指標(biāo)測(cè)試。通信功能包括數(shù)據(jù)分組成功率、通話質(zhì)量、同步性和功能模塊自檢等功能，性能指標(biāo)包括發(fā)送功率和接收靈敏度。圖7為試驗(yàn)方案示意圖。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

天線輻照試驗(yàn)中，電場(chǎng)強(qiáng)度為10～50 kV·m-1，監(jiān)測(cè)典型電場(chǎng)波形、天線端口和防護(hù)器后端電流耦合響應(yīng)波形。圖8為電場(chǎng)測(cè)試波形，電場(chǎng)強(qiáng)度峰值為54.5 kV·m-1。

圖9為電流響應(yīng)測(cè)試波形。由圖9可見(jiàn)，天線末端電流峰值可達(dá)320 A，防護(hù)器后端電流峰值可達(dá)29 A。對(duì)防護(hù)器前后電流響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析對(duì)比，如圖10所示。

由圖10可見(jiàn)，防護(hù)器對(duì)天線主頻響應(yīng)范圍區(qū)間內(nèi)的頻譜起到了較大幅度的限制作用。綜合比較，系統(tǒng)自帶防護(hù)器的電流泄放能力可達(dá)到90%，一定程度上可抑制HEMP引起的電流響應(yīng)。

每個(gè)試驗(yàn)等級(jí)結(jié)束后對(duì)被試系統(tǒng)進(jìn)行功能性檢測(cè)和性能指標(biāo)檢測(cè)。低試驗(yàn)等級(jí)條件下，被試品功能和性能指標(biāo)檢測(cè)均為正常。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為50 kV·m-1時(shí)，經(jīng)功能性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)被試品出現(xiàn)“電源模塊故障”的效應(yīng)現(xiàn)象，系統(tǒng)宕機(jī)，無(wú)法工作。更換試驗(yàn)樣本后開(kāi)展主機(jī)脈沖輻照試驗(yàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度為5～20 kV·m-1，最高試驗(yàn)等級(jí)下電場(chǎng)強(qiáng)度峰值為21.5 kV·m-1，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行效應(yīng)指標(biāo)測(cè)試，被試品通信功能和指標(biāo)檢測(cè)未出現(xiàn)效應(yīng)現(xiàn)象。

通過(guò)2種試驗(yàn)，可確定由天線端口耦合進(jìn)入的電磁脈沖能量是造成被試品出現(xiàn)效應(yīng)現(xiàn)象的主要原因，被試品自身的金屬外殼能保護(hù)內(nèi)部電路免受脈沖輻照“后門”耦合的影響。

3.3 效應(yīng)機(jī)理分析和防護(hù)建議

對(duì)被試品展開(kāi)效應(yīng)機(jī)理分析，故障模塊為電源板，部分限流電阻器件燒毀，器件局部燒毀的電路如圖11所示。

圖12為設(shè)備收發(fā)切換原理示意圖，其中S1和S2分別為發(fā)射和接收通道上的射頻開(kāi)關(guān)PIN二極管。當(dāng)設(shè)備處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，即PTT(press to talk)為0(導(dǎo)通)時(shí)，電源模塊的電平轉(zhuǎn)換電路輸出-3 V到S1 負(fù)極，呈導(dǎo)通態(tài)，而S2負(fù)極則接電源模塊輸出的500 V電壓，呈截止態(tài)；反之，當(dāng)PTT為1時(shí)，設(shè)備處于接收狀態(tài)，S1負(fù)極接500 V電壓，呈截止態(tài)，S2負(fù)極接-3 V，呈導(dǎo)通態(tài)。結(jié)合脈沖射頻前端耦合傳導(dǎo)機(jī)理和被試品收發(fā)切換原理，確定失效原因?yàn)椋好}沖耦合電流經(jīng)天線端口傳導(dǎo)進(jìn)入收發(fā)切換組件時(shí)，以負(fù)載為50 Ω時(shí)計(jì)算，耦合電流水平為30 A，脈沖耦合電壓峰值約為1 500 V，損壞的PIN二極管(圖12中S2)處于截止態(tài)(截止電壓為500 V)，則施加到PIN二極管兩端的總壓差大于2 000 V。由于該P(yáng)IN二極管的最大反偏耐受電壓為1 500 V，故被擊穿，導(dǎo)致電壓模塊的電平轉(zhuǎn)換電路輸出的500 V高壓信號(hào)接地，通過(guò)導(dǎo)通的PIN二極管形成對(duì)地回路，驅(qū)動(dòng)500 V高壓電源將限流電阻燒毀。因此，防護(hù)設(shè)計(jì)需考慮PIN二極管的最大反偏耐受電壓和截止電壓，確定最大脈沖電壓峰值上限為1 000 V，考慮到安全裕度，到達(dá)射頻開(kāi)關(guān)前端的脈沖電壓峰值不應(yīng)大于500 V，建議設(shè)計(jì)防護(hù)器，使后端殘余電流峰值小于10 A。

