霍佳雨,高 博,史竟文

(吉林大学 通信工程学院,长春 130012)

0 引 言

随着微电子技术的飞速发展,现代车辆使用的电子设备越来越多。集成电路的复杂化、小型化,导致车辆电控系统电磁敏感性不断提升[1-2]。大功率电磁脉冲不仅会对车辆的电子设备造成直接伤害,还会通过天线、线束或孔径进行强耦合,对车内设备造成间接损坏[3-4]。线束是连接车内各种电子设备的纽带,也是车辆系统引入电磁脉冲威胁的关键性耦合途径。以车辆线束为对象,研究其可能遭遇的强电磁脉冲威胁、防护加固思路以及具体措施,提升车辆在强电磁脉冲环境中的生存能力成为当前国内外的研究热点[5-6]。

在复杂的电磁环境中,车辆的电控系统极易受到干扰和破坏,对车辆安全性造成严重威胁。车辆所面临的大功率电磁辐射干扰主要有传播辐射、自然电磁辐射和人为电磁辐射[7],其中人为电磁辐射是现代化信息战争面临的关键性问题。人为电磁辐射的主要来源是电磁脉冲武器,它是一种性能独特、威力强大且软硬杀伤兼备的现代信息化作战武器,形成高空电磁脉冲(HEMP:High Altitude Electromagnetic Pulse),能对较大范围内的车辆内部线束及关键电子设备同时实施压制性和摧毁性的破坏[8-9]。

笔者以某民用吉普车作为模型进行研究,考虑车辆关键金属结构、线缆和电子设备建立电磁仿真模型,对车辆线束电磁辐射敏感度问题进行深入研究。通过对车辆线束电磁响应的主要影响因素进行统计分析,得到不同参数下线缆感应电压和感应电流的峰值关系曲线,分析了线缆长度、距车底高度、相对距离、终端电阻、导体半径、绝缘层厚度等因素影响下车辆线缆耦合电磁干扰的统计规律,得到了相关的定性结论。研究结果可以为车辆线束的电磁兼容性设计提供参考。

1 车辆线束电磁辐射敏感度特性仿真分析

车辆线束作为车辆电路网络的主体,起着交换电子设备的数据信号和传递电源信号的作用,可以说没有车辆线束也就不存在车辆电路[10]。如图1a所示,车辆线束是由电线、联插件和包裹胶带构成。对整车而言,线束是以仪表板为核心分别向前、后延伸。车辆线束的分类可依据其基本功能,分为电池线束、发动机线束、变速箱线束、燃油喷嘴线束、仪表板线束、车身线束、车门线束和车灯线束等,如图1b所示。车辆线束大多由铜质软线构成,根据实现不同的功能而选择不同的规格[11]。目前,国内外学者针对车辆线束电磁兼容问题的研究主要集中在车辆线束的串扰、电磁辐射和电磁辐射敏感度[12]。其中车辆线束的电磁辐射敏感度问题是车辆线束电磁兼容领域较为重要的研究方向,也是车辆电磁兼容性设计的主要预测目标[13]。

图1 整车线束图

预测车辆线束电磁辐射敏感度需要利用实验手段获取大量样本数据,由于成本、实验场地的限制,针对该问题的预测较为困难。因而通过仿真分析获取线缆感应电压和感应电流,进而基于仿真数据预测HEMP环境下车辆线束系统的抗毁伤能力是一种不错的选择[14]。

笔者以某民用吉普车为模型,对模型进行材料、零件和结构简化,以峰值为50 kV/m的HEMP为激励源,建立仿真模型(见图2),开展辐照条件下车辆线束电磁辐射敏感度特性仿真分析。

图2 车辆线束电磁仿真模型

根据线缆的参数,设置线缆材料、直径和绝缘体半径的参数,文中所有线缆均采用铜单芯线,图3为铜单芯线横截面示意图,内层为铜芯,外层包裹绝缘层。

选择线缆终端电阻为50 Ω并接地。线束仿真如图4所示,将探针放置在线缆模型车辆的两端。由于笔者主要研究线缆辐照敏感度仿真,因此选择“transient co-simulation”进行场路协同仿真[15]。

