王 鵬 李萬玉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著信息時代的到來，對電子信息設(shè)備構(gòu)成威脅的電磁武器的發(fā)展越來越受到重視，國際電工委員會(IEC)的SC77C分會是專門研究高功率瞬態(tài)現(xiàn)象的委員會，將入射電場超過100V/m的電磁環(huán)境稱為高功率電磁(high power electromagnetics，HPEM)環(huán)境，并在1996年后開始將人為的HPEM納入研究范疇。2008年7月在瑞士洛桑EUROEM2008會議上，IEC-SC77C主席Radasky最新給出了HPEM的解釋，即:HPEM分自然環(huán)境與人為環(huán)境兩大類。自然環(huán)境主要包括靜電放電及雷電。人為的高功率電磁脈沖環(huán)境主要包括核電磁脈沖(HEMP)，其峰值場強高達104－105V/m，頻譜覆蓋了從超長波到微波低端的整個頻段;超寬帶電磁脈沖(UWB)，這是近年來研發(fā)的一種新型電磁脈沖武器，由于其頻帶很寬，可瞬間大范圍覆蓋目標(biāo)系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，使跳頻通信等變得毫無意義，對電子設(shè)備有很大的威脅;高功率微波(HPM)和高功率雷達波(HIRF)，這是一類作用范圍有限的強電磁干擾源，主要實現(xiàn)定向有意干擾。圖1給出了幾種HPEM環(huán)境的頻帶劃分。

圖1 不同HPEM環(huán)境的頻帶

敵我雙方在電磁頻譜上的攻防對抗、爭奪制電磁頻譜權(quán)是信息化戰(zhàn)爭的重要特征之一。在信息化戰(zhàn)爭條件下，包括天基信息網(wǎng)在內(nèi)的各種信息傳輸通道在各種惡劣環(huán)境下暢通、正確、有效，是保證戰(zhàn)爭順暢指揮的重要條件之一;信息化的電子學(xué)系統(tǒng)在惡劣電磁脈沖環(huán)境下的生存能力也是信息化戰(zhàn)爭的先決條件。

2 電磁毀傷與國外現(xiàn)狀

電子學(xué)系統(tǒng)的毀傷除了力學(xué)上(或機械上)的毀傷外，更重要的是“電磁應(yīng)力”造成的電學(xué)功能上的毀傷，即“電磁毀傷”。“電磁應(yīng)力”來源于外部強電磁場與電子學(xué)系統(tǒng)的耦合?！半姶艢卑?干擾、翻轉(zhuǎn)、閉鎖、燒毀等等。

HPEM對電子設(shè)備的耦合過程見圖2所示。

圖2 HPEM對電子設(shè)備的耦合

研究并提高兵器裝備、地面自動化指揮系統(tǒng)等作戰(zhàn)系統(tǒng)的電磁脈沖防護能力，是做好新形勢下信息化戰(zhàn)爭的重要技術(shù)準(zhǔn)備之一。

隨著大規(guī)模集成電路、高速計算機的使用和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，各種武器系統(tǒng)和有關(guān)的C4ISR(一體化指揮、控制、通信、計算機、情報和監(jiān)視與偵察)系統(tǒng)抗EMP容限不斷降低，其受電磁攻擊的威脅也更為嚴(yán)重。

我國武器陣地的電學(xué)設(shè)施，C4ISR系統(tǒng)等，無論是否暴露，如無特殊防護，都可能遭到HPEM的破壞。武器系統(tǒng)的任何薄弱環(huán)節(jié)，都將對信息化戰(zhàn)爭造成不堪設(shè)想的后果。

例如，發(fā)射陣地的電子學(xué)系統(tǒng)存在長的測試電纜、通信電纜、控制電纜、電源電纜，存在各車輛(屏蔽方艙)的孔縫以及發(fā)射、接收天線等強耦合環(huán)節(jié)，極易受HPEM的毀傷。對于與武器系統(tǒng)直接相關(guān)的指揮自動化系統(tǒng)，或C4ISR系統(tǒng)，其抗HPEM性能的全面評估和加固技術(shù)研究急需加強。

美國的導(dǎo)彈武器裝備都有抗電磁脈沖加固指標(biāo)。其外環(huán)境按美軍標(biāo)MIL—STD—461E的HEMP標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對于導(dǎo)彈武器裝備的系統(tǒng)、分系統(tǒng)、組件和電子元器件(零部件)等各層次，還建立了詳細的加固指標(biāo)，制定了各種詳細的設(shè)計規(guī)范和驗收規(guī)范。

美國有配套的響應(yīng)級和威脅級(水平極化和垂直極化)EMP模擬器，有龐大的研究隊伍和經(jīng)費支持。幾十年的研究積累，美國的武器裝備有很高的抗電磁脈沖容限。圖3～圖4給出的是美國及歐洲的武器系統(tǒng)抗高功率電磁波的實驗現(xiàn)狀。圖3中的有界波模擬器是一種電磁場能量在一定范圍內(nèi)可控且無四周發(fā)散現(xiàn)象的模擬器，其原理類似于平行板傳輸線，由于存在高頻分量的畸變，這種模擬器的缺點是照射范圍不夠大。

