通信装备辐照效应实验方法研究

2011-08-15朱艮春魏光辉潘晓东邓小林

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：环境效应电磁脉冲超宽带

朱艮春，魏光辉，潘晓东，邓小林

（1．军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2．中国人民解放军77538部队，西藏拉萨 850000）

通信装备辐照效应实验方法研究

朱艮春1，2，魏光辉1，潘晓东1，邓小林2

（1．军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2．中国人民解放军77538部队，西藏拉萨 850000）

由于近年来各种干扰事故的不断发生，通信干扰越来越受到人们的重视，由于日益复杂的电磁环境和针对军事通信装备受各种干扰的问题，通信的干扰和抗干扰问题显得越来越重要，本文介绍了通信干扰武器的发展历史，对通信干扰相关的超宽带电磁脉冲武器及电磁环境模拟技术、电磁环境效应分析方法等方面进行分析，总结加强电磁防护的规律。

通信干扰；电磁干扰；辐照效应

目前，许多发达国家已经研制出了专门的非核武器电磁脉冲武器。其中超宽带（UWB）和高功率微波（HPM）是两种新型的电磁脉冲武器技术，是各国的研究热点，前苏联先研究成功了MW，GW级的UMB干扰机，1998年，俄罗斯发明了一种小型强电流电子加速器，输出脉宽1 MHz～50 GHz，爆炸时发出的X射线、高功率微波可破坏电子设备；1969年美国Los Alamos国家实验室也研制出手提箱大小的高能电磁脉冲武器，瞬时功率可达47 GW，有效半径达10 km。在海湾战争时期，电磁脉冲武器投入实战。许多国家已经报道了俄罗斯和美国已使HMP电磁干扰机小型化，不仅可损伤敌方的C4ISR系统，而且直接影响精确制导武器和信息化单兵的作战效能。中国从20世纪90年代开始重视并研究这个领域。开始陆续建设了一些电磁环境模拟仿真系统。21世纪初，中国各军兵种开始相继建立外场全实物的模拟环境试验场。

电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。电磁环境效应是指电磁环境对电子系统、设备、装置运行能力的影响或对生物体作用效果的通称，国际上一般被称为E3问题，它涵盖所有电磁学科，美国AD报告规定的E3包括电磁兼容性、电磁干扰、电磁易损性、电磁脉冲、电子对抗、电磁辐射对武器装备和易挥发物质的危害，以及雷电和静电等自然效应。电磁能量耦合是指电磁波通过天线、孔缝、外部接口等以传到或辐射接收的方式进入受试设备，对天线产生干扰或毁伤效应。电磁脉冲通过前门或后门耦合到电子设备上，可对电子、信息、电力、光电微波等设施造成破坏，可使电子设备半导体绝缘层集成电路烧毁，甚至设备失效或永久损坏。国内外报道的由电磁脉冲导致通信中断、卫星失控、火箭发射失败、飞机失事等恶性事故屡见不鲜。电磁防护技术是指为了消除电磁环境（或电磁危害源）对电爆装置、燃油及人员的影响甚至伤害而采取的对策，也包括使电子设备及分系统、系统降低其电磁敏感度，具备电磁干扰或电磁毁伤能力的技术措施［1］。

在复杂的电磁环境之中，各种各样的辐射对军用通信装备的影响最为明显，通信装备作为军队的‘网络神经”，必将成为影响军事信息系统通信安全的主要因素之一。因此，深入探索研究复杂电磁环境下如何增强军事信息系统通信安全问题，能为打赢未来信息化战争提供保障。本课题主要研究军用通信装备在复杂电磁环境下的性能的发挥问题，主要是发现规律和不足，并提出整改措施，对中国的军用通信装备在未来战争中更好发挥作用、打赢未来现代化条件下信息战具有十分重要的意义［3］。

1 电磁环境模拟技术和分析方法

1．1 超宽带电磁脉冲武器及电磁环境模拟技术

战场电磁环境的复杂性主要体现在信号密集、样式复杂、种类多样、动态交迭等多个方面，电磁频谱种类数量的多样性是复杂战场电磁环境最明显的特性，其中除了雷达、通信、导航、电子对抗等辐射源产生的复杂电磁环境外，还会有雷电电磁脉冲、静电放电电磁脉冲等自然强电磁脉冲以及核电磁脉冲、高功率微波、超宽带等人为强电磁脉冲源产生的高功率电磁环境。

1）电磁环境模拟技术

电磁环境模拟技术包括两个方面：连续电磁干扰电磁场的模拟和脉冲电磁场的模拟。目前，连续电磁干扰电磁场的模拟技术比较成熟，研究的重点主要放在两个方面：①信号源模拟，即如何真实反映目标所在区域电磁信号的频谱特性；②场分布研究，即如何提高电磁场模拟的效率和如何提高电磁场模拟空间的均匀度，降低驻波效应。国外对脉冲电磁场模拟技术的研究重点放在两个方面：①追求脉冲源的高功率、高效率和装置的小型化；②追求陡的脉冲前沿、后沿及窄脉冲。

