车辆发动机管理系统线缆强电磁脉冲耦合与防护仿真研究

强电磁脉冲可通过外部线缆耦合进入车辆发动机管理系统(EMS)内,造成发动机管理系统设备干扰甚至损伤,电磁防护组件可为车辆EMS防护设计提供支撑。以车辆EMS为研究对象,综合考虑EMS设备及其外部连接线缆,建立EMS设备电磁仿真模型,对不同长度线缆的端口耦合特性及EMS金属壳体表面感应电流进行了仿真研究。基于防护电路仿真,设计了一种应用于车辆EMS设备的电磁防护组件。仿真结果表明,该防护组件能将5 kV的电磁脉冲限制在最高峰值幅度为18 V以内,防护效能达到48 dB,将其加装于EMS线缆接口处可有效提高强电磁环境下的可靠性,对于车辆平台控制系统的电磁防护设计具有一定的参考意义。     

宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路设计与实验

强电磁脉冲易通过天线、孔缝、线缆等多种耦合途径进入电子系统内部,造成敏感电子设备出现短暂故障或永久损毁。安装电磁脉冲防护电路可有效提高电子设备抗强电磁脉冲能力。基于LC选频网络和瞬态电压抑制(TVS)二极管,设计了一种宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路,防护电路工作带宽超过2 GHz、插入损耗低于0.6 dB。系统性研究了防护电路对频谱分布在工作带宽内多种电磁脉冲(方波脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波)的防护能力。结果表明:防护电路对不同类型电磁脉冲电压抑制比大于40 dB、耐受功率超过387 kW、而响应时间仅0.7 ns。该防护电路具有工作频带宽、电磁抑制性能好、响应速度快、耐受功率高等特点,对电子信息系统电磁防护加固具有重要意义。     

电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究

强电磁脉冲通过场线耦合的方式,对车辆电子控制系统造成了严重的电磁安全威胁,影响车辆机动性能的发挥。基于典型车辆平台,分析了电控单元在强电磁脉冲环境下的效应机理,开展了整车平台的宽带强电磁脉冲辐照试验,分析了车辆平台发动机系统运行状态与电控单元电源线上耦合脉冲电压之间的关系。试验结果表明宽带电磁脉冲通过电源线缆对车辆电控单元造成干扰效应,导致发动机熄火。根据分析结果,对电控单元直流电源进行了多级防护电路设计,通过切断电磁脉冲能量传输路径的方式实现电磁安全防护,并验证了防护电路的有效性。     

基于波形测试的异质结双极型晶体管器件负载失配影响分析

大功率电磁脉冲冲击下,射频集成微系统内部容易产生负载失配问题,严重者可能导致系统失效甚至损毁。采用实时的波形测试方法,对射频器件的负载失配进而导致器件损毁的机理进行了分析。该方法以矢量网络分析仪作为主要测试仪器,结合回波信号注入和相位参考模块获得待测器件实时电压电流波形,进而分析其负载失配影响机制。采用有源负载牵引技术模拟大功率耦合电磁脉冲注入,进行了电压驻波比39∶1的失配测试,大幅提升了测试范围。创新性地采用了谐波信号源注入模拟杂散谐波电磁干扰,评估器件的谐波阻抗失配特性。通过实际异质结双极型晶体管（HBT）器件测试的结果表明,基波的失配会造成负载端电压过大,增加器件的易损性;基波和谐波频率的干扰分量组合使得输出电压瞬态峰值升高,造成器件的损毁。在进行电磁安全防护时,应同时考虑基波和谐波频率的防护。     

车载单极天线的电磁脉冲响应特性

针对车载系统中使用广泛的短波/超短波单极天线,利用CST仿真分析了高空核电磁脉冲对单极天线的耦合响应特性。计算了天线端接的50 Ω负载对电磁脉冲的时频域感应电压信号,研究了电压信号随不同的脉冲入射角、不同车顶面积以及天线不同位置的变化规律。仿真结果表明:馈电点响应电压峰值随着入射脉冲电场矢量与水平夹角的增大而增大,随着车顶对入射脉冲的有效反射面积增大而增大。仿真结果对车辆天线布局方案的定制及天线系统电磁脉冲防护器件的选择具有重要的指导意义。     

典型光电系统强电磁脉冲耦合分析与加固方法

随着电磁环境的日益复杂,电子设备面临的电磁威胁愈加严峻。光电系统作为高灵敏集成化电子设备,强电磁脉冲能量耦合进入系统内部,影响防护能力本就薄弱的光电系统的正常运行。为明晰典型光电系统强电磁耦合过程,通过仿真分析不同强电磁辐照条件下筒型、侧窗型和多窗口型三种典型光电系统的强电磁耦合情况,提取了光电系统强电磁耦合特征及其制约因素,验证了光电系统进行强电磁防护加固的必要性和紧迫性。为解决光电系统强电磁防护能力薄弱的问题,通过仿真分析,验证了透明电磁防护窗口的强电磁加固效能;开展了基于支撑台阶与导电侧壁的电磁缝隙防护加固方法研究,分析了透明防护窗口缝隙耦合泄露的关键安装结构参数,提出了一种非电接触式装配缝隙强电磁防护加固方法。经测试,当缝隙防护结构长度为6 mm时,在0.2～4 GHz频率范围光电系统平均强电磁防护效能提升4.51 dB。研究结果为光电系统强电磁防护能力提升提供了理论指导和具体解决方案。     