美國直至今天仍認(rèn)為中國和俄羅斯具有利用一顆核彈毀壞美國所有未防護的公共設(shè)施與軍事力量的能力。而且美國將核彈的威脅元素直指核電磁脈沖。美國在1992年進行的一次地下核試驗中進行了軍事系統(tǒng)抗核電磁脈沖加固的防護技術(shù)研究。美國、歐洲的武器裝備(裝甲車輛、C4ISR系統(tǒng)等等)在冷戰(zhàn)時期即有核電磁脈沖加固標(biāo)準(zhǔn)并已經(jīng)實施。2003年的美國國會組織了專門的委員會研究美國本土遭受核電磁脈沖打擊的毀傷評估，該委員會建議2010年前美國的重要基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)完成核電磁脈沖加固。

3 電磁脈沖重點防護技術(shù)

最基本的防護手段即屏蔽，在敏感單元外加法拉第筒使其與外界強電磁環(huán)境完全隔離，這也是傳統(tǒng)防電磁脈沖的手段之一。但由于核電磁脈沖武器與高功率微波武器的峰值電流可達數(shù)百萬安培，能夠穿過法拉第筒。另外，被屏蔽的單元如果有線纜與外界相連，會破壞其屏蔽性能。進入法拉第筒的各個點應(yīng)具有特殊設(shè)計的浪涌保護器、特殊設(shè)計的線纜轉(zhuǎn)接頭、屏蔽隔離轉(zhuǎn)換器或其它特殊設(shè)計的電子濾波器件。重要的關(guān)鍵系統(tǒng)還應(yīng)增加備份數(shù)目，并將備份與電磁脈沖輻射源完全隔離。

抗電磁脈沖，無論是抗核電磁脈沖還是抗非核電磁脈沖，其基本原理是相同的，防護措施是相似的。如在設(shè)計階段給以充分考慮，所增加的價格是不高的。問題的關(guān)鍵在于型號研制時軍方要提出科學(xué)的抗電磁脈沖加固指標(biāo)。

根據(jù)美國白沙導(dǎo)彈靶場的一個研究小組的統(tǒng)計，如果在初始設(shè)計階段就考慮進行抗核電磁脈沖或高功率微波加固，軍事裝備或批量生產(chǎn)的商用設(shè)備如計算機及通信設(shè)備將增加總成本的3%～10%。對已有的軍事電子設(shè)備重新進行加固將增加15%或更多的代價。

4 我國發(fā)展途徑展望

我國在HPEM研究領(lǐng)域與國外的差距相當(dāng)大，美國與歐洲在這一領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先，但對中國都存在一定程度的技術(shù)封鎖。目前中國迫切需要開展的研究有:

a.高功率電磁環(huán)境的監(jiān)測技術(shù)

國內(nèi)目前射頻段的強場測量基本滿足需要，但300MHz以上頻段的瞬態(tài)強電場、瞬態(tài)強磁場測量手段不成熟。各種基于有源器件的電場傳感器、無源光電晶體傳感器、三維平板型電場傳感器等，國外發(fā)展已經(jīng)成熟，國內(nèi)技術(shù)比較落后。

b.電子設(shè)備的高功率電磁效應(yīng)機理

關(guān)于電磁耦合效應(yīng)規(guī)律(孔縫耦合規(guī)律與電纜耦合規(guī)律)的認(rèn)識比較清楚，但具體到器件級，實驗與理論研究都有待進行深入與系統(tǒng)的研究。

c.系統(tǒng)級電磁效應(yīng)及評估技術(shù)

美國已經(jīng)開發(fā)出針對全系統(tǒng)的高功率微波效應(yīng)評估軟件。國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究剛開始。而要開發(fā)這樣一套軟件，大量的實驗與基礎(chǔ)研究是基礎(chǔ)。

d.瞬態(tài)高功率電磁防護技術(shù)

高空核電磁脈沖與高功率微波的頻率在幾十兆赫茲-幾十吉赫茲，其防護技術(shù)與雷電電磁脈沖的防護不同。大功率的濾波器件等將是研究重點。

5 結(jié)束語

信息化戰(zhàn)爭是在復(fù)雜多變的電磁環(huán)境中展開的，戰(zhàn)場是各種電磁能量共同作用的集合體。高功率電磁效應(yīng)的研究已經(jīng)日趨成熟并應(yīng)用于現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中，以非核爆方式產(chǎn)生類似于高空核電磁脈沖的強電磁輻射，直接摧毀或損傷敏感電子部件，使對手的雷達、計算機系統(tǒng)等電子裝備乃至各種武器裝備失去工作能力。

正是由于電磁脈沖武器的巨大威力和潛在威脅，更應(yīng)該積極地致力于抗HEMP、HPM的新材料、新方法研究。對于電磁加固較難實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)成本過高的情況，而應(yīng)從電子系統(tǒng)的原理上考慮設(shè)計抗高功率電磁效應(yīng)的能力，從而避免武器系統(tǒng)的被干擾和破壞，實現(xiàn)其在戰(zhàn)場上的突出作用。

［1］Guo，J.L.，J.Y.Li，and Q.Z.Liu.Electromagnetic analysis of coupled conducting and dielectric targets using mom with a preconditioner［J］.Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2005，19(9):1223－1236.

［2］Zou，Y.L.，J.Y.Li，and Q.Z.Liu.Modified mode decomposition for analyzing EMP with body of revolution radome［J］.Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2007，21(10):1403－1410.

［3］Guo，J.L.，J.Y.Li，and Q.Z.Liu.Analysis of antenna array with arbitrarily shaped radomes using fast algorithm based on VSIE［J］.Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2006，20(10):1399 －1410.

［4］李浩，王平.電磁脈沖防護方法中不定項計算的優(yōu)化［J］.電子學(xué)報，2000，26(4):103 －105.