超短波通信系統(tǒng)的強(qiáng)電磁脈沖耦合分析及防護(hù)研究*

何小東，王 哲，吳 昊，馬 謝，宋 滔，張永勝

（1.中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610045；2.成都蓉威電子技術(shù)有限公司，四川 成都 610074）

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電磁脈沖武器正逐步向?qū)嵱没~進(jìn)[1]，其瞬間釋放的高強(qiáng)度、超寬譜電磁脈沖能量極易破壞敏感的電子設(shè)備，對各類電子系統(tǒng)特別是對具有對外接收功能需求的通信系統(tǒng)構(gòu)成極其嚴(yán)重的安全威脅[2-3]。

超短波通信系統(tǒng)由于在通信穩(wěn)定性、保密性、通信容量以及結(jié)構(gòu)尺寸等方面的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信和C3I 系統(tǒng)。但是，隨著超短波通信系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展，它對強(qiáng)電磁脈沖的抗毀閾值越來越低，這對超短波通信系統(tǒng)的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)提出了更高的要求。本文針對超短波通信系統(tǒng)面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅，結(jié)合超短波通信系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，擬利用仿真與試驗(yàn)等手段，研究超短通信系統(tǒng)在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下的耦合情況和相應(yīng)的防護(hù)措施，從而為提升超短波通信系統(tǒng)在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下的適應(yīng)性與生存能力提供指導(dǎo)。

1 強(qiáng)電磁脈沖分類及其特征

強(qiáng)電磁脈沖是一種突發(fā)的高強(qiáng)度電磁輻射，根據(jù)產(chǎn)生方式的不同，可分為自然產(chǎn)生和人為產(chǎn)生。自然產(chǎn)生以雷電電磁脈沖（Light Electromagnetic Pulse，LEMP）為代表，而人為產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖主要有核電磁脈沖（如HEMP）和非核電磁脈沖（如HPM、UWB）[4]，如圖1 所示。

圖1 強(qiáng)電磁脈沖分類

LEMP 通常是由雷電流的電磁感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的。具體而言，當(dāng)雷云放電時(shí)會產(chǎn)生時(shí)間很短、強(qiáng)度很大且邊沿很陡的電流。此電流是一個(gè)天然的高能電磁輻射源，輻射的LEMP 能量可達(dá)數(shù)百兆焦耳。在雷電電磁脈沖波形方面，國內(nèi)外各種標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確規(guī)定，但是雷電電磁脈沖的遠(yuǎn)場及近場電場波形和通道電流波形十分相似。參考雷電的電流波形，可以用如圖2 所示的波形進(jìn)行描述。從圖2 中可以看出，雷電電磁脈沖頻譜主要集中于1 MHz 頻率以下。

圖2 雷電電磁脈沖波形

HEMP 一般是指高空核爆（距離地面大于30 km處爆炸）產(chǎn)生的高能電磁脈沖。根據(jù)2001 年國際電工委員會發(fā)布的關(guān)于HEMP 標(biāo)準(zhǔn)，其波形可采用雙指數(shù)函數(shù)近似，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中,E0=50kV/m，為電場峰值；α=4×107s-1；β=4×108s-1。時(shí)域、頻域波形分別如圖3 所示。從圖3 可以看出，核電磁脈沖（High-altitude Electromagnetic Pulse，HEMP）環(huán)境的電場可在納秒量級的時(shí)間上升至50 kV/m，其頻譜能達(dá)到1 GHz，在0～100 MHz的頻段內(nèi)電場強(qiáng)度幾乎沒有衰減。

圖3 EMP 波形

非核電磁脈沖是以電子手段產(chǎn)生能量，通過微波器件產(chǎn)生脈沖，利用定向天線發(fā)射產(chǎn)生的電磁脈沖。根據(jù)覆蓋帶寬的不同，可將其分為高功率微波（High Power Microwave，HPM）和超寬帶電磁脈沖（Ultra Wide Band，UWB）。HPM 在GJB8848-2016《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)方法》中被定義為：頻率在300 MHz～300 GHz、脈沖功率在100 MW 以上（一般大于1 GW）或平均功率大于1 MW 的強(qiáng)電磁輻射，單次脈沖能量在10 J以上；UWB沒有具體波形限制，只要頻帶大于中心頻率的20%或占有頻帶寬度超過500 MHz，就認(rèn)為是超寬帶電磁脈沖。這兩種非核電磁脈沖已經(jīng)有應(yīng)用于軍事電磁脈沖打擊的相關(guān)報(bào)道，兩者間沒有嚴(yán)格的區(qū)別，但UWB 一般為超短脈沖，輸出能量也低于HPM。

