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Optoelectronics
Vol. 09  No. 03 ( 2019 ), Article ID: 32353 , 11 pages
10.12677/OE.2019.93020

Simulation of the High Power Electromagnetic Pulse Radiation Effect on a Shielded Electronic System

Tao Ji1, Wenyu Li2*, Jianshu Luo2,3

1Shanghai aircraft Design and Research Institute, Commercial Aircraft Corporation of China Ltd., Shanghai

2High Technology Institute, Hunan College of Traffic Engineering, Changsha Hunan

3College of Science, National University of Defense Technology, Changsha Hunan

Received: Sep. 4th, 2019; accepted: Sep. 19th, 2019; published: Sep. 26th, 2019

ABSTRACT

Aiming at the electromagnetic threat to the electronic system caused by the complex electromagnetic environment formed by the high intensity radiation electromagnetic field and the electromagnetic compatibility problem caused by the electromagnetic radiation source of the electronic system itself, using the theory and technology of electromagnetic topology, the inductive current and inductive voltage of the single-wire and coaxial cable terminals in the shielding cavity are calculated by simulation when the external radiation field is incident with different repetition frequency, incident direction and polarization direction. The results show that inducted current of electronic device set in the shielding cavity by incident plane wave electromagnetic pulses may cause the confusion and damage of the electronic device and terminal equipment.

Keywords:Electromagnetic Topology, Electronic System, Electromagnetic Effect Evaluation, Simulation

强电磁脉冲辐照屏蔽舱结构电子系统的 效应仿真

季涛1，李文煜2*，罗建书2,3

1中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海

2湖南交通工程学院高科技研究院，湖南 长沙

3国防科技大学理学院，湖南 长沙

收稿日期：2019年9月4日；录用日期：2019年9月19日；发布日期：2019年9月26日

摘 要

本文针对高强度辐射电磁场所形成的复杂电磁环境对电子系统形成的电磁威胁以及电子系统本身的电磁辐射源引起的电磁兼容性问题，运用电磁拓扑的理论与技术，仿真计算在外加辐射场以不同的重复频率、脉宽、入射方向和极化方向入射时，屏蔽腔体内部单线和同轴线缆终端的感应电流和感应电压。仿真计算结果表明，以脉冲平面波入射的强电磁脉冲在系统内产生的感应电流可能对屏蔽舱的电子设备造成干扰和破坏。

关键词 :电磁拓扑，电子系统，电磁效应评估，仿真

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

复杂系统的总体结构复杂，通常由若干分系统(或子系统)组成。按基本功能划分，分系统可分为有效载荷和保障系统两大类。按各自功能不同，保障系统主要有结构与机构、热控制、电源、测控、数据管理等分系统。复杂系统在轨道运行时处于真空环境，其热环境十分恶劣，同时还受到各种空间辐照(电子、质子、紫外、宇宙射线等)和微流星以及空间碎片的威胁 [1] ，所处电磁环境恶劣。为了保证复杂系统在空间运行的可靠性，需保证其在恶劣的电磁环境下，电子系统能够正常工作。因此需要在地面附近进行环境试验，通过环境模拟试验，发现隐患，改进设计，避免早期失效，以确保其在工作寿命内的可靠性。数值仿真模拟作为一种有效的模拟验证方式，对复杂系统进行数值仿真模拟同样有效，广泛地应用于复杂系统的电磁环境模拟。