孔缝对金属腔体强电磁脉冲耦合特性影响研究

核电磁脉冲和高功率微波等强电磁脉冲易造成电子设备功能失效甚至损毁,在实际工程实施中用金属腔体对电子设备进行屏蔽是常用的强电磁脉冲抑制手段。基于电磁仿真计算,对含矩形孔缝金属腔体的强电磁脉冲耦合特性进行了系统研究,阐述了孔缝宽长比、腔体尺寸等因素对多种不同类型强电磁脉冲（核电磁脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）作用下腔体内耦合场的影响;并以此为基础,重点分析了强电磁脉冲与含孔缝金属腔体之间的作用机制。研究结果表明:不同类型强电磁脉冲耦合信号差异明显,金属腔体对强电磁脉冲的响应是腔体谐振模式、孔缝谐振频率与强电磁脉冲共同作用的结果;当腔体谐振模式、孔缝谐振频率在强电磁脉冲的带内时,腔体内部的耦合场会出现增强效应;特别地,腔体与孔缝间的相互作用还可造成腔体与缝隙的谐振频率发生偏移。因此,在为电子设备设计金属屏蔽外壳时,应基于不同强电磁脉冲的频带范围,对腔体与孔缝的尺寸进行综合设计,抑制腔体、孔缝谐振及谐振频率偏移,提升其强电磁脉冲防护性能。     

能量选择表面的瞬态响应

为实现强电磁脉冲防护和信号收发的兼容,研究了一种基于能量选择机制的强电磁防护结构,即能量选择表面。该防护表面利用半导体压控导电特性,实现了强场辐照时防护表面由高阻态向低阻态的转变,具有能量低通特性和超宽带特性。利用场路协同仿真方法,分析了能量选择表面瞬态响应与PIN二极管阻抗特性、强电磁脉冲峰值场强及脉冲前沿的关系,结果显示:尖峰泄漏功率和响应时间与Ⅰ层厚度、强电磁脉冲峰值场强成正比,与少数载流子寿命成反比变化。     

电磁耦合实验平台系统线缆束的电磁拓扑分析

复杂线缆束系统的电磁耦合分析,随着电磁环境的日趋复杂化,显得越来越困难。而高功率电磁辐射技术的发展,对具有复杂电缆束网络和电子设备的系统,带来了严重的电磁威胁。这从电磁攻击与电磁防护两方面,对复杂线缆束的电磁耦合分析,都提出了更加迫切的需求。由于复杂线缆束网络所涉及的几何空间的边界条件十分复杂,所以很难用时域有限差分(FDTD)或频域有限差分(FDFD)方法求解复杂线缆束网络系统的电磁耦合问题。我们在基于传输线理论,采用拓扑学中将空间按照拓扑结构进行分解的思想,建立了线缆束网络电磁耦合的拓扑模型,得出了计算复杂线缆束网络系统终端耦合电压与电流的计算方法,并给出了仿真计算实例用以验证电磁拓扑法处理线缆网络电磁耦合效应的有效性。     

电气线路互联系统线缆抗高空核电磁脉冲耦合效应

高空核电磁脉冲（HEMP）对电子设备的耦合途径主要有两方面:一方面是通过装备（产品）上的天线耦合通道进入到电子系统内的“前门耦合”方式；另一方面则是“后门耦合”，即通过装备（产品）上的壳体、电源线、电缆、机箱的缝隙、孔洞等途径进行耦合。主要研究电气线路互联系统(EWIS)线缆抗高空核电磁脉冲耦合效应，通过研究HEMP干扰的特征、能量分布，搭建HEMP数学模型，采用控制变量法，改变EWIS线缆类型、离地高度等要素，通过在CST上建立仿真模型以及开展试验，分析HEMP对电子设备造成的影响程度，得到HEMP耦合效应的一般性结论与规律。     

