CN101819235A - 基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路，该防护电路包括算法控制单元、电磁脉冲发生器、电台负载和测试单元；电磁脉冲发生器产生电磁脉冲干扰，并通过电台负载后进入测试单元；测试单元用来测量电磁脉冲干扰对电台负载的影响，并将测量的结果送入算法控制单元进行计算仿真；算法控制单元根据测试单元提供的数据进行计算机仿真，结果用于为电台的电磁脉冲防护提供参考。本发明利用时域有限差分法对短波电台的天线、电缆以及屏蔽体模型进行分析仿真，得出电磁脉冲具体参数下的耦合规律，设计短波电台的天线、电缆及屏蔽体孔缝的防护电路或防护方式。特别适用于高灵敏、高增益电台及其他器件敏感设备的电磁脉冲防护。

Description

基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路

技术领域

本发明涉及一种短波电台的电磁脉冲防护电路及设计方法，具体地说，是一种利用有限差分分析方法，对短波电台的天线、电缆以及屏蔽体的电磁脉冲进行分析，利用计算机仿真结果得到电磁波特性的具体参数，设计实现短波电台的天线、电缆及屏蔽体电磁脉冲防护电路及方法。

背景技术

随着微电子技术的迅速发展，通信电子系统专用集成化程度不断提高，这些高度微电子化的通信电子系统在极大提高了系统性能的同时，也增加了系统对电磁脉冲等高能量冲击的脆弱性与敏感性，针对不同的通信方式应采用相应的抗干扰技术。

电磁脉冲是以电磁波的形式发射与传播的干扰，任何金属导体或缝隙都能耦合电磁脉冲能量并将其传输到内部。电磁脉冲干扰具有涵盖范围广、作用时间快、脉冲能量大、频率范围宽等特点，能够产生持续时间极短的宽频谱电磁脉冲，通过电子设备的天线、导线、金属开口或缝隙等进入，未经电磁防护的电子设备内部的电子元器件因受到电磁脉冲的冲击而无法正常工作。无线通信设备尤其是短波电台特别容易受到电磁脉冲的破坏，由于这些设备的开放性、移动性，以及包含较多电磁敏感器件如天线，短波电台的电磁脉冲防护难度大、技术含量高、资金投入多，只有充分掌握电磁脉冲环境中的各种参数及电台的各种耦合途径，分析出电台在特定电磁脉冲环境下可能产生的效应和电台的薄弱部分，才能进行有效的电磁脉冲防护。

电磁脉冲对电子设备的破坏必须具备电磁脉冲源、耦合途径和敏感器件三个基本要素。电磁脉冲源是指能产生持续时间极短的宽频谱瞬态电磁脉冲能量的干扰源；耦合途径指入射波通过系统的天线、馈线以及金属壳体上的缝隙等进入电子系统内部；敏感设备指当受到电磁脉冲作用时导致性能失效或损坏的器件、设备或系统。

时域有限差分法(FDTD，Finite Difference Time Domain)是以差分原理为基础，将概括电磁场普遍规律的麦克斯韦旋度方程转换为差分方程组，在一定的空间和时间上通过对连续电磁场的数据取样，再现电磁现象的物理过程，是对电磁场问题的本质和完备的数据模拟，具有普适性。利用这种方法对电子设备的各种耦合途径进行计算仿真，可以得到具体的电磁特性参数，为电磁防护设计提供理论依据及电路参数。

