李子森，郭艳辉，周成龙

（中国兵器工业新技术推广研究所 电磁兼容室，北京 100089）

系统由若干分系统或设备构成，为了检查系统的防护能力、评价防护设计的效果，应开展系统电磁脉冲效应试验。系统的电磁脉冲效应可以采用理论模拟、电磁脉冲场模拟器辐照、脉冲电流注入和近场辐照等手段进行研究。理论模拟虽然能给出特定条件下设备的电磁脉冲耦合规律，如文献[1]—[5]研究了设备在强电磁脉冲作用下的失效机理，从宏观的热效应、浪涌效应或微观的电子元器件失效分析了其耦合作用，给出了元器件级阈值，但系统部件的电磁效应阈值与计算结果有所不同。美国等发达国家也认为仅靠理论分析无法给出大型复杂系统电磁脉冲耦合的准确数据，并认为大型电磁脉冲模拟试验仍是获得耦合数据和检验加固性能的唯一有效技术手段，但是大型辐射波模拟器试验成本高，试验难度大。另外一种有前景的试验技术是脉冲电流注入和近场辐照方法，该方法不要太大的花费，其中注入方法已写入测试标准。

文中主要采用理论计算和摸底试验相结合的方法，通过建模理论计算获得某装备处理模块所处的场强及耦合电流参数，并以此为输入激励，对该模块开展近场辐照和电流注入试验研究。

1 理论计算

1.1 辐照场强计算

以某武器装备为原型，设置模型材料及单位，进行结构建模。设置端口和边界条件，采用平面波入射方式，激励源选择HEMP，在被测信号处理模块所在位置预设场监视器[8]，通过参数扫描获得该位置的场强大小。主要边界参数如下：选择激励源HEMP波形，装备置于无损耗自由空间，结构尺寸为装备实际尺寸导入，频率设置在100～200 MHz，采取六面体剖分网格设置。由于要模拟电磁脉冲冲击过后的一段时间内耦合情况，仿真最大时长选择5000 ns，将探针作为计算结果输出观察典型位置的耦合情况。计算结果如图1所示。计算结果显示，某武器装备在HEMP照射下，装备内模块感应的场强幅值的量级为100～1000 V/m。

图1 仿真计算结果Fig.1 Simulation calculation results

1.2 线缆感应的电流强度计算

若a≪λ，λ为对应电磁波波长，在频率不是非常高的情况下，此假设基本都可以满足细线近似。通过计算线上感应电流密度分布，求解感应电流产生的散射电场，并利用边界条件建立积分方程，未知量为线上感应电流强度I（x′），利用矩量法（Method of Moments，MoM）求解方程，最终得到细线上感应电流分布。如图3所示，边界参数如下：线缆线长2 m，线缆半径为1.0 cm，线缆敷高为2.5 cm，大地介电常数εr=5.0，磁导率μr=1.0，电导率σ=0.01 S/m，终端负载为匹配负载150 Ω，入射角Ψ=90°，线缆半径为1.0 cm，终端负载开路。HEMP激励下，线中点处的时域电流波形如图3所示。

图2 有耗地面有限长度传输线在平面波入射下感应电流计算Fig.2 Calculation of induced current of transmission line with limited length under lossy ground under plane wave incidence

图3 线缆在50 kV/m辐照下感应的电流强度Fig.3 Current intensity of transmission line under irradiation of 50 kv/m

可以看出，从线缆感应的电流强度为20～120 A。

下面的测试设备将模拟该强度的场强或感应电流来进行测试。电磁脉冲发生器如图4所示，主要由直流高压源、开关模块、匹配负载组成。直流高压源是电磁脉冲发生器的能源，用于给储能元件脉冲电容器充电，与开关和匹配负载形成放电回路[9]。

如果开展注入试验，其负载为在一定范围内呈阻性的水电阻。时域波形如图5所示。开展辐照试验，其匹配负载是夹角为β的V形板天线，它既是模拟器的辐射天线，又是放电回路的负载。距模拟装置天线口面的0.6 m处，可产生脉冲场强最高为7 kV/m，主要模拟高空核爆源区外空间的辐射场环境。有界波模拟器模拟的电磁脉冲场为垂直方向，与高空电磁脉冲场有一定差异，可做效应试验前的摸底测试，以及小尺寸试验件效应试验。

图4 电磁脉冲发生器原理框图Fig.4 Principle block diagram of HEMP generator

图5 电磁脉冲发生器输出时域波形Fig.5 Time domain waveform of HEMP generator

2 信号处理模块电磁脉冲试验

2.1 近场辐照试验

被测设备EUT选自某装备上信息处理的模块，它分为两部分：控制电路和数据传输电路。模块正常上电后，数据传输端口发送RS422工作信号。辐照试验采取单部件试验，未连接任何互连设备，只对模块加电，监测信号模块的RS422总线。

试验时，将如图6所示的模块置于有界波电磁脉冲模拟器工作空间[10]，从低到高调节模拟器工作空间场强，观察被测件的敏感状态及示波器测试结果。考虑入射角度、极化方向以及屏蔽整改措施，在6种测试配置条件下开展测试，见表1。

测试时设定脉冲源的输出电压，固定输出测试5次，记录场强接收机的读数，取平均值作为近场辐照场强，同时观察监测终端的状态，然后逐步提高脉冲源输出，记录下刚出现敏感状态及百分之百敏感状态时相应的数据。具体见表2。

表1 辐照测试配置Table 1 Irradiation test configuration

图6 信号处理模块近场辐照试验连接Fig.6 The near field irradiation test connection diagram for the signal processing module

