高功率微波電磁脈沖對鐵路PCB類設備的危害影響及防護措施研究

魏 波，張中源，余國泰

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；2.東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建 福州 350013）

1 高功率微波電磁脈沖

高功率電磁脈沖主要分為三類：一類是雷暴雨，這類雷暴是由雷云和雷云附近的地面突出體組成，當其電場大于25～30 kV/cm時，會使大氣絕緣發(fā)生強烈的放電，并伴隨著高達2 000 ℃的高溫，使周邊的大氣或其他物質迅速膨脹，從而引起強烈的電磁作用，造成輻射。二是高能超寬頻電磁武器的高海拔核爆。它是利用核能五大危險中的一種，可以在短時間內破壞或者破壞遠處的電子設施。這一點從蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)期間對美國的西部進行的測試中就已經得到證實。高海拔核爆產生的電磁脈沖是一種高能的電磁脈沖。三是強沖擊式的高能量微波。它是一種新型的定向能武器，通過高能微波對目標進行破壞，其工作頻段為100 MHz～300 GHZ，總能量達到100 MW～100 GW，同時具備更高的工作帶寬和更高的工作壽命。它是利用高能微波輻射源發(fā)出的高增益定向天線，在太空中形成高強度、高指向性的微波波束，可以對電子器件進行損壞，使其無法發(fā)揮正常的作用。

由于鐵路強弱電系統(tǒng)內部存在著大量的控制單元和傳感器等電子PCB設備，若未來我國鐵路受到敵對勢力的高功率微波電磁脈照射，則強電磁脈沖會通過耦合方式進入系統(tǒng)中感應出過電壓和過電流，再通過傳輸線、天線等進入電子元器件中。這會使設備內部的數字電路產生熱效應燒毀、浪涌效應的擊穿，造成元器件CMOS電路柵氧化層或金屬化線間截止擊穿、半導體器件的P/N結燒毀等，輕則導致鐵路強弱電裝備信號傳輸中斷，嚴重時將會導致系統(tǒng)完全被摧毀，后果將不堪設想，因此針對高功率電磁脈沖的防護成為鐵路電磁防護的關鍵。

2 高功率微波電磁脈沖對鐵路PCB設備的危害評估

文章研究HPM對鐵路PCB設備危害評估屬于大場景的電磁環(huán)境效應分析，特點是：空間范圍大，從幾百米到數公里；頻率高、頻譜寬，從100 MHz到300 GHZ。單純的數值分析方法難以分析如此大的場景，而單純的近似算法又不能精確計算，進而無法計算HPM干擾與PCB電路之間的復雜耦合關系。因此，研究HPM對鐵路PCB設備的電磁效應適合采用混合接力算法，即采用嚴格的數值分析和近似算法結合的方法，既能滿足復雜場景計算的要求，又能解決復雜電磁環(huán)境效應的計算速度和效率問題。此外，文章對HPM干擾源的分析和建模將通過采用射線跟蹤法（采用軟件：EastWave）仿真干擾源的傳播過程，得到被干擾對象附近的電場分布，然后，以被干擾對象附近的信號為輻射源，采用全波仿真FDTD數值方法（采用軟件：CST和EastWave），嚴格計算沖擊源對被沖擊對象的影響情況。建模仿真思路如圖1所示。

圖1 建模仿真思路

2.1 HPM建模及空間輻射特性仿真分析

HPM電磁脈沖功率通常為100 MW～100 GW，為了評估HPM對PCB設備的影響，文章仿真選定功率較小的HPM沖擊源（功率為1 GW）進行建模仿真。沖擊源的輻射天線形式為拋物面天線，仿真參數設置如表1。

表1 沖擊源仿真參數表

通過EastWave軟件進行建模仿真，可以分別得出代表1 GW功率HPM沖擊源輻射特性的近遠場場圖和空間變化規(guī)律及電場值，HPM電磁脈沖在主瓣方向的能量最強，當被輻射器件裸露在HPM主瓣方向時，所受影響最大。

2.2 鐵路PCB器件建模及電磁沖擊仿真分析

文章選取了典型端口帶有信號耦合線圈的鐵路應答器PCB電路板。通過使用EastWave軟件中“自定義”計算模式，設置電路板內各引腳的對地阻抗，來模擬仿真計算鐵路應答器PCB板路面對HPM電磁脈沖的不同距離照射時，鐵路應答器 PCB板中的電場分布。

2.2.1 鐵路應答器PCB電路建模

選取的輻射源頻率范圍為50 MHz～18 GHz，為了更好地模擬輻射源在頻域和時域對鐵路應答器的影響，本仿真建模將輻射源頻率歸一化在1～2 GHz范圍內，并選取PCB板環(huán)形天線的寬度為1.55 mm、介質層厚度為0.32 mm（1/700波長）、介電常數為4.8。其中環(huán)形天線內部的最小尺度是0.55 mm，約1/400波長（1.3 GHz）。

2.2.2 裸露狀態(tài)下PCB受沖擊影響仿真結果

通過使用CST和EastWave軟件仿真，可得出鐵路應答器PCB電路內環(huán)形耦合線圈端口感應電壓和內部端口感應電壓與頻率的相互關系，其頻域影響關系可以得知鐵路應答器PCB板內部環(huán)形耦合線圈端口在輻射源歸一化頻率為1.06 GHz時感應電壓最大，達到了0.018 V，因此可知當HPM電磁脈沖源工作在低頻段時對鐵路PCB設備影響較大。

