强电磁脉冲对计算机电缆的注入毁伤效应研究

郑　箘，王璐静，任凯琦

(中国航天科工二院七〇六所，北京 100854)



强电磁脉冲对计算机电缆的注入毁伤效应研究

郑箘，王璐静，任凯琦

(中国航天科工二院七〇六所，北京 100854)

为研究强电磁脉冲对计算机系统电缆端口的毁伤效应，通过电磁脉冲耦合注入方式分别对未加装防护电路和加装防护电路的VGA视频端口进行电磁脉冲毁伤试验，详细记录了VGA视频端口的测试结果。通过试验数据表明，计算机电缆接口的毁伤阈值相对较低，而增加专用的电磁脉冲接口抑制电路后，计算机视频电缆接口的抗强电磁脉冲打击能力明显提高。

电磁脉冲；注入试验；电缆毁伤阈值

0　引言

电缆耦合是“后门耦合”的一种主要方式，它主要是在连接设备、电力网或电话网的电线和电缆上产生巨大的瞬时电流、电压，进入设备的瞬时高压脉冲会激发内部谐振对内部的其他元器件造成破坏。用于数据处理系统、通信系统、显示系统、工业控制的计算机，在连接外接电缆后都容易遭受电磁脉冲破坏。在考察电路受电磁脉冲干扰时，常用的试验手段有脉冲辐照法[1]和脉冲电流注入法，其中脉冲电流注入法最适合用于定位干扰状态以及判断防护效果，本文采用该方法分析了电路的毁伤机理，同时也验证了视频防护电路的有效性。

1　电缆毁伤效应试验方法研究

在研究外接电缆的毁伤效应时最直观的试验方法是脉冲电流注入法，电磁脉冲注入测试中的一个关键问题就是如何在被测设备加电工作状态下把模拟的骚扰信号注入到相应的设备端口[2]，同时还要减小注入装置对原信号通道的影响，阻止骚扰信号对同一电网中其他非受试设备的干扰。因此，电磁脉冲信号的注入必须满足3个条件：① 要与工程实际耦合情况相符，即在系统正常工作设置下，通过对线缆的耦合进行注入；② 确保受试设备以外的其他装置不受影响，即要对电磁脉冲信号进行去耦；③ 实验结果要有一定的统计意义和典型性，以便于防护要求的制定。

根据以上3个条件的限定，试验采用间接注入法，注入方式为导体夹钳耦合，这等效为电磁脉冲的空间辐射场干扰，其干扰类型为近场感应干扰。这种注入方式的优点：① 信号源与被测试对象没有直接的电接触，不会改变试验对象的物理线路和电气参数；② 可以在测试对象处于工作状态时进行试验；接近于真实情况下电磁脉冲对系统的作用等，具体的电流注入示意图如图1所示。

图1　计算机互联线缆脉冲电流注入示意图

具体试验中，采用解放军理工大学研制的GMF-8E型高压毫微秒脉冲源作为电磁脉冲源，采用1 m长电容耦合夹，实现脉冲加载，文献[3-5]中描述了相似的测量方法。电磁脉冲源的主要参数为：脉冲峰值(0～4～8) kV，上升时间2.8 ns，半峰时间28 ns，其典型脉冲波形如图2所示。

图2　电磁脉冲源典型脉冲信号波形

2　计算机电缆端口电磁脉冲注入毁伤效应试验

电磁脉冲源输出高压电磁脉冲，经电容耦合夹耦合至试件电缆，在电缆上感应脉冲电压与脉冲电流。试验中需要强调的是所有测试数据必须在屏蔽机柜内[6]完成，否则电容耦合夹附近的电磁场将严重影响测试数据。

在屏蔽机柜内使用示波器测试耦合电压与电流，并利用相关的测试软件，同步观察主机、显示器、键盘和鼠标的各类异常现象，整个注入毁伤测试均按照增加脉冲电压的方式逐次测试。

计算机视频显示是最重要和最直接的计算机信息窗口，经验表明，电磁脉冲通过计算机视频显示电缆耦合产生的电磁干扰经常会造成计算机黑屏、甚至重启等各种毁伤效应，相关损伤研究见参考文献[7-9]，因此文中重点针对视频VGA端口开展电磁脉冲注入毁伤效应试验研究，试验过程分为两步：① 对未加装视频电磁脉冲防护电路的计算机系统进行电磁脉冲注入毁伤效应试验；② 对加装视频电磁脉冲防护电路的计算机系统进行电磁脉冲注入毁伤效应对比试验。

