電子設備的高功率微波防護技術

周璐，劉恩凱

中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州，225000

0 引言

隨著脈沖功率技術、電真空學技術和等離子體物理學等的發展，高功率微波技術也實現了快速的發展。通常情況下人為高功率微波是指峰值功率超過100MV、頻率在1～300GHz的微波，不過這不是一個嚴格的限制。高功率武器能夠干擾或者破壞電子元器件，可以使之出現暫時的工作紊亂，或者是永久失效，其具體原理如下：通過強大的高增益天線使微波能量匯聚在比較短的波束內，從而實現微波能量的集中，然后將其定向照射到準備攻擊的物體上，使被攻擊物體包含的電子元器件被干擾或者破壞。隨著高功率微波干擾技術的發展，導致電子元器件工作的電磁環境不斷惡化，為了減少高功率微波武器對武器作戰系統的影響，需要加強高功率微波武器防護技術的研究，從而保障在惡劣的電磁環境下，作戰系統仍能夠正常運行[1]。

1 高功率微波武器毀傷機理

1.1 高功率微波武器毀傷機理分析

高功率微波武器是通過微波能量產生的熱效應和電效應來毀壞目標武器的。高功率微波武器發射出的微波能量進入到目標武器的電子系統之后，微波能量會產生熱能，從而使被攻擊武器內部電子器件的溫度升高，高溫可以導致正常工作的電子器件被破壞或者摧毀；在受到高功率微波能量的輻射以后，被攻擊武器的金屬表面或者導線上會產生瞬變的電磁場，在其作用下會在周圍形成感應電流，感應電流的強度隨著微波能量的增強而增強，其能夠對電子設備中的正常電流造成干擾，從而導致電子設備無法正常工作[2]。高功率微波武器對于電子設備系統及器件的破壞機制主要包括高壓擊穿、器件燒毀、電泳沖擊、微波加溫和瞬間干擾等幾種。

（1）高壓擊穿。高功率微波能量進入到電子設備以后，能夠使結點附近形成高電壓或高電流，在高電壓或者是高電流的作用下，結點會被擊穿。

（2）器件燒毀。在大量熱量的作用下，導致被攻擊武器內部金屬絲熔斷、熱敏元件失靈或者是PN解燒蝕，進而導致器件燒毀，無法正常工作。

（3）電泳沖擊。在高功率微波能量的沖擊下，導致屏蔽殼體上產生比較大的感應電流，感應電流進入到系統內部以后，會導致內部電子器件損壞。

（4）微波加溫。高功率微波能量的作用下，電子設備內部的金屬器件、含水器件等的溫度會快速上升，從而不能正常工作。

（5）瞬間干擾。這種情況是在高功率微波進入系統時已經衰減得很小而出現的，此時由于微波的能量比較小，不能直接將電子元器件破壞掉，但是產生的感應電流能夠使電子元器件無法正常工作。

1.2 高功率微波武器毀傷途徑

高功率微波武器的工作原理是：通過微波能量耦合到電子設備的關鍵電子器件上，使其不能夠正常工作，進而毀傷整個系統。高功率微波武器將能量耦合到攻擊目標系統的方式包括“前門”和“后門”兩種，下面對這兩種方式進行介紹。

（1）“前門”耦合，所謂的“前門”指的是電子系統的天線、傳感器和傳輸線等，這些模塊可以作為耦合介質，高功率微波能量可以通過這些介質傳輸能量，將微波能量傳到系統的發射、接收設備中。由于系統的發射、接收等設備的靈敏度都比較高，因此微波能量會給其電子元件造成比較大的破壞，導致其不能夠正常工作。

（2）“后門”耦合，是指將高功率微波能量和系統的孔洞、電纜接頭和縫隙等作為介質耦合，通過這樣的方式微波能量可以進入到系統內部。若高功率微波的半波長不大于孔洞和縫隙的尺寸，其就能通過耦合傳輸到電子器件的內部，并且在內部形成感應電壓或者電流，對電子元器件造成破壞。在線纜的連接處，如果沒有做好屏蔽措施，高功率微波輻射到系統的電纜上之后，就會使其產生感應電流，并且進入到系統內部導致內部的電子器件被毀壞，進而使電子設備不能夠正常工作。