研究电磁耦合和无限传导表面的孔缝渗透问题，比较成熟的方法有基于电磁拓扑(EMT)理论的EMT仿真算法 [2] ，应用传输线矩阵计算孔缝耦合的参数 [3] ，应用快速多层多极子算法模拟孔缝矩形腔体的孔缝耦合 [4] ，利用转移函数将孔缝内传输线看作是辐射天线并应用多导体传输线处理孔缝处的交互作用 [5] 。对复杂外壳上的孔缝研究，相比时域有限差分法和快速多层多极子算法等传统的计算严格却实现缓慢方法MoM-GF法是一种既快速又精确的方法，文献 [6] 通过实验仿真验证了矩量格林函数法(MoM-GF)对外电磁场通过孔缝对腔体内线缆耦合的精确度，在此基础上提出的基于MoM-GF法和BLT方程的混合方法，是一种半解析半数值的方法 [7] 。近年来亦有不少文献研究双层屏蔽腔孔缝耦合的问题 [8] [9] 。文献 [10] 利用电磁拓扑方法和矩方法，分析和计算了具有多孔腔体中的双导线的电磁耦合效应。张旭峰等利用迭代算法计算了埋于地下的导体对电磁场的耦合效应 [11] 。文献 [12] 介绍了线缆束电磁耦合计算的电磁拓扑方法。K. Diomonde 等在文献 [13] 中介绍了用于多导体传输线网络电磁耦合计算的CRIPTE和用于设备输入阻抗建模的IMEA两个软件，并给出了这两个软件用于分析10 kHz~400 MHz频率范围内的大电流注入试验的结果。左超等研究了多组卫星天线同频干扰的仿真建模方法 [14] 。

本文则是针对具有屏蔽舱的复杂电子系统的实际需求，应用PAM-CEM软件进行仿真计算。主要仿真计算在外加辐射场以不同的重复频率、脉宽、入射方向和极化方向入射时，屏蔽腔体内部单线和同轴线缆终端的感应电流和感应电压。

2. 仿真计算

对具有屏蔽舱的复杂电子系统的仿真计算主要基于PAM-CEM软件进行。具体由三个步骤组成：第一步是建立该电子系统的几何模型和设备模型；第二步是参数设置，包括网格剖分、线缆电参数、耦合参数等；第三步是计算求解，并分析仿真结果。

2.1. 仿真计算模型

屏蔽舱是由六面铝合金板材构建的矩形箱体，其内部设备与外壳孔缝设计如图1所示。

Figure 1. Setup of the simulated electronic system in the shielding cavity

图1. 屏蔽舱内部设备与外壳孔缝设计示意图

依据如下所述的屏蔽舱内部设备与外壳孔缝几何尺寸和空间位置，建立该电子系统的几何模型和设备模型。

(1) 通风孔缝一位于左侧面，其尺寸为2 × 80 mm2，与舱体侧边平行，距离舱体正面120 mm，距离舱体底面100 mm；通风孔缝二位于右侧面，其尺寸为2 × 100 mm2，与舱体侧边平行，距离舱体正面500 mm，距离舱体底面400 mm；

(2) 天线孔一位于舱体顶面，六边形开孔，直径10 mm，距离舱体前面300 mm，距离舱体右侧面250 mm；天线孔二位于舱体左侧面，六边形开孔，直径10 mm，距离舱体正面250 mm，距离舱体底面250 mm；

(3) 圆孔一为电力线过孔，位于舱体底面，直径为30 mm，距离舱体正面100 mm，距离舱体右侧面200 mm；圆孔二位于舱体顶面，直径为20 mm，距离舱体背面200 mm，距离舱体右侧面100 mm。

(4) 屏蔽舱内放置两台实验设备：设备一位于舱体背面，设备一顶面距离舱体顶面10 mm，距离舱体右侧面20 mm；设备二位于舱体底面，设备二距离腔体正面10 mm，距离舱体左侧20 mm。

(5) 屏蔽舱内线缆包括信号线缆和供电线缆。线缆一是设备一和设备二之间的信号传递线缆；线缆二与线缆三是由电力线分出分别通向设备二和设备一的供电线缆；电力线由舱体外部进入舱体，电源位于舱体外部。各线缆的规格由设备之间的接口决定。

(6) 屏蔽舱内设置隔板，整个舱腔可以由铝制隔板分成两个隔离舱，隔板位于舱体的正中央，当插入铝制隔板时需要考虑线缆穿过隔板过孔。

在仿真计算中，线缆一由两根同轴线缆组成，分别记为C1和C2，同轴线规格如图2(a)所示；线缆二由四根单线组成，分别记为S1，S2，S3和S4，单线规格如图2(b)所示。