目前的短波电台普遍采用了大规模集成电路、数字信号处理等技术，结构较为复杂。电磁脉冲主要通过耦合方式进入电台内部，耦合途径主要有三种，一是通过天线从电台的接收端口进入，二是通过各种连接线如天线馈线等耦合进入，三是通过电台面板缝隙耦合进入。因此对短波电台的电磁防护设计应从这三个方面分别进行分析和设计，以达到较好的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于时域有限差分分析的短波电台电磁脉冲测试电路，利用该测试电路可以对短波电台的天线、电缆以及屏蔽体的电磁防护建立计算机仿真模型，得到天线、电缆或屏蔽体上可能出现的瞬间感应电流或电压的分布参数，用以指导短波电台各个部分的电磁防护设计，具有针对性强、计算误差小、防护性能好的特点，特别适用于高灵敏、高增益电台及其他器件敏感设备的电磁脉冲防护。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路，其特征在于：该防护电路包括算法控制单元、电磁脉冲发生器、电台负载和测试单元；电磁脉冲发生器产生电磁脉冲干扰，并通过电台负载后进入测试单元；测试单元用来测量电磁脉冲干扰对电台负载的影响，并将测量的结果送入算法控制单元进行计算仿真；算法控制单元根据测试单元提供的数据进行计算机仿真，结果用于为电台的电磁脉冲防护提供参考。

本发明建立短波电台抗电磁脉冲干扰测试电路，利用时域有限差分法对电磁场问题进行原始和完备的数据模拟，对短波电台需要进行防护的部分分别建立计算机仿真模型，根据仿真结果分析整理数据参数，得到结果，用以指导短波电台的电磁脉冲防护电路设计及方式选择。

本发明中，干扰源产生电磁脉冲干扰，以过电台负载产生电磁干扰；也可以人为地用麦克斯韦发生器产生要求模拟的电磁脉冲干扰信号；测试单元也可包括电动感应器和测试台，其中电动感应器和测试台是可选部件，如果不需要进行实际测量，则这两个部件可以省略。

无线电台的抗电磁脉冲评估流程如图2所示。首先选择要进行评估的电磁脉冲干扰源的类型，然后改变干扰源的门限值，模拟干扰，测量受干扰部分的附近场值，采用时域有限差分法分析测试电磁干扰的效果，然后判定电台是否失效。如果失效，则对分析结果进行数据整理，给出评估结论；如果电台未失效，则转入步骤A，改变电台的工作状态，重新进行干扰模拟、场值测量、干扰效果分析，并判定电台是否失效。如果电台仍未失效，则进行步骤B，改变干扰源方向，重新进行干扰模拟测量和分析，并判定电台是否失效。如果电台仍未失效，则程序不再返回，直接给出整理数据及评估结论，结束评估流程。

电磁脉冲的上升时间越快、脉宽越窄、频谱越宽，对电子设备造成的损伤就越严重，超宽带电磁脉冲的频谱可以从几十MHz到几十GHz，可以用高斯脉冲进行模拟，其时域表达式为

$E\left(t\right)=E_0\exp (-\frac{4\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2})V/m$

其中E₀为峰值场强，t₀为峰值场强出现的时刻，τ为脉冲宽度。频谱表达式为

$E\left(f\right)=E_0\frac{\mathrm{\τ}}{2}\exp (\mathrm{\πf}{t}_0-\frac{\mathrm{\π}{f}^2{\mathrm{\τ}}^2}{4})$

仿真结果显示，超宽带电磁脉冲具有很高的峰值场强，电场强度可达10⁴～10⁵V/m，典型上升时间为10^-9s，能量主要集中在10⁵～10⁹Hz频段。

电磁脉冲以电磁波的形式发射与传播，任何金属导体或孔缝均能耦合电磁脉冲能量并将其传输到内部，脉冲能量因脉冲电动最大强度、脉冲持续时间，以及系统所采用的防护措施等因素而有所不同，相应地，对种类设备与元器件的损坏也不同。通常，越是先进复杂的设备受到的也越大。

电磁脉冲通过耦合、传导和辐射三种方式进入电台内部，其主要耦合途径一是通过天线从电台的接收端子进入，二是通过各种连接线如天馈线、电源线、音频线等耦合进入，三是通过电台面板孔缝直接或耦合进入。

