强电磁脉冲防护技术研究

谢 斌 刘 洁 王 波 张 强 史鹏涛

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着战场信息化的迅速发展，电磁环境越来越复杂，各种电子设备如何应对强电磁脉冲武器的防护不断受到重视。由电磁脉冲炸弹或核爆炸产生的强电磁脉冲峰值电场强度瞬间可达到每米数万伏，可以通过外接的电力线、电缆等线路及天线和缝隙耦合进入设备内部，使设备中敏感的电子器件或电路损坏或受到威胁，造成设备故障甚至严重受损[1-5]。研究步骤和流程如图1所示。

1 电磁防护分析

传统强电磁脉冲防护主要包括“前门”和“后门”的防护加固。与抛物反射面天线共形的频率选择表面天线罩设计较为困难，采用端口防护器件；而平面阵列天线易采用频率选择表面天线罩进行防护。通过对雷达车的研究，从可能造成影响的“前门”和“后门”进行强电磁脉冲防护分析：

图1 电磁防护设计流程

1)系统接收通道频段较高且采取了放电管和限幅器等“前门”防护措施，对LEMP、HEMP、UWB等信号有一定的抑制作用，但是功率容量不具备对大部分能量处于接收机带内的HPM信号进行防护。

2)暴露于外部的电源线、信号线直接采用贯通连接的方式引入屏蔽方舱，虽然采取了压敏电阻和磁环等针对LEMP、HEMP的防护措施，但是对脉冲宽度更窄，频率更高的UWB和HPM未加考虑。

3)HEMP、UWB等时域窄脉冲，容易通过线缆、孔缝等进入装备内部，对内部单元造成扰乱或毁伤。由于系统存在与外界信息和热交换的通道，因此对其防护不仅需要考虑装备自身的屏蔽性能，同时需要对接入电缆采取屏蔽、滤波和限幅手段；对暴露于外部的配电系统，由于其大多已考虑LEMP防护，因此需要在此基础上提升防护响应时间，以适用于对HEMP和UWB的防护。

2 强电磁脉冲“前门”防护技术

对于“前门”防护来说，有两种基本的选择，那就是限制对前门天线或传感器的耦合，或者限制耦合的能量传播到系统内部的能量。第一种选择实际是降低进入点的有效面积；第二种选择实际是降低进入口和系统内部敏感组件之间的耦合。

图2 电磁脉冲“前门”防护方法

在高功率微波下加固更为困难，这是由于当功率电平幅度比传统的功率密度高几个数量级，并且所发射的HPM脉冲上升沿时间在1ns量级甚至更小时，可能会引起非线性效应。这些特性意味着HPM环境能够以几种截然不同的方式对前门通路进行攻击，包括：

带内攻击——HPM频率前门通路额定的工作带宽内；带外攻击——HPM频率在前门通道额定带宽以外；“潜行通过”攻击——脉冲上升时间很快，以至于大量的能量在保护装置动作之前已经传递到敏感的界面上；超大功率攻击——功率或能量足以损伤或破坏HPM加固器件；精巧攻击——把功率或能量传递到具有已知反转特性的敏感器件。

根据系统要求，“前门”防护需要遵循以下要求：当不存在HPM 环境时，加固单元一定不能对系统的工作有不利的影响。这意味着如功率要求、插入损耗、尺寸、重量、形状和可靠性等参数都必须提前考虑； 当存在HPM环境时，加固单元必须阻止损坏、反转或其它不可接受的性能(加固单元将反射、分流、吸收、滤波或限制不希望的电磁应力)；加固单元必须能在HPM环境工作而不被损伤(除非其是一次性发射器件，损坏后就能替换)。

综上所述，对于部分射频系统的强电磁脉冲防护，可以采取以下措施：

1) 在接收机前端采用限幅器和滤波器：在接收机前端加限幅器，可降低高功率微波脉冲的攻击毁伤距离。同时，由于高功率微波频段较窄，通过增加滤波器，在接收机前端将信号削弱。

2) 提高电子器件自身的抗毁伤能力：可以通过生产工艺、材料选择、元件选型等方面做到细微的研究，提高组件的抗毁伤能力，从而防护电子设备的安全。

3) 利用开关管保护雷达接收机不被高功率微波脉冲烧毁：当开关管导通，使大功率脉冲经天线辐射出去，而泄露接收机较小，实际上它就起到了在接收机前端加限幅器的作用，从而保护接收机不被烧毁。

3 强电磁脉冲“后门”防护技术

高功率电磁脉冲除通过天线等“前门”耦合路径进入综合射频系统外，还可能通过屏蔽舱孔缝或外部电源和信号电缆等“后门”通道耦合进入系统内部，对系统造成干扰、扰乱甚至损伤，影响其工作性能，如图3所示。因此除对综合射频系统接收机开展端口防护措施外，还需要对方舱及外接线缆的高功率电磁脉冲进行防护设计。主要防护措施有以下几种：

图3 强电磁脉冲“后门”防护方法

1)非整体屏蔽防护措施。

有些屏蔽体并不要求采用实体金属板，而是采用金属屏蔽网，其原因是多方面的，主要是通风散热、控制采光量的需要，在有些场合是利用屏蔽网具有频谱选择的特性，以便抑制某一频段的电磁干扰，并且使其它频段的电磁波通过，因此金属屏蔽网的应用十分广泛。

