（中國(guó)航天科工二院七○六所 北京 100854）

1 引言

隨著超級(jí)電子管整流器、相對(duì)論磁控管、速調(diào)管以及電磁脈沖生成技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子信息系統(tǒng)的威脅越來(lái)越大。作為電子信息系統(tǒng)的核心，加固計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中具有重要作用。強(qiáng)電磁脈沖的功率高、頻譜寬、危害大，通過(guò)前門耦合和后門耦合方式進(jìn)入加固計(jì)算機(jī)內(nèi)部，對(duì)電子元器件會(huì)產(chǎn)生不同程度的損毀和傷害，進(jìn)而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)的短暫或永久性損壞，因此對(duì)加固計(jì)算機(jī)的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)具有重要的意義。

2 典型強(qiáng)電磁脈沖特性分析

目前典型的強(qiáng)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(gè)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(guó)際上許多有影響的標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)HEMP的時(shí)域波形進(jìn)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(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)等[1]。HEMP較常用的時(shí)域解析模型是雙指數(shù)函數(shù)模型，為

式中：E0為電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)域波形和頻域波形如圖1所示[2]。

從時(shí)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(chǎng)強(qiáng)；從頻域波形上看，HEMP的頻譜較寬，幾乎覆蓋了從超長(zhǎng)波至微波低端的整個(gè)頻段，從而對(duì)加固計(jì)算機(jī)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

圖1 HEMP時(shí)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(jí)電源首先為系統(tǒng)提供一個(gè)長(zhǎng)脈沖或連續(xù)的低功率電輸入，脈沖功率將其電能儲(chǔ)存起來(lái)并轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)時(shí)間非常短的高功率脈沖，然后通過(guò)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(shí)在空間上壓縮，產(chǎn)生一個(gè)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(dá)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(zhǎng)以毫米波或厘米波為主。

HPM的時(shí)域解析模型近似為[3～4]

其中E0為電場(chǎng)峰值，τ為脈沖寬度，t1為脈沖上升時(shí)間和衰落時(shí)間，ω0為載波頻率。一個(gè)典型HPM的時(shí)域及頻域波形如圖2所示。

圖2 HPM時(shí)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(shí)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(kāi)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(dá)數(shù)千米，但相應(yīng)的輸出能量較低，持續(xù)時(shí)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(jí)，相對(duì)帶寬超過(guò)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(gè)很寬的低頻段內(nèi)，任何一種頻率對(duì)應(yīng)的能量都較小[6]。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的超寬帶脈沖表達(dá)式是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合得到的，其時(shí)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(shí)域及頻域波形

UWB系統(tǒng)的代表有美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)為4.6kV/m，上升時(shí)間為85ps，脈沖半峰寬為130ps。

綜上所述，三種典型強(qiáng)電磁脈沖的時(shí)域、頻域特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 三類典型強(qiáng)電磁脈沖的比較

3 強(qiáng)電磁脈沖對(duì)加固計(jì)算機(jī)的毀傷分析

強(qiáng)電磁脈沖主要通過(guò)前門耦合和后門耦合方式[10～11]對(duì)加固計(jì)算機(jī)產(chǎn)生影響：

3.1 前門耦合

強(qiáng)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(jí)前門耦合：強(qiáng)電磁脈沖的頻率與加固計(jì)算機(jī)組件的工作頻率一致；

二級(jí)前門耦合：上述兩者頻率不一致。

3.2 后門耦合

強(qiáng)電磁脈沖通過(guò)對(duì)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(jì)算機(jī)與外部連接的線纜、機(jī)箱上的縫隙和孔洞等。

電磁脈沖對(duì)加固計(jì)算機(jī)機(jī)箱的縫隙、孔洞的耦合相對(duì)較弱，并且加固計(jì)算機(jī)機(jī)箱一般采取了屏蔽措施；而天線、線纜的耦合對(duì)加固計(jì)算機(jī)的影響嚴(yán)重，因此需要對(duì)天線、傳輸線等加固計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)。

4 加固計(jì)算機(jī)接口強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)

加固計(jì)算機(jī)平臺(tái)上包含有電源線類、信號(hào)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?hào)特征（頻率、幅度等）不同，對(duì)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(hào)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(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)一般分為頻率域和能量域防護(hù)，頻率域防護(hù)利用防護(hù)器件的頻率選擇特性，通過(guò)設(shè)置頻域阻帶衰減電磁脈沖；能量域防護(hù)利用防護(hù)器件的空間限幅特性，可以在任意寬度頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量低通的防護(hù)效果[12～13]。由于強(qiáng)電磁脈沖頻帶較寬，與加固計(jì)算機(jī)接口信號(hào)會(huì)存在頻域混疊現(xiàn)象，采用單一頻率域防護(hù)難以有效抑制強(qiáng)電磁脈沖；并且強(qiáng)電磁脈沖與加固計(jì)算機(jī)接口信號(hào)在能量域也可能存在重疊，單一能量域防護(hù)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(jí)防護(hù)方案。

