基于高功率微波的車輛拒止效應研究

武警廣州指揮學院　曾德彬

基于高功率微波的車輛拒止效應研究

武警廣州指揮學院曾德彬

根據高功率微波對電子設備的損傷效應和特點，分析了車輛發動機電控系統的基本組成和影響發動機正常運行的關鍵部件點火線圈，并對連接點火線圈的電控電路板進行微波注入效應研究。實驗結果表明微波注入后，溫度的上升并未明顯影響點火線圈的正常工作，但微波的熱效應得到了積累，并用文什-貝爾毀傷模型分析估算了微波注入后的毀傷功率閾值，約為55.1dBm。隨著注入微波功率的增大，效應電壓逐漸增強，在電壓上升至約17.4V時，點火線圈出現故障或功能損傷。

車輛；電控系統；高功率微波；效應研究

0　引言

高功率微波（HPM）對電子器件的損傷效應日益引起研究人員的關注。隨著高功率微波技術的發展，HPM信號對于電子元器件的干擾和損傷效應逐漸成為了電子器件電磁效應的研究熱點。HPM可以通過前門耦合和后門耦合的方式進入電子系統，會對電子設備的集成單元造成暫時性或永久性的破壞。近幾年來，很多學者已經在有意電磁干擾對二極管限制器、雙極結型晶體管和金屬氧化物半導體場效晶體管等的誘導破壞效應方面進行了研究。文獻［1-2］分析了PIN二極管二次擊穿的電熱特性和電流雪崩效應。文獻［3-6］研究了基于硅雙極結型晶體管的電磁脈沖損傷機理和相關的脈沖破壞特性。文獻［7］研究了金屬氧化物半導體逆變器在高功率微波誘導攻擊下的互補效應。但是，目前高功率微波對車輛電子控制系統，尤其是發動機控制系統的損傷效應研究還是比較少，針對發動機控制系統薄弱環節的分析還不夠深入。

基于此，本文主要研究分析了車輛發動機控制系統的特性，通過微波注入實驗，界定該系統在受到高功率微波注入時，系統中薄弱部分（點火線圈）的損傷閾值。注入功率微波功率后，車輛電子系統出現失效或者永久性損傷時，脈沖功率大小的界定。

1　車輛發動機電控系統分析

車輛上每一個電子控制系統基本結構都是由傳感器與開關信號、電控單元（ECU）和執行器3部分組成。其中發動機電子控制系統（EEC）涵蓋了發動機燃油噴射、微機控制點火等部分。在車輛行駛過程中，發動機的正常運行與否，是我們關注的主要問題。而點火系統的正常運行就是發動機運行與否的重點。一般點火系統包括電源、點火線圈、分電器、容電器和火花塞。它的工作原理就是利用電磁感應，將蓄電池的低壓電轉變為高壓電，從而擊穿火花塞電極間隙，產生火花。其中原理圖如圖1所示。

圖1　點火系統工作原理

其中的關鍵部分就是點火線圈（見圖2）。因為點火線圈一旦工作出現異常，發動機就不能正常運轉。點火線圈的基本結構如圖2所示，主要有鐵芯、初級繞組、次級繞組、膠木蓋等組成。

由此我們可知，用微波攻擊車輛時，如果能使車輛的點火線圈工作出現異常或是永久性失效，那么就可以迫停車輛。

那么點火線圈工作時，一般有什么要求？從各類國產點火線圈的主要技術數據來看。從中可以看到不同型號的點火線圈（X-1202R、DQ122、DQ126、DQ130等等）有一個相同的特點，就是它能承載的工作電壓值為12 V。點火線圈工作的溫度不能高得使內部絕緣質和填充質熔化，所以一般溫度不能超過80℃。

圖2　傳統點火線圈結構

2　微波注入的效應分析

2.1實驗使用的脈沖信號發生器

實驗中采用了直供電源供電情況下，10MHz的正弦振晶信號發生器，根據編碼和撥號開關的二進制組合，來產生一個可以完成100MHz頻率，占空比在45%-55%以下，上升沿在3-5ns以內，電壓幅值在10-15V的方波脈沖信號輸出，并設置了脈寬為50ns、100ns和150ns的，占空比控制在50%左右的方波輸出。

2.2溫度的測量

因為汽車電路中元器件對溫度的要求一般有兩種，工業級的是-40℃～+85℃，軍品級的是-55℃～+150℃，而點火線圈溫度一般不能超過80℃，所以選擇了以DS1820位核心器件的單線數字溫度測量計，如圖3所示，測溫范圍在-55℃～+125℃之間，以0.5℃遞增，由液晶芯片來實時顯示發動機中點火線圈的溫度。

圖3　單線數字溫度測量計

2.3實驗數據測量方法

對注入的微波信號，我們采取的是間接的測量方法，實驗中使用的是Tektronix DSA 7125的示波器來讀取電壓信號，讀取基本電路輸出波。

圖4　注入微波功率-線圈溫度

2.4電路板和點火線圈的熱電效應分析

實驗中電路板和點火線圈的溫度和微波注入功率的曲線如下圖4所示。從圖中可知隨著微波注入時間的增加，點火線圈和電路板的總體溫度都在上升，脈沖的熱效應隨著時間發生累積。但溫度的初步增加對點火線圈的正常工作的影響并不是很大。

如圖5所示，我們知道點火線圈的工作電壓閾值是12V，由圖可知當微波注入后，點火線圈的負載電壓隨著注入微波的功率增大而增大，基本上當電壓閾值上升到17.4V時，點火線圈就出現故障或損壞。

圖5　注入微波功率-線圈電壓曲線

通過估算可知，在功率為約55.1dBm時，點火線圈出現故障或毀傷。

3　結論

本文在微波注入實驗的基礎上研究了高功率微波對車輛中連接點火線圈的發動機電子控制進行效應分析。實驗結果表明點火線圈在微波注入后出現了熱電效應，熱效應出現了累積，但在一定程度范圍呢對其正常工作影響并不顯著，隨著注入微波功率的增大，直至約55.1dBm時，點火線圈電壓上升至17.4V左右，點火線圈出現故障或功能毀傷。

［1］Ren X R，Chai C C，Ma Z Y and Yang Y T 2013 J.Xidian University 4036 （in Chinese）.

［2］Ren X R，Chai C C，Ma Z Y，Yang Y T，Qiao L P，Shi C L and Ren L H 2013 J. Semicond.34044004.

［3］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T and Chen B 2012 Acta Phys. Sin. 61078501 （in Chinese）.

［4］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Chen B and Zhao Y B 2012 Chin. Phys.B 21058502.

［5］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Chen B，Song K and Zhao Y B 2012 Chin. Phys.B 21098502.

［6］Ma Z Y，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Zhao Y B and Qiao L P 2013 Chin. Phys.B 22028502.

［7］Yu X H，Chai C C，Ren X R，Yang Y T，Xi X W and Liu Y 2014 J. Semicond.35084011.

曾德彬（1993-），男，主要研究方向：高功率微波效應。