1 概述

现代战场环境中，复杂的电磁环境对大量应用了电子设备的武器装备造成重大威胁，其中雷电、高空核爆、静电放电等产生的强电磁脉冲和高功率连续波（如高功率微波武器）威胁最大，可能造成严重的后果。例如：警戒雷达无法探测目标、指控系统瘫痪、电力供应出现浪涌烧坏端口和设备、通信设备噪音增大无法正常通信等严重后果。为了确保武器装备全时、全域和全频条件下的作战能力，作为武器载体和环境的方法必须具备强电磁环境的防护能力，受试验条件和经费限制，很多方舱的强电磁环境防护设计的效果难以直接通过试验进行评估^[2]，本文首先分析了方舱面临的强电磁环境的特性，结合某型方舱的电磁环境防护设计，采用变尺度、时频复合、小目标聚合数值仿真方法，重点解决门缝导电连接、六角形波导窗等重点小部件的仿真分析，以对方舱整体防护效果进行评估。

2 强电磁环境对方舱设备的影响

方舱是指用各种坚固材料（多为金属材料）有机的组合在一起,，形成的方便，可移动的整体，目前我军常用的是大板方舱，各个面均为整板，内部根据不同需求再进行相应的设计，并安装相关设备，实现特定的功能，广泛应用于机动指控系统、电力供应、医疗后勤保障等，是部队机动作战的重要装备之一。

2.1 作战环境下常见的电磁环境分析

根据对武器装备可造成直接伤害程度，威胁级的强电磁环境主要有：小型核武器在40km以上的大气层外爆炸产生的高空核爆强电磁脉冲（High Nuclear Electromagnetic Pulse，HEMP）；自然界雷电造成的雷电电磁脉冲（Lighting Electromagnetic Pulse， LEMP）；不同电位的装备或者部件接近或者接触时的静电放电脉冲（Electro-Static Discharge Electromagnetic Pulse ESD EMP）；非核电磁脉冲炸弹或者大功率电源瞬变形成的高功率电磁脉冲（High Power Electromagnetic Pulse，EMP），例如敌方电磁脉冲炸弹、高功率微波武器对武器的攻击，己方警戒雷达等电磁发射源形成的高功率连续波/脉冲波等。

核电磁脉冲对电子设备杀伤方式为电击穿， GJB151B RS105规定的试验波形为：波形允许误差为上升时间（10%~90%）1.8ns~2.8ns；半峰值脉冲宽度：23ns±5ns，持续时间约200ns，电场强度高达50kV/m，89%的能量集中在1MHz至100 MHz。

雷电电磁脉冲通过传导和耦合两种方式作用到武器装备上，其强大的瞬时电流和过电压对电子设备造成严重危害。雷电电磁脉冲可以简化成五种波形，典型的A波形上升时间约5μs，持续时间约500μs，电流峰值约200±20kA。

IEC61000-4-2标准规定了ESD EMP的典型电流波形，包括几个关键参数：上升时间0.7-1ns、最大幅值7.5-30kA、30ns放电电流4-16A和60ns放电电流2-8A。

非核电磁脉冲包括单脉冲和重复频率多脉冲。单电磁脉冲的形式和核电磁脉冲形式类似，中心工作频率700-800Hz，重复频率约10-100Hz，脉冲上升时间0.1-0.3μs，持续时间约5-50μs，400-500m处场强根据峰值能量不同分布范围处于100-1kV/m。GJB1389A给出电磁脉冲一般形式。

相对于核电磁脉冲、非核电磁脉冲和雷电电磁脉冲的单脉冲形式，重复频率的多脉冲（例如高功率微波）的影响更加复杂，它对地面武器系统的作用方式也因为工作频率和重复频率不同而存在较大的差异，因此其电磁防护设计和防护效能评估的难度更大。2010年前后，美国CPI公司研制成功了工作频率95GHz、功率2MW和工作频率110GHz、功率1.4MW的高功率回旋振荡管。2012年，俄罗斯应用物理研究所研制成功了工作频率170 GHz，功率1.47 MW，脉宽为0.1s的高功率回旋振荡管。实战化的高功率微波武器受搭载平台（巡航导弹、无人机）的影响，能量和频率相对较低，德国降落伞型高功率微波战斗部（样机型号RDS1000M）的发射功率为１GW，工作频率100MHz-1GHz ，作用距离为10-100m。

2.2 强电磁环境对方舱设备的主要影响

方舱密闭的金属结构存在有门窗、通风散热孔、转接线缆等功能结构，因此对于方舱而言，强电磁环境主要依靠接口线缆的传导和孔缝耦合进入方舱内部。

对于转接线缆是强电磁环境进入方舱的重要途径，文献分析了EMP的垂直分量长度10 m离地高度0.015 m时，快上升沿电磁脉冲产生的峰值电流近2400 A，超宽带电磁脉冲产生的峰值电流近150 A，高空核爆炸电磁脉冲产生的峰值电流近1000 A。

