加固計算機接口的強電磁脈沖防護研究?

（中國航天科工二院七○六所 北京 100854）

1 引言

隨著超級電子管整流器、相對論磁控管、速調(diào)管以及電磁脈沖生成技術(shù)的發(fā)展，強電磁脈沖對電子信息系統(tǒng)的威脅越來越大。作為電子信息系統(tǒng)的核心，加固計算機在系統(tǒng)運行過程中具有重要作用。強電磁脈沖的功率高、頻譜寬、危害大，通過前門耦合和后門耦合方式進入加固計算機內(nèi)部，對電子元器件會產(chǎn)生不同程度的損毀和傷害，進而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)的短暫或永久性損壞，因此對加固計算機的強電磁脈沖防護具有重要的意義。

2 典型強電磁脈沖特性分析

目前典型的強電磁脈沖有高空核電磁脈沖（HEMP）、高功率微波（HPM）和超寬帶脈沖（UWB），其特性如下。

2.1 高空核電磁脈沖（HEMP）

高空核爆在地面附近產(chǎn)生的電磁脈沖環(huán)境分為早、中、晚三個部分，而早期環(huán)境的波形是HEMP的主要組成部分，也是最常用的電磁脈沖波形，故常采用其作為HEMP環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)。目前國際上許多有影響的標(biāo)準(zhǔn)均對HEMP的時域波形進行了詳細(xì)的描述，包括1976年的學(xué)術(shù)出版物標(biāo)準(zhǔn)、美國Bell實驗室標(biāo)準(zhǔn)、國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)等[1]。HEMP較常用的時域解析模型是雙指數(shù)函數(shù)模型，為

式中：E0為電場強度峰值；k為修正系數(shù)；α，β為表征前、后沿的參數(shù)。

GJB 151B和MIL-STD-461E中定義的波形參數(shù)為k=1.3，E0=50kV/m，α=4.0×107s-1，β=6.0×108s-1。HEMP的時域波形和頻域波形如圖1所示[2]。

從時域波形上看，HEMP具有陡峭的上升前沿，能在5ns內(nèi)上升至50kV/m的峰值場強；從頻域波形上看，HEMP的頻譜較寬，幾乎覆蓋了從超長波至微波低端的整個頻段，從而對加固計算機構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

圖1 HEMP時域及頻域波形

2.2 高功率微波（HPM）

高功率微波是一種由電源、微波源等組成的高功率微波系統(tǒng)發(fā)射的高能電磁脈沖。在系統(tǒng)中，前級電源首先為系統(tǒng)提供一個長脈沖或連續(xù)的低功率電輸入，脈沖功率將其電能儲存起來并轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)時間非常短的高功率脈沖，然后通過微波源轉(zhuǎn)換為空間電磁波，最后天線將電磁波向指定方向發(fā)射，并同時在空間上壓縮，產(chǎn)生一個高能量密度波束。

高功率微波（HPM）的峰值功率在100MW以上，頻率范圍在100MHz～300GHz之間；單次脈沖在10ns以內(nèi)，單次脈沖輸出的能量達10J以上，功率密度和能量密度都相當(dāng)高；此外脈沖源能夠以單次脈沖、重復(fù)脈沖、調(diào)制脈沖或連續(xù)波形式發(fā)射高功率微波。

高功率微波的電磁波能量集中在以某一高頻段為主的窄帶內(nèi)，波長以毫米波或厘米波為主。

HPM的時域解析模型近似為[3～4]

其中E0為電場峰值，τ為脈沖寬度，t1為脈沖上升時間和衰落時間，ω0為載波頻率。一個典型HPM的時域及頻域波形如圖2所示。

圖2 HPM時域及頻域波形

2.3 超寬帶電磁脈沖（UWB）

超寬帶電磁脈沖是超寬帶技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物，一般超寬帶裝置的脈沖功率發(fā)生器由一系列脈沖壓縮電路組成，它在壓縮脈沖寬度的同時提高了峰值功率，然后直接送往天線。超寬帶系統(tǒng)采用快速開關(guān)技術(shù)發(fā)射的UWB脈沖占據(jù)很寬的頻帶范圍，作用距離可達數(shù)千米，但相應(yīng)的輸出能量較低，持續(xù)時間一般低于 1ns[5]。

超寬帶電磁脈沖峰值功率大于100MW，上升前沿為亞納秒或皮秒量級，相對帶寬超過25%，其帶寬覆蓋100MHz～300GHz。

超寬帶電磁脈沖的電磁波能量分散在一個很寬的低頻段內(nèi)，任何一種頻率對應(yīng)的能量都較小[6]。

美國空軍研究實驗室（AFRL）的超寬帶脈沖表達式是通過實驗測試數(shù)據(jù)擬合得到的，其時域和頻域波形如圖3所示。

其中，a1=1.55571ns，b1=0.05207ns，t1=0.07667ns，ω1=0.0521ns；a2=0.44016ns，b2=0.05689ns，t2=0.24527ns，ω2=0.0569ns；a3=5.07040ns，b3=0.08847ns，t3=0.11903ns，ω3=0.0885ns。