在电磁脉冲环境下，与电子设备相连的各种电缆会耦合产生感应电流，接收设备输入级的敏感半导体就会受到影响或损坏。即使使用屏蔽电缆，如果不采取正确的接地方式，只是简单地将电缆屏蔽层与设备屏蔽体相连，也会导致电缆屏蔽层上的电流传导到设备屏蔽体内表面，在屏蔽体内部再次形成电磁场，影响电路的正常工作。在分析计算电缆的感应电流时，需要确定电缆轴向的电场分布、电缆的特性阻抗及其传输特性如误差及传播速度等。传统的传输线方法分析电磁波对电缆的传输线的影响具有简单、计算方便等特点。但是这种方法忽略了导线的散射效应，当频率较高时误差较大。此外，在处理各种金属管线、穿管导线等电磁问题时，计算分析十分困难。本发明专利直接从麦克斯韦方程出发，利用时域有限差分法直接求解电缆耦合电流的问题，具有计算精度高、误差小、针对性强的优点，具有广泛的适应性。

天线作为电台设备中专门用于辐射或接收电磁能量的部件，其主要功能是将传输线中的调频电磁能量转变为自由空间的电磁波，或反之将自由空间的电磁波转变成为传输线中的高频电磁能。对于发射电磁波而言，天线附近小范围内可视为均匀平面波。对天线的电磁脉冲耦合而言，影响耦合能量大小的主要参数包括接收天线方向图、输入阻抗、极化方式等。

电磁波对系统屏蔽体的穿透主要是通过趋肤效应实现的，趋肤深度为

$d=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}}$

其中f为电磁波频率，μ为屏蔽体材料的磁导率，σ为电导率。电磁脉冲的频率越高，趋肤深度越小，当屏蔽体的厚度远大于趋肤深度时，可以将电子系统与外界电磁脉冲进行有效的隔离，再通过接地装置使电磁脉冲能量进一步衰减，有效降低电磁脉冲对电子系统的影响。

由于屏蔽体无法做到完全封闭，出现孔缝是很正常的。孔缝耦合能量的大小取决于屏蔽面不连续点的尺寸、形状及位置。如果孔缝设计不合理，即使缝隙很小，危害也会非常大。根据孔缝耦合理论，当波长小于最大孔缝尺寸的两倍时，电磁波会无衰减地通过孔缝。对于宽带电磁脉冲，在进行电磁防护设计时，应针对电磁脉冲的最高频率。当孔缝大于λ/20(λ为电磁脉冲的波长)时，必须精确设计孔缝参数以减小电磁脉冲的耦合量。采用时域有限差分法进行精确的仿真计算可以得到较好的效果。

根据电磁场理论，空间无源区域的麦克斯韦旋度方程在直角坐标系中可以表示为

$\frac{\∂H}{\∂t}=-\frac{1}{\mathrm{\μ}}\▿\×E-\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}}\×H$

$\frac{\∂E}{\∂t}=\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\▿\×H-\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ϵ}}\×E$

在直角坐标系中，上面的每个方程都可以分解为直角坐标系的x、y、z三个分量，共6个耦合偏微分方程，这就是时域有限差分法的算法基础，通过将这6个耦合偏微分方程差分化来建立差分方程。建立差分方程首先要求建立合理的将连续变量离散化的网络空间分割体系，这可以采用Yee氏网格来实现。网格上每个节点与其空间的坐标位置一一对应。在Yee氏网格中，电场和磁场各分量在空间的取值点交叉放置，按电磁场的基本规律分配电磁场空间。利用Yee氏网格差分算法，在给定相应电磁问题的初始值及边界条件后，通过各场分量的差分方程，逐个时间步长地对模拟区内各网格点的电场和磁场交替进行计算，等执行到适当的时间步数后，即可获得需要的时域数值结果。

由于计算机内存和计算时间的限制，采用时域有限差分法分析电磁场问题时，必须设置虚拟的边界进行计算区域截断，从而以有限的计算空间来模拟无限的物理空间。但是采用截断计算区域会在截断边界上出现非物理反射，并且边界上的场值无法用边界内的场值计算。解决这个问题可以在截断边界上采用特殊的算法如吸收边界条件算法等。此外，随着计算时间的增长，保证算法的稳定性也是一个很重要的问题。通常，算法的数值解是否稳定主要取决于时间步长和空间步长的选择，而这两者并不是相互独立的，时域有限差分算法数值稳定性条件需满足以下时间步长Δt和空间步长(Δx，Δy，Δz)的关系：

