张玉娟
电科院, 北京市石景山区 100049
摘要：强电磁脉冲具有瞬时峰值大、覆盖频率范围宽等特点，主要包括核电磁脉冲、宽带高功率微波和窄带高功率微波等。强电磁脉冲可通过孔缝、线缆等通道耦合进入系统内部，作用于电子设备上使其无法正常工作。随着电子技术的发展，电子设备早已广泛应用于通信、交通、电力、医疗等系统，电子设备无法正常工作将造成以上系统瘫痪或损毁，因此，保障电子设备的生存能力非常重要。本文主要分析电子设备的强电磁脉冲耦合特性研究。
关键词：时域有限积分法；强电磁脉冲；计算机机箱；耦合效应；电磁防护
引言
随着现代信息化技术的迅速发展，高性能信息化武器和人工智能装备频繁地出现局部战争中，在战场主动性和机动性大大提高的同时，武器装备的电磁敏感性和易损性也不断增强，这就对装备抗电磁干扰的能力提出更高的要求。电磁脉冲作为构成复杂电磁环境的重要组成之一，极易通过天线、孔缝、线缆等途径耦合到电子设备内部，对电子设备元器件正常工作造成影响甚至永久毁坏。
1、电磁脉冲的形式及其对设备的影响
1.1强电磁脉冲的类型及特点
从产生的形式上主要有静电放电电磁脉冲、雷电电磁脉冲、核电磁脉冲和其他非核电磁脉冲等。不同电磁脉冲源的特性和耦合途径不尽相同，在设计和电磁防护时要综合考虑。在未来战场上由于以核电磁脉冲和一些非核电磁武器为主，所以电场强度很大、上升沿时间极短、频谱宽、覆盖范围广的高空核电磁脉冲具有较实际的研究意义。
1.2高空核电磁脉冲对设备的影响
从高空核电磁脉冲的能量上看，核爆炸产生的以电磁脉冲形式释放的能量巨大，足以造成电子设备的工作故障和永久性毁坏；核电磁脉冲具有很高的峰值场强，耦合进入设备内部的电压足以对烧毁大多元器件；同时其频谱覆盖了较宽的频段，对设备系统极易造成威胁。根据电磁脉冲的峰值场强、频率、上升时间、持续时间及功率大小等特性的不同，需要对不同电子设备加以特定的电磁防护手段，提高设备的安全性和可靠性。
2、仿真模型
典型强电磁脉冲，高空核电磁脉冲、宽带高功率微波及窄带高功率微波三种强电磁脉冲的典型波形及经傅立叶变换后的频谱波形。三种强电磁脉冲中，核电磁脉冲、宽带高功率微波为宽谱脉冲，窄带高功率微波为窄谱脉冲。标准中定义的高空核电磁脉冲峰值场强为50?kV/m，为了便于讨论与分析，在本文中将宽带高功率微波和窄带高功率微波的峰值场强均设置为50?kV/m。核电磁脉冲为双指数脉冲，脉冲半高宽为23?ns，能量主要集中在100?MHz以下；宽带高功率微波的半高宽约为5?ns，能量主要集中在300～550?MHz；窄带高功率微波为调制波，半高宽为300?ns，中心频率为1.36?GHz。
3、强电磁脉冲防护技术
保护有两个基本选项:限制天线或输入端口传感器的耦合，或限制系统内耦合能量的传输。第一种办法实际上是减少入境点的实际面积；第二个选项实际上是减少输入与系统内敏感元件之间的耦合。由于功率等级幅度大于传统功率密度的几个数量级，并且随着时间的推移HPM脉冲增加1ns或更大，可能会产生非线性效应，因此高功率微波中的强化变得更加困难。
