高功率电磁效应及防护技术研究概述

王 鹏 李万玉

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

随着信息时代的到来，对电子信息设备构成威胁的电磁武器的发展越来越受到重视，国际电工委员会(IEC)的SC77C分会是专门研究高功率瞬态现象的委员会，将入射电场超过100V/m的电磁环境称为高功率电磁(high power electromagnetics，HPEM)环境，并在1996年后开始将人为的HPEM纳入研究范畴。2008年7月在瑞士洛桑EUROEM2008会议上，IEC-SC77C主席Radasky最新给出了HPEM的解释，即:HPEM分自然环境与人为环境两大类。自然环境主要包括静电放电及雷电。人为的高功率电磁脉冲环境主要包括核电磁脉冲(HEMP)，其峰值场强高达104－105V/m，频谱覆盖了从超长波到微波低端的整个频段;超宽带电磁脉冲(UWB)，这是近年来研发的一种新型电磁脉冲武器，由于其频带很宽，可瞬间大范围覆盖目标系统的响应频率，使跳频通信等变得毫无意义，对电子设备有很大的威胁;高功率微波(HPM)和高功率雷达波(HIRF)，这是一类作用范围有限的强电磁干扰源，主要实现定向有意干扰。图1给出了几种HPEM环境的频带划分。

图1 不同HPEM环境的频带

敌我双方在电磁频谱上的攻防对抗、争夺制电磁频谱权是信息化战争的重要特征之一。在信息化战争条件下，包括天基信息网在内的各种信息传输通道在各种恶劣环境下畅通、正确、有效，是保证战争顺畅指挥的重要条件之一;信息化的电子学系统在恶劣电磁脉冲环境下的生存能力也是信息化战争的先决条件。

2 电磁毁伤与国外现状

电子学系统的毁伤除了力学上(或机械上)的毁伤外，更重要的是“电磁应力”造成的电学功能上的毁伤，即“电磁毁伤”。“电磁应力”来源于外部强电磁场与电子学系统的耦合。“电磁毁伤”包括:干扰、翻转、闭锁、烧毁等等。

HPEM对电子设备的耦合过程见图2所示。

图2 HPEM对电子设备的耦合

研究并提高兵器装备、地面自动化指挥系统等作战系统的电磁脉冲防护能力，是做好新形势下信息化战争的重要技术准备之一。

随着大规模集成电路、高速计算机的使用和网络化的发展，各种武器系统和有关的C4ISR(一体化指挥、控制、通信、计算机、情报和监视与侦察)系统抗EMP容限不断降低，其受电磁攻击的威胁也更为严重。

我国武器阵地的电学设施，C4ISR系统等，无论是否暴露，如无特殊防护，都可能遭到HPEM的破坏。武器系统的任何薄弱环节，都将对信息化战争造成不堪设想的后果。

例如，发射阵地的电子学系统存在长的测试电缆、通信电缆、控制电缆、电源电缆，存在各车辆(屏蔽方舱)的孔缝以及发射、接收天线等强耦合环节，极易受HPEM的毁伤。对于与武器系统直接相关的指挥自动化系统，或C4ISR系统，其抗HPEM性能的全面评估和加固技术研究急需加强。

美国的导弹武器装备都有抗电磁脉冲加固指标。其外环境按美军标MIL—STD—461E的HEMP标准执行。对于导弹武器装备的系统、分系统、组件和电子元器件(零部件)等各层次，还建立了详细的加固指标，制定了各种详细的设计规范和验收规范。

美国有配套的响应级和威胁级(水平极化和垂直极化)EMP模拟器，有庞大的研究队伍和经费支持。几十年的研究积累，美国的武器装备有很高的抗电磁脉冲容限。图3～图4给出的是美国及欧洲的武器系统抗高功率电磁波的实验现状。图3中的有界波模拟器是一种电磁场能量在一定范围内可控且无四周发散现象的模拟器，其原理类似于平行板传输线，由于存在高频分量的畸变，这种模拟器的缺点是照射范围不够大。