對于通信系統(tǒng)來說，天線本身相當(dāng)于選頻器件，其對位于通信頻帶外的信號具有一定的抑制能力，而對與通信頻率重合或接近的帶內(nèi)和帶邊具有較好的接收能力。從上文的分析知，HEMP 的能量主要集中在1 GHz 以下，完全覆蓋了超短波通信系統(tǒng)的工作頻率。從這一點(diǎn)來說，HEMP 對超短波通信系統(tǒng)的威脅更大。因此，后文對超短波通信系統(tǒng)進(jìn)行的強(qiáng)電磁脈沖耦合分析，都以HEMP 環(huán)境波形作為耦合分析的脈沖源。

2 強(qiáng)電磁脈沖對系統(tǒng)的耦合分析

2.1 超短波通信系統(tǒng)耦合路徑分析

超短波通信系統(tǒng)在面對強(qiáng)電磁脈沖輻照時(shí)，強(qiáng)電磁脈沖可通過“前門”和“后門”耦合等多種途徑進(jìn)入系統(tǒng)并對其造成毀傷。其中，“前門”耦合是指強(qiáng)電磁脈沖能量通過接收通道進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，主要破壞系統(tǒng)的前端設(shè)備；“后門”耦合是指強(qiáng)電磁脈沖能量通過設(shè)備縫隙、孔洞、線纜等途徑進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，可破壞系統(tǒng)的所有組成部分[5]。

在實(shí)際工程中，超短波通信系統(tǒng)的主要電子部件位于屏蔽殼體內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)除了對外連接的線纜開孔和外接線纜外，并無其他功能性開孔，且在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)通常會采用濾波、屏蔽和接地等措施加固殼體和線纜。這些加固措施對于強(qiáng)電磁脈沖的后門防護(hù)同樣有效[6]，因此“后門”耦合對于超短波通信系統(tǒng)的影響相對較小。本文不做過多分析，主要針對其“前門”耦合進(jìn)行研究。

圖4 為某典型超外差式超短波通信系統(tǒng)的“前門”通路。從圖4 可以看出，該系統(tǒng)的強(qiáng)電磁脈沖“前門”耦合傳導(dǎo)包括接收鏈路和發(fā)射鏈路兩條路徑。其中，接收路徑主要包括天線-天饋線纜-收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-前置濾波器-低噪放-混頻器-中頻濾波器-放大器-后端用戶電路；發(fā)射路徑包括天線-天饋線纜-收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-發(fā)射機(jī)-后端用戶電路。由于發(fā)射鏈路一般功率容量較大，且有防止功率倒灌的發(fā)射保護(hù)電路存在，很難受到強(qiáng)電磁脈沖影響，因此在討論強(qiáng)電磁脈沖對超短波通信系統(tǒng)的“前門”耦合時(shí)，主要針對超短波通信的天線-接收機(jī)鏈路。

2.2 天線對強(qiáng)電磁脈沖的響應(yīng)

天線對強(qiáng)電磁脈沖的響應(yīng)分析是天線-接收鏈路“前門”耦合的核心。該分析實(shí)質(zhì)上仍是求解電磁場的邊界問題，根據(jù)接收天線與發(fā)射天線的互易性原理，以某發(fā)射天線為例，進(jìn)行天線的強(qiáng)電磁脈沖耦合分析。

天線的建模既可采用原尺寸原結(jié)構(gòu)，也可采用等效簡化模型，本文采用超短波天線的等效簡化模型，如圖5 所示。該天線工作在超短波頻段，天線主瓣增益3.2 dB。采用雙指數(shù)脈沖平面波作為激勵源、峰值場強(qiáng)50 kV/m、垂直極化、斜45°角入射，仿真計(jì)算得到天線末端的感應(yīng)電壓時(shí)域波形，如圖6 所示。從仿真結(jié)果可以知道，超短波天線對于強(qiáng)電磁脈沖感應(yīng)電壓的響應(yīng)峰值電壓已經(jīng)達(dá)到10.75 kV，該高電壓經(jīng)過傳導(dǎo)進(jìn)入接收鏈路的射頻前端，將對系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。