圖3 UWB時域及頻域波形

UWB系統(tǒng)的代表有美國空軍實驗室研制的IRA 和 H系列超寬帶脈沖源[7～9]，其中IRA 超寬帶源采用直徑為3.7m的拋面天線制成，在距離305m遠(yuǎn)的瞬變場強為4.6kV/m，上升時間為85ps，脈沖半峰寬為130ps。

綜上所述，三種典型強電磁脈沖的時域、頻域特點對比如表1所示。

表1 三類典型強電磁脈沖的比較

3 強電磁脈沖對加固計算機的毀傷分析

強電磁脈沖主要通過前門耦合和后門耦合方式[10～11]對加固計算機產(chǎn)生影響：

3.1 前門耦合

強電磁脈沖耦合到與外部通信的設(shè)備，如天線、傳感器等，其又可分為

一級前門耦合：強電磁脈沖的頻率與加固計算機組件的工作頻率一致；

二級前門耦合：上述兩者頻率不一致。

3.2 后門耦合

強電磁脈沖通過對屏蔽體的縫隙、孔洞等耦合，增加了屏蔽體內(nèi)電磁環(huán)境的復(fù)雜度，例如加固計算機與外部連接的線纜、機箱上的縫隙和孔洞等。

電磁脈沖對加固計算機機箱的縫隙、孔洞的耦合相對較弱，并且加固計算機機箱一般采取了屏蔽措施；而天線、線纜的耦合對加固計算機的影響嚴(yán)重，因此需要對天線、傳輸線等加固計算機接口進行電磁脈沖防護設(shè)計。

4 加固計算機接口強電磁脈沖防護設(shè)計

加固計算機平臺上包含有電源線類、信號線類、網(wǎng)絡(luò)線類和天饋線類四類線纜接口，每一類接口傳輸?shù)男盘柼卣鳎l率、幅度等）不同，對外界電磁脈沖干擾的敏感特性不同。其中：

1）電源線類包括：電源輸入和功率輸出；

2）信號線類包括：KI輸入、KO輸出、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換；

3）網(wǎng)絡(luò)線類包括：RS422通信、CAN總線、網(wǎng)絡(luò)接口、B碼接口和1553B通信接口；

4）天饋線類包括：GPS天線接口。

強電磁脈沖的防護一般分為頻率域和能量域防護，頻率域防護利用防護器件的頻率選擇特性，通過設(shè)置頻域阻帶衰減電磁脈沖；能量域防護利用防護器件的空間限幅特性，可以在任意寬度頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)能量低通的防護效果[12～13]。由于強電磁脈沖頻帶較寬，與加固計算機接口信號會存在頻域混疊現(xiàn)象，采用單一頻率域防護難以有效抑制強電磁脈沖；并且強電磁脈沖與加固計算機接口信號在能量域也可能存在重疊，單一能量域防護也不是有效措施。因此本文提出采用能量域-頻率域復(fù)合多級防護方案。

采用多級防護措施，一方面可以盡量降低通過防護器件后的殘壓；另一方面，集成了各種功能保護電路，如高溫保護、濾波電路等，提高了防護器件本身的生存能力，并能夠彌補響應(yīng)時間不足的問題。

4.1 電源線類接口電磁防護設(shè)計

電源線類接口電磁防護的設(shè)計中主要考慮的是吸收、泄放和濾除電磁脈沖能量。簡單的單級吸收、泄放的電路效果并不好，不能將強電磁脈沖能量降低到安全范圍，其殘余能量依然很大；而電源線上的干擾分為共模干擾和差模干擾，為了抑制其干擾還需加上濾波部分。

根據(jù)加固計算機電源特征，分為交流電源EMP濾波防護器和直流電源EMP濾波防護器兩種類型，可設(shè)計成多級吸收、泄放加濾波的組合電路進行綜合防護，從而實現(xiàn)對計算機電子設(shè)備的保護。由于直流電源EMP濾波防護器和交流電源EMP濾波防護器原理功能類似，因此以直流電源EMP濾波防護器為主要介紹，其原理框圖如圖4所示。