图4 线束仿真图

图5为感应电压随时间变化图,可看到随着时间增加,感应电压呈衰弱趋势。图6为感应电流随时间变化图。通过多组峰值数据可得到同一参数变化时的感应电压和感应电流变化趋势。

2 车辆线束电磁辐射敏感度影响因素统计分析

2.1 线缆长度的影响

图7为感应电压与感应电流峰值随线缆长度变化的趋势图。随着线缆长度增长,线缆上的感应电压和感应电流峰值都增大,且变化速率基本不变。说明线缆长度越长,HEMP对车辆线束的威胁越大,实际布线时尽量选择最短路径以减少线缆长度。

2.2 线缆距车底高度的影响

图8为感应电压与感应电流峰值随线缆距车底高度不同而变化的趋势图。

图8 感应电压与感应电流峰值随距车底高度变化趋势

随着线缆距离车底高度的增大,线缆上的感应电压和感应电流峰值都增大。说明距离车底越高,HEMP对车辆线束的威胁越大,实际布线时尽量降低线缆距离地面的高度。

2.3 相对距离的影响

图9为感应电压与感应电流峰值随不同线缆相对距离改变而变化的趋势图。

图9 感应电压与感应电流峰值随线缆相对距离变化趋势

随着线缆相对距离的增大,线缆上的感应电压和感应电流峰值都减小。说明线缆相对距离越小,HEMP对车辆线束的威胁越大,实际布线时应尽量加大导线相对距离。

2.4 终端电阻的影响

图10为感应电压与感应电流峰值随终端电阻不同而变化的趋势图。随着终端电阻的增大,线缆上的感应电压峰值不断增大,而感应电流峰值不断减小,二者的变化速率都逐渐减慢。说明在考虑不同终端电阻下HEMP对车辆线束的威胁时,应综合考虑电压和电流两方面的防护,选取恰当阻值。

图10 感应电压与感应电流峰值随终端电阻变化趋势

2.5 导体半径的影响

图11为感应电压与感应电流峰值随线缆导体半径不同而变化的趋势图。

图11 感应电压与感应电流峰值随导体半径变化趋势

随着线缆导体半径的增大,线缆上的感应电压和感应电流峰值都减小,且变化速率逐渐减慢。说明线缆导体半径越小,HEMP对车辆线束的威胁越大,在实际布线时应尽量选择粗导体线缆。

2.6 绝缘层厚度的影响

图12为感应电压与感应电流峰值随线缆绝缘层厚度不同而变化的趋势图。

图12 感应电压与感应电流峰值随绝缘层厚度变化趋势

随着绝缘层厚度不断增大,线缆的感应电压和感应电流峰值基本不变,只是轻微上下波动。说明线缆绝缘层厚度与HEMP对车辆线束的威胁无关,仅增加线缆绝缘层厚度并不能起到防护作用,因此布线时考虑线缆绝缘性即可。

3 结 语

笔者基于某民用吉普车辆模型,深入研究了车辆线束电磁辐射敏感度问题。分析了在典型强HEMP作用下线束中的线缆长度、距车底高度、相对距离、终端电阻、导体半径和绝缘层厚度等参数对线缆中耦合电磁信号的影响,得到了具体的感应电压峰值和感应电流峰值。

通过仿真实验研究可知,在满足实际工程需求下,尽量选择导体半径较大的线缆,并使线缆相对距离尽量加大,同时降低线缆的对地高度,并在布线时尽量选择最短路径以减小线缆长度。绝缘层厚度不会对感应电压峰值和感应电流峰值产生影响,仅仅增加线缆绝缘层厚度并不能起到防护作用,实际中为达到防护的目的,可使用防护罩进行屏蔽或采用编织丝网和金属箔组合封装线缆。笔者获得的仿真实验结果预测车辆线束的电磁辐射敏感度问题,为车辆的电磁兼容设计提供早期参考,从而降低研发成本,大大缩短研发周期。