綜上所述，故障原因是防護(hù)器后端的殘余電流沖擊造成設(shè)備射頻前端射頻開(kāi)關(guān)(PIN二極管)擊穿短路，進(jìn)而引發(fā)電源板內(nèi)部供電電路出現(xiàn)短路，電流過(guò)大，部分電阻器件燒毀，造成電源板功能徹底失效故障。這是一起典型的由于脈沖沖擊引起的間接效應(yīng)，被沖擊器件射頻開(kāi)關(guān)的擊穿并未直接造成設(shè)備的功能和性能發(fā)生變化，而是由于其短路造成電源板部分電路短路電流急劇增大，使未被脈沖沖擊的器件燒毀，進(jìn)而造成功能性故障。此外，防護(hù)器泄流水平良好并不能表示防護(hù)效果優(yōu)秀，防護(hù)器的設(shè)計(jì)除器件選型和天線耦合響應(yīng)水平以外，更需關(guān)注被試品端口的電磁敏感特性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)甚高頻無(wú)線通信系統(tǒng)開(kāi)展了耦合計(jì)算分析、脈沖輻照試驗(yàn)和效應(yīng)機(jī)理分析，最后給出了防護(hù)建議。通過(guò)計(jì)算分析和效應(yīng)試驗(yàn)確定了天線端口為主要耦合通道，射頻前端電路為被試品的易損薄弱環(huán)節(jié)，在天線脈沖輻照試驗(yàn)中出現(xiàn)了設(shè)備電源模塊故障的間接效應(yīng)現(xiàn)象，由脈沖沖擊引起，但毀傷器件并非被沖擊器件，而是由系統(tǒng)自身電路模塊造成。這是首次從試驗(yàn)中捕獲到間接效應(yīng)現(xiàn)象，對(duì)于效應(yīng)研究提出了新的需求，即除直接效應(yīng)外，還需研究間接效應(yīng)。

在安裝泄放能力優(yōu)秀的避雷器條件下依然發(fā)生電源模塊故障這種嚴(yán)重的效應(yīng)現(xiàn)象，這就要求在設(shè)計(jì)防護(hù)器時(shí)，無(wú)論采用何種防護(hù)器，均需進(jìn)一步了解設(shè)備射頻端口的敏感特性，并使用旁路泄放和帶通濾波相結(jié)合的組合式防護(hù)設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步降低響應(yīng)水平。基于效應(yīng)機(jī)理的分析，本文給出了防護(hù)設(shè)計(jì)的殘余電流指標(biāo)要求。決定防護(hù)器設(shè)計(jì)是否有效的理論依據(jù)基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，應(yīng)力依賴于環(huán)境和耦合結(jié)構(gòu)的電磁計(jì)算，決定防護(hù)器件類型和啟動(dòng)電壓等參數(shù)，而強(qiáng)度則依賴于系統(tǒng)本身的端口電路特性，決定防護(hù)器殘余電流的設(shè)計(jì)要求。通用防護(hù)思路只能解決防護(hù)有無(wú)問(wèn)題，只有綜合考慮耦合響應(yīng)、設(shè)備敏感特性和防護(hù)器件特性3種因素，才能實(shí)現(xiàn)精細(xì)化防護(hù)，提高防護(hù)水平。下一步將基于本文研究結(jié)果，開(kāi)展防護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)證試驗(yàn)方面的工作。