圖5 超短波天線強(qiáng)電磁脈沖耦合模型

圖6 天線對強(qiáng)電磁脈沖的時(shí)域響應(yīng)

2.3 超短波系統(tǒng)射頻前端耦合仿真

對超短波通信系統(tǒng)天線-接收鏈路的耦合分析，若僅僅對天線進(jìn)行輻照仿真分析，不能完全反映強(qiáng)電磁脈沖在進(jìn)入超短波系統(tǒng)射頻前端后的耦合情況；反之亦然。因此，有必要借助三維全波電磁仿真軟件和二維電路仿真軟件構(gòu)建聯(lián)合仿真模型。

在ADS 軟件環(huán)境下構(gòu)建如圖7 所示的某接收機(jī)系統(tǒng)鏈路，該鏈路在天線端口后端依次連接收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、帶通濾波器、低噪放、混頻器、中頻濾波器以及中頻放大器等射頻電路。圖7 中的正常接收信號和天線輻照所產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖電壓分別由源SRC4 和SRC1 模擬，其中SRC1 的數(shù)據(jù)為超短波天線在強(qiáng)電磁脈沖輻照下的時(shí)域響應(yīng)波形。

由于在仿真過程中無法對各射頻器件的功率容量（損傷閾值）進(jìn)行預(yù)設(shè)，所以在對以上電路進(jìn)行仿真時(shí)，先假設(shè)各器件的損傷閾值為無窮大，分別在各射頻器件輸入端口設(shè)置電壓監(jiān)測點(diǎn)，以分析各射頻器件的端口耦合規(guī)律，得到的各射頻模塊輸入端口電壓如圖8 所示。

從圖8 的仿真結(jié)果可以看出如下內(nèi)容。

（1）在天線和接收鏈路射頻前端阻抗匹配條件下，天線上耦合的強(qiáng)電磁脈沖波基本可以完全傳導(dǎo)進(jìn)入接收鏈路。

（2）前置帶通濾波器輸入端脈沖電壓達(dá)到12.26 kV，比收發(fā)開關(guān)端口耦合電壓7.737 kV 幅值更高，主要是因?yàn)槊}沖波進(jìn)入前置帶通濾波器后，由于濾波器的反射，注入的脈沖波和反射波相互疊加，從而在濾波器的輸入端疊加出比輸入脈沖幅值更大的脈沖電壓。這說明超短波通信系統(tǒng)的前置帶通濾波器輸入端口是遭受強(qiáng)電磁脈沖威脅的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，需要進(jìn)行特別的加固或者加裝防護(hù)模塊。

圖7 超短波通信系統(tǒng)接收前端仿真模型

圖8 各射頻器件輸入端口電壓

（3）脈沖電壓經(jīng)過前置帶通濾波器后，進(jìn)入低噪放輸入端口電壓幅值超過1.5 kV。該脈沖電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低噪放的可耐受閾值，會直接導(dǎo)致低噪放損壞，需要采取必要措施對脈沖電壓進(jìn)行限制。

綜上所述，強(qiáng)電磁脈沖通過超短波天線耦合進(jìn)入接收鏈路后，呈現(xiàn)為高強(qiáng)度的脈沖信號，在接收通道中與正常信號一起被放大、混頻，可以對正常信號產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓制、干擾，甚至直接導(dǎo)致接收鏈路硬件毀傷，有必要進(jìn)一步開展強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)研究。

3 強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)研究

為了減小強(qiáng)電磁脈沖通過天線-接收鏈路對超短波通信系統(tǒng)的損害，保障其正常工作，本文針對超短波通信系統(tǒng)的接收鏈路設(shè)計(jì)了一種可加裝于射頻前端的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊。