美国直至今天仍认为中国和俄罗斯具有利用一颗核弹毁坏美国所有未防护的公共设施与军事力量的能力。而且美国将核弹的威胁元素直指核电磁脉冲。美国在1992年进行的一次地下核试验中进行了军事系统抗核电磁脉冲加固的防护技术研究。美国、欧洲的武器装备(装甲车辆、C4ISR系统等等)在冷战时期即有核电磁脉冲加固标准并已经实施。2003年的美国国会组织了专门的委员会研究美国本土遭受核电磁脉冲打击的毁伤评估，该委员会建议2010年前美国的重要基础设施应完成核电磁脉冲加固。

3 电磁脉冲重点防护技术

最基本的防护手段即屏蔽，在敏感单元外加法拉第筒使其与外界强电磁环境完全隔离，这也是传统防电磁脉冲的手段之一。但由于核电磁脉冲武器与高功率微波武器的峰值电流可达数百万安培，能够穿过法拉第筒。另外，被屏蔽的单元如果有线缆与外界相连，会破坏其屏蔽性能。进入法拉第筒的各个点应具有特殊设计的浪涌保护器、特殊设计的线缆转接头、屏蔽隔离转换器或其它特殊设计的电子滤波器件。重要的关键系统还应增加备份数目，并将备份与电磁脉冲辐射源完全隔离。

抗电磁脉冲，无论是抗核电磁脉冲还是抗非核电磁脉冲，其基本原理是相同的，防护措施是相似的。如在设计阶段给以充分考虑，所增加的价格是不高的。问题的关键在于型号研制时军方要提出科学的抗电磁脉冲加固指标。

根据美国白沙导弹靶场的一个研究小组的统计，如果在初始设计阶段就考虑进行抗核电磁脉冲或高功率微波加固，军事装备或批量生产的商用设备如计算机及通信设备将增加总成本的3%～10%。对已有的军事电子设备重新进行加固将增加15%或更多的代价。

4 我国发展途径展望

我国在HPEM研究领域与国外的差距相当大，美国与欧洲在这一领域技术领先，但对中国都存在一定程度的技术封锁。目前中国迫切需要开展的研究有:

a.高功率电磁环境的监测技术

国内目前射频段的强场测量基本满足需要，但300MHz以上频段的瞬态强电场、瞬态强磁场测量手段不成熟。各种基于有源器件的电场传感器、无源光电晶体传感器、三维平板型电场传感器等，国外发展已经成熟，国内技术比较落后。

b.电子设备的高功率电磁效应机理

关于电磁耦合效应规律(孔缝耦合规律与电缆耦合规律)的认识比较清楚，但具体到器件级，实验与理论研究都有待进行深入与系统的研究。

c.系统级电磁效应及评估技术

美国已经开发出针对全系统的高功率微波效应评估软件。国内在这一领域的研究刚开始。而要开发这样一套软件，大量的实验与基础研究是基础。

d.瞬态高功率电磁防护技术

高空核电磁脉冲与高功率微波的频率在几十兆赫兹-几十吉赫兹，其防护技术与雷电电磁脉冲的防护不同。大功率的滤波器件等将是研究重点。

5 结束语

信息化战争是在复杂多变的电磁环境中展开的，战场是各种电磁能量共同作用的集合体。高功率电磁效应的研究已经日趋成熟并应用于现代高科技战争中，以非核爆方式产生类似于高空核电磁脉冲的强电磁辐射，直接摧毁或损伤敏感电子部件，使对手的雷达、计算机系统等电子装备乃至各种武器装备失去工作能力。

正是由于电磁脉冲武器的巨大威力和潜在威胁，更应该积极地致力于抗HEMP、HPM的新材料、新方法研究。对于电磁加固较难实现或实现成本过高的情况，而应从电子系统的原理上考虑设计抗高功率电磁效应的能力，从而避免武器系统的被干扰和破坏，实现其在战场上的突出作用。

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