分层视角下无线通信网络高空电磁脉冲效应

从分层视角研究无线通信网络高空电磁脉冲效应,提出了一种具有层级属性的网络级效应评估方法。设计研制了一种无线通信网络效应试验仿真平台,网络使用典型全连通拓扑结构,网络节点使用超外差式收发机,网络运行在超短波频段。开展了小型网络脉冲辐照效应试验和效应机理分析,网络仿真研究了网络规模不同条件下节点失效概率对网络性能的影响。得到以下结论：（1）设备级效应对低层级效应具备一定冗余容错能力,这取决于效应评价指标的选择和损伤组件的功能属性;（2）网络级效应对设备级效应具有潜在放大效果,个别节点失效可能造成网络性能严重下降甚至瘫痪。     

两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较

 有关高空核爆电磁脉冲(HEMP)的标准，我国推荐的1976 HEMP和IEC推荐的1996 HEMP的早期波形是不同的。针对两种HEMP标准，采用传输线方程计算了不同长度电缆受HEMP影响的情况，结果表明电缆的1976 HEMP早期耦合效应较1996 HEMP早期耦合效应要严重的多。     

两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较

有关高空核爆电磁脉冲(HEMP)的标准,我国推荐的1976 HEMP和IEC推荐的1996 HEMP的早期波形是不同的。针对两种HEMP标准,采用传输线方程计算了不同长度电缆受HEMP影响的情况,结果表明电缆的1976 HEMP早期耦合效应较1996 HEMP早期耦合效应要严重的多。     

两种高空核爆电磁脉冲下电话机的效应异同性及概率分布

利用分布式负载有界波电磁脉冲模拟器提供的电磁环境,试验研究了电话机在我国推荐的1976 HEMP和IEC61000-2-9推荐的1996 HEMP两种波形环境激励下的效应异同性,以及效应的概率分布,应用频谱分析和电磁范数对效应机制进行了分析。结果表明:对于电话机通话中断效应,1996 HEMP要比1976 HEMP的效应阈值稍低,其效应的概率分布可用正态分布来拟合。     

地面附近的高空核爆电磁脉冲环境

主要研究在高空核爆的双指数类型电磁脉冲平面波入射时,地面附近的电磁脉冲环境。计算给出了在不同入射波状态,不同地表介质电气特性和距地面不同高度等条件下的电磁脉冲环境参数,归纳了一些规律性认识。结果显示：地面附近的电场会随距地面高度的不同而发生显著的变化,对于水平场分量,其反射场总是试图抵消入射场,而对于垂直场分量,其反射场叠加在入射场上,使得地面附近的垂直场强幅值一般大于入射波场强幅值;当入射波仰角增大时,合成电场波形的脉冲宽度会变宽;地表介质的电气特性参数不同也会对地面附近电场的波形和幅值造成一定的影响。     

地面附近的高空核爆电磁脉冲环境

 主要研究在高空核爆的双指数类型电磁脉冲平面波入射时，地面附近的电磁脉冲环境。计算给出了在不同入射波状态，不同地表介质电气特性和距地面不同高度等条件下的电磁脉冲环境参数，归纳了一些规律性认识。结果显示：地面附近的电场会随距地面高度的不同而发生显著的变化，对于水平场分量，其反射场总是试图抵消入射场，而对于垂直场分量，其反射场叠加在入射场上，使得地面附近的垂直场强幅值一般大于入射波场强幅值；当入射波仰角增大时，合成电场波形的脉冲宽度会变宽；地表介质的电气特性参数不同也会对地面附近电场的波形和幅值造成一定的影响。     

高空核爆电磁脉冲波形标准及特征分析

目前,国际上已有美军标、国际电工委员会、Bell实验室及各种学术出版物等各种高空核爆电磁脉冲波形标准。综述了这些标准,并从时域参数、频谱、归一化累积能流谱、总的能量密度等几方面研究其异同性。比较后认为,IEC61000-2-9和MIL-STD-461E表述的新标准要比1976年出版物波形和Bell实验室波形的频谱范围宽,对电子系统的小孔缝耦合效应稍强,但对多数效应物尤其是线缆引入的传导耦合,损伤程度则相对弱化。最后,分析了由于HEMP波形表述形式变化,给EMP模拟器和效应研究带来的影响和新动态趋势。     

