謝 斌 劉 潔 王 波 張 強(qiáng) 史鵬濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)信息化的迅速發(fā)展，電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，各種電子設(shè)備如何應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖武器的防護(hù)不斷受到重視。由電磁脈沖炸彈或核爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖峰值電場(chǎng)強(qiáng)度瞬間可達(dá)到每米數(shù)萬(wàn)伏，可以通過(guò)外接的電力線、電纜等線路及天線和縫隙耦合進(jìn)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(yán)重受損[1-5]。研究步驟和流程如圖1所示。

1 電磁防護(hù)分析

傳統(tǒng)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)主要包括“前門”和“后門”的防護(hù)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(jì)較為困難，采用端口防護(hù)器件；而平面陣列天線易采用頻率選擇表面天線罩進(jìn)行防護(hù)。通過(guò)對(duì)雷達(dá)車的研究，從可能造成影響的“前門”和“后門”進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)分析：

圖1 電磁防護(hù)設(shè)計(jì)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(hù)措施，對(duì)LEMP、HEMP、UWB等信號(hào)有一定的抑制作用，但是功率容量不具備對(duì)大部分能量處于接收機(jī)帶內(nèi)的HPM信號(hào)進(jìn)行防護(hù)。

2)暴露于外部的電源線、信號(hào)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(duì)LEMP、HEMP的防護(hù)措施，但是對(duì)脈沖寬度更窄，頻率更高的UWB和HPM未加考慮。

3)HEMP、UWB等時(shí)域窄脈沖，容易通過(guò)線纜、孔縫等進(jìn)入裝備內(nèi)部，對(duì)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(duì)其防護(hù)不僅需要考慮裝備自身的屏蔽性能，同時(shí)需要對(duì)接入電纜采取屏蔽、濾波和限幅手段；對(duì)暴露于外部的配電系統(tǒng)，由于其大多已考慮LEMP防護(hù)，因此需要在此基礎(chǔ)上提升防護(hù)響應(yīng)時(shí)間，以適用于對(duì)HEMP和UWB的防護(hù)。

2 強(qiáng)電磁脈沖“前門”防護(hù)技術(shù)

對(duì)于“前門”防護(hù)來(lái)說(shuō)，有兩種基本的選擇，那就是限制對(duì)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(shí)際是降低進(jìn)入點(diǎn)的有效面積；第二種選擇實(shí)際是降低進(jìn)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(hù)方法

在高功率微波下加固更為困難，這是由于當(dāng)功率電平幅度比傳統(tǒng)的功率密度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且所發(fā)射的HPM脈沖上升沿時(shí)間在1ns量級(jí)甚至更小時(shí)，可能會(huì)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(duì)前門通路進(jìn)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(guò)”攻擊——脈沖上升時(shí)間很快，以至于大量的能量在保護(hù)裝置動(dòng)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(hù)需要遵循以下要求：當(dāng)不存在HPM 環(huán)境時(shí)，加固單元一定不能對(duì)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(dāng)存在HPM環(huán)境時(shí)，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(duì)于部分射頻系統(tǒng)的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，可以采取以下措施：

1) 在接收機(jī)前端采用限幅器和濾波器：在接收機(jī)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(shí)，由于高功率微波頻段較窄，通過(guò)增加濾波器，在接收機(jī)前端將信號(hào)削弱。

2) 提高電子器件自身的抗毀傷能力：可以通過(guò)生產(chǎn)工藝、材料選擇、元件選型等方面做到細(xì)微的研究，提高組件的抗毀傷能力，從而防護(hù)電子設(shè)備的安全。

3) 利用開(kāi)關(guān)管保護(hù)雷達(dá)接收機(jī)不被高功率微波脈沖燒毀：當(dāng)開(kāi)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(jī)較小，實(shí)際上它就起到了在接收機(jī)前端加限幅器的作用，從而保護(hù)接收機(jī)不被燒毀。

3 強(qiáng)電磁脈沖“后門”防護(hù)技術(shù)

高功率電磁脈沖除通過(guò)天線等“前門”耦合路徑進(jìn)入綜合射頻系統(tǒng)外，還可能通過(guò)屏蔽艙孔縫或外部電源和信號(hào)電纜等“后門”通道耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，對(duì)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(duì)綜合射頻系統(tǒng)接收機(jī)開(kāi)展端口防護(hù)措施外，還需要對(duì)方艙及外接線纜的高功率電磁脈沖進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。主要防護(hù)措施有以下幾種：

圖3 強(qiáng)電磁脈沖“后門”防護(hù)方法

1)非整體屏蔽防護(hù)措施。

有些屏蔽體并不要求采用實(shí)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(fēng)散熱、控制采光量的需要，在有些場(chǎng)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(guò)，因此金屬屏蔽網(wǎng)的應(yīng)用十分廣泛。

2)電源線防護(hù)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(guò)電纜耦合經(jīng)過(guò)電磁脈沖濾波器時(shí)，如果電磁脈沖過(guò)沖電壓達(dá)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(guò)電流流過(guò)導(dǎo)通電路，使過(guò)沖電壓被旁路釋放，保護(hù)電路不出故障。