3.1 強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)立場出發(fā)，系統(tǒng)在遭遇強(qiáng)電磁脈沖前、遭遇過程中以及遭遇之后都應(yīng)該能夠滿足完成使命要求。從這一點(diǎn)來說，強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊的設(shè)計(jì)必須滿足以下基本要求：一是在正常條件下不能影響系統(tǒng)的正常通信；二是在遭遇強(qiáng)電磁脈沖時(shí)能快速對脈沖做出響應(yīng)，將脈沖降到安全閾值；三是強(qiáng)電磁脈沖經(jīng)過后，防護(hù)模塊可快速恢復(fù)。基于以上3 點(diǎn)，強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊的設(shè)計(jì)主要需要考慮插入損耗、耐受功率響以及響應(yīng)速度等因素。綜合考慮，本文采用具有高耐受電壓的氣體放電管和具有快速響應(yīng)能力的PIN 管作為防護(hù)模塊的核心組成器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，其等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9 所示。

對于微波射頻電路設(shè)計(jì)來說，結(jié)構(gòu)即電路，電路的實(shí)現(xiàn)形式很大程度決定了最終的性能指標(biāo)。為了提高整個(gè)模塊的功率容量和降低插入損耗，本文采用同軸腔體作為傳輸結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。防護(hù)模塊的仿真結(jié)果如圖10 所示。

從圖10 可以看出，強(qiáng)電磁防護(hù)模塊在0～3 GHz 的頻率范圍內(nèi)，傳輸系數(shù)S21低于0.4 dB，插入損耗維持在較小范圍內(nèi)，后期加裝到系統(tǒng)后對超短波通信系統(tǒng)的正常通信影響比較小。而在遭遇強(qiáng)電磁脈沖的條件下，耦合進(jìn)入的上萬伏脈沖電壓經(jīng)過防護(hù)模塊后，輸出的脈沖電壓幅值被控制到205 V 以下，有效抑制了脈沖電壓。

圖9 防護(hù)模塊等效電路

圖10 防護(hù)模塊S21（左）和脈沖響應(yīng)輸出波形（右）

3.2 防護(hù)效能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊的實(shí)際防護(hù)效能，本文在微波暗室中搭建了如圖11 所示的測試環(huán)境。試驗(yàn)過程中首先由HEMP 模擬器生成空間電場，然后通過位于空間電場內(nèi)天線的耦合作用轉(zhuǎn)化為天線端口脈沖電壓，再通過線纜傳導(dǎo)注入強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊，最后經(jīng)過定向耦合器和衰減器接入示波器，監(jiān)測防護(hù)模塊輸出端口的殘余電壓。試驗(yàn)中的脈沖模擬器由MONTENA 公司生產(chǎn)的瞬態(tài)脈沖發(fā)生器提供，耦合天線為某工作在30～350 MHz的超短波天線。

圖12 和圖13 分別為通過天線耦合進(jìn)入防護(hù)模塊輸入端口電壓和輸出端口電壓。從試驗(yàn)測試結(jié)果可以看出，超短波天線上的耦合脈沖電壓達(dá)到了10.91 kV，與前文的仿真結(jié)果比較接近。該脈沖電壓在通過防護(hù)模塊后，輸出脈沖電壓在納秒級的時(shí)間被抑制到了75 V，防護(hù)效能超過43.25 dB，具有射頻前端強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)能力。

圖12 防護(hù)模塊輸入端口電壓（100 dB 衰減）

圖13 防護(hù)模塊輸出端口電壓（80 dB 衰減）

4 結(jié)語

文章以超短波通信系統(tǒng)作為研究對象，利用仿真軟件構(gòu)建了超短波通信系統(tǒng)天線-射頻前端模型，重點(diǎn)分析了超短波通信系統(tǒng)天線-接收鏈路在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下的耦合規(guī)律及各射頻器件的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果表明，強(qiáng)電磁脈沖從天線耦合進(jìn)入射頻前端后，會對構(gòu)成射頻前端的各器件造成嚴(yán)重威脅，影響系統(tǒng)的正常工作。為了降低強(qiáng)電磁脈沖對系統(tǒng)的影響，本文在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種可用于超短波通信系統(tǒng)射頻前端防護(hù)的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊，并對其防護(hù)效能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，幅值為10.91 kV 的強(qiáng)電磁脈沖電壓在經(jīng)過防護(hù)模塊后，輸出電壓被控制在75 V 左右，防護(hù)效能超過43.25 dB，具有響應(yīng)速度快和良好的大功率信號衰減性能，可用于射頻前端的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，對提高系統(tǒng)的抗毀能力和生存能力有重要的實(shí)際意義。