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核电磁脉冲线缆耦合效应研究

北京交通大学

硕士学位论文

核电磁脉冲线缆耦合效应研究

姓名：

丁昱

申请学位级别：

硕士

专业：

通信与信息系统

指导教师：

王化深

20090601

中文摘要

核电磁脉冲（ＮＥＭＰ）是极高强度、极短持续期、宽频带的射频电磁脉冲，它能通过孔缝、线缆、天线等耦合途径耦合使电子设备工作失灵甚至永久损坏，因而，对核电磁脉冲耦合机理及防护方面的研究是近期热点。

本文在阐述核电磁脉冲耦合理论及仿真算法理论的基础上，针对核电磁脉冲对电子设备的耦合途径之一的线缆耦合进行了仿真研究与实验验证，以提出具体防护措施。

本文首先论述了核电磁脉冲耦合理论：

描述了核电磁脉冲波形，阐述了核电磁脉冲耦合途径及危害。

而后表述时域有限积分（ＦＩＴ）算法思路，以及其用于解决本文问题所具有的优势。

基于上述理论及算法，通过建模仿真，分析了贯穿导线对核电磁脉冲的耦合规律，以及同轴电缆终端对核电磁脉冲的耦合规律。

得到以下结论：

贯穿导线情况下，核电磁脉冲通过线缆耦合的能量在其电场方向与线缆方向平行时最大，与外露线缆长度成正比，核电磁脉冲通过孔缝耦合的能量在其波方向与孔缝法线方向平行时最大，与孔缝大小成正比；而对于同轴电缆，其终端耦合能量与同轴外导体厚度、电导率、同轴与电场之间夹角成反比，与同轴终端电阻值成币比。

仿真建模后，搭建了同轴电缆核电磁脉冲耦合的实验平台，记录同轴电缆在不同长度、不同终端阻值、与电场有不同夹角情况下的终端耦合电压。

实验结果表明：

终端电阻耦合能量与同轴长度及终端阻值成正比，与电场与同轴夹角成反比，实验与仿真结果基本相同，而在波形幅值及高频分量所占比例上有所不同，对此做了必要的解释。

最后以仿真及实验结果为基础，以核电磁脉冲耦合途径分类，提出各自的防护措施，并着重分析了对线缆核电磁脉冲耦合的防护。

关键词：

核电磁脉冲；线缆耦合；时域有限积分；电磁脉冲模拟器

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｎｕｃｌｅａｒｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

一Ｊ’墨签字Ｒ期．加了年６月ｆＪ日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。

特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。

同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名：

ｊ呸导师签名：

签字Ｒ期：

加７年易月ＪＪ日签字同期：

力刁年莎月，７同

致谢

本论文的工作是在我的导师王化深及王国栋老师悉心指导下完成的，他们严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。

在此衷心感谢两年来王化深、王国栋老师对我的关心和指导。

在中国电子科学研究院进行相关研究期间，电科院电磁兼容研究室刘姜玲研究员悉心指导我完成了核电磁脉冲相关科研工作，崔晓鹏主任、高斌博士、魏立柱师兄在研究和生活上给予我很大的帮助，王强师兄给我的研究及论文撰写工作提出了很多有益的建议，在此表示衷心的谢意。

在实验室工作及撰写论文期间，电磁兼容组各位同学对我论文中的研究及撰写工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。

在研究生求学期间，王国栋老师、王化深老师以及沙斐老师、闻映红老师、朱云老师、周克生老师、王风兰老师、陈嵩老师、崔勇老师在学习和生活上给了我很多具体的帮助，在此祝电磁组各位老师身体健康，桃李满天下。

