HEMP环境下屏蔽箱体对贯通导线感应电流的影响

方 磊，绪 梅，韩志勇

（1.防化学院，北京 102205；2.93501部队，北京 101114）

HEMP环境下屏蔽箱体对贯通导线感应电流的影响

方 磊1，绪 梅1，韩志勇2

（1.防化学院，北京 102205；2.93501部队，北京 101114）

屏蔽箱体上的贯通导线可以使箱体内部电路上的HEMP感应电流显著增加，研究表明这是由HEMP直接与导线及其周围导体耦合作用的结果，辐射耦合对其影响很小。此研究对电子装备的设计和安装有一定的指导意义。

高空核电磁脉冲；导线；耦合；屏蔽；感应电流

随着微电子技术的快速发展，很多电路、电子、电器元件的工作频率不断提高，而工作电压却逐渐降低，因此电子设备对电磁脉冲（EMP）的敏感性和易损性也不断增加。高空核电磁脉冲（HEMP）具有场强高、频谱宽、作用范围广等特点，对破坏计算机、无线电设备和雷达的部件、组件及电子、电器元件有着相当高的效能。故研究HEMP对电子设备的干扰、破坏机理，并在此基础上研究有效的防护方法尤为重要。

很多电子设备外都有箱体对其屏蔽，然而箱体内的电子设备经常需要和外部资源（如电源，天线，打印机等）进行信息传递，均需要导线对屏蔽箱体的不接触贯穿来完成。这样，HEMP可以通过对贯通导线的直接耦合，将能量传递到屏蔽箱体内的电子设备，屏蔽箱体对贯通导线感应电流的影响自然便是人们关注的焦点。然而目前，中国虽然在HEMP对线缆效应的研究方面有众多成果，但对贯通导线及其终端负载感应电流的研究很少涉及。文献［1］运用时域有限差分（FDTD）方法研究了HEMP环境下屏蔽机箱上的贯通导线，结果表明，机箱内与贯通导线直接相连或不相连电路上的HEMP耦合电流显著增强，其认为这是由于屏蔽机箱外壳产生的散射场与贯通导线耦合作用的结果。笔者在实验中发现，屏蔽机箱外壳产生的散射场对贯通导线感应电流的影响很小，HEMP直接与导线及其周围导体耦合作用是机箱内电路上的HEMP耦合电流显著增强的主要原因。

1 计算模型

简化的计算模型如图1所示，本文抽象地使用外露集总元件R1代表箱体外部相连电路的阻抗，内部集总元件R2代表内部电路的阻抗，求解R2上电流的时域波形，以此研究屏蔽箱体对贯通导线感应电流的影响，具体设置如下。

屏蔽箱体的结构尺寸：a×b×c，本文中取a＝b＝c＝60 mm；

导线和屏蔽箱体的材料：PEC（所以电磁波不会通过屏蔽层进入箱体内部）；

HEMP的波形：E（t）＝1.3×5×104×（e－4×107t－e－6×108t），V／m；

孔缝的几何中心位于屏蔽箱体上表面的正中央，其尺寸为10 mm×4 mm；

图1 简化的计算模型

电阻的阻值：R1＝R2＝50Ω；屏蔽箱体外的导线长度为P0P1；屏蔽箱体内的导线长度为P2P3；屏蔽箱体的厚度为P1P2＝2 mm；导线的半径为r＝0.5 mm。

2 数值计算及讨论

2.1 内部电路与箱体接触

在有些情况下，内部电路电阻R2直接与箱体接触，即图1中的P3点在箱体上（P2P3＝56 mm）。图2给出了入射HEMP电场方向与导线轴向（Z轴）平行，导线取不同设置情况下，R2上感应电流的时域波形。