圖4 直流/交流電源電磁脈沖防護器多級防護原理框圖

電磁脈沖能量進入計算機電源部分后，首先進入電磁脈沖防護組件，防護組件第一級電磁脈沖吸收泄放保護，可在5ns內(nèi)對高達50kV/m的電磁脈沖能量進行吸收泄放入地，此為對電磁脈沖的基礎(chǔ)電路保護，泄放70%左右的電磁脈沖能量；第二級防護設(shè)計主要由安規(guī)電容來抑制電磁干擾；第三級防護設(shè)計對剩余電磁脈沖能量進行殘壓濾波，濾除10%左右的殘余電磁脈沖能量；第四級防護為泄放保護，將剩余能量泄放入地；第五級防護為低頻濾波，抑制電源線上的共模干擾和差模干擾；第六級防護采取熱保護設(shè)計，當(dāng)漏電流過大時，將器件與電路切斷阻止器件起火燃燒；第七級防護設(shè)計為濾除高頻干擾；在安裝電路板時必須進行屏蔽隔離，最后使輸出的脈沖能量對防護組件后端的器件/系統(tǒng)不能造成損害。

4.2 信號線類接口電磁防護設(shè)計

信號線類接口電磁防護的設(shè)計主要也是考慮吸收、泄放和濾除電磁脈沖能量，仍然采用多級泄放加濾波相結(jié)合的設(shè)計方案。信號線類接口電磁防護原理框圖如圖5所示。

電磁脈沖能量進入計算機信號線類接口后，電磁脈沖防護組件將對高壓脈沖能量進行防護以保護后端設(shè)備。信號線類接口部分第一級電磁脈沖保護，可在5ns內(nèi)對高達50kV/m的電磁脈沖能量進行吸收泄放入地，此為對電磁脈沖的基礎(chǔ)電路保護，泄放70%左右的電磁脈沖能量[14]；第二級防護設(shè)計為對電磁脈沖能量進行電磁屏蔽隔離；第三級防護設(shè)計為對電磁脈沖能量產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓及高浪涌電流進行抑制；第四級防護為EMI濾波，抑制脈沖干擾；最后第五級防護再一次將剩余電磁脈沖能量泄放入地。這種多級泄放加集成濾波的方式確保了泄放濾除電磁脈沖能量并且同時確保不影響有用數(shù)據(jù)的正確傳輸。

4.3 網(wǎng)絡(luò)線類接口電磁防護設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)線類接口電磁防護設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)與信號線類接口電磁防護設(shè)計類似。

4.4 天饋線類接口電磁防護設(shè)計

布置在計算機外部空間的天線是一個非常重要的強電磁脈沖信號耦合通道，且一般天線后端直接連接了接收機等一類非常敏感的電子設(shè)備，對耦合電磁脈沖形成的浪涌、尖峰信號抵抗能力很弱。因此，為了保護接收機等重要設(shè)備，同時保證天線系統(tǒng)的正常工作，需要對天線系統(tǒng)進行電磁防護設(shè)計。

對GPS這一類天線，針對天線本身進行電磁脈沖防護設(shè)計是不切實際的，因此，本方案選擇在天饋線上實施電磁防護處理措施，典型天饋線防護器件如圖6所示。由天線結(jié)構(gòu)感應(yīng)耦合的外界強電磁脈沖干擾信號會在天線饋電端口形成浪涌、尖峰信號，該浪涌、尖峰信號會沿著與天線相連的天饋線向接收機等電子設(shè)備端傳播。本方案可提供相應(yīng)的天饋線電磁防護器件，該器件安裝在靠近天線饋入端口位置，當(dāng)天線感應(yīng)到的浪涌、尖峰信號超過一定幅值時，該浪涌、尖峰信號會在該防護器件處被及時導(dǎo)出，泄放到平臺外殼或大地中，以保護天饋線纜和天線后端的電子設(shè)備。

圖5 信號線類接口電磁防護原理框圖

考慮到處在計算機外部的天饋線本身可能感應(yīng)耦合外界的強電磁脈沖干擾信號，同時防止天線端口處電磁脈沖防護器件的泄放能力不足的問題，還可在進入計算機的線纜端口處添加相同的電磁防護器件，以確保安全。

圖6 典型天饋線電磁防護器件

5 結(jié)語

強電磁脈沖峰值功率高，可達GW量級；脈沖上升時間和持續(xù)時間短，單次脈沖在10ns以內(nèi)；頻譜寬，頻率覆蓋100MHz～300GHz；并且具有重頻脈沖形式，具有很高的能量密度，加固計算機內(nèi)的電子元器件很容易受到強電磁脈沖的干擾甚至損毀。基于強電磁脈沖的特點及其對加固計算機的耦合途徑分析，提出了能量域-頻率域復(fù)合多級復(fù)合防護，進行了加固計算機接口的強電磁脈沖防護方案的設(shè)計。