接地線纜HEMP電流響應規律研究

柴焱杰，張春光，許 凱，趙 煜

(1.中國人民解放軍96275部隊，河南洛陽 471003;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

現代戰爭中，電子對抗日益激烈。HEMP和在近幾場現代局部戰爭中被日益重視的電磁脈沖武器通過其產生的高能電磁脈沖對敵方設備造成性能降級或損傷程度以上的殺傷效果，來發揮戰斗功效［1］。利用電磁脈沖對電子系統的損傷效應，可破壞并摧毀敵方目標內的電子設備，癱瘓敵指揮、控制、通信、電腦、情報和監偵系統。

線纜作為完成通信信號及電力傳輸的工具，是電子系統的重要組成部分。電磁脈沖在線纜中會產生強感應電流耦合進入系統設備，造成通信誤碼率增加或使設備出現故障甚至毀壞。因此，電磁脈沖和線纜防護成為近年來各相關領域的研究熱點［2－7］。由于電子設備配設線纜的長度往往可以和HEMP的最小波長相比擬，因此很多情況下，線纜成為電磁脈沖傳導耦合的重要途徑，并且需要使用波動理論來分析。傳輸線方法是計算線纜問題的常用方法［8，9］，但該方法通常只能獲得理想模型的解析解，而實際的線纜連接和布設環境是復雜的。為全面地分析線纜的電磁脈沖耦合效應，還需要使用數值計算方法深入分析。本文基于FDTD建立仿真空間，重點研究接地線纜的電磁脈沖效應。

1 HEMP表述和線纜的FDTD方法

HEMP在地面附近可作平面波處理，描述HEMP較有影響的有1976年出版物標準、Bell試驗室標準和IEC標準等，這些標準是研制電磁脈沖(EMP)模擬器、制訂EMP防護措施的重要參考依據。HEMP表達式以雙指數函數來描述［10］:

式中，E0為峰值場強;k為修正系數;α和β為表征脈沖前、后沿的參數。磁場強度H(t)為:

本文使用 FDTD方法［11］計算接地線纜的HEMP電流響應。實際應用中，設備線纜的半徑一般都比較小，如果按照其半徑剖分FDTD網格，則會生成大量的網格空間和參量，從而增加計算資源。針對細線問題，Noda等人［12，13］提出了基于等效介質參數法的細線模型。與經典方法不同，Noda等人提出的方法通過改變細導線周圍網格處的介電系數和磁導率來同時實現細導線周圍電場、磁場分量幅度的修正，該方法物理概念清晰，比經典方法更為有效。為了模擬任意半徑r的導線，可以通過修正因子m對細導線附近的介電參數進行修正來實現，如圖1所示。

圖1 FDTD細線模型

根據邊界B的等效性，令細線和邊界B之間的電容相等:

得到修正因子m為:

Noda等人推出等效半徑r0為:

因此，場更新方程與一般三維FDTD方程相同，不同的是細導線鄰近的電場、磁場計算要使用修正后的介電常數ε'、磁導率μ'、電導率σε'和磁阻率σm':

2 接地線纜HEMP電流響應計算分析

2.1 接地線纜HEMP耦合模型

接地線纜的半徑為2.5 mm，長度10 m，兩端直接接地，并與埋入地下的接地體相連接，如圖2所示。HEMP平面波采用IEC標準(k=1.3，α=4×107，β =6×108)，地表電導率為 σε=0.01 S/m，相對介電常數εr=10。

圖2 近地面線纜HEMP耦合計算模型

2.2 響應電流與線纜距地高度的關系

設線纜兩端架高h分別為0.1 m，0.5 m和1 m。HEMP平面波的電場E沿y方向，水平極化，參數為θ=180°，φ=0°，α=90°，計算線纜中點的響應電流，如圖3所示。

可見，地面附近環境場的變化是一個反射場與入射場相互交疊的波動過程，入射波水平極化時，較高位置處的總場峰值較大，因此作為線纜的激勵場在線纜上引起的響應電流也相應較大。并且位于地面附近的線纜，由于反射波通過了一段有耗傳輸線，因此響應電流在振蕩過程中呈現迅速衰減的現象。

圖3 不同架高時線纜中點的響應電流

不同架高情況下線纜端點A處響應電流的計算結果，如圖4所示。可以看出，線纜端點處的響應電流雖然比相應中點處的幅值小，但隨架高的變化趨勢與線纜中點一致。

圖4 不同架高時線纜端點A的響應電流

2.3 響應電流與HEMP平面波入射方向的關系

設線纜兩端均直接接地，架高 h=0.5 m。HEMP平面波電場E沿著x方向，參數為θ=180°，φ=0°，α=180°，此時仍為水平極化，并與線纜架設平面垂直。線纜中點的響應電流如圖5所示。

圖5 線纜中點的響應電流

可見，由于HEMP電場方向與線纜架設平面垂直，在線纜水平段和垂直段皆沒有分量，故激發的響應電流為零。因此，線纜響應電流主要來自與其布設方向一致的電場分量的激勵。

改變HEMP入射方向，參數為 θ=150°，φ =0°，α=90°。此時電場方向仍與線纜水平方向一致，但HEMP為水平極化下的斜入射。與垂直入射情況(θ=180°，φ =0°，α =90°)線纜中點的響應電流對比結果如圖6所示。

圖6 水平極化對線纜響應電流的影響

當線纜水平方向與水平極化HEMP的電場方向平行時，對于不同的入射角，地面反射波到達線纜的波程差不同，但由于HEMP的頻率較低，線纜位置的入射波與反射波的相位差較小。因此與垂直入射情況下的結果相比較可見，線纜中點響應電流的峰值略有減小，但變化并不明顯。

改變平面波入射方向θ為100°和170°，φ=90°，α=180°，此時HEMP平面波為垂直極化下的斜入射，Ex=0。線纜中點的響應電流如圖7所示。

圖7 垂直極化對線纜響應電流的影響

由圖7可知，θ=170°時線纜中點產生的響應電流較大，因為水平方向的線纜長度大于垂直方向的線纜長度，所以線纜在水平導線部分受到的影響更大些。然而，線纜垂直部分對響應電流幅值的影響可與之相比擬，因此，在實際電磁防護時，該部分線纜的電磁防護不容忽視。

沒有線纜存在時位于該點的近場情況如圖8所示。

圖8 位于線纜中點位置的環境總場

3 結束語

在現代戰爭中，各種電子設備及其線纜是武器系統的重要組成部分，其正常運行是贏得制信息權的重要保證。為避免電磁脈沖通過線纜耦合途徑對電子系統產生破壞，需深入研究線纜的電磁脈沖效應機理。本文計算了接地線纜的HEMP效應，掌握了入射波源與線纜電流響應的若干規律，為獲得更全面的認識，還需進一步分析研究帶負載等復雜情況下線纜的電磁脈沖效應問題。 ■

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