圖4 電磁脈沖濾波器時(shí)域設(shè)計(jì)示意圖

通常情況下，瞬態(tài)電路兩端電阻處于斷路，對(duì)整個(gè)電路的正常供電沒(méi)有影響。它的箝位響應(yīng)時(shí)間非常短，屬于ns級(jí)別，特點(diǎn)是耐受高壓，泄流力較強(qiáng)。當(dāng)強(qiáng)電磁干擾通過(guò)傳導(dǎo)或輻射進(jìn)入電源線流入后級(jí)電路時(shí)，瞬態(tài)電路兩端電阻被高能量擊穿，從而達(dá)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(guò)LC電路濾波右可以達(dá)到泄流限壓的效果。這樣通過(guò)電源線進(jìn)入的干擾信號(hào)被穩(wěn)態(tài)濾波電路進(jìn)行正常的濾波后而衰減，并對(duì)強(qiáng)電磁脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行旁路，達(dá)到保護(hù)所需防護(hù)電路正常工作的目的。

強(qiáng)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(qiáng)電磁脈沖抑制型直流電源EMI濾波器電路原理圖

3)信號(hào)線防護(hù)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(shí)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(shí)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(lái)連接各功能單元的信息通路，在印刷電路板上用來(lái)連接各芯片之間的公共通路，用來(lái)連接系統(tǒng)中各種插卡與主板之間的通路，用來(lái)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(hù)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(hù)流程如圖6所示。

在軍用電子戰(zhàn)場(chǎng)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(zhǎng)，當(dāng)信號(hào)線遭受到外界強(qiáng)電磁脈沖干擾時(shí)，強(qiáng)電磁脈沖則通過(guò)信號(hào)線耦合進(jìn)入通信設(shè)備內(nèi)部，會(huì)對(duì)電路形成干擾，過(guò)強(qiáng)的干擾會(huì)阻塞信道，中斷正常的通信。為了應(yīng)對(duì)這種干擾，必須對(duì)信號(hào)線進(jìn)行屏蔽，且屏蔽層進(jìn)行良好接地。

數(shù)據(jù)傳輸線防護(hù)裝置采用多級(jí)防護(hù)的方案，系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。瞬態(tài)抑制器包括兩級(jí)保護(hù)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(jí)電磁脈沖保護(hù)器件，承受較大的電流；TVS管作為二級(jí)保護(hù)器件，對(duì)高靈敏的電子電路提供保護(hù)，在ps級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)電磁脈沖產(chǎn)生響應(yīng)。能夠可靠保護(hù)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(yùn)行。

圖7 總線保護(hù)器件示意圖

4 防護(hù)性能測(cè)試

1)防護(hù)性能測(cè)試平臺(tái)。

防護(hù)模塊性能測(cè)試采用脈沖注入的方法，測(cè)試防護(hù)模塊的吸收功率、響應(yīng)時(shí)間、鉗位電壓等參數(shù)。測(cè)試平臺(tái)包括脈沖注入系統(tǒng)、示波器、脈沖衰減器、高頻測(cè)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(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 防護(hù)器件性能測(cè)試平臺(tái)

2)電源端口防護(hù)器件性能測(cè)試。

電源防護(hù)模塊對(duì)脈沖的響應(yīng)結(jié)果如圖9所示。由于電源防護(hù)模塊整體采用防護(hù)器件與低通濾波器組合技術(shù)，兼顧截止頻率低的特點(diǎn)，也滿足快前沿脈沖的防護(hù)要求。

圖9 電源防護(hù)模塊脈沖注入響應(yīng)波形對(duì)比

根據(jù)圖9可知，當(dāng)注入脈沖源的前沿為1.8 ns時(shí)，防護(hù)模塊能在脈沖的上升沿階段響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為2 ns；脈沖幅值5.2 kV時(shí)，可將大功率信號(hào)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(jì)算，其峰值吸收功率可達(dá)540.8 kW。

3)信號(hào)端口防護(hù)器件性能測(cè)試。

信號(hào)端口防護(hù)模塊對(duì)方波脈沖的響應(yīng)結(jié)果如圖10所示。理論上，由于信號(hào)線防護(hù)模塊的上限頻率較高，因此對(duì)于前沿更緩，頻率較低的方波脈沖的抑制能力更強(qiáng)。

圖10 信號(hào)防護(hù)模塊脈沖注入響應(yīng)波形對(duì)比

根據(jù)圖10可知，當(dāng)注入脈沖源的前沿為1.8 ns時(shí)，防護(hù)模塊對(duì)快前沿脈沖響應(yīng)時(shí)間小于1 ns，這是由于信號(hào)防護(hù)模塊采用更低寄生電容、更低功率等級(jí)的雪崩防護(hù)器件，其響應(yīng)時(shí)間更快的原因。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文只是對(duì)強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)手段進(jìn)行了相關(guān)的論述，接下來(lái)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(duì)系統(tǒng)的損傷機(jī)理，并選取典型系統(tǒng)及其分系統(tǒng)作為效應(yīng)物，開(kāi)展輻照試驗(yàn)和注入試驗(yàn)，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(hù)要求，結(jié)合數(shù)值仿真，確定具體的電磁防護(hù)技術(shù)措施，進(jìn)行裝備抗電磁毀傷加固優(yōu)化改造；最后通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)裝備加固改造后的電磁防護(hù)效果，形成具體的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范。