2)电源线防护措施。

电磁脉冲滤波器的总体结构图如图4所示。电磁干扰通过电缆耦合经过电磁脉冲滤波器时，如果电磁脉冲过冲电压达到滤波器的箝位电压，则瞬态电路导通，产生的瞬态过电流流过导通电路，使过冲电压被旁路释放，保护电路不出故障。

图4 电磁脉冲滤波器时域设计示意图

通常情况下，瞬态电路两端电阻处于断路，对整个电路的正常供电没有影响。它的箝位响应时间非常短，属于ns级别，特点是耐受高压，泄流力较强。当强电磁干扰通过传导或辐射进入电源线流入后级电路时，瞬态电路两端电阻被高能量击穿，从而达到泄流、限压的作用。

将传统的电源线低通滤波器和瞬态电路相结合，可以使电源滤波器既可以通过LC电路滤波右可以达到泄流限压的效果。这样通过电源线进入的干扰信号被稳态滤波电路进行正常的滤波后而衰减，并对强电磁脉冲干扰信号进行旁路，达到保护所需防护电路正常工作的目的。

强电磁脉冲抑制型直流电源EMI滤波器等效电路如图5所示。等效电路主要是由直流电源滤波电路、VSR和瞬态电路组成，是一种复合型的抗干扰滤波器。

图5 强电磁脉冲抑制型直流电源EMI滤波器电路原理图

3)信号线防护措施。

随着现代通信与电子信息技术的发展，随着理论的证明及工程实践的表明，设备与设备之间的互连电缆、电路与电路之间的互连部分是电磁干扰最容易耦合的通道。

系统中利用总线实现芯片内部、印制板内部、设备内部、设备与设备之间、设备与分系统之间的连接与通信。总线用来连接各功能单元的信息通路，在印刷电路板上用来连接各芯片之间的公共通路，用来连接系统中各种插卡与主板之间的通路，用来连接电路与外部设备之间、设备与设备之间、设备与分系统的通路。

图6 数据总线防护流程

互连电缆是电磁辐射和电磁敏感的主要通道。传统数据总线防护流程如图6所示。

在军用电子战场通讯和控制领域，RS-232，RS-485，CAN总线的应用非常广泛。在复杂电磁环境下，由于数据线的通信距离较长，当信号线遭受到外界强电磁脉冲干扰时，强电磁脉冲则通过信号线耦合进入通信设备内部，会对电路形成干扰，过强的干扰会阻塞信道，中断正常的通信。为了应对这种干扰，必须对信号线进行屏蔽，且屏蔽层进行良好接地。

数据传输线防护装置采用多级防护的方案，系统构成如图7所示。瞬态抑制器包括两级保护器件，气体放电管或者半导体放电管放在线路输入端，做为第一级电磁脉冲保护器件，承受较大的电流；TVS管作为二级保护器件，对高灵敏的电子电路提供保护，在ps级时间范围内对电磁脉冲产生响应。能够可靠保护RS-232，RS-485，CAN总线等数据线路，确保通信和控制系统的有效运行。

图7 总线保护器件示意图

4 防护性能测试

1)防护性能测试平台。

防护模块性能测试采用脉冲注入的方法，测试防护模块的吸收功率、响应时间、钳位电压等参数。测试平台包括脉冲注入系统、示波器、脉冲衰减器、高频测试电缆。脉冲注入系统参数：输出电压5.2 kV，脉冲前沿1.8 ns，脉冲宽度2 ns。测试系统如图8所示。

图8 防护器件性能测试平台

2)电源端口防护器件性能测试。

电源防护模块对脉冲的响应结果如图9所示。由于电源防护模块整体采用防护器件与低通滤波器组合技术，兼顾截止频率低的特点，也满足快前沿脉冲的防护要求。

图9 电源防护模块脉冲注入响应波形对比

根据图9可知，当注入脉冲源的前沿为1.8 ns时，防护模块能在脉冲的上升沿阶段响应，响应时间为2 ns；脉冲幅值5.2 kV时，可将大功率信号箝位到安全电压的幅度范围，且根据脉冲注入峰值功率计算，其峰值吸收功率可达540.8 kW。

3)信号端口防护器件性能测试。

信号端口防护模块对方波脉冲的响应结果如图10所示。理论上，由于信号线防护模块的上限频率较高，因此对于前沿更缓，频率较低的方波脉冲的抑制能力更强。

图10 信号防护模块脉冲注入响应波形对比

根据图10可知，当注入脉冲源的前沿为1.8 ns时，防护模块对快前沿脉冲响应时间小于1 ns，这是由于信号防护模块采用更低寄生电容、更低功率等级的雪崩防护器件，其响应时间更快的原因。

5 结束语

本文只是对强电磁脉冲的防护手段进行了相关的论述，接下来具体的工作是研究HEMP(高功率电磁脉冲)和非核电磁脉冲武器等对系统的损伤机理，并选取典型系统及其分系统作为效应物，开展辐照试验和注入试验，确定效应物的干扰阈值和毁伤阈值；根据效应物的敏感度和防护要求，结合数值仿真，确定具体的电磁防护技术措施，进行装备抗电磁毁伤加固优化改造；最后通过试验检验装备加固改造后的电磁防护效果，形成具体的电磁防护设计规范。