$\mathrm{\Δt}\≤\frac{1}{v\sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{\Δx}}\right)}^2+{\left(\frac{1}{\mathrm{\Δy}}\right)}^2{\left(\frac{1}{\mathrm{\Δz}}\right)}^2}}$

式中 $v=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\ϵ\μ}}}$ 是电磁波的传播速度。

将电磁脉冲干扰的估计参数输入计算机，通过时域有限差分算法可以仿真计算出受干扰器件上可能出现的感应场强分布，从而有针对性地给出对应的防护措施。

短波通信的传输信道主要是电离层，易受环境影响。短波天线的设计目标是高灵敏度、高增益，这也使短波天线更易于受到电磁脉冲干扰的影响，因此需要对电磁脉冲环境下的短波天线进行比较准确的计算仿真，得到天线上可能出现的瞬间感应电流或电压分布。采用时域有限差分法建立天线细导线加载段模型及计算细导线上电感应的网格模型如图3a和图3b所示。

在如图3a和图3b所示模型中，假设细导线加裁段处于差分网格中央，沿z轴放置。图中H(.)和E(.)分别表示磁场强度和电场强度，(i，j，k)是对应的坐标位置，r是计算因子，Δ是选择的计算步长。通过求解电磁场的一阶非齐次方程，可以得到用于时域有限差分法的电流差分方程

$I^{n+1}(i,j,k+1/2)=I^{n-1/2}(i,j,k+1/2)+\frac{L}{R}(1-e^{\frac{R}{\mathrm{\ΔzL}}\mathrm{\Δt}})$

式中 $R=\frac{\mathrm{\Δz}}{\mathrm{\π}{l}^2\mathrm{\σ}}$ 是导线终端所接电阻，l是导线半径；Δz和Δt分别为空间网格大小和时间步长。由计算仿真可知，在电磁脉冲的作用下，天线导线所感应出的电流是一种衰减振荡，振荡的周期以及感应电流峰值电压都随天线的长度不同而不同。耦合电流峰值与细导线长度之间并不是单纯的线性关系，当天线长度相对较短时，感应电流随着长度的增加而增大，当导线长度增加到一定时，耦合总电流的大小就要取决于导线终端反射波到达中点的时刻。通过计算机仿真计算，可以得到比较准确的感应电流数值及仿真曲线，为天线电磁防护电路的设计提供准确的参数。

在各种电子系统中，暴露上强电磁脉冲环境下的电缆，其外导体会耦合产生很强的感应电流以，对电子系统构成威胁，分析电缆耦合问题时，应充分考虑到计算机内存及处理能力的限制，对计算模型进行简化，空间步长的选取考虑到电缆的直径，同时还要保证空间网格能分辨出电缆，在此前提下，空间步长不能超过计算电磁场最高频率所对应波长的1/10，以减小计算量。计算区域采用完全匹配层吸收边界条件来截断。近地面有限长电缆的计算模型如图4所示，计算区域分为地上和地下两部分，其中地上部分为无损空间，地下部分为有损空间。对于电磁散射问题，空间场可以写成入射场和散射场之和。采用时域有限差分分析方法计算散射时，将计算区域分为总场区和散射场区，总场区和散射场区的交界处为连接边界。电缆边缘与吸收边界的距离应大于电磁脉冲主频率波长的1/4，以保证吸收边界能够较好地吸收。吸收边界与连接边界应保持10个以上的网格距离，以保证形成良好的散射场。对于地上部分，电缆的入射波等于激励源入射波与地面反射波的叠加。