1）对比图2a）和图2c）可知，HEMP通过贯通导线将更多的能量耦合到屏蔽箱体内，而且感应电流高达数百毫安，对后续电路构成严重的威胁。

2）对比图2b）和图2c）可知，由于屏蔽箱体的存在，使得更多的电磁能量被耦合到导线上。表明屏蔽箱体能够收集电磁能量，影响周围的电路。

3）对比图2c）和图2d）可知，即使切断了线缆的连接，聚集在箱体外导体上的大量能量仍可以通过辐射传导的途径进入箱体内部电路。

4）由图2e）和图2f）可以看出，R2上的电流峰值与贯通导线的外露长度基本成线性正比关系。

图2 入射电场方向与导线轴向平行时箱体内电路上的感应电流

改变入射HEMP的入射方向，图3给出了脉冲沿－Z方向入射，电场极化方向与孔缝的短边平行，P0P3全段存在，P0P1＝20 mm时，R2上感应电流的时域波形。图3中的计算结果与文献［2］基本一致，说明在平面波电场与导线垂直时，通过贯通导线耦合的能量相对较小。

由文献［3］可知，当电磁脉冲垂直于开口平面入射时，耦合进箱体内的电磁脉冲场最强。因此可以说明在本文的案例中，HEMP通过孔缝直接耦合到箱体内部的能量对R2上感应电流的影响很小，这是由于本案例模型中通过孔缝耦合进入箱体的电场在导线轴向的分量很少。

2.2 内部电路与箱体不接触

当内部电路R2不与箱体接触时，这里以P2P3＝55 mm，P0P1＝20 mm为例。图4给出了在入射HEMP电场方向与导线轴向平行情况下，R2上感应电流的时域波形。

对比图2a）和图4a）、图2c）和图4b）可知，在本文案例中内部电路与箱体接触时电路上的感应电流是不接触时的3～4倍。因此，屏蔽箱体收集到的电磁能量主要是通过传导耦合进入屏蔽箱体内部电路的。

2.3 导线与导体板相连

由上述实验可知：当导线与周围的导体相接触时，周围导体收集到的电磁能量便可传递到导线，使得导线上的感应电流大大增加。图5给出了入射HEMP电场方向与导线轴向平行时，长度为80 mm的导线与不同面积的导体板连接时导线上感应电流的时域波形。对比图2b）、图5a）、图5b）进一步证明了上述结论的正确性，同时也说明导体面积越大，导线上的感应电流就越大。

图3 入射电场方向与导线轴向垂直时箱体内电路上的感应电流

图4 内部电路与箱体不接触时箱体内电路上的感应电流

图5 导线与导体板直接接触时的感应电流

3 结 论

屏蔽箱体上的贯通导线可以将箱体外的HEMP能量耦合到箱体内部电路，并产生较大的感应电流，对其构成严重的威胁，通过本文的实验研究表明该感应电流主要受以下几个因素的影响：1）贯穿导线暴露在箱体外部分的长度越长，感应电流越大；2）入射HEMP沿贯通导线轴向的电场分量越大，感应电流越大；3）导线与其周围的导体相连接会大大增加其感应电流，相连接的导体面积越大，感应电流越大。

根据对上述耦合特性的分析，HEMP环境下带有贯通导线的屏蔽箱体可以采取以下防护措施：1）掐断电磁能量的传输途径，这里主要是传导耦合。尽量减少电磁敏感设备与外界连接的导线，避免其与各种导体的接触，缩短暴露在外的导线的长度；2）箱体内部的导线要尽量沿着垂直于箱体上孔缝平面的方向布线；3）尽量减小屏蔽箱体的表面积，以及其他的一些防护措施，譬如接地、滤波等。

［1］ 余同彬，周璧华.贯通导线对屏蔽机箱内电路 HEMP耦合电流的影响［J］.电波科学学报，2002，17（5）：481-484.

［2］ 丁 昱.核电磁脉冲线缆耦合效应研究［D］.北京：北京交通大学，2009.

［3］ 李 旭，俞集辉.地面附近开口箱体孔缝耦合效应的数值仿真［J］.系统仿真学报，2007，19（6）：1 217-1 219.

TM15

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1008-1542（2011）07-0153-04

2011-06-20；责任编辑:李 穆

方 磊（1987-），男，湖北随州人，硕士研究生，主要从事电磁脉冲的效应和防护方面的研究。