高功率電磁效應及防護技術研究概述

王 鵬 李萬玉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著信息時代的到來，對電子信息設備構成威脅的電磁武器的發展越來越受到重視，國際電工委員會(IEC)的SC77C分會是專門研究高功率瞬態現象的委員會，將入射電場超過100V/m的電磁環境稱為高功率電磁(high power electromagnetics，HPEM)環境，并在1996年后開始將人為的HPEM納入研究范疇。2008年7月在瑞士洛桑EUROEM2008會議上，IEC-SC77C主席Radasky最新給出了HPEM的解釋，即:HPEM分自然環境與人為環境兩大類。自然環境主要包括靜電放電及雷電。人為的高功率電磁脈沖環境主要包括核電磁脈沖(HEMP)，其峰值場強高達104－105V/m，頻譜覆蓋了從超長波到微波低端的整個頻段;超寬帶電磁脈沖(UWB)，這是近年來研發的一種新型電磁脈沖武器，由于其頻帶很寬，可瞬間大范圍覆蓋目標系統的響應頻率，使跳頻通信等變得毫無意義，對電子設備有很大的威脅;高功率微波(HPM)和高功率雷達波(HIRF)，這是一類作用范圍有限的強電磁干擾源，主要實現定向有意干擾。圖1給出了幾種HPEM環境的頻帶劃分。

圖1 不同HPEM環境的頻帶

敵我雙方在電磁頻譜上的攻防對抗、爭奪制電磁頻譜權是信息化戰爭的重要特征之一。在信息化戰爭條件下，包括天基信息網在內的各種信息傳輸通道在各種惡劣環境下暢通、正確、有效，是保證戰爭順暢指揮的重要條件之一;信息化的電子學系統在惡劣電磁脈沖環境下的生存能力也是信息化戰爭的先決條件。

2 電磁毀傷與國外現狀

電子學系統的毀傷除了力學上(或機械上)的毀傷外，更重要的是“電磁應力”造成的電學功能上的毀傷，即“電磁毀傷”。“電磁應力”來源于外部強電磁場與電子學系統的耦合。“電磁毀傷”包括:干擾、翻轉、閉鎖、燒毀等等。

HPEM對電子設備的耦合過程見圖2所示。

圖2 HPEM對電子設備的耦合

研究并提高兵器裝備、地面自動化指揮系統等作戰系統的電磁脈沖防護能力，是做好新形勢下信息化戰爭的重要技術準備之一。

隨著大規模集成電路、高速計算機的使用和網絡化的發展，各種武器系統和有關的C4ISR(一體化指揮、控制、通信、計算機、情報和監視與偵察)系統抗EMP容限不斷降低，其受電磁攻擊的威脅也更為嚴重。

我國武器陣地的電學設施，C4ISR系統等，無論是否暴露，如無特殊防護，都可能遭到HPEM的破壞。武器系統的任何薄弱環節，都將對信息化戰爭造成不堪設想的后果。

例如，發射陣地的電子學系統存在長的測試電纜、通信電纜、控制電纜、電源電纜，存在各車輛(屏蔽方艙)的孔縫以及發射、接收天線等強耦合環節，極易受HPEM的毀傷。對于與武器系統直接相關的指揮自動化系統，或C4ISR系統，其抗HPEM性能的全面評估和加固技術研究急需加強。

美國的導彈武器裝備都有抗電磁脈沖加固指標。其外環境按美軍標MIL—STD—461E的HEMP標準執行。對于導彈武器裝備的系統、分系統、組件和電子元器件(零部件)等各層次，還建立了詳細的加固指標，制定了各種詳細的設計規范和驗收規范。

美國有配套的響應級和威脅級(水平極化和垂直極化)EMP模擬器，有龐大的研究隊伍和經費支持。幾十年的研究積累，美國的武器裝備有很高的抗電磁脈沖容限。圖3～圖4給出的是美國及歐洲的武器系統抗高功率電磁波的實驗現狀。圖3中的有界波模擬器是一種電磁場能量在一定范圍內可控且無四周發散現象的模擬器，其原理類似于平行板傳輸線，由于存在高頻分量的畸變，這種模擬器的缺點是照射范圍不夠大。