(a) (b)

Figure 2. Diagram of the coaxial cable (a) and single wire (b)

图2. 同轴线缆(a)和单线(b)示意图

2.2. 仿真计算方法

本文计算模型中，各线缆终端均配置50 Ω的负载阻抗，以下均计算各线缆终端的感应电流，感应电压可由感应电流乘以负载阻抗获得。

计算中采用平面波入射，入射平面波的波形如图3所示。图中所示脉冲为矩形波，峰值场强为3.36 kV，脉宽为100 ns，周期为2 ms。计算中一般选取5个脉冲进行仿真计算，脉冲波持续时间为0.01 s，由于线缆终端的感应电流对于外加电磁场的耦合效应具有延时效应，故对于线缆终端的感应电流持续至0.05 s。

Figure 3. Diagram of incident plane wave electromagnetic pulse

图3. 入射平面波脉冲波形

在PAM-CEM软件中依据上节所述仿真计算模型建立几何模型和设备模型。在相应的菜单下构造点，由点成线、由线画面的方式逐步形成仿真的几何模型。或者通过外部已建立好的CAD模型等导入。由点开始，然后连接成线，建立导线、电缆和天线，最后形成设备模型。

建立好模型后，首先进行网格剖分，及相关参数设置，接着是求解参数和激励源的设置。可以设置极化方向，入射方向、信号源等，并设置好边界条件。

通过设定哪一类型的连接，如电阻、电感、电容等，完成终端的设置。通过设定Cable的参数包括有长度、直径、介电常数、两端连接点等的设置，完成线缆设置。

计算时先是利用FDTD进行电磁场的计算，计算感应效应。在此基础上进行CRIPTE计算，并查看各种结果，如线缆的感应电流、电压、功率、相位等。

3. 仿真计算结果

3.1. 不同入射方向的计算结果

分别选取平面波由屏蔽舱体左侧、顶部和右侧入射研究以不同入射方向入射时，线缆终端的感应电流情况(图4、图5、表1、表2)。入射平面波脉冲为矩形波，峰值场强为3.36 kV/m，脉宽为100 ns，周期为2 ms，水平极化。

(a) 左侧入射时，以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(b) 左侧入射时，以设备一为终端的同轴线缆的感应电流；(c) 上方入射时，以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(d) 上方入射时，以设备一为终端的同轴线缆的感应电流；(e) 右侧入射时，以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(f) 右侧入射时，以设备一为终端的同轴线缆的感应电流。

Figure 4. Inducted current of coaxial cable by incident plane wave electromagnetic pulse in different directions

图4. 同轴线缆在不同入射方向下入射波的感应电流

(a) 左侧入射时，以设备二为终端的单线的感应电流；(b) 左侧入射时，以设备一为终端的单线的感应电流；(c) 上方入射时，以设备二为终端的单线的感应电流；(d) 上方入射时，以设备一为终端的单线的感应电流；(e) 右侧入射时，以设备二为终端的单线的感应电流；(f) 右侧入射时，以设备一为终端的单线的感应电流。

Figure 5. Inducted current of single wire by incident plane wave electromagnetic pulse in different directions

图5. 单线在不同入射方向下入射波的感应电流

Table 1. Inducted current of coaxial cable by incident plane wave electromagnetic pulse in different directions

表1. 同轴线缆在不同入射方向下入射波的感应电流

Table 2. Inducted current of single wire by incident plane wave electromagnetic pulse in different directions

表2. 单线在不同入射方向下入射波的感应电流

3.2. 不同极化方式的计算结果

选取平面波由舱体左侧入射时，在水平极化、垂直极化以及45˚极化下线缆终端的感应电流情况(图6、图7、表3、表4)。入射平面波脉冲为矩形波，峰值场强为3.36 kV，脉宽为100 ns，周期为2 ms。

(a) 水平极化时，以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(b) 水平极化时，以设备一为终端的同轴线缆的感应电流；(c) 45˚极化时，以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(d) 45˚极化时，以设备一为终端的同轴线缆的感应电流；(e) 垂直极化时，以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(f) 垂直极化时，以设备一为终端的同轴线缆的感应电流。

