高空電磁脈沖防護(hù)電源濾波器

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　蔣茜若　郭亞莎

高空電磁脈沖防護(hù)電源濾波器

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蔣茜若郭亞莎

高空電磁脈沖（HEMP）是指在地球大氣層中高度超過(guò)地表40Km（或以上）由核爆或非核爆（電磁炸彈）產(chǎn)生的一種瞬變電磁現(xiàn)象。上升沿陡峭（≤5ns）半脈寬小于等于25ns，電場(chǎng)強(qiáng)度能達(dá)到50KV/m，覆蓋頻譜范圍寬從KHz—GHz，幾乎覆蓋了所有電氣使用頻率。針對(duì)這一系列電磁環(huán)境設(shè)計(jì)出一款高性能電源濾波器可以有效防護(hù)電磁脈沖的攻擊達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備系統(tǒng)的作用。

HEMP；電源防護(hù)；濾波器

HEMP對(duì)電子系統(tǒng)的干擾主要包括信號(hào)線、公共接地阻抗、電源線干擾，百萬(wàn)噸級(jí)核爆釋放的脈沖能量能達(dá)到1011J，可見(jiàn)對(duì)電磁脈沖進(jìn)行有效的防護(hù)是維持政府，C4I控制指揮中心，國(guó)家金融，通信等重要機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行所必需的手段。電磁脈沖耦合的能量80%以上是通過(guò)電源線以傳導(dǎo)耦合的方式對(duì)電力系統(tǒng)、電子設(shè)備進(jìn)行破壞，因此只要在電源輸入端口安裝可以對(duì)電磁脈沖有效防護(hù)的濾波器就可以對(duì)后續(xù)設(shè)備起到很好的保護(hù)作用。

1　高空電磁脈沖環(huán)境

電磁脈沖防護(hù)電源濾波器工作選用的脈沖環(huán)境為IEC標(biāo)準(zhǔn)的高空核電磁脈沖波形（該波形對(duì)應(yīng)的電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)破壞情況最嚴(yán)重）。HEMP分為3個(gè)階段，早期（E1）主要是高頻（1MHz-1GHz）能量脈沖，像射頻接收器、信號(hào)傳送器、傳感器等這些小范圍控制系統(tǒng)容易在這個(gè)階段被破壞；中期（E2）主要是中頻脈沖，與雷電電磁脈沖類似；晚期（E3）主要是低頻脈沖（3Hz-30Hz），電源系統(tǒng)及一些低頻設(shè)備容易在E2和E3階段被干擾不能正常工作或者造成永久傷害。圖1為電磁脈沖全過(guò)程波形。

圖1　電磁脈沖全過(guò)程波形

從波形來(lái)看HEMP具有的特點(diǎn)：峰值場(chǎng)強(qiáng)高，核電磁脈沖具有很高的峰值場(chǎng)強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)50KV/m，并且上升沿很短，≤5ns；頻譜范圍寬，HEMP頻譜覆蓋了從超長(zhǎng)波—--微波低端的整個(gè)頻段，無(wú)線電通信、導(dǎo)航和廣播等系統(tǒng)都會(huì)被影響；作用時(shí)間長(zhǎng)，從波形分析，E1到E3持續(xù)時(shí)間接近1000秒，1000秒的沖擊波、熱效應(yīng)、核輻射完全足夠?qū)﹄娮釉O(shè)備系統(tǒng)以及生物造成不可修復(fù)的傷害；作用范圍廣，現(xiàn)已有的文獻(xiàn)表明爆炸高度40Km時(shí)，覆蓋的范圍1.6×106 Km2，當(dāng)高度為400Km時(shí)，覆蓋的范圍15×106 Km2。

由此可見(jiàn)，暴露在HEMP環(huán)境中的長(zhǎng)導(dǎo)體架空電力線、通信線等都能收集到巨大的電磁能量，從而破壞與其連接的電氣設(shè)備。

2　高空電磁脈沖防護(hù)濾波器產(chǎn)品性能

高空電磁脈沖濾波器主要為了消除前面提到的高空電磁環(huán)境對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。根據(jù)上文模擬的電源線纜在高空電磁環(huán)境中耦合的電壓電流最壞情況，表1進(jìn)行高空電磁脈沖防護(hù)濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)。

表1　HEMP電源濾波器參數(shù)指標(biāo)

功能性能要求及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：能將電磁脈沖浪涌電壓鉗位在安全的值；能夠?qū)Ⅰ詈系诫娮釉O(shè)備的大電流快速泄放至大地；保護(hù)電路且具有較快的開(kāi)啟速度≤10ns；電源線脈沖注入電流依據(jù)MIL-STD-188-125 1&2設(shè)計(jì)；插入損耗依據(jù)MIL-STD-220；安規(guī)性能測(cè)量依據(jù)UL1283標(biāo)準(zhǔn)。

3　性能測(cè)試

將規(guī)定的電流波形模擬注入濾波器的電源輸入線是最簡(jiǎn)單的HEMP測(cè)試方法，這種直接注入法省去了龐大且昂貴的自由空間模擬設(shè)施，還可以靈活的分級(jí)注入更方便檢查電子電路設(shè)計(jì)是否合適，元器件選擇是否恰當(dāng)。圖2 HEMP濾波器電源線脈沖注入測(cè)試：

圖2　MIL-STD-188-125-1短脈沖注入測(cè)試圖 圖3 GJB 151B-2013 RS105測(cè)試示意圖

對(duì)HEMP濾波器電源線進(jìn)行電流注入試驗(yàn)，注入波形峰值電流5KA上升沿時(shí)間20ns半脈寬500ns，要求通過(guò)2歐姆的負(fù)載電阻殘余電流不大于10A。

電纜、天線傳導(dǎo)輻射耦合的能量還跟接收部分的位置、形狀有關(guān)。如果環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，濾波器金屬外殼只有在實(shí)際HEMP輻照情況下才能進(jìn)行精確電流分布密度試驗(yàn)。圖3HEMP濾波器殼體EMP輻照測(cè)試。根據(jù)GJB 151B-2013 RS105瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射敏感度測(cè)試，輻照電場(chǎng)強(qiáng)度50KV/m脈沖上升時(shí)間1.8-2.8ns半峰值脈沖寬度23ns±5ns，要求HEMP濾波器不出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值。

4　結(jié)論

電氣設(shè)備都需要電源供電，電磁脈沖產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾能通過(guò)電源輸入線直接注入或通過(guò)快速變化的電磁場(chǎng)感應(yīng)耦合進(jìn)入電路中。這種干擾電壓、電流含有非常大的能量，當(dāng)電路中單位面積上的電流超過(guò)一定的極限值時(shí)，元器件就會(huì)受損或完全毀壞，一般半導(dǎo)體器件承受沖擊電壓的能力為30V-100V，承受沖擊電流的能力為100mA-1A，因此必須對(duì)浪涌的沖擊采取措施阻止。對(duì)于HEMP濾波器來(lái)說(shuō)，濾波器不僅能限值干擾電磁能量進(jìn)入系統(tǒng)，還能夠有效的抑制浪涌，這樣才能保護(hù)后面的設(shè)備能夠正常工作不被損壞。

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蔣茜若（1992—），女，成都理工大學(xué)電路與系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生。

郭亞莎（1960—），男，成都理工大學(xué)副教授，研究方向，信息與信息處理。