在场分布研究方面，比较成熟的试验平台有：GTEM室、电波暗室、混响室、TEM室等，这些实验平台的应用大大提高了人们对各种电磁环境模拟的准确性。

2）超宽带电磁脉冲武器

现代战场针对敌方电磁敏感装备主要攻击手段为能量型的电磁脉冲武器攻击和信息型的干扰机攻击，其中电磁脉冲武器越来越受到人们的关注。目前，许多发达国家已经研制出了专门的非核电磁脉冲武器，用于攻击敌方的雷达、通信、计算机、飞机、舰艇等。其中超宽带（UWB）这种新型的电磁脉冲武器，是各国的研究热点。

1．2 电磁环境效应和分析方法

1）电磁环境效应试验

美国和俄罗斯曾针对电路敏感电子器件的电磁作用失效模式，对电磁损伤机理和能量耦合模式进行了深入研究，颁布了相关军标。美国政府在1991年就强调指出：“应把电磁环境效应和每个武器系统的维修计划与集成化后勤保障计划放在同等重要的地位”。前苏联已经在1993年完成了电磁脉冲对微电子电路的效应试验和防护技术研究。目前各军事强国的武器系统一般都有电磁兼容性、抗静电和抗电磁脉冲场的技术指标。美国有关研究机构针对电磁脉冲场对电路造成的潜在性失效问题，还展开了该领域的基础理论和微观机制研究。

中国自20世纪80年代后期开始研究电磁兼容性和电磁辐射对武器装备的危害问题，在静电放电、雷电电磁脉冲、核电磁脉冲和超宽带电磁脉冲对武器装备的辐照效应方面做了大量工作。军械工程学院静电与电磁防护研究所针对某型无线电引信展开了系统的辐照试验，对各种辐射源辐照该型无线电引信的辐照效应及作用机理做了大量研究工作。原信息产业部13所及军械工程学院静电研究所等单位，对电子器件损伤阈值、损伤规律、损伤机理的研究也取得一系列研究成果。

2）电磁效应分析方法

对电磁效应分析的的主要方法有：解析法、数值计算法和基于实验数据的统计分析法，由于统计分析法对理解电磁效应的物理机制帮助不大，这里不再赘述。

①解析法

解析法的实质就是建立一个来源于实际问题的简化模型，然后运用数学工具求解解析解。优点是结果精确，且模型具有明确物理意义，缺点是多数物理模型求解解析解十分困难。国内外建立的解析模型主要有：低频及高频电路模型，孔缝的辐射、散射及衍射模型，传输线模型，屏蔽电缆及屏蔽体模型。对于一些复杂的电子系统，可以根据电磁拓扑方法，将研究对象分解为不同区域并通过拓扑图联系起来，把复杂的电磁耦合问题分解成一组组独立的小问题，进而求解。

②数值计算法

计算电磁学是以电磁场理论和计算机技术为基础，运用计算数学解决复杂电磁场理论和工程问题一种方法。目前，国内外广泛研究的电磁场数值计算方法有：矩量法、有限元法、时域有限差分方法、时域积分方程法、时域有限元法及时域多分辨率法等。

1．3 电磁防护技术

电磁防护技术是指为了消除电磁环境（或者电磁危害源）对电爆装置、燃油及人员的影响甚至伤害而采取的对策，也包括使电子设备及分系统、系统降低其电磁敏感度，具备抗电磁干扰或电磁毁伤能力的技术措施［2］。

针对武器装备的电磁效应机理，国内外探索了采用新材料和新结构对系统的电磁敏感度进行有效调节和控制的方法，普遍采用冗余技术、容错技术以及数字滤波等软件设计技术和拦截、屏蔽、均压、分流、接地、滤波等多种硬件防护措施，降低了系统之间的电磁干扰，增强了抵抗电磁脉冲的攻击能力。

国内目前对用频装备防电磁危害研究方法主要集中在：1）通过对用频装备进行电磁效应试验，分析其作用机理并提出防护加固的建议。2）通过建立用频装备的电磁模型，运用仿真手段研究用频装备内部电磁环境，并提出对用频装备防电磁危害的防护加措施。由于各种用频装备结构千差万别，内部电路多种多样，一般的研究主要是针对单一用频装备而展开，不具有通用性。事实上对于结构类型近似的用频装备，同一类电磁信号电磁能量进入用频装备的主要能量耦合通道是相类似的。而且用频装备内部电路可以划分为许多小的作用单元，某些作用单元具有广泛的应用。对于电磁敏感度较高的作用单元，其应用于用频装备，当对该用频装备进行电磁敏感单元研究时，该作用单元就应当予以特别关注。这就为研究典型用频装备电磁环境效应及电磁防护方法的共性提供了可能。