2 高功率微波武器防護技術

高功率微波武器發射的微波能量通過耦合的方式進入到電子設備中，主要的方式包括“前門”耦合和“后門”耦合兩種，因此為了對高功率微波武器進行防護，需要采取針對性的防護措施對“前門”和“后門”耦合來進行防護，當前主要的防護措施包括以下幾種。

2.1 空域防護

空域防護的原理是將高功率的微波能量在空間上和電子設備內部的電子元器件隔離開，從而避免微波能量對電子元器件的影響。具體的措施如下：進行合理的屏蔽設計，選擇效果良好的屏蔽材料對電子設備進行屏蔽，使其在空間上和高功率微波能量隔離開，將大部分微波能量隔絕，這樣可以使系統接收到很低的微波能量，從而避免其在微波能量的影響下遭到破壞[3]。

2.2 頻域防護

頻域防護的原理如下：對系統的頻率特性進行分析，然后采用濾波的手段，將干擾頻段的信號全部濾除，只保留需要的頻率段的信號，從而起到防止高功率微波進入的效果。在實際應用中，這種方法主要被應用到電纜的防護中，防止高能量微波通過電纜耦合的方式進入系統。在頻域防護中，濾波器對微波的處理方式主要有兩類，一種是損耗濾波器，其能夠將干擾頻率上的高功率微波能量損耗掉，從而達到濾波的效果；另一種是將干擾頻率上的高功率微波反射掉，從而達到濾波的效果。在具體的使用時，通常會采用兩種方法聯合應用的方式來提供濾波的效果。

2.3 能域防護

通過應用浪涌保護器能夠實現對高功率微波武器的防護，這種保護方式主要體現在能域上。其具體的防護方式如下：在浪涌干擾的入口位置連接一個浪涌保護器，其能夠對產生的浪涌干擾進行控制，限制干擾電壓的大小或者是將產生的電流分流。浪涌保護器的原理如下：當干擾浪涌電壓超過閾值以后，其會迅速動作，將點位鉗住，然后通過旁路將電流分流。浪涌保護器可以分為開關型和非開關型兩種，其中前者是擊穿性器件，在浪涌干擾電壓超過其擊穿電壓以后，其電阻會被擊穿，其阻值會降低為低阻值，此時電流就會通過電阻分流到旁路；后者是一種電壓鉗位器件，其具有高度非線性的特點，若浪涌干擾電壓比較大，超過了保護器的鉗位電壓，其電阻也會隨著變化，使浪涌電壓被鉗制在鉗位電壓，從而實現對電路的保護。

2.4 時域防護

時域防護的原理是時間回避法，其通過極高靈敏度的傳感器，能夠在高功率微波能量到來之前采集到其即將到達的信息，在采集到這一信息后迅速切斷系統電源，或者轉移重要信息，達到防止電子元器件受到干擾和破壞的效果，并且保護重要信息。

2.5 接地防護

接地防護的原理如下：抑制傳導耦合，從而達到防止系統被高功率微波攻擊的目的，這種方法常用于“后門”耦合的防護。在高功率微波輻射到電子設備的金屬殼體以后，金屬殼體表面會產生感應電流，而通過接地防護，可以將這些電流導入大地，從而起到防止電子設備受到干擾的效果。

3 高功率微波防護技術的實際應用

3.1 在大型地面工事上的應用

以指揮所等大型地面工事上防護技術的應用，對高功率微波的防護進行探討。對于指揮所和情報機構而言，通常會設置有數據中心，數據中心需要設置在固定的建筑物上，需要較長的建設周期，通常采用通信和光纜的方式來和外部進行信息交流。對于這類設施的高功率微波防護，不會受到空間和質量的限制，因此通常會用電磁脈沖屏蔽防護技術來進行防護。具體的防護措施如下。

（1）建立六面體屏蔽室。六面體屏蔽室通常采用導電性良好的金屬板、金屬網等進行建設，其中采用鋼板焊接式屏蔽體可以獲得非常好的效果，而采用金屬網的屏蔽效果要差一些，因此最好選用金屬板材來制作屏蔽室。

（2）屏蔽門。屏蔽室需要設置屏蔽門，而且門縫處也需要通過安裝梳形簧片和導電襯條等方式來進行屏蔽；若需要獲得較高的屏蔽效果，可以應用充氣推拉門，并且在門縫處安裝彈簧和氣囊。