在時域方面，結合上一節(jié)1 GW HPM電磁脈沖源空間電場強度仿真結果和FDTD數值方法，可得出實際輻照信號下鐵路應答器PCB板內部器件端口和環(huán)形耦合線圈端口的感應電壓隨距離的關系。

2.3 影響危害評估

目前，鐵路元器件PCB板大部分為COMS和TTL器件集成電路，其一般工作電壓在3.2～3.6 V，額定工作電壓為5 V。根據COMS電平標準輸入電壓正常工作范圍L：＜0.3＊Vcc；H：＞0.7＊Vcc，即最小輸入電壓小于0.96～1.08 V時認為設備可以正常工作，所以取感應電壓1.0 V為電子設施無影響的臨界值。因此，將HPM鐵路電子設備受沖擊電壓的影響分為三個等級，分別為無影響、干擾和損傷，其具體定義內容如下表2所示。

綜合表2的內容進行分析，可得出本次仿真模型下，HPM電磁脈沖輻射下鐵路PCB設備元器件的具體的影響情況。由表3可以看出，在功率為1 GW的HPM電磁脈沖的主瓣照射下，鐵路應答器PCB板內部的環(huán)形線圈和內部端口都會在不同的照射距離下產生不同等級的損壞效應，輕則造成干擾，重則造成損傷，都不能使應答器正常穩(wěn)定的工作，進而影響鐵路的行車安全。

表3 HPM電磁脈沖輻射對鐵路應答器PCB板內部的危害影響情況

3 鐵路PCB設備電磁防護措施建議

針對鐵路強弱電系統(tǒng)和設備的HPM電磁脈沖輻射防護是一個系統(tǒng)工程，防護措施可以分為工程類、技術設備類和監(jiān)測告警類。其中，工程類措施通常是對強弱電設備加蓋混凝土對外界干擾進行屏蔽的站前防護；技術設備類主要通過對鐵路強弱電設備采用加設防護模塊、采用屏蔽電纜、控制柜體密封性和接地來實現(xiàn)；監(jiān)測告警類則是通過在鐵路沿線部署電磁脈沖測量預警裝置對HPM等電磁脈沖進行監(jiān)測報警，以便調度管理和作業(yè)單位采取緊急措施。由于PCB電路板均集成于鐵路強弱電設備內部，在面對HPM電磁脈沖沖擊時，除了要做好各設備外部的整體防護外，也需要針對PCB電路板做好自身的抗干擾設計，設計措施可歸納為以下幾點。

3.1 PCB電路板內部設計防護

（1）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路。

（2）IC元件要盡可能地與線路板焊接，不要采用IC插座，另外，濾波器及限幅電路的布局也要適當，并且要盡可能地接近IC管腳。

（3）采用串聯(lián)一條電阻器的方法，減小了在控制回路中的跳躍率。

（4）嘗試對繼電器等的線圈執(zhí)行元件，在繞組上并聯(lián)一個RC衰減回路。

（5）采用最小的時鐘頻率，以符合該系統(tǒng)的需求。

（6）對于輸入到印制電路板上的訊號，應采用過濾和保護裝置，來自高噪聲區(qū)的訊號，亦應加以過濾和保護。

（7）為了降低高頻訊號在外部的輻射和耦合，印制電路板盡可能地采用45°折線代替90°折線。

（8）時鐘信號、母線及芯片選擇信號應與輸入輸出線路及插接器保持一定距離。

（9）將類比電壓輸入端和基準電壓端盡可能地與數位線路的訊號線分開，尤其是與時鐘保持一定距離。

（10）易受噪音影響的線路，不能并行于大電流、高速度的切換線路。

（11）一種微弱的信號線路，在其附近不構成一個電流回路。

（12）沒有一個信號構成回路，如果是必然的話，則使回路區(qū)域盡可能地減小。

（13）一種去耦電容，用于每一IC。在每一個電解電容器的旁邊必須加上一個小型的高頻旁通電容器。

（14）在配線上，應盡可能地減小印制導線的非連續(xù)性，如導線寬度不得突然變化，導線的轉角要避開銳角，禁止繞圈等。

3.2 PCB電路板接地設計防護

（1）地線設計的原則：將PCB電路板的數字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。其中，低頻PCB電路的地應盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地，而高頻PCB電路盡量采用多點接地的方法，以避免單點接地時地線過長造成的天線輻射問題。

（2）接地線構成閉環(huán)路：只由數字電路組成的PCB電路板，其接地電路布成閉環(huán)路。

（3）單面板和雙面板用單點接電源和單點接地，電源線、地線盡量粗，用多層板以減小電源、地的容生電感。

（4）盡量加粗接地線，若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗。如有可能，接地線的寬度應大于3 mm。

4 結語

隨著電磁武器技術的日益成熟，電磁脈沖武器將向著功率更高、頻譜更寬、脈沖前后沿更窄的方向發(fā)展，對各種基建設施的電子設備威脅也日益加重。因此，在隨著我國鐵路朝著智能化、一體化的發(fā)展方向的同時，對各種鐵路電子設備的防護也應引起各方的重視。鐵路電磁兼容除了采用一些基本外部防護技術之外，更關鍵的是要制定和完善各種設備內部PCB器件的電路、模塊、系統(tǒng)的電磁防護標準和設計防護要求，采用新技術、新思路不斷發(fā)展鐵路設備內部PCB元器件的防護措施和設計標準，并且將防護標準列入設備的設計、生產和驗收全過程，提高我國鐵路強弱電設備在強電磁沖擊下的生存能力。