孔缝耦合比较复杂，取决于孔缝和方舱屏蔽腔的谐振特性、孔缝厚度、孔缝之间的耦合以及屏蔽腔本身的尺寸等都有密切的关系。电磁脉冲的频率分布范围广，方舱尺寸和分割情况不尽相同，因此孔缝耦合是方舱受影响的主要来源。

2.3方舱的强电磁环境防护设计方法

方舱金属板壁结构本身对电磁信号的屏蔽作用，但仅靠板壁难以满足相关屏蔽要求，因此必须采用专门的设计：例如采用选择合适的方舱壁板材料、壁层间距、铆接方式等壁板设计，通过在门与门框之间增加导电密封圈衔接性来提升方舱的电磁屏蔽效果，采用多层六角形蜂窝状的波导窗增加电磁波的反射面；对信号口、电源口等转接部位进行覆盖，增强孔口面板与孔口面板支架的连续性等。

这些设计增加了强电磁环境的防护能力，但是因为外形与结构复杂，电磁学尺寸跨度大，计算中需要较大的求解区域，但是较大的求解区域又会增加计算量，因此，需要选择合理的求解区域，保证关心区域电场的准确性；给求解区域的最外围加吸收边界条件保证外围电场的合理衰减，以达到在保持计算精度和准确性的前提下降低仿真计算的难度。

3 强电磁环境屏蔽效能仿真分析

3.1 仿真方法概述

通常几何的最大网格尺寸需要小于波长的四分之一，因此频率越高，网格数量越大，所需计算机资源越多。但是强电磁环境包括多种频率的电磁波，低频部分和高频部分所需的网格划分尺度差异极大，孔缝、门窗、转接口、波导窗等结构的复杂度随因网格尺度变化而变化。本文采用变尺度、时频复合、小目标聚合方法解决：

（1）变尺度网格划分方法：对于工作频率在500MHz以下，使用时域方法进行仿真，得到对应激励源的全频段屏蔽效能，在该频段的低频部分可以选择四面体网格，重点体现模型的结构特征，高频部分选择六面体网格，节约计算资源，减少计算时间。

（2）时频复合分析方法：对于工作频率大于500MHz以上，需要用频域方法进行计算，不同电磁脉冲的能量集中的频段不同。按IEC61000-4-4，MIL-STD-464，IEC61000-4-2，IEC61312-1有关标准规定的NEMP、ESD EMP及LEMP的60dB有效带宽分别是371、786、1233 MHz和96kHz；99%能量有效带宽分别是46、95、183MHz和15kHz；不失真测量所需的带宽分别是152，307，916MHz和95kHz。本文采用GJB中常用的电磁脉冲波形，调整脉冲上升沿，峰值等参数，计算关键频段和频点的电磁响应。

（3）小目标聚合方法：较高频率时网格设计时对特征结构还需要细致划分。按照点，线，面，体的顺序进行剖分。在结构连接处，网格增长率先变小，至非连接处再增大。对于复杂几何结构，可以将屏蔽结构划分为若干个小目标，每个小目标都按照完全开放几何仿真其屏蔽效能，建立小目标模型库，最后将多个小目标进行聚合分析，计算整体结构的屏蔽效能。

3.2仿真案例

某型方舱分为控制室、电力供应室和通风排烟室，对应方舱电磁屏蔽的三级要求，I级小于60dB，II级小于40dB，三级不做要求。屏蔽结构设计主要有：通风口的多层六角形波导窗与屏蔽铜网，散热窗的铜网与折叠百叶，加大对电磁波的反射与耗散，门边采用铝镀银方形橡胶密封圈加强电搭接。

本文主要应用COMSOL Multiphysics仿真。整机及系统级电流瞬态或频域问题的求解，以及复杂电磁环境问题使用COMSOL求解，线缆耦合仿真部分采用其他软件求解。

图1. 方舱结构图

图2. 方舱变尺度建模（左：四面体网格，右：六面体网格）

图3. 六角窗防护结构建模 

图4. 反射式百叶窗建模

图5. 脉冲波形（以HEMP为例）

在舱内设置两根长度为1m的电缆，一根有屏蔽层，一根没有屏蔽层，用于评估线缆屏蔽效果。电场屏蔽效能公式使用公式 计算。

表1. 仿真计算结果

仿真结果表明，这种处理方法可以仿真大体积、防护结构复杂的方舱，在保证计算精度的情况下，降低了计算难度，节省了计算时间。

4 结论

地面武器装备强电磁环境屏蔽效能评估涉及多种复杂的威胁级的强电磁环境，受试验条件限制，目前很难完成全部的相关试验。在分析HEMP、ESD EMP、LEMP以及非核电磁脉冲等主要强电磁环境的上升沿、峰值、频率分布、能量分布等主要特征的基础上，本文采用变尺度、时频复合、小目标聚合仿真方法评估方舱类电磁防护效果，通过某型方舱算例对该方法进行了验证，取得了较好效果，有效的降低了计算难度，并保持了计算精度。后续可以将仿真结果和雷电、核电磁脉冲缩比试验进行比对，进一步提高仿真的置信度和一致性。