电缆外导体所耦合的感应电流可根据安培环路定理计算，如下所示

其中的积分路径为沿电缆表面的圆周，l是电缆半径。

计算结果显示，感应电流的峰值随着电缆长度的增加而增大，并且长度越长，感应电流到达峰值的时间也越迟，其主要是直接耦合与电缆终端电流反射波叠加的共同作用。电缆在不同的离地高度下，电磁脉冲在电缆外导体中间点的耦合电流也不同，高度越高，耦合电流越小，且达到峰值的速度也越快。这是由于离地面越近，电缆受到地面合成场的作用越大，对电缆的耦合效应也越大。在给定外界条件的情况下，电磁脉冲与电缆外导体相对位置的不同也会产生不同的耦合电流。此外，随着入射波仰角θ的不同，电缆外导体中间点所感应的电流波形也不同，即电缆上的感应电流会随入射波的方位角而变化。

电磁脉冲能量可以通过电台屏蔽体的孔缝耦合进入短波电台内部，对电子系统产生干扰。采用时域有限差分分析方法进行仿真计算时，应根据孔缝尺寸的不同区别处理，当孔缝尺寸大于一个空间步长时，采用通常的网格计算；当孔缝尺寸小于一个步长时，应在孔缝附近采用细网格，以保证在减小空间步长的同时不至于使计算量增加太多。屏蔽体孔缝计算模型如图5所示，孔缝位于屏蔽体正对入射波面中心处，其样式采用面积相等的多形式孔缝，空间步长及时间步长根据单孔大小而定，计算区域采用完全匹配层吸收边界条件进行截断。假设电磁脉冲激励源垂直于孔缝平入射，则由计算模型和计算方法可以得到孔中心内侧各点的电场随时间变化的曲线，以及不同的频率分量受衰减的程度变化关系。由于极化方向的不同，孔缝附近的场强变化也产生显著区别。根据计算仿真的结果，可以调整孔缝尺寸、形状(正方形、长方形、圆形等)，也可以将一个相对较大的孔缝划分为面积相等的数个小的孔缝，可以使屏蔽体内的耦合场强明显降低。孔间距不同，屏蔽体内耦合场强的大小也不同；面积相同而形状不同的孔缝耦合能量的大小也各不相同，这些计算仿真的结果可以直接应用于屏蔽体的防护与设计。

本发明直接从概括电磁场普遍规律的麦克斯韦方程出发，在一定空间和一段时间上对连续电磁场进行数据取样，根据仿真结果设计防护电路，具有针对性强、计算误差小、防护性能好的特点，特别适用于高灵敏、高增益电台及其他器件敏感设备的电磁脉冲防护。

本发明具有以下优点：

1、根据电磁脉冲的产生机理和特征，针对性地设计典型电磁脉冲干扰的数学模型，通过时域、频率和能量谱特性的分析，给出准确的电磁脉冲干扰参数，避免了传统电磁脉冲防护误差较大、针对性差的缺点。

2、分别对短波天台的天线、电缆及屏蔽体孔缝3种不同的受干扰体设计模型，以得到具体的电磁脉冲参数下的耦合规律，指导短波电台的防护设计。

3、可以根据不同的干扰源得出不同的计算模型，及时调整防护电路或方法的参数。

附图说明

图1是本发明的基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路的示意图。

图2是短波电台抗电磁脉冲干扰评估流程图。

图3a是短波天线电磁脉冲感应计算模型中细导线加载段模型图。

图3b是短波天线电磁脉冲感应计算模型中细导线网格模型图。

图4是有限长度电缆计算模型。

图5是屏蔽体孔缝计算空间模型。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路的示意图。该防护电路包括算法控制单元1、电磁脉冲发生器2、电台负载3和测试单元4；电磁脉冲发生器2产生电磁脉冲干扰，并通过电台负载3后进入测试单元4；测试单元4用来测量电磁脉冲干扰对电台负载3的影响，并将测量的结果送入算法控制单元1进行计算仿真；算法控制单元1根据测试单元4提供的数据进行计算机仿真，结果用于为电台的电磁脉冲防护提供参考。