2.1未加装视频电磁脉冲防护电路测试

VGA端口测试布局图如图3所示。

图3　VGA视频端口测试布局图

试验数据及试验现象如表1所示，表1波形数据记录中的数字代表脉冲源的脉冲峰值。

表1　VGA端口未防护测试数据

试验过程中，计算机出现了多次的黑屏现象，测试数据验证了计算机视频端口在电磁脉冲环境下较为脆弱，为提高视频端口的电磁脉冲防护能力，必须增加专用的电磁脉冲防护电路[10]。

专用电磁脉冲防护电路设计过程中，要尽量在所有的输入端和输出端加浪涌保护器件[11]，进行适当保护，当必须使用浪涌抑制器件时，应保证所加的浪涌器件不会影响信号传输。对于视频接口的传输信号：R、G、B和行(H)、场(V)同步信号，其中R、G、B为模拟信号，峰峰值0.7～1 V左右，特性阻抗75 Ω，抑制电路采用放电管和TVS管配合使用[12]，由于视频端口传输信号带宽较宽，设计要重点考虑电路中的电容效应。

2.2加装视频电磁脉冲防护电路测试

VGA端口测试布局图如图4所示。

图4　VGA视频端口测试布局(加装防护电路)

试验数据及试验现象如表2所示，表2波形数据记录中的数字代表脉冲源的脉冲峰值。

表2　VGA端口未防护测试数据

综合分析上面的数据可以得出以下结论：

① 电磁脉冲直接注入视频线缆会出现各种计算机异常工作现象；

② 加装防护电路前，从注入电压为470 V，显示屏出现瞬时闪屏干扰现象；加装防护电路后，到注入电压为1 570 V，显示端口未出现干扰现象。

3　注入毁伤效应试验数据及分析

由于计算机电缆端口毁伤效应非常复杂，不同的接口会有不同的毁伤原因[13]，下面将从端口阻抗特性来分析视频电缆接口的毁伤原因。

从端口测试数据可以计算出端口电压和电流的对应关系，设Z表示接口环路阻抗，有Z=V/I，接口环路阻抗反应了接入防护电路后在脉冲注入情况下阻抗的变化。对应的阻抗与注入电压的关系如图5所示。

从图5可以看出，在无防护电路时端口注入电压和电流并不是线性增长关系，中间出现多次振荡，同时，环路阻抗在注入监测电压达到800 V时开始出现变低趋势，而注入电流在此时也显著升高。这主要是因为电磁脉冲干扰下，耦合的电磁波将在接口电路环路中产生感应电流，该电流作用于端口输入或输出阻抗时将在端口上产生高压干扰电信号(脉冲电压)，该电压造成环路阻抗变低，在低阻通路上因注入功率或注入能量过多而发生正向热受损和反向击穿引发的热击穿受损。

图5　VGA电缆端口无防护阻抗特性曲线

从试验结果可以看出，增加防护电路后视频电缆端口抗干扰能力得到提升，在1 000 V脉冲源注入条件下加装防护电路与未加装防护电路的电缆端口测试数据对比如图6所示。

图6　1 000 V注入电压VGA电缆测试曲线

4　结束语

通过注入试验研究强电磁脉冲通过互联电缆对计算机系统造成的毁伤效应，试验结果表明，VGA视频接口受电磁脉冲干扰受损的主要原因在于通过耦合夹钳在VGA传输线上产生的感生电流在端口上产生高压，该电压造成环路阻抗变低，在低阻通路上因注入功率或注入能量过多而发生正向热受损和反向击穿引发的热击穿受损。为了抵御强电磁脉冲的毁伤，必须在端口增加专用的电磁脉冲接口抑制电路，才能提升计算机系统的抗强电磁脉冲打击能力。

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郑箘女，(1979—)，高工。主要研究方向：电磁脉冲防护。

王璐静女，(1986—)，工程师。主要研究方向：电磁场与微波。

Study on Damage Effect of High Electromagnetic Pulse Injecting Computer Cable Interfaces

ZHENG Jun,WANG Lu-jing,REN Kai-qi

(InstituteNo.706oftheSecondAcademy,ChinaAerospaceScience&IndustryCorp.,Beijing100854,China)

In this paper,the high electromagnetic pulse (EMP) damage effect of computer cable interfaces is studied.By using the coupling injection method,the electromagnetic pulse damage experiment is performed for VGA video interfaces of circuits with protection and without protection,and the test results of VGA video interfaces are recorded in detail.The results show that the computer cable interfaces have lower threshold of destruction,but with the special EMP protection circuit,the capability of resisting electromagnetic pulse is significantly improved.

EMP;injecting test;threshold of cable destruction

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.19

2016-04-20

TN97

A

1003-3106(2016)08-0079-04

引用格式：郑箘，王璐静，任凯琦.强电磁脉冲对计算机电缆的注入毁伤效应研究[J].无线电工程,2016,46(8):79-82.