这些特性意味着HPM环境可能会以多种不同的方式攻击入口通道，包括在HPM速率入口通道的额定工作带宽内进行带内攻击；频外攻击—HPM超出输入通道的额定带宽：水下攻击:脉冲上升时间如此之快，以致在保护装置作用之前大量能量被传输到敏感界面；超大功率攻击-足够的功率或能量来损坏或摧毁HPM强化装置；紧凑的攻击:将电源或能量转移到已知具有反向特性的敏感设备。根据系统要求，入口保护必须满足以下要求:在没有HPM环境的情况下，加固单元不应对系统运行造成负面影响。这意味着必须事先考虑所需功率、插入损耗、尺寸、重量、形状和可靠性等参数；在HPM环境下，加固单元应防止损坏、反转或其他不可接受的性能(加固单元应反映、分流、吸收、过滤或限制不必要的电磁约束)；加固型驱动器必须能够在HPM环境下运行而不会损坏(除非它是一个单一的启动设备，在发生损坏时可以更换)。总之，为了保护某些射频系统不受强电磁脉冲的影响，可采取以下措施:(1)使用接收机正面的限制器和滤波器:在接收机正面添加限制器，以减小大功率微波脉冲攻击的伤害距离。同时，由于高功率微波频段窄，通过增大滤波器使接收机正面信号减弱。(2)提高电子设备的抗毁能力——本身:通过在生产过程、材料选择、部件选择等方面进行细致的研究，提高电子设备的抗毁能力。，以保护电子设备的安全。3)用开关管保护雷达接收机免受大功率微波脉冲的火灾:当开关管被导向时，大功率脉冲被天线辐射，泄漏接收机较小，实际上在接收机前面起到限制器的作用，从而保护接收机不被烧毁。
4、强电磁脉冲耦合特性分析
腔与强电磁脉冲耦合效应是腔共振特性、孔径共振特性和激发源的结果。通过研究腔耦合场的频率谱，可以更详细地分析瞬态脉冲裂纹腔的耦合特性。开口的产生特性主要取决于开口的实际长度，即激发源极化所产生的开口的实际长度。谐振腔的频率由腔的大小决定，金属腔有几种谐振腔模式。开口和金属腔有多种共振频率或模式，理论上是多种共振模式。孔口最小共振频率的估计公式为fmin=c/2lmax，其中fmin是孔口最小共振频率；c=3×10 lmax 8米/秒；is-孔的最大有效长度。通过吸收边界条件模拟最终金属平面，并在平面上建立开口模型。开口的共振频率特性是通过计算得到的。看不出具有相同区域的孔的宽度-长度比越高，最小共振频率越高，估计公式主要适用于微小间隙，仿真结果与估计结果一致。但是，随着宽度/长度比率的增加，宽侧将对开口的耦合特性产生很大影响，导致开口最小共振频率估计公式不适用。洞口最小共振频率估计公式的计算结果与仿真结果大不相同，具有较大宽度/长度比的洞口的耦合特性必须通过仿真计算得到。在核电磁脉冲、大功率宽带微波和大功率窄带微波作用下具有不同孔和槽的30厘米腔耦合场频率谱。核电磁脉冲的频率范围从0 GHz到1 GHz不等，主要集中在100 MHz以下。TE101模式在30厘米腔内的共振频率约为700 MHz。当开口宽度/长度比率较低时，腔耦合场谱主要由开口和腔的共振特性控制，具有较高的响应带宽。随着“宽度-洞口长度”比率的增加，洞口长度会变小，从而导致产生更高的洞口频率和响应能力，并使空腔耦合成为洞口耦合。当开口的共振频率超过倒角复盖的频率范围时，腔内场主要是腔TE101模式的元件。随着宽度-孔径比的增加，核电磁脉冲通过开口的能力越来越强，空洞的总耦合能量越来越小，保护能力也越来越强。
结束语
本文提供了一种针对电子设备研究其电磁脉冲耦合特性，可以预先利用理论数值计算结合仿真软件对电子设备机箱进行仿真分析，进而开展电磁脉冲模拟辐照试验验证其有效性，形成理论计算、仿真分析及试验验证的三维一体的研究思路，仿真与试验规律性大体吻合，在数值方面存在的差异是由于试验环境所致，三种手段相辅相成较全面研究分析机箱的电磁脉冲耦合机理，为电子设备的本体设计和电磁防护提供了一定的参考。
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