高空电磁脉冲防护电源滤波器

成都理工大学信息科学与技术学院　蒋茜若　郭亚莎

高空电磁脉冲防护电源滤波器

成都理工大学信息科学与技术学院蒋茜若郭亚莎

高空电磁脉冲（HEMP）是指在地球大气层中高度超过地表40Km（或以上）由核爆或非核爆（电磁炸弹）产生的一种瞬变电磁现象。上升沿陡峭（≤5ns）半脉宽小于等于25ns，电场强度能达到50KV/m，覆盖频谱范围宽从KHz—GHz，几乎覆盖了所有电气使用频率。针对这一系列电磁环境设计出一款高性能电源滤波器可以有效防护电磁脉冲的攻击达到保护电子设备系统的作用。

HEMP；电源防护；滤波器

HEMP对电子系统的干扰主要包括信号线、公共接地阻抗、电源线干扰，百万吨级核爆释放的脉冲能量能达到1011J，可见对电磁脉冲进行有效的防护是维持政府，C4I控制指挥中心，国家金融，通信等重要机构正常运行所必需的手段。电磁脉冲耦合的能量80%以上是通过电源线以传导耦合的方式对电力系统、电子设备进行破坏，因此只要在电源输入端口安装可以对电磁脉冲有效防护的滤波器就可以对后续设备起到很好的保护作用。

1　高空电磁脉冲环境

电磁脉冲防护电源滤波器工作选用的脉冲环境为IEC标准的高空核电磁脉冲波形（该波形对应的电磁脉冲对电子系统破坏情况最严重）。HEMP分为3个阶段，早期（E1）主要是高频（1MHz-1GHz）能量脉冲，像射频接收器、信号传送器、传感器等这些小范围控制系统容易在这个阶段被破坏；中期（E2）主要是中频脉冲，与雷电电磁脉冲类似；晚期（E3）主要是低频脉冲（3Hz-30Hz），电源系统及一些低频设备容易在E2和E3阶段被干扰不能正常工作或者造成永久伤害。图1为电磁脉冲全过程波形。

图1　电磁脉冲全过程波形

从波形来看HEMP具有的特点：峰值场强高，核电磁脉冲具有很高的峰值场强，电场强度可高达50KV/m，并且上升沿很短，≤5ns；频谱范围宽，HEMP频谱覆盖了从超长波—--微波低端的整个频段，无线电通信、导航和广播等系统都会被影响；作用时间长，从波形分析，E1到E3持续时间接近1000秒，1000秒的冲击波、热效应、核辐射完全足够对电子设备系统以及生物造成不可修复的伤害；作用范围广，现已有的文献表明爆炸高度40Km时，覆盖的范围1.6×106 Km2，当高度为400Km时，覆盖的范围15×106 Km2。

由此可见，暴露在HEMP环境中的长导体架空电力线、通信线等都能收集到巨大的电磁能量，从而破坏与其连接的电气设备。

2　高空电磁脉冲防护滤波器产品性能

高空电磁脉冲滤波器主要为了消除前面提到的高空电磁环境对电源系统产生的不利影响。根据上文模拟的电源线缆在高空电磁环境中耦合的电压电流最坏情况，表1进行高空电磁脉冲防护滤波器的参数设计。

表1　HEMP电源滤波器参数指标

功能性能要求及执行标准规范：能将电磁脉冲浪涌电压钳位在安全的值；能够将耦合到电子设备的大电流快速泄放至大地；保护电路且具有较快的开启速度≤10ns；电源线脉冲注入电流依据MIL-STD-188-125 1&2设计；插入损耗依据MIL-STD-220；安规性能测量依据UL1283标准。

3　性能测试

将规定的电流波形模拟注入滤波器的电源输入线是最简单的HEMP测试方法，这种直接注入法省去了庞大且昂贵的自由空间模拟设施，还可以灵活的分级注入更方便检查电子电路设计是否合适，元器件选择是否恰当。图2 HEMP滤波器电源线脉冲注入测试：

图2　MIL-STD-188-125-1短脉冲注入测试图 图3 GJB 151B-2013 RS105测试示意图

对HEMP滤波器电源线进行电流注入试验，注入波形峰值电流5KA上升沿时间20ns半脉宽500ns，要求通过2欧姆的负载电阻残余电流不大于10A。

电缆、天线传导辐射耦合的能量还跟接收部分的位置、形状有关。如果环境过于复杂，滤波器金属外壳只有在实际HEMP辐照情况下才能进行精确电流分布密度试验。图3HEMP滤波器壳体EMP辐照测试。根据GJB 151B-2013 RS105瞬态电磁场辐射敏感度测试，辐照电场强度50KV/m脉冲上升时间1.8-2.8ns半峰值脉冲宽度23ns±5ns，要求HEMP滤波器不出现任何故障、性能降低或偏离规定的指标值。

4　结论

电气设备都需要电源供电，电磁脉冲产生的瞬态干扰能通过电源输入线直接注入或通过快速变化的电磁场感应耦合进入电路中。这种干扰电压、电流含有非常大的能量，当电路中单位面积上的电流超过一定的极限值时，元器件就会受损或完全毁坏，一般半导体器件承受冲击电压的能力为30V-100V，承受冲击电流的能力为100mA-1A，因此必须对浪涌的冲击采取措施阻止。对于HEMP滤波器来说，滤波器不仅能限值干扰电磁能量进入系统，还能够有效的抑制浪涌，这样才能保护后面的设备能够正常工作不被损坏。

［1］周璧华，陈彬，石立华.电磁脉冲及其工程防护［M］.北京：国防工业出版社，2003.

［2］姜百汇，米小川，查旭.国外电磁脉冲武器的应用［J］.航天制造技术，2010，1.

［3］美国国防部ad报告.High Altitude Electromagnetic Pulse（HEMP）and High Power Microwave（HPM）Devices Threat Assessments［R］，2004.08.

［4］安霆.电磁脉冲作用下某型装备线缆场线耦合效应研究［D］.军械工程学院博士学位论文2010.

［5］国海广.快沿电磁脉冲场模拟关键技术研究［D］.军械工程学院博士学位论文2010.

［6］卢新科.电磁脉冲耦合及防护［D］.西安电子科技大学硕士学位论文2009.

［7］司守训.电磁脉冲防护技术研究［D］.合肥工业大学硕士学位论文2006.

［8］袁军.国内外电磁脉冲标准现状研究［J］.安全与电磁兼容2012（1）.

［9］肖疆.EMP电源滤波器原理和应用［J］.安全与电磁兼容2012（5）.

［10］MIL-STD-188-125-1 HIGH-ALTITUDE ELECTROMAGNETIC PULSE （HEMP）PROTECTION FOR GROUND-BASED C4I FACILITIES PERFORMING CRITICAL，TIME-URGENT MISSIONS PART 1 FIXED FACILITIES［S］，2005.

［11］GJB 151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量［S］.

蒋茜若（1992—），女，成都理工大学电路与系统专业硕士研究生。

郭亚莎（1960—），男，成都理工大学副教授，研究方向，信息与信息处理。