1. 引言
装备机箱通常由铁皮搭接而成，这种搭接缝成为电磁脉冲耦合进入机箱内部的重要途径[1] [2] 。电磁脉冲的能量通过搭接缝耦合进入装备内部，影响其电子器件正常工作甚至对个别部件造成损害。因此，有效地评估计算通过机箱壳体上搭接缝耦合进入机箱内部的对电磁干扰，研究增强机箱电磁防护能力的措施成为一个非常急迫的问题。为分析电磁脉冲对机箱内电子器件的影响，首先要对通过机箱搭接缝耦合进入机箱内部的电磁场进行分析。
1966年Kane. S. Yee提出了时域有限差分法[3] [4] 。作为一种电磁场的数值计算方法，经过时域有限差分法的一次计算，可以得到机箱内部各个场点各个时刻的电磁场值，结果经过Fourier变换后可以获得宽频带的信息。因此，时域有限差分法特别适合用来分析电磁脉冲对装备机箱搭接缝的耦合[5] [6] 。
本文选取了两种具有代表性的电磁脉冲，窄带高功率微波(HPM)和超宽带电磁脉冲(UWB)，作为激励源[7] 。建立了装备机箱的物理模型，依据时域有限差分法原则对机箱和搭接缝进行网格剖分。在Fortran软件中编写了时域有限差分法程序，通过数值计算得到了电磁脉冲通过搭接缝的耦合。分别研究了两种电磁脉冲激励下，通过搭接缝耦合进入机箱内部的电场，分别从时域和频域两个方面进行了分析，得出了一些有益的结论，为增强机箱电磁脉冲防护能力设计提供了依据。
2. 计算模型及仿真方法
2.1. 装备机箱搭接缝模型
由于装备机箱的种类繁多、结构外形各异，给建模带来很大困难。为此，在本文的分析中选取具有代表性的工控机作为研究对象，并对模型进行一定的简化处理，如图1(a)所示。机箱外形尺寸为450 mm × 420 mm × 180 mm。装备机箱通过由钢板搭接并通过螺钉铆接而成，搭接缝位于机箱的顶端，尺寸如图1(b)所示。其搭接厚度为1 cm，搭接缝宽度为0.5 cm，每个面上的搭接缝被2个螺钉分成3部分。
2.2. 激励源
为分析不同电磁脉冲激励下通过机箱搭接缝的电磁耦合，本文采用了两种激励源：窄带高功率微波(HPM)和超宽带电磁脉冲(UWB) [7] 。HPM时域波形是脉冲调制的正弦波，既可以单脉冲方式工作，又可以多脉冲(脉冲串)方式工作。UWB时域波形是无载频的双极性脉冲波，既可以单脉冲方式工作，又可以
(a) (b)
Figure 1. The equipment enclosure model and joint lap location; (a) equipment enclosure size and the joint lap location; (b) joint lap dimension
图1. 装备机箱模型及搭接缝位置；(a) 机箱尺寸及搭接缝位置；(b) 搭接缝尺寸
多脉冲方式(脉冲串)工作，单脉冲电场时域波形可用微分高斯脉冲近似。在本文的分析中，电磁脉冲沿
方向入射。
2.3. 数值方法
时域有限差分法是把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分方程，差分格式中每个网格点上的电场(或磁场)分量仅与它相邻的磁场(或电场)分量以及上一时间步该点的场值有关。在每个时间步上分别计算网格空间各点的电场和磁场分量，随着时间步的推进，就能模拟出电磁脉冲与机箱的相互作用过程[3] 。
2.4. 机箱内耦合电场分布
为衡量电磁脉冲通过机箱搭接缝的耦合，我们首先分别观测了机箱内部各个点上的电场，并输出了机箱中心三个方向电场分量。此外，我们还记录了机箱内部各个点上每一时刻的场量，并通过峰值场强计算公式：
(1)
得到了各个时刻的场强。为确定电磁辐射耦合最严重的情况，我们输出了机箱内各点在脉冲持续时间内的峰值场强。
3. 仿真结果与分析
3.1. HPM激励下的耦合
图2(a)为HPM激励下从机箱搭接缝耦合进入机箱内部的电磁场最大峰值分布。可以看到，机箱内电磁干扰最严重的地方都集中在机箱顶部搭接缝附近，可达70 dBV/m；机箱内部大部分空间位置最大峰值场强都在60 dBV/m左右。
此外，我们还观测了机箱中心点位置三个方向电场分量的时域波形。从时域波形可以看到，电场
最大场值小于
V/m，电场
最大场值为549 V/m，电场
最大场值1345 V/m，三个方向电场的合成电场峰值为1415 V/m。电场
为数值计算的数值色散误差，电场
分量最大，如图2(b)所示。
3.2. UWB激励下的耦合
图3(a)所示为UWB激励下，从机箱搭接缝耦合进入机箱内部的电磁场最大峰值分布。可以看到，通
(a) (b)
Figure 2. The response under HPM pulse; (a) Distribution of the peak electromagnetic field value in the enclosure; (b) Time domain waveform of Ez at the center of the enclosure
图2. HPM激励下的响应；(a) 机箱内部峰值场强分布；(b) 机箱中心电场Ez分量时域波形
(a) (b)
Figure 3. The response under UWB pulse; (a) Distribution of the peak electromagnetic field value in the enclosure; (b) Time domain waveform of Ez at the center of the enclosure
图3. UWB激励下的响应；(a) 机箱内部场强峰值分布；(b) 机箱中心电场Ez分量时域波形
过搭接缝耦合进入机箱内部的电场最大值出现在搭接缝附近，超过70 dBV/m，在机箱内部大部分空间位置最大峰值场强都在50 dBV/m左右。
此外，我们还观测了机箱中心点位置三个方向电场分量的时域波形。从时域波形可以看到，电场
最大场值小于
V/m，电场
最大场值为51 V/m，电场
最大场值255 V/m，三个方向电场的合成电场峰值为265 V/m。与HPM激励时一样，电场
为数值计算的数值色散误差，电场
分量最大，如图3(b)所示。
4. 结论
通过对HPM和UWB激励下机箱内部电磁场时域波形和电场空间分布的分析，可以得到以下结论：
1) 进入机箱内的干扰波形产生振荡，且不断衰减，谐振频率和机箱的几何尺寸有关。
2) 装备机箱在电磁脉冲照射下是非常脆弱的，屏蔽作用非常有限，机箱内峰值场强高达1415 dBV/m。
3) 垂直于搭接缝方向的耦合电场大于平行与搭接缝方向的耦合电场。因此，电子器件应该尽量沿平行与搭接缝方向布置。
基金项目
受中国人民解放军理工大学电磁环境效应与光电工程重点实验室资助，资助号：FD201506。