強電磁脈沖防護技術研究

謝 斌 劉 潔 王 波 張 強 史鵬濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著戰場信息化的迅速發展，電磁環境越來越復雜，各種電子設備如何應對強電磁脈沖武器的防護不斷受到重視。由電磁脈沖炸彈或核爆炸產生的強電磁脈沖峰值電場強度瞬間可達到每米數萬伏，可以通過外接的電力線、電纜等線路及天線和縫隙耦合進入設備內部，使設備中敏感的電子器件或電路損壞或受到威脅，造成設備故障甚至嚴重受損[1-5]。研究步驟和流程如圖1所示。

1 電磁防護分析

傳統強電磁脈沖防護主要包括“前門”和“后門”的防護加固。與拋物反射面天線共形的頻率選擇表面天線罩設計較為困難，采用端口防護器件；而平面陣列天線易采用頻率選擇表面天線罩進行防護。通過對雷達車的研究，從可能造成影響的“前門”和“后門”進行強電磁脈沖防護分析：

圖1 電磁防護設計流程

1)系統接收通道頻段較高且采取了放電管和限幅器等“前門”防護措施，對LEMP、HEMP、UWB等信號有一定的抑制作用，但是功率容量不具備對大部分能量處于接收機帶內的HPM信號進行防護。

2)暴露于外部的電源線、信號線直接采用貫通連接的方式引入屏蔽方艙，雖然采取了壓敏電阻和磁環等針對LEMP、HEMP的防護措施，但是對脈沖寬度更窄，頻率更高的UWB和HPM未加考慮。

3)HEMP、UWB等時域窄脈沖，容易通過線纜、孔縫等進入裝備內部，對內部單元造成擾亂或毀傷。由于系統存在與外界信息和熱交換的通道，因此對其防護不僅需要考慮裝備自身的屏蔽性能，同時需要對接入電纜采取屏蔽、濾波和限幅手段；對暴露于外部的配電系統，由于其大多已考慮LEMP防護，因此需要在此基礎上提升防護響應時間，以適用于對HEMP和UWB的防護。

2 強電磁脈沖“前門”防護技術

對于“前門”防護來說，有兩種基本的選擇，那就是限制對前門天線或傳感器的耦合，或者限制耦合的能量傳播到系統內部的能量。第一種選擇實際是降低進入點的有效面積；第二種選擇實際是降低進入口和系統內部敏感組件之間的耦合。

圖2 電磁脈沖“前門”防護方法

在高功率微波下加固更為困難，這是由于當功率電平幅度比傳統的功率密度高幾個數量級，并且所發射的HPM脈沖上升沿時間在1ns量級甚至更小時，可能會引起非線性效應。這些特性意味著HPM環境能夠以幾種截然不同的方式對前門通路進行攻擊，包括：

帶內攻擊——HPM頻率前門通路額定的工作帶寬內；帶外攻擊——HPM頻率在前門通道額定帶寬以外；“潛行通過”攻擊——脈沖上升時間很快，以至于大量的能量在保護裝置動作之前已經傳遞到敏感的界面上；超大功率攻擊——功率或能量足以損傷或破壞HPM加固器件；精巧攻擊——把功率或能量傳遞到具有已知反轉特性的敏感器件。

根據系統要求，“前門”防護需要遵循以下要求：當不存在HPM 環境時，加固單元一定不能對系統的工作有不利的影響。這意味著如功率要求、插入損耗、尺寸、重量、形狀和可靠性等參數都必須提前考慮； 當存在HPM環境時，加固單元必須阻止損壞、反轉或其它不可接受的性能(加固單元將反射、分流、吸收、濾波或限制不希望的電磁應力)；加固單元必須能在HPM環境工作而不被損傷(除非其是一次性發射器件，損壞后就能替換)。

綜上所述，對于部分射頻系統的強電磁脈沖防護，可以采取以下措施：

1) 在接收機前端采用限幅器和濾波器：在接收機前端加限幅器，可降低高功率微波脈沖的攻擊毀傷距離。同時，由于高功率微波頻段較窄，通過增加濾波器，在接收機前端將信號削弱。

2) 提高電子器件自身的抗毀傷能力：可以通過生產工藝、材料選擇、元件選型等方面做到細微的研究，提高組件的抗毀傷能力，從而防護電子設備的安全。

3) 利用開關管保護雷達接收機不被高功率微波脈沖燒毀：當開關管導通，使大功率脈沖經天線輻射出去，而泄露接收機較小，實際上它就起到了在接收機前端加限幅器的作用，從而保護接收機不被燒毀。

3 強電磁脈沖“后門”防護技術

高功率電磁脈沖除通過天線等“前門”耦合路徑進入綜合射頻系統外，還可能通過屏蔽艙孔縫或外部電源和信號電纜等“后門”通道耦合進入系統內部，對系統造成干擾、擾亂甚至損傷，影響其工作性能，如圖3所示。因此除對綜合射頻系統接收機開展端口防護措施外，還需要對方艙及外接線纜的高功率電磁脈沖進行防護設計。主要防護措施有以下幾種：

圖3 強電磁脈沖“后門”防護方法

1)非整體屏蔽防護措施。

有些屏蔽體并不要求采用實體金屬板，而是采用金屬屏蔽網，其原因是多方面的，主要是通風散熱、控制采光量的需要，在有些場合是利用屏蔽網具有頻譜選擇的特性，以便抑制某一頻段的電磁干擾，并且使其它頻段的電磁波通過，因此金屬屏蔽網的應用十分廣泛。