高空电磁脉冲作用下地面电缆屏蔽层感应电流的数值模拟

用传输线法对高空电磁脉冲作用下地面电缆屏蔽层感应电流进行了数值模拟,得到了电缆皮电流随入射场波形、电缆长度、电缆屏蔽层两端接地状态的变化规律,部分计算结果与时域有限差分法计算结果及实验结果进行了比较,它们间有较好的一致性。     

高空电磁脉冲作用下地面电缆屏蔽层感应电流的数值模拟

 用传输线法对高空电磁脉冲作用下地面电缆屏蔽层感应电流进行了数值模拟，得到了电缆皮电流随入射场波形、电缆长度、电缆屏蔽层两端接地状态的变化规律，部分计算结果与时域有限差分法计算结果及实验结果进行了比较，它们间有较好的一致性。     

面向超短波接收机射频前端的电磁脉冲效应仿真与效应分级方法

针对接收机射频前端在电磁脉冲环境作用下的电磁损伤过程模拟问题,以超短波接收机为具体研究对象,基于超外差式接收机电路功能模型,采用Verilog-a和SPICE网表联合建模方法,建立了射频前端低噪声放大器（LNA）电磁脉冲效应仿真模型(Extended LNA Model),并通过S参数仿真和瞬态仿真验证了LNA电磁脉冲效应模型具备正常功能仿真能力;为验证该模型的电磁脉冲损伤模拟能力,以标准电磁脉冲波形作为激励,以偶极子天线作为简化的天线前门耦合通道,在不同强度电磁脉冲作用下,接收机中频电路信号输出表现出了无影响、干扰、损毁的电磁脉冲效应过程,说明了建模方法的有效性;最后以EMP-天线耦合电压峰值作为阈值指标,分析得到了超短波接收机不同电磁脉冲效应等级对应的电压峰值阈值数据。     

高功率微波效应的多层次多物理场协同算法

针对半导体器件、电路、电子系统的高功率微波效应,提出了一套全新的多层次多物理场协同计算方法。该算法基于半导体器件的物理结构模型,联立并求解由电磁场、半导体物理和热力学方程构成的多物理场方程组,实现了器件级高功率微波效应的仿真;通过器件多物理场仿真和电路仿真的协同计算完成电路级效应仿真;最后进行电路效应和电磁环境的协同计算,获取由多个电路、外壳封装、孔缝和线缆等组成的电子系统的高功率微波效应数据。介绍了该算法的原理和流程,以商业PIN二极管为例,计算了该器件及组成限幅器电路的温度效应、正向恢复特性、半封闭腔体内空间微波辐射等效应,通过与实验测试的对比验证了算法的正确性,同时对效应现象给出了物理机理解释。     

高功率微波效应的多层次多物理场协同算法

针对半导体器件、电路、电子系统的高功率微波效应,提出了一套全新的多层次多物理场协同计算方法。该算法基于半导体器件的物理结构模型,联立并求解由电磁场、半导体物理和热力学方程构成的多物理场方程组,实现了器件级高功率微波效应的仿真;通过器件多物理场仿真和电路仿真的协同计算完成电路级效应仿真;最后进行电路效应和电磁环境的协同计算,获取由多个电路、外壳封装、孔缝和线缆等组成的电子系统的高功率微波效应数据。介绍了该算法的原理和流程,以商业PIN二极管为例,计算了该器件及组成限幅器电路的温度效应、正向恢复特性、半封闭腔体内空间微波辐射等效应,通过与实验测试的对比验证了算法的正确性,同时对效应现象给出了物理机理解释。     

基于FPGA的电磁脉冲电场测量系统

为了测量纳秒级前沿的电磁脉冲电场,研制了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的宽频带电磁脉冲电场测量系统,该系统采用单极子天线作为电场探头的接收天线,高速AD采集调理电路输出的电压信号,由FPGA接收AD采样的数据并保存至DDR2和FLASH存储器中;分析了系统的整体方案;对系统的信号调理、采集的触发方式、FPGA控制以及干扰屏蔽等关键技术进行了重点分析;通过电场探头、电磁脉冲模拟器、PTEM暗室、衰减器以及示波器进行了性能和功能验证实验;利用软件将电场探头和示波器测得的信号进行处理和对比;实验表明,所研制的电场探头可以测量前沿大于2.5 ns、电场强度为0~50 kV/m的脉冲电场,系统线性度好,体积小,抗干扰性能好,测量准确性高。     