采用多級(jí)防護(hù)措施，一方面可以盡量降低通過(guò)防護(hù)器件后的殘壓；另一方面，集成了各種功能保護(hù)電路，如高溫保護(hù)、濾波電路等，提高了防護(hù)器件本身的生存能力，并能夠彌補(bǔ)響應(yīng)時(shí)間不足的問(wèn)題。

4.1 電源線類接口電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

電源線類接口電磁防護(hù)的設(shè)計(jì)中主要考慮的是吸收、泄放和濾除電磁脈沖能量。簡(jiǎn)單的單級(jí)吸收、泄放的電路效果并不好，不能將強(qiáng)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(jì)算機(jī)電源特征，分為交流電源EMP濾波防護(hù)器和直流電源EMP濾波防護(hù)器兩種類型，可設(shè)計(jì)成多級(jí)吸收、泄放加濾波的組合電路進(jìn)行綜合防護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)電子設(shè)備的保護(hù)。由于直流電源EMP濾波防護(hù)器和交流電源EMP濾波防護(hù)器原理功能類似，因此以直流電源EMP濾波防護(hù)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(hù)器多級(jí)防護(hù)原理框圖

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

4.2 信號(hào)線類接口電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

信號(hào)線類接口電磁防護(hù)的設(shè)計(jì)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(jí)泄放加濾波相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。信號(hào)線類接口電磁防護(hù)原理框圖如圖5所示。

電磁脈沖能量進(jìn)入計(jì)算機(jī)信號(hào)線類接口后，電磁脈沖防護(hù)組件將對(duì)高壓脈沖能量進(jìn)行防護(hù)以保護(hù)后端設(shè)備。信號(hào)線類接口部分第一級(jí)電磁脈沖保護(hù)，可在5ns內(nèi)對(duì)高達(dá)50kV/m的電磁脈沖能量進(jìn)行吸收泄放入地，此為對(duì)電磁脈沖的基礎(chǔ)電路保護(hù)，泄放70%左右的電磁脈沖能量[14]；第二級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)為對(duì)電磁脈沖能量進(jìn)行電磁屏蔽隔離；第三級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)為對(duì)電磁脈沖能量產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓及高浪涌電流進(jìn)行抑制；第四級(jí)防護(hù)為EMI濾波，抑制脈沖干擾；最后第五級(jí)防護(hù)再一次將剩余電磁脈沖能量泄放入地。這種多級(jí)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(shí)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(hù)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)線類接口電磁防護(hù)設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)與信號(hào)線類接口電磁防護(hù)設(shè)計(jì)類似。

4.4 天饋線類接口電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

布置在計(jì)算機(jī)外部空間的天線是一個(gè)非常重要的強(qiáng)電磁脈沖信號(hào)耦合通道，且一般天線后端直接連接了接收機(jī)等一類非常敏感的電子設(shè)備，對(duì)耦合電磁脈沖形成的浪涌、尖峰信號(hào)抵抗能力很弱。因此，為了保護(hù)接收機(jī)等重要設(shè)備，同時(shí)保證天線系統(tǒng)的正常工作，需要對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計(jì)。

對(duì)GPS這一類天線，針對(duì)天線本身進(jìn)行電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)是不切實(shí)際的，因此，本方案選擇在天饋線上實(shí)施電磁防護(hù)處理措施，典型天饋線防護(hù)器件如圖6所示。由天線結(jié)構(gòu)感應(yīng)耦合的外界強(qiáng)電磁脈沖干擾信號(hào)會(huì)在天線饋電端口形成浪涌、尖峰信號(hào)，該浪涌、尖峰信號(hào)會(huì)沿著與天線相連的天饋線向接收機(jī)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(hù)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(hào)超過(guò)一定幅值時(shí)，該浪涌、尖峰信號(hào)會(huì)在該防護(hù)器件處被及時(shí)導(dǎo)出，泄放到平臺(tái)外殼或大地中，以保護(hù)天饋線纜和天線后端的電子設(shè)備。

圖5 信號(hào)線類接口電磁防護(hù)原理框圖

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

圖6 典型天饋線電磁防護(hù)器件

5 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)電磁脈沖峰值功率高，可達(dá)GW量級(jí)；脈沖上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)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(jì)算機(jī)內(nèi)的電子元器件很容易受到強(qiáng)電磁脈沖的干擾甚至損毀。基于強(qiáng)電磁脈沖的特點(diǎn)及其對(duì)加固計(jì)算機(jī)的耦合途徑分析，提出了能量域-頻率域復(fù)合多級(jí)復(fù)合防護(hù)，進(jìn)行了加固計(jì)算機(jī)接口的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方案的設(shè)計(jì)。