2)電源線防護措施。

電磁脈沖濾波器的總體結構圖如圖4所示。電磁干擾通過電纜耦合經過電磁脈沖濾波器時，如果電磁脈沖過沖電壓達到濾波器的箝位電壓，則瞬態電路導通，產生的瞬態過電流流過導通電路，使過沖電壓被旁路釋放，保護電路不出故障。

圖4 電磁脈沖濾波器時域設計示意圖

通常情況下，瞬態電路兩端電阻處于斷路，對整個電路的正常供電沒有影響。它的箝位響應時間非常短，屬于ns級別，特點是耐受高壓，泄流力較強。當強電磁干擾通過傳導或輻射進入電源線流入后級電路時，瞬態電路兩端電阻被高能量擊穿，從而達到泄流、限壓的作用。

將傳統的電源線低通濾波器和瞬態電路相結合，可以使電源濾波器既可以通過LC電路濾波右可以達到泄流限壓的效果。這樣通過電源線進入的干擾信號被穩態濾波電路進行正常的濾波后而衰減，并對強電磁脈沖干擾信號進行旁路，達到保護所需防護電路正常工作的目的。

強電磁脈沖抑制型直流電源EMI濾波器等效電路如圖5所示。等效電路主要是由直流電源濾波電路、VSR和瞬態電路組成，是一種復合型的抗干擾濾波器。

圖5 強電磁脈沖抑制型直流電源EMI濾波器電路原理圖

3)信號線防護措施。

隨著現代通信與電子信息技術的發展，隨著理論的證明及工程實踐的表明，設備與設備之間的互連電纜、電路與電路之間的互連部分是電磁干擾最容易耦合的通道。

系統中利用總線實現芯片內部、印制板內部、設備內部、設備與設備之間、設備與分系統之間的連接與通信。總線用來連接各功能單元的信息通路，在印刷電路板上用來連接各芯片之間的公共通路，用來連接系統中各種插卡與主板之間的通路，用來連接電路與外部設備之間、設備與設備之間、設備與分系統的通路。

圖6 數據總線防護流程

互連電纜是電磁輻射和電磁敏感的主要通道。傳統數據總線防護流程如圖6所示。

在軍用電子戰場通訊和控制領域，RS-232，RS-485，CAN總線的應用非常廣泛。在復雜電磁環境下，由于數據線的通信距離較長，當信號線遭受到外界強電磁脈沖干擾時，強電磁脈沖則通過信號線耦合進入通信設備內部，會對電路形成干擾，過強的干擾會阻塞信道，中斷正常的通信。為了應對這種干擾，必須對信號線進行屏蔽，且屏蔽層進行良好接地。

數據傳輸線防護裝置采用多級防護的方案，系統構成如圖7所示。瞬態抑制器包括兩級保護器件，氣體放電管或者半導體放電管放在線路輸入端，做為第一級電磁脈沖保護器件，承受較大的電流；TVS管作為二級保護器件，對高靈敏的電子電路提供保護，在ps級時間范圍內對電磁脈沖產生響應。能夠可靠保護RS-232，RS-485，CAN總線等數據線路，確保通信和控制系統的有效運行。

圖7 總線保護器件示意圖

4 防護性能測試

1)防護性能測試平臺。

防護模塊性能測試采用脈沖注入的方法，測試防護模塊的吸收功率、響應時間、鉗位電壓等參數。測試平臺包括脈沖注入系統、示波器、脈沖衰減器、高頻測試電纜。脈沖注入系統參數：輸出電壓5.2 kV，脈沖前沿1.8 ns，脈沖寬度2 ns。測試系統如圖8所示。

圖8 防護器件性能測試平臺

2)電源端口防護器件性能測試。

電源防護模塊對脈沖的響應結果如圖9所示。由于電源防護模塊整體采用防護器件與低通濾波器組合技術，兼顧截止頻率低的特點，也滿足快前沿脈沖的防護要求。

圖9 電源防護模塊脈沖注入響應波形對比

根據圖9可知，當注入脈沖源的前沿為1.8 ns時，防護模塊能在脈沖的上升沿階段響應，響應時間為2 ns；脈沖幅值5.2 kV時，可將大功率信號箝位到安全電壓的幅度范圍，且根據脈沖注入峰值功率計算，其峰值吸收功率可達540.8 kW。

3)信號端口防護器件性能測試。

信號端口防護模塊對方波脈沖的響應結果如圖10所示。理論上，由于信號線防護模塊的上限頻率較高，因此對于前沿更緩，頻率較低的方波脈沖的抑制能力更強。

圖10 信號防護模塊脈沖注入響應波形對比

根據圖10可知，當注入脈沖源的前沿為1.8 ns時，防護模塊對快前沿脈沖響應時間小于1 ns，這是由于信號防護模塊采用更低寄生電容、更低功率等級的雪崩防護器件，其響應時間更快的原因。

5 結束語

本文只是對強電磁脈沖的防護手段進行了相關的論述，接下來具體的工作是研究HEMP(高功率電磁脈沖)和非核電磁脈沖武器等對系統的損傷機理，并選取典型系統及其分系統作為效應物，開展輻照試驗和注入試驗，確定效應物的干擾閾值和毀傷閾值；根據效應物的敏感度和防護要求，結合數值仿真，確定具體的電磁防護技術措施，進行裝備抗電磁毀傷加固優化改造；最后通過試驗檢驗裝備加固改造后的電磁防護效果，形成具體的電磁防護設計規范。