2.2 电流注入试验

注入试验时，对模块加电，用示波器监测模块接口的RS422总线，如图7所示。注入试验是对模块电源线进行的，测试考虑了电源高位线、电源高位及回路，以及整改，分别在4种条件下开展了测试，具体见表3。

测试时设定脉冲源的输出电压，固定输出测试5次，记录检测探头的读数，取平均值作为线缆感应的干扰电流。同时观察监测终端的状态，然后逐步提高脉冲源输出，记录下刚出现敏感状态及百分百敏感状态时相应的数据。干扰电流与脉冲源的输出电压、测试设备阻抗和布线阻抗均有关系。在测试设备阻抗、布线阻抗一定的情况下，脉冲源输出与干扰电流成一定的正比关系。具体见表4。

辐照试验与注入试验的结果表明，在工作状态下，随着施加电场强度的增加，模块会出现“复位”形式的失效。这些失效状态是瞬态的，可以自动恢复正常工作，为保护装备的信号处理模块，没有进行更大强度的破坏性试验。

表2 不同测试配置下近场辐照敏感度结果比较Table 2 Comparison of radiation sensitivity results under different test configuration

表3 电流注入测试配置Table 3 Configuration of the pulse current injection test

图7 信号处理模块电源线电流注入试验连接Fig.7 The pulse current injection test connection diagram for the signal processing module

3 试验结果分析

1）信号处理模块在辐照试验和电流注入试验过程中都发生了敏感。这说明两者试验具有一定的替代性，尽管两者并不完全等效，至少电流注入试验可以引起与辐射相近的敏感现象，敏感现象表现为复位。在1.68 s时间内，模块接口无输出数据。敏感时的辐照场强并不高或注入电流强度均不大，天线输入脉冲幅度1.3～1.4 kV（相当于辐射场强约为310 V/m），而电流注入4.3 A（单线）或6.4 A（双线）电源线，就会出现敏感。

表4 注入试验不同测试配置的结果比较Table 4 Comparison of pulse current injection results under different test configuration

2）电磁脉冲敏感的门限和敏感概率。根据试验数据可知，信号处理模块在天线输入脉冲幅度为1.4 kV或电源线输入4.3～6.4 A脉冲电流时，出现了敏感，并且该数值为初次敏感门限值，此时的敏感概率较低。随着输入电压或注入电流增大，敏感的概率也在提高。如输入电压达到2.2 kV以上时，辐照的敏感概率达到100%，这种敏感趋势是很明显的。在试验过程中也会出现敏感现象的断续性，即敏感门限的间断现象。一般认为，这与计算机内部软件的程序运行有关[11—14]，通过同一状态试验次数的增加，可以部分消除这种不确定性。如果这种现象超过了输入电压提高的因素，则需要找到软件运行与敏感性的规律。

3）模块及接口线缆屏蔽防护对敏感性的影响。对模块及线缆加防护铜网布屏蔽，能有效提高模块抗电磁脉冲的敏感门限。屏蔽分为模块及接口线缆全屏蔽和接口线缆屏蔽，由于模块壳体只有部分屏蔽，接口线只是一般的双绞线，加上防护铜网布屏蔽后，敏感门限值得到较大提高。模块平放测试数据如下：未屏蔽时，敏感门限对应的天线输入脉冲电压为1.4 kV；接口线缆屏蔽后，门限对应的天线输入脉冲电压幅度为10 kV；模块和接口屏蔽后，敏感门限对应的电压为15 kV。假定天线输入脉冲电压与所激励的电场近似成线性关系，接口线缆屏蔽后，其屏蔽效能为SE=17 dB，完全屏蔽的屏蔽效能为SE=20.6 dB。这说明屏蔽效果是明显的，而且接口线缆的屏蔽作用要优于对模块本身的屏蔽效果。

4）电流注入量与布线阻抗有关。电源线的电流注入试验，电源线本身是一个回路，或电源线与相应分布参数形成一个回路。由于回路中的负载不同，使得注入电流也不同。

一般注入电流检测卡钳检测到的是卡钳内所有电流总和，由于单纯电源线的负载阻抗较大，注入电流达到数安或数十安时，就会敏感。当注入到屏蔽线时，由于屏蔽层回路阻抗很小，在同样注入脉冲电压时，注入电流会很大。例如当注入电压为0.9 kV时，纯布线的注入电流为4.35 A，有屏蔽层注入电流为22.19 A，注入电流增大5倍。

4 结语

模型计算为电磁脉冲试验提供了理论依据，针对某模块开展的近场辐照和电流注入摸底试验表明，电磁脉冲（上升时间2.5 ns，脉冲宽度23 ns）可使信号处理模块出现复位故障。在复位期间计算机接口无输出信号，该故障属于可靠性的严重故障，下一步须对故障机理进行分析。此外，电流注入试验对设备电气接口之间的互连电缆上注入干扰很有效。近场辐照的方法，更适用于设备外壳屏蔽、孔缝较多的情况。从试验结果来看，处理模块出现敏感状态和百分之百敏感时，电流注入的输出电压均低于近场辐照时的输出电压。这说明产生同样的敏感状态，脉冲电流注入比近场辐照注入的干扰效率要高些。

电磁脉冲效应随机性很强，各种处理模块的功能组成也不完全相同[16]。文中对某一部件进行试验研究，试验结果并不能代表所有处理模块的电磁脉冲效应能力。试验表明，该试验方法可行、试验系统可靠，为进一步研究系统装备电子部件的电子脉冲效应提供了借鉴。

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