最后，非常感谢父母对我生活上的照料以及学业上的支持，感谢宿舍室友吕杨珍贵的友谊，得到他们的支持才使我能够在学校专心完成我的学业。

序

本课题是中国电子科学技术研究院创新基金项目的一部分，该课题针对核电磁脉冲线缆耦合效应展开相关研究。

电磁脉冲武器是一种新兴的军事武器，主要目的是攻击敌方的电子信息设备，以达到不战而屈人之兵的功效。

因此，为了在电子对抗战中处于有利的地位，开展有关核电磁脉冲的耦合效应研究显得尤为重要。

本文基于此出发点，主要采用时域有限积分方法分析了核电磁脉冲的线缆耦合作用，同时开展了相关耦合效应实验，并对核电磁脉冲防护技术做了较为深入的探讨。

在研究期间得到了中国电子科学技术研究院的资助支持，在其提供的软件仿真平台及电磁脉冲模拟器实验平台的支持下完成工作。

这其中还得到了中国电子科学技术研究院相关人员的大力支持，在此表示感谢。

１引言

１．１课题背景

七十年代后期，特别是八十年代以来，电子设备发生了根本的变化：

集成电路和大规模集成电路取代了晶体管，更取代了电子管。

集成电路的抗毁（高压击穿、大电流烧毁）能力大大下降，只及晶体管的１／１０００，电子管的１／１０６，核电磁脉冲成为电子设备的致命威胁【¨。

核电磁脉冲是核爆炸除冲击波、光热辐射、贯穿辐射和放射性辐射之外所产生的第五种效应。

其产生机理为：

核爆炸产生的光辐射放射性辐射通过康普顿效应在大气层外产生大量自由电子，而自由电子从产生之时起，就处在地球磁场的环境中，就一直受到洛伦兹力而在与地球磁力线垂直的平面内产生向心加速度，电子的轨迹成为一条螺旋线。

具有加速度的带电粒子就要发射无线电波，它的上升时间和持续时间基本上与ｙ射线同一数量级，是一个单脉冲。

这个电磁脉冲是在２０一４０公里这层稀薄大气层中发射出来的，因此它就是高空核爆炸电磁脉冲的源区（同时是ｙ射线的吸收区）。

源区的范围大体是，从爆炸点到地球表面所作切线组成的圆锥面在２０一４０公罩稀薄大气层内截出的范围，所以电磁脉冲源区是非常大的，而爆炸点愈高，源区范围愈大，从而地面上受电磁脉冲照射的范围也愈大。

从时域波形来看，核电磁脉冲上升时间约１０ｎｓ，持续时间（半峰值点之间隔）约１０—３０ｎｓ，电场强度的峰值可达５０．１００ｋＶ／ｍ。

从频域波形来看，频谱范围是从直流到１００ＭＨｚ（或从０到１５０ＭＨｚ，其中９９．９％的能量在１００ＭＨｚ以下）。

因此所谓核致电磁脉冲，就是一个极高强度、极短持续期、宽频带的射频电磁脉冲。

由于上升时间极短，只有几纳秒，这是雷电上升时间的百分之一。

从覆盖及破坏范围来看，若以峰值电场强度大于２５ｋＶ／ｍ的地球表面定义为覆盖范围，则一颗１００万吨的氢弹在５００公里上空爆炸时，电磁脉冲的覆盖范围将大半个中国覆盖在内。

覆盖范围内的大多数设备将被摧毁，电力网将瘫痪，通信系统将失灵，所以核电磁脉冲防护费用巨大，只能够对最关键的设备进行加固。

另外，核电磁脉冲拥有ＳＧＥＭＰ与ＩＥＭＰ效应。

因此核电磁脉冲能够进入到电磁波进不去的屏蔽罩里面去。

这是核电磁脉冲独具的特性，其他已知的电磁脉冲都不能进到屏蔽罩旱去。

虽然核电磁脉冲会对电子设备造成巨大的损害，但是对人畜基本无害。

核致电磁脉冲的峰值虽大（６ＭＷ／ｍ２），比到达地面太阳能功率密度强４０００倍，但因

持续期短，所以能量密度并不大，只有０．６Ｊ／ｍ２。

在一次核袭击中，落到人身上的能量很少，所以对人和生物都没有什么伤害，它对人体的伤害相当于一个远处的雷电。

利用可对电子设备进行损毁而不伤害人类身体健康的核电磁脉冲，可以核武器“常规化＂，于是核电磁脉冲成为研究热点。

而且从前由于技术的原因，电磁脉冲只有通过核爆炸才能产生，因此电磁脉冲武器的研制受到了很大限制。

但随着现代科技的发展，非核电磁脉冲武器逐渐登上战争舞台，美国、俄罗斯等国研制出大量的电磁脉冲武器，如电磁脉冲弹、高能电磁脉冲发生器、高功率微波炮和爆炸驱动磁通压缩辐射器等，既便如此，其基本脉冲波形及耦合原理与核电磁脉冲基本相同【２１。

