強電磁脈沖防護技術(shù)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(zhàn)場信息化的迅速發(fā)展，電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，各種電子設(shè)備如何應(yīng)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(chǎn)生的強電磁脈沖峰值電場強度瞬間可達到每米數(shù)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(shè)備內(nèi)部，使設(shè)備中敏感的電子器件或電路損壞或受到威脅，造成設(shè)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(tǒng)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(shè)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(shè)計流程

1)系統(tǒng)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(nèi)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(huán)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(nèi)部，對內(nèi)部單元造成擾亂或毀傷。由于系統(tǒng)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(tǒng)，由于其大多已考慮LEMP防護，因此需要在此基礎(chǔ)上提升防護響應(yīng)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(shù)

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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的功率密度高幾個數(shù)量級，并且所發(fā)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(yīng)。這些特性意味著HPM環(huán)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(nèi)攻擊——HPM頻率前門通路額定的工作帶寬內(nèi)；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(jīng)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(zhuǎn)特性的敏感器件。

根據(jù)系統(tǒng)要求，“前門”防護需要遵循以下要求：當不存在HPM 環(huán)境時，加固單元一定不能對系統(tǒng)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(shù)都必須提前考慮； 當存在HPM環(huán)境時，加固單元必須阻止損壞、反轉(zhuǎn)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(yīng)力)；加固單元必須能在HPM環(huán)境工作而不被損傷(除非其是一次性發(fā)射器件，損壞后就能替換)。

綜上所述，對于部分射頻系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)備的安全。

3) 利用開關(guān)管保護雷達接收機不被高功率微波脈沖燒毀：當開關(guān)管導(dǎo)通，使大功率脈沖經(jīng)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(shù)

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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部，對系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)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(wǎng)，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(wǎng)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(wǎng)的應(yīng)用十分廣泛。

2)電源線防護措施。

電磁脈沖濾波器的總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。電磁干擾通過電纜耦合經(jīng)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(tài)電路導(dǎo)通，產(chǎn)生的瞬態(tài)過電流流過導(dǎo)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(shè)計示意圖

通常情況下，瞬態(tài)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(yīng)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(dǎo)或輻射進入電源線流入后級電路時，瞬態(tài)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(tǒng)的電源線低通濾波器和瞬態(tài)電路相結(jié)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(wěn)態(tài)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(tài)電路組成，是一種復(fù)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(xiàn)代通信與電子信息技術(shù)的發(fā)展，隨著理論的證明及工程實踐的表明，設(shè)備與設(shè)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(tǒng)中利用總線實現(xiàn)芯片內(nèi)部、印制板內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與分系統(tǒng)之間的連接與通信?？偩€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(tǒng)中各種插卡與主板之間的通路，用來連接電路與外部設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與分系統(tǒng)的通路。

圖6 數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)總線防護流程如圖6所示。

在軍用電子戰(zhàn)場通訊和控制領(lǐng)域，RS-232，RS-485，CAN總線的應(yīng)用非常廣泛。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，由于數(shù)據(jù)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(shè)備內(nèi)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(yīng)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(shù)據(jù)傳輸線防護裝置采用多級防護的方案，系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。瞬態(tài)抑制器包括兩級保護器件，氣體放電管或者半導(dǎo)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(nèi)對電磁脈沖產(chǎn)生響應(yīng)。能夠可靠保護RS-232，RS-485，CAN總線等數(shù)據(jù)線路，確保通信和控制系統(tǒng)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(yīng)時間、鉗位電壓等參數(shù)。測試平臺包括脈沖注入系統(tǒng)、示波器、脈沖衰減器、高頻測試電纜。脈沖注入系統(tǒng)參數(shù)：輸出電壓5.2 kV，脈沖前沿1.8 ns，脈沖寬度2 ns。測試系統(tǒng)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(yīng)結(jié)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(shù)，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(yīng)波形對比

根據(jù)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(yīng)，響應(yīng)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(jù)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(yīng)結(jié)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(yīng)波形對比

根據(jù)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(yīng)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(yīng)時間更快的原因。

5 結(jié)束語

本文只是對強電磁脈沖的防護手段進行了相關(guān)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(tǒng)的損傷機理，并選取典型系統(tǒng)及其分系統(tǒng)作為效應(yīng)物，開展輻照試驗和注入試驗，確定效應(yīng)物的干擾閾值和毀傷閾值；根據(jù)效應(yīng)物的敏感度和防護要求，結(jié)合數(shù)值仿真，確定具體的電磁防護技術(shù)措施，進行裝備抗電磁毀傷加固優(yōu)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(shè)計規(guī)范。