纳秒脉冲下典型钳压型浪涌防护元件的响应特性

为研究以压敏电阻和瞬态抑制（TVS）二极管为代表的典型钳压型浪涌防护元件的纳秒脉冲响应特性,为电磁脉冲干扰防护元件的选型提供科学依据,分别基于百ns和2 ns上升前沿电磁脉冲直接注入的方式,实验测试并对比分析两类元件在不同脉冲上升沿时间、电压幅值等情况下的响应差异,并阐明产生过冲响应差异的物理机理。结果表明:两类防护元件的响应时间均与注入纳秒脉冲上升沿时间有关,且随着上升沿的增加而变长,其中TVS二极管在相同上升脉冲情况下具有更为敏感的响应速度;当注入脉冲电压幅值增加时,PN结热积累加快,击穿速度加快,元件响应时间更短,相比于TVS稳定的钳位幅值,压敏电阻在钳位幅值附近处振荡明显;当快速脉冲到达时,压敏电阻和TVS二极管响应曲线在钳位幅值稳定前均发生过冲现象,并且两类防护元件的过冲电压均随着注入脉冲幅值的增加而增加;尽管钳位电压幅值由自身防护特性决定,但在相同注入脉冲条件下,同类不同型号的防护元件过冲电压几乎相同,通常压敏电阻过冲电压小于钳位电压,而TVS二极管则相反,并且随着钳位幅值变小,过冲电压与钳位电压的比值变大,这意味着过冲现象对低压TVS二极管性能影响更为严重。     

短波接收天线系统核电磁脉冲注入试验

为评估高空核电磁脉冲(HEMP)对某型短波接收天线系统的威胁,对包含浪涌保护器在内的天线前端设备进行HEMP传导注入试验。采用纳秒级快前沿方波源和双指数波电流源,分别测试不同浪涌保护措施的快脉冲响应。结果表明,主要由于天线末端的气体放电管在高过压比下很快动作(1 ns量级)、信号浪涌保护器内瞬态电压抑制器(TVS)限幅、信号传输设备内放大器饱和限幅等多重作用,注入幅度约3.5 kV的快前沿方波、电流峰值1.8 kA的双指数波(20/500 ns)脉冲都能及时泄放,只在传输设备输出端产生一个幅度饱和(< 3 V)、持续μs量级的干扰信号。对这一类低工作电压天线系统,利用基于市售浪涌保护器的多重防雷措施能够同时实现对核电磁脉冲传导环境的防护。     

束参数瞬态测量在复杂环境中的电磁干扰及兼容设计技术

强流电子束束参数瞬态测量系统在直线感应加速器的复杂电磁环境中会受到强电磁的干扰,主要包括:干扰特性、干扰机理、数学描述、抑制措施、防范措施等,这些干扰既针对电路又针对系统,从而对束参数瞬态测量系统测量的稳定性以及测量数据的有效性都有很大的影响。介绍时间分辨测量系统的原理,分析了瞬态脉冲干扰的成因和抑制方法,给出了束参数测量系统的实验布局和特点,进一步探讨电子器件电性能受瞬态脉冲干扰后的抑制措施,其目的是为了达到减少或消除干扰,破坏干扰信号的传输条件,从而提高整个系统的抗干扰能力及可靠性。通过采用光纤传输控制信号可以很好地传输窄脉冲,减少信号延时抖动,以达到高速信号的可靠稳定传输;利用紧凑嵌入式方法,提高了抗电磁干扰的能力,可以更好保护测量系统电子器件,提高整个系统的抗干扰能力。     

基于TLP建模的系统级静电放电效应仿真

系统级静电放电(ESD)效应仿真可以在电子系统进行测试之前进行有效的静电放电效应防护,缩短研发周期。根据传输线脉冲测试(TLP)结果,对瞬态电压抑制(TVS)二极管和芯片引脚进行spice行为建模,结合ESD脉冲源的等效电路模型,PCB板的S参数模型,采用场路协同技术完成了系统级静电放电效应的仿真。针对一个典型的电子系统,在IEC 61000-4-2 ESD应力作用下,完成了一款开关芯片防护电路的仿真,并对电路进行了加工、放电测试,仿真与测试芯片引脚的电压波形吻合良好,验证了该仿真方法的有效性。     

某型无人机收发信机静电放电防护加固

无人机交换机芯片易被静电放电(ESD)电磁脉冲损坏,严重影响无人机数据链正常通信。针对此问题,通过搭建人体-金属ESD电路模型并进行仿真分析,发现所选用的TVS防护器件对15 kV等级的ESD防护效果显著。分别对加装TVS防护器件前后的收发信机电路进行了ESD电磁脉冲抗扰度对比试验。试验结果表明,加装防护器件后的电路对ESD电磁脉冲的防护能力最大提升7.4倍。     

车辆强电磁脉冲环境适应性研究

近年来,随着大量用频设备的广泛应用,使得空间电磁环境日益复杂。复杂多变的电磁环境不仅会影响车辆的运用效能,而且会威胁车辆的生存能力。电磁环境对车辆的影响不可低估,尤其是强电磁脉冲,其破坏能力远远超过一般的电子干扰,会引起车辆的电子、电气元件的失效或损伤,严重影响着车辆机动与安全性能的有效发挥。将以某车辆为对象,较为系统地介绍车辆可能遭遇的强电磁脉冲环境、强电磁脉冲防护思路、车辆电磁环境效应分析以及采取的具体防护加固措施,以期提升车辆强电磁环境适应能力。