所以无论现在还是将来，研究核电磁脉冲耦合及防护都是维护国家信息安全的重要研究热点之一。

１．２国内外研究成果

国内外在核电磁脉冲对线缆效应方面有众多研究成果，部分列举如下：

对于核电磁脉冲对细导线的耦合电流，ＲｉｃｈａｒｄＨｏｌｌａｎｄ等人在通过时域有限差分法进行了计算，得出了导线电流呈振荡波形，振荡周期ｔ与导线长度有关，ｔ＝２１／ｃ，电流大小与线上位置有关，越接近末端电流越小，导线中间电流最大【３】。

对于两种高空核爆电磁脉冲对电缆的耦合效应，孙蓓云，周辉，谢彦召等人通过ＦＤＴＤ方法进行了比较，得出早期波形对线缆的耦合效应更甚于近期波形［４１。

因为电缆在短路状态下ＮＥＭＰ的早期响应主要由低频分量决定，而早期波形的低频分量比近期波形的低频分量高。

对于大地对电磁脉冲电缆感应电流的影响，程引会，周辉，谢奉川，李宝忠等人通过ＦＤＴＤ方法进行了数值计算【５】。

得到的结论是：

随着大地电导率和介电常数的增加，开路状态时阻尼振荡衰减加快，电流幅度减小，短路状态的电流波形与入射电磁脉冲波形相似，不表现出阻尼振荡波形，随着电导率和介电常数的增加，电流脉冲宽度和幅度均减小。

短路状态的电流峰值比开路状态大的多。

丌路状态下，线缆接近地面感应电流相对自由空间峰值及振荡频率减少，而随着高度的增加，趋向自由空问的振荡频率，即与电缆长度有关的谐振频率２ｌ／ｃ。

受大地影响后的电流波形振荡频率变低，可以理解为电磁波在相对介电常数为４的介质中传播速度变慢引起的。

短路状态时结果近地结果类似，从结果可以看出，电缆距地面高度对丌路状态影响较大。

祝敏，刘顺坤，周辉，孙蓓云，谢彦召，Ｆｆｌ吉波等人利用水平极化辐射波核电磁脉冲模拟器进行电磁脉冲对电缆的耦合效应的实验研究【６】。

通过实验得出了以下几点结果：

电缆处于电磁脉冲环境场中，中心点感应电流最大。

向两端电流幅值２

逐渐减小；在辐射波模拟器中，由于大地对电磁波的吸收与反射，地面电场的强度衰减很快，所以地面电场强度较空中电场强度要小，对电缆的耦合效应同样也会减弱。

实验结果也表明，同样长度的电缆架高后产生的感生电流幅度大于平铺于地面产生的感生电流的幅度。

电缆架高、两端悬空状态下，感应电流的振铃周期是电流在导线上一周所用的时间，电缆铺于地面产生的感应电流的振铃周期是电缆架高后的√从‘倍。

电缆架高、单端接地状态下，感应电流的振铃周期是电流在导线上两周所用的时间。

吕英华等人通过传输线方程，求得高空核爆电磁脉冲在近地同轴电缆感应的终端电压的频域解析解，而后求得时域的近似解析解【＿７１。

他得到了如下结论，同轴电缆内导体上感应电压由下列因素决定：

①正比于核电磁脉冲场强Ｅ。

②大地导电率越大感应电压越小。

③同轴对外导体直流电阻越小感应电压越小。

④外导体接地时内导体上两端感应电压最大。

⑤电缆金属护套是重要因素，进行核加固，主要加强金属护套，接头处理，连接器件的防护能力。

对于电磁场对双绞线的电磁耦合，马金平，毛乃宏，丁君，陈国瑞等人进行了研究瞵】。

他们通过Ｔａｙｌｏｒ的分析和Ｓｍｉｔｈ的简化方法，导出了非屏蔽双绞线终端感应电流的通用表示式，数值分析了平面波斜入射时感应电流的响应，并且和平行传输线的结果进行了比较，得到了如下结论：