Figure 6. Inducted current of coaxial cable by incident plane wave electromagnetic pulse in different direction of polarization

图6. 同轴线缆在不同极化方式下入射波的感应电流

(a) 水平极化时，以设备二为终端的单线的感应电流；(b) 水平极化时，以设备一为终端的单线的感应电流；(c) 45˚极化时，以设备二为终端的单线的感应电流；(d) 45˚极化时，以设备一为终端的单线的感应电流；(e) 垂直极化时，以设备二为终端的单线的感应电流；(f) 垂直极化时，以设备一为终端的单线的感应电流。

Figure 7. Inducted current of single wire by incident plane wave electromagnetic pulse in differentdirection of polarization

图7. 单线在不同极化方式下入射波的感应电流

Table 3. Inducted current of coaxial cable by incident plane wave electromagnetic pulse in different direction of polarization

表3. 同轴线缆在不同极化方式下入射波的感应电流

Table 4. Inducted current of single wire by incident plane wave electromagnetic pulse in different direction of polarization

表4. 单线在不同极化方式下入射波的感应电流

3.3. 不同周期的计算结果

选取平面波由舱体左侧入射时，不同周期下线缆终端的感应电流情况。入射平面波脉冲为矩形波，峰值场强为3.36 kV，脉宽为100 ns，水平极化。仿真计算中分别以0.1 ms，0.5 ms，1 ms和2 ms为周期。

仿真计算结果表明，在改变入射波的周期时，各线缆终端的感应电流不变，结果如图8、图9、表5、表6：

(a) (b)(a) 以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(b) 以设备一为终端的同轴线缆的感应电流。

Figure 8. Inducted current of coaxial cable by incident plane wave electromagnetic pulse of different period

图8. 同轴线缆在不同周期下入射波的感应电流

(a) (b)(a) 以设备二为终端的同轴线缆的感应电流；(b) 以设备一为终端的同轴线缆的感应电流。

Figure 9. Inducted current of single wire by incident plane wave electromagnetic pulse of different period

图9. 单线在不同周期下入射波的感应电流

Table 5. Inducted current of coaxial cable by incident plane wave electromagnetic pulse of different period

表5. 同轴线缆在不同周期下入射波的感应电流

Table 6. Inducted current of single wire by incident plane wave electromagnetic pulse of different period

表6. 单线在不同周期下入射波的感应电流

4. 结论

感应电流基本上在出现峰值后振荡衰减的方式呈现。从给出的各种仿真计算结果，按感应电流的振荡衰减趋势看，到100 ns时，感应电流基本消失。这也合理地说明了，当改变入射脉冲周期取值为0.1 ms，0.5 ms，1 ms和2 ms，由于这些脉冲周期取值远大于100 ns，在改变入射波的周期时，各线缆终端的感应电流不变。

对于同轴电缆，线缆终端感应电流在百分之一安培量级，与入射平面波电磁脉冲不同入射方向和不同极化方式关系不大。对于单线电缆，线缆终端感应电流在安培量级，远远大于同轴电缆的结果，能明显看出其随入射平面波电磁脉冲不同入射方向和不同极化方式的变化。

计算结果表明，从干扰破坏的角度看，由于单线电缆有安培量级的线缆终端感应电流，强电磁脉冲可以通过单线对屏蔽舱的电子设备造成电路工作混乱、存储信息丢失、敏感元器件失效；从防护角度看，复杂电子系统内部应尽量采用同轴电缆，有效减小线缆终端感应电流，提高系统可靠性。

基金项目

国家自然科学基金，11271370。

文章引用

季 涛,李文煜,罗建书. 强电磁脉冲辐照屏蔽舱结构电子系统的效应仿真
Simulation of the High Power Electromagnetic Pulse Radiation Effect on a Shielded Electronic System[J]. 光电子, 2019, 09(03): 141-151. https://doi.org/10.12677/OE.2019.93020

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    15. NOTES

    *通讯作者。

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