算法控制单元1由算法模块11和测量单元12组成，采用基于时域有限差分分析算法，利用输入的电磁脉冲干扰的参数，计算仿真干扰所产生的影响和结果。测量单元12提供电磁脉冲干扰的测量参数。算法控制单元安装于计算机或处理器上。电磁脉冲发生器2产生的干扰通过短波电台负载3进入测试单元4。电磁脉冲干扰源既可以是实际的干扰，也可以是人工设置的电磁脉冲产生器。人工设置的电磁脉冲产生器主要用于进行系统的仿真评估测试，便于参数调节，算法流程由图2所示。测试单元4用于测量电磁脉冲干扰对电台的影响，测量的结果送入算法控制单元1进行计算仿真。在测试单元4中包括电动感应器41和测试台42。

图2是短波电台的抗电磁脉冲评估流程。首先选择要进行评估的电磁脉冲干扰源的类型，然后改变干扰源的门限值，模拟干扰，测量受干扰部分的附近场值，采用时域有限差分法分析测试电磁干扰的效果，然后判定电台是否失效。如果失效，则对分析结果进行数据整理，给出评估结论；如果电台未失效，则转入步骤A，改变电台的工作状态，重新进行干扰模拟、场值测量、干扰效果分析，并判定电台是否失效。如果电台仍未失效，则进行步骤B，改变干扰源方向，重新进行干扰模拟测量和分析，并判定电台是否失效。如果电台仍未失效，则程序不再返回，直接给出整理数据及评估结论，结束评估流程。

图3a和图3b是短波电台天线电磁脉冲感应计算模型，此算法模块内嵌于图1中的算法控制单元内，根据电台天线的具体设置计算仿真电磁脉冲干扰的影响。

图4是有限长度电缆的计算模型，此算法模块内嵌于图1中的算法控制单元内，根据短波电台电缆的具体设置计算电磁脉冲耦合对电缆的影响。

图5是屏蔽体孔缝计算空间模型，此算法模块内嵌于图1中的算法控制单元内，根据短波电台屏蔽体孔缝的位置、尺寸、形状等准确计算仿真电磁脉冲耦合对屏蔽体孔缝的影响。

本发明根据电磁脉冲的产生机理和特征，针对性地设计典型电磁脉冲干扰的数学模型，通过时域、频率和能量谱特性的分析，给出准确的电磁脉冲干扰参数；本发明分别对短波天台的天线、电缆及屏蔽体孔缝3种不同的受干扰体设计模型，以得到具体的电磁脉冲参数下的耦合规律，指导短波电台的防护设计；而且可以根据不同的干扰源得出不同的计算模型，及时调整防护电路或方法的参数。

Claims (5)

1.一种基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路，其特征在于：该测试电路包括算法控制单元(1)、电磁脉冲发生器(2)、电台负载(3)和测试单元(4)；电磁脉冲发生器(2)产生电磁脉冲干扰，并通过电台负载(3)后进入测试单元(4)；测试单元(4)用来测量电磁脉冲干扰对电台负载(3)的影响，并将测量的结果送入算法控制单元(1)进行计算仿真；算法控制单元(1)根据测试单元(4)提供的数据进行计算机仿真，结果用于为电台的电磁脉冲防护提供参考。

2.根据权利要求1所述的基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路，其特征在于：算法控制单元(1)包括算法模块(11)和测量单元(12)。

3.根据权利要求1所述的基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路，其特征在于：电台负载(3)包括短波电台的天线、电缆以及屏蔽体。

4.根据权利要求1所述的基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路，其特征在于：电磁脉冲发生器(2)产生的电磁脉冲干扰是用麦克斯韦发生器产生的要求模拟的电磁脉冲干扰信号。

5.根据权利要求1所述的基于时域有限差分分析方法的短波电台电磁脉冲测试电路，其特征在于：在测试单元(4)中包括电动感应器(41)和测试台(42)。

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