入射平面波的电场极化平行于电缆轴时双绞线上的感应电流最小，也就是说此时双绞线的抗电磁干扰能力最强。

而随平面电磁波斜入射角的增大，双绞线的抗电磁干扰能力逐渐下降。

王天顺等人研究了核电磁脉冲干扰的干扰途径及机理并提出了较为具体的防护技术吲。

电子设备受到核电磁脉冲的影响可以分为：

工作失灵及功能损坏。

工作失灵既是暂时逻辑出错或失去功能，功能损坏则是指电子元器件的永久性损坏。

对连接在线缆两端的电子设备，作者提出了屏蔽、接地、滤波的防护方法，使用光纤也是一种比较理想的方法。

虽然核电磁脉冲对线缆效应有众多理论研究，但是还是有两点不足。

首先，国内外研究大多没有进行线缆及孔缝耦合同时存在情况下的终端效应研究，即贯穿导线研究。

其次，国内外研究核电磁脉冲大多研究主体是屏蔽层感应电流大小，而对电子设备起作用终端电阻上感应的电压分析及相关实验却很少涉及。

１．３本文的主要工作

本文主要使用基于胛算法的仿真软件研究了核电磁脉冲线缆耦合效应并进行了实验验证，工作具体内容如下：

首先详细收集了核电磁脉冲耦合的相关资料，尤其是核电磁脉冲通过线缆耦

合效应的相关资料，整理其成果并消化吸收，发现其研究的具体不足。

其次收集了电磁场仿真资料，尤其是时域有限积分法（凡叮）资料，将各算法特点进行比较，选定基于时域有限积分法的软件进行核电磁脉冲线缆耦合仿真。

接着作者进行了建模仿真。

针对贯穿导线耦合效应进行建模仿真，分析了通过孔缝与线缆耦合效应的异同。

又针对同轴线缆耦合进行建模仿真，分析了不同厚度、长度、电导率、电场与同轴夹角等条件对同轴线缆终端耦合电压的影响，最后对仿真结果进行分析总结。

而后利用现有实验设备，进行核电磁脉冲对线缆终端耦合效应的实验研究。

在收集了核电磁脉冲模拟器的相关资料，并了解了核电磁脉冲模拟实验设备相关参数后，进行具体的核电磁脉冲对同轴电缆耦合的实验。

作者使用电缆及屏蔽盒、衰减器、数字示波器、匹配终端等，进行了在不同长度、电场与同轴夹角、终端电阻值等条件下，同轴电缆终端耦合电压实验，对实验进行总结并与仿真结果进行比对。

最后综合仿真及实验结果，提出了具体防护措施，并着重强调了线缆核电磁脉冲防护措施。

最后对完成的工作加以总结，并提出了有待进一步研究和解决的问题。

２理论基础

本章阐述核电磁脉冲耦合及仿真理论，为随后的仿真及实验提供理论支撑。

２．１核电磁脉冲耦合理论

研究核电磁脉冲耦合，首先要研究核电磁脉冲的具体形式，在此基础上，研究其耦合途径及机理，最后研究电子设备因耦合核电磁脉冲而可能造成的危害。

２．１．１核电磁脉冲时频域波形

核电磁脉冲时域波形用双指数形式表达为【１０１

剥＝岛（严一矿Ⅺ≥ｏ）（２．１）

ｔＩｔ２每ｔ．ｔｓ

Ｔｋ‘７

图２．１时域波形及参数定义

Ｆｉｇ２．１ｔｉｍｅ・ｄｏｍａｉｎｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｉｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ

时域波形参数有：

廓电场峰值；ｔ，＝ｔ３一ｆｌ——上升时间（上升沿从ｌｏ％－至９０％）；ｔ枷＝ｔ６－ｔ２——半峰宽（从上升沿５０％至下降沿５０％）；ｔＪｒ＝ｆ７一ｔ５——衰落时蒯（下降沿９０％至ｌＯ％）；ｆｐ＝ｆ４——峰时（最高值时刻）；参数数值见下表：