（3）通風窗口屏蔽。對于屏蔽室的通風窗口，可以通過安裝金屬網、穿孔金屬板或者截至波導等方式來進行防護，其中波導具有良好的屏蔽效能，隨著入射波頻率的提升其屏蔽效能也會隨之提升。

（4）屏蔽室之間的貫通導體。具體包括電線、電纜和長導體等，這些是屏蔽室和外部之間實現通信所必需的工具，對于這些貫通導體，通常要安裝在金屬管道內，和屏蔽室一起包封成全屏蔽體。此外，還可以在電線電纜穿過屏蔽體的位置安裝濾波器。當前，可以使用光纖代替電線和電纜等來達到通信的目的，而光纖穿過屏蔽體的位置通常采取安裝截止波導的方式來進行保護[4]。

（5）天線、電纜防護。通常采用安裝濾波器、浪涌保護器以及頻率選通等方式來進行保護。

（6）對于天線和電纜等設備，應建立備用設施，從而在發生故障以后，可以迅速恢復運行。

通過以上這些屏蔽措施，可以使指揮所等大面積地面工事獲得良好的屏蔽高功率微波的能力，從而使這些設施可以在高功率電磁武器的攻擊下正常運行。

3.2 防護技術在艦船及車輛上的應用

現代的艦船、車輛等主體結構都是由金屬、合金材料等制成的，由于其組成材料的特點，使其主體本身擁有良好的屏蔽特性。但是艦船、車輛等搭載了很多的電子設備，因此也需要做好電磁屏蔽，采用有效的防護技術，在各類電子設備及其前端與系統之間共同組成一個大屏蔽體，達到良好的電磁防護效果，并且擁有良好的性價比[5]。

艦船和車輛上裝載大量的電子設備，對于艦船和車輛的運行以及功能發揮著重要意義，因此在對艦船進行電磁防護時，主要對“前門”耦合和窗口進行防護，下面對具體的防護措施以及其起到的效果進行分析。

（1）對前門天線進行控制，限制其有效面積，通過合并的方式來減少天線的數量；同時，在艦船和車輛的前端，應安裝針對武器的高功率容量接收機保護裝置，起到屏蔽高功率微波的效果；在車輛線纜穿過平臺的位置，應設置轉接濾波器來進行微波的過濾，可以根據實際需求選擇合適的濾波器；濾波器具有很高的阻帶衰減能力，可以對高功率微波進行防護。

（2）艦船和車輛設備外壁的防護。通過應用電磁防護材料、無機金屬纖維材料、微波防護膠棉等材料到設備外壁，來提高其防護高功率微波的能力。舉例來說，可以在玻璃上鍍膜，通過這樣的方式來提高設備的防護效能。

（3）對于艦船和車輛內的設備，盡可能地應用折彎和焊接等工藝，減少孔縫數量，同時通過加裝導電襯墊的方式來增加接觸面積，提高微波防護效果。此外，還可以應用人工煙霧、箔條等防護技術來使電磁脈沖快速衰減，提高微波防護效果。

（4）艦船的水幕防護系統。在現代艦船中通常都設置有水幕系統，通過對其進行適當的改造，使水幕水量滿足要求就能夠起到防護高功率微波武器的效果。

對于艦船和車輛系統的高功率微波防護技術而言，有主動防御和被動防御兩種技術手段。其中，主動防御技術包括使用箔條、煙霧、水幕系統等。這些技術的問題在于，其時效性比較強，實施得早了或者晚了都不能夠起到應有的效果，應用這些防御技術，需要準確的信息支撐，這限制了主動防御技術的應用范圍。被動防御技術包括減少天線有效接收面積、采用濾波器、調整焊接工藝和應用電磁防護材料等，在新平臺設計時，可以采用上述手段進行一體化的設計，從而提高系統高功率微波的防御能力[6]。

4 結語

隨著電子技術、信息技術等的發展，各類武器中電子設備的應用會越來越多，電子設備在戰爭中的作用越來越顯著，因此電子戰會越來越受到重視。在電子戰中，高功率微波武器在打擊軍用裝備時可以起到非常好的效果，各國也加大了高功率微波武器的研發力度。在這樣的背景下，加強高功率微波武器防護技術的研究具有重要意義，通過做好高功率微波防護措施，可以提高電子設備抵抗電磁威脅的能力，從而在電子戰中占據優勢，為贏得戰爭的勝利奠定良好的基礎。