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。     

无人机GPS接收机超宽谱电磁脉冲效应与试验分析

基于无人机GPS接收机干扰容限,分析了GPS超宽谱强电磁脉冲效应机理,开展了高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰机对典型微型无人机的效应试验,测试分析了在不同位置、不同高度、不同状态、不同飞行模式下无人机GPS接收机的高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰效应。试验结果表明,高重复频率超宽谱电磁脉冲对无人机GPS、图传系统、下视传感器均有不同程度的干扰作用,导致无人机无法正常起飞、失控等异常现象,验证了高重复频率超宽谱电磁脉冲干扰GPS接收机的可行性。     

油气管道数据采集与监视控制系统电磁脉冲效应实验

为研究油气管道数据采集与监视控制 (SCADA) 系统的电磁脉冲易损性和防护措施,搭建了具有数据采集、数据通信、远程控制等功能的典型油气管道SCADA模拟实验系统,进行了峰值场强最高为50 kV/m的典型高功率电磁波形作用下的电磁脉冲效应试验。利用实验数据,对目前油气管道SCADA系统面临强电磁脉冲威胁的机理和规律进行了初步分析,发现电磁脉冲对油气管道SCADA系统具有一定程度的威胁,获得了效应现象和效应阈值结果。     

大功率TEA CO2激光器系统中电磁干扰的抑制

大功率TEA CO2激光器系统产生的强电磁干扰主要来源于激光器主放电回路、脉冲火花开关和电源。这种强电磁干扰使大功率TEA CO2激光器控制子系统出现数据混乱、显示屏帧频滚动及功率模块损坏等电磁兼容问题。对大功率TEA CO2激光器系统中产生强电磁干扰的部位和干扰途径进行了测试及分析。通过调整放电回路的参数降低电磁干扰强度,采用埋入式同轴高压电连接器专利技术对主放电回路进行屏蔽,控制子系统选用PLC为控制核心及屏蔽滤波,软件中输入及输出程序的抗干扰设计等措施,有效地抑制了干扰电磁波在系统内外的传播,解决了大功率TEA CO2激光器系统电磁兼容问题。结果表明:主动降低电磁干扰强度和对电磁干扰源进行屏蔽,提高控制子系统硬件抑噪能力等措施,是抑制电磁干扰,保证激光器控制子系统硬件不受损坏的主要手段。软件抗干扰,是硬件抑制电磁干扰措施的补充和延伸,能使激光器系统具有很高的可靠性。     

超宽带电磁脉冲对典型引信的耦合效应研究

为明晰超宽带电磁脉冲对典型无线电引信的干扰和损伤影响,应用时域有限积分法对典型无线电引信腔体耦合效应进行了数值模拟研究。以典型无线电引信腔体及其低频电路板实际结构为对象进行建模,仿真研究了超宽带电磁脉冲对该引信腔体的耦合特性,分析了引信高低频电路间连线过孔参数和脉冲参数对耦合效应的影响规律,研究了加装印刷电路板对耦合效应的影响。结果表明：与圆形和正方形孔缝相比,矩形孔缝的耦合系数受极化方向的影响显著;脉冲上升时间越小,耦合系数越大;加装印刷电路板后,腔体相同位置处耦合系数下降,谐振频率改变。     

超宽带电磁脉冲对典型引信的耦合效应研究

为明晰超宽带电磁脉冲对典型无线电引信的干扰和损伤影响,应用时域有限积分法对典型无线电引信腔体耦合效应进行了数值模拟研究。以典型无线电引信腔体及其低频电路板实际结构为对象进行建模,仿真研究了超宽带电磁脉冲对该引信腔体的耦合特性,分析了引信高低频电路间连线过孔参数和脉冲参数对耦合效应的影响规律,研究了加装印刷电路板对耦合效应的影响。结果表明:与圆形和正方形孔缝相比,矩形孔缝的耦合系数受极化方向的影响显著;脉冲上升时间越小,耦合系数越大;加装印刷电路板后,腔体相同位置处耦合系数下降,谐振频率改变。