表２．１时域波形具体参数

Ｌｉｓｔ２．１ｓｐｅｃｉｆｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎｗａｖｅｆｏｒｍ

表达式

风）＝弓ｐ讲－ｅ－ｐⅪ≥０）七

１．３Ｅｅ／ｋｖｏｍ一１

５０口／ｓ一１４ｘ１０７

ｐ／ｓ‘ｌ６×１０８

ｔ，／ｎｓ２．５

ｆ，／ｎｓ

５５

表２．１时域波形具体参数（续）

Ｌｉｓｔ２．１ｓｐｅｃｉｆｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎｗａｖｅｆｏｒｍ（ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ）

ｔ。

／ｎｓ４．８

ｔｈｗ／ｎｓ２３

坼ＩＪｏｍｔ０．１９３总能量密度

由图２．１及表２．１可知，核电磁脉冲时域前期波形较抖，峰值高，而中后期波形则较为平缓，前沿高频分量相对较大，所以前期波形对电子设备的危害较大。

将以上时域波形转

１２００００００

０．４０．６

ｆｒｅ（ＧＨｚ）

图２．２核电磁脉冲电场频域波形

Ｆｉｇ２．２ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｏｍａｉｎｗａｖｅｆｏｒｍｏｆＮＥＭＰ’ｓｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ

由图２．２可知，核电磁脉冲频谱带宽较大，而主要能量集中在０—１００ＭＨｚ之间，频域幅度较大，在能量集中段以内任何频率段都能造成对电子设备的不良影响。

２．１．２核电磁脉冲耦合途径

核电磁脉冲耦合途径有三种：

孔缝耦合、线缆耦合、天线耦合。

对于孔缝耦合，但当存在尺寸和微波波长相比拟的孔洞和缝隙时，微波的耦合就很严重。

当波长小于孔洞或缝隙尺寸时，电磁波将毫无阻挡地进入屏蔽体内，当波长大于孔洞或缝隙尺寸时，电磁波将被阻挡。

当波长与孔隙尺寸相当时将产生共振，此时相当于形成了缝隙天线，耦合最强。

对于线缆耦合，若有线缆从外界连接至电子系统内部，则从外界感应的电流将沿线传播进入屏蔽体。

电磁骚扰亦可在外屏蔽层上产生感应电流，通过转移阻抗在芯线内产生驱动骚扰电压，直接进入电子系统。

对于微波，屏蔽电缆的转移阻抗也比射频大得多，因此微波可以通过电缆的编织屏蔽层进入芯线。

电源线一般是公共的，暴露在屏蔽室外面的长线，最易受到核电磁脉冲的攻击，既可接收

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干扰也可传送干扰【１２】。

对于天线耦合，全体暴露于电磁场的金属导体均可认为是天线，电磁波可以直接耦合至天线，也可以通过一些间接的途径耦合至接收系统，例如通过孔洞、缝隙、电源线、接地线、传输电缆、屏蔽体的透射等。

２．１．３核电磁脉冲耦合危害

电磁脉冲能量耦合入电子、电气设备后，将对设备产生不利的影响【９１。

这种影响可以是暂时的，也可以是永久性的。

设备受电磁脉冲冲击后造成暂时工作失常称为工作失灵。

工作失灵有两种情况。

一种是指电磁脉冲冲击造成的瞬时干扰出现在电路的某一输入点，其它输入点仍固定在原定的逻辑上，而输出暂时改变。

在这种情况下，电磁脉冲瞬变过程产生的干扰信号进入放大电路，并当作控制信号，使系统失灵。

对于瞬态干扰来说，数字电路的输入线是最敏感的部位，其次是直流电源线和地线。

低功率或高速数字处理系统、飞行导航控制系统等，都是对电的瞬态作用容易发生工作失常的系统。

工作失灵的另一种情况是受电磁脉冲冲击后，电路中的半导体器件闭锁。

例如电磁脉冲感应的瞬变过程可以使硅可控整流器锁在导通状态，这时必须把电路的电源去掉后才能使电路恢复工作状态。

而功能损坏是指电磁脉冲耦合能量可能造成电子元器件永久性失效，最典型的是半导体器件的烧毁【ｌＪ。

对于一般电子系统的大多数元件来说，损坏阈值与能量有关。

能量大小由下式求得：

Ｅ：

华（２．１）Ｒ、７式中Ｅ