美國直至今天仍認為中國和俄羅斯具有利用一顆核彈毀壞美國所有未防護的公共設施與軍事力量的能力。而且美國將核彈的威脅元素直指核電磁脈沖。美國在1992年進行的一次地下核試驗中進行了軍事系統抗核電磁脈沖加固的防護技術研究。美國、歐洲的武器裝備(裝甲車輛、C4ISR系統等等)在冷戰時期即有核電磁脈沖加固標準并已經實施。2003年的美國國會組織了專門的委員會研究美國本土遭受核電磁脈沖打擊的毀傷評估，該委員會建議2010年前美國的重要基礎設施應完成核電磁脈沖加固。

3 電磁脈沖重點防護技術

最基本的防護手段即屏蔽，在敏感單元外加法拉第筒使其與外界強電磁環境完全隔離，這也是傳統防電磁脈沖的手段之一。但由于核電磁脈沖武器與高功率微波武器的峰值電流可達數百萬安培，能夠穿過法拉第筒。另外，被屏蔽的單元如果有線纜與外界相連，會破壞其屏蔽性能。進入法拉第筒的各個點應具有特殊設計的浪涌保護器、特殊設計的線纜轉接頭、屏蔽隔離轉換器或其它特殊設計的電子濾波器件。重要的關鍵系統還應增加備份數目，并將備份與電磁脈沖輻射源完全隔離。

抗電磁脈沖，無論是抗核電磁脈沖還是抗非核電磁脈沖，其基本原理是相同的，防護措施是相似的。如在設計階段給以充分考慮，所增加的價格是不高的。問題的關鍵在于型號研制時軍方要提出科學的抗電磁脈沖加固指標。

根據美國白沙導彈靶場的一個研究小組的統計，如果在初始設計階段就考慮進行抗核電磁脈沖或高功率微波加固，軍事裝備或批量生產的商用設備如計算機及通信設備將增加總成本的3%～10%。對已有的軍事電子設備重新進行加固將增加15%或更多的代價。

4 我國發展途徑展望

我國在HPEM研究領域與國外的差距相當大，美國與歐洲在這一領域技術領先，但對中國都存在一定程度的技術封鎖。目前中國迫切需要開展的研究有:

a.高功率電磁環境的監測技術

國內目前射頻段的強場測量基本滿足需要，但300MHz以上頻段的瞬態強電場、瞬態強磁場測量手段不成熟。各種基于有源器件的電場傳感器、無源光電晶體傳感器、三維平板型電場傳感器等，國外發展已經成熟，國內技術比較落后。

b.電子設備的高功率電磁效應機理

關于電磁耦合效應規律(孔縫耦合規律與電纜耦合規律)的認識比較清楚，但具體到器件級，實驗與理論研究都有待進行深入與系統的研究。

c.系統級電磁效應及評估技術

美國已經開發出針對全系統的高功率微波效應評估軟件。國內在這一領域的研究剛開始。而要開發這樣一套軟件，大量的實驗與基礎研究是基礎。

d.瞬態高功率電磁防護技術

高空核電磁脈沖與高功率微波的頻率在幾十兆赫茲-幾十吉赫茲，其防護技術與雷電電磁脈沖的防護不同。大功率的濾波器件等將是研究重點。

5 結束語

信息化戰爭是在復雜多變的電磁環境中展開的，戰場是各種電磁能量共同作用的集合體。高功率電磁效應的研究已經日趨成熟并應用于現代高科技戰爭中，以非核爆方式產生類似于高空核電磁脈沖的強電磁輻射，直接摧毀或損傷敏感電子部件，使對手的雷達、計算機系統等電子裝備乃至各種武器裝備失去工作能力。

正是由于電磁脈沖武器的巨大威力和潛在威脅，更應該積極地致力于抗HEMP、HPM的新材料、新方法研究。對于電磁加固較難實現或實現成本過高的情況，而應從電子系統的原理上考慮設計抗高功率電磁效應的能力，從而避免武器系統的被干擾和破壞，實現其在戰場上的突出作用。

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