基于物聯網抗微波輻射通信計算機的設計

黃 臣

(北京太極信息系統技術有限公司,北京 100083)

基于物聯網抗微波輻射通信計算機的設計

黃 臣

(北京太極信息系統技術有限公司,北京 100083)

核心部門使用的基于物聯網的高性能計算機，需要在電磁干擾下，特別是在抗高功率微波作用環境下仍能正常工作。從抗高功率微波的需求出發，從信號濾波設計、信號光電轉換設計和板卡設計著手，詳細介紹了通信計算機關鍵電路設計，包括物聯網層次結構、高功率微波工作原理、部分光電轉換設計、電源的濾波設計以及微波實驗。通信計算機通過供電輸入設計、自研主板等關鍵板卡設計，包含直流濾波功能、功率變換電路和無聯網關鍵部件的設計,實現了抗微波輻射的電路及結構模塊。基于物聯網高性能計算機需要經過多種測試來驗證其設計的有效性，經過多種抗微波輻射試驗測試，物聯網高性能計算機通過了試驗，實驗結果驗證了設計的有效性和可靠性。

物聯網技術；抗微波輻射；計算機通信；微波濾波器

0 引 言

在物聯網日益深入的今天，它作為一種形式多樣的聚合性復雜系統，是新一代信息技術的重要組成部分，同時作為物聯網最重要的終端之一，計算機應具備抗電磁輻射，尤其是抗微波輻射的能力。

高功率微波(High Power Microwave，HPM)作為一項較成熟的技術已經應用于軍事、通訊、應急等領域。物聯網和高功率微波的結合在日常生活中已有應用，研究并研制基于物聯網抗微波輻射通信計算機顯得尤為迫切，微波濾波器和應急技術及相關電路設計為實現計算機提供了有效保障。作為高功率微波武器，它可以通過各種方式耦合到電子設備中，破壞設備電路、存儲介質等關鍵器件。美國在利比亞戰爭中用微波脈沖炸彈空襲了利比亞電視臺及通訊設施，導致電視臺等部門癱瘓了五小時之久。將研發的抗高功率微波輻射的計算機用于物聯網通信中顯得非常有意義。

針對國內在抗高功率微波物聯網計算機研究方面落后于發達國家的現狀，需要通過相關研究來推動技術的進一步發展。為此，提出了抑制浪涌的模塊設計思路，并進行了相應的研究與驗證工作。

1 物聯網及高功率微波工作原理

1.1物聯網層次結構

物聯網與傳統互聯網的七層模型不同,它由網絡傳輸層、應用服務層、感知控制層組成，以往公共技術不屬于物聯網技術的特定層面，但其與物聯網模型架構的這三層都有關系，包括應急信息安全技術、應急標識和解析、智能網絡管理及應急廣播質量管理。物聯網終端在高功率微波環境下能否正常工作，關系到核心部門的信息安全問題，所以研發抗高功率微波計算機顯得十分必要。

1.2高功率微波工作原理

微波通常指頻率300 MHz～3 000 GHz，波長0.1 mm～1 m波段的電磁波[1]。在工程中通常使用拉丁字母代表微波波段的名稱。

高能量微波(HPM),又稱高功率電磁波[1]，通常是指電磁微波的脈沖峰值功率在一百兆瓦特及以上,頻率在900 MHz～300 GHz范圍內的電磁能量脈沖。此高功率微波武器將高功率微波源產生的微波經高增益定向天線輻射，以極高的強度照射目標，達到殺傷人員和破壞電子設備的目的[2]。

HPM作用原理分析：從整個過程來看，設備受破壞的過程是由“收集→耦合→破壞”三部分組成的。

首先收集是由起接收天線作用的各種類型的集流環(金屬類導電體)來收集高功率電磁波能量，像天線饋線、大型天線、分支線和天線支架。集流環的尺寸越大，收集到的能量越大。

耦合主要有電感應式、磁感應式、電阻耦合三種方式，其耦合途徑主要有下列5種：

(1)極天線耦合：廣義上講，所有處于電磁場作用的金屬導體均可認為是天線，包括常用的金屬體導線、應急廣播器具、無線電接收天線、非絕緣傳輸電纜、金屬連接棒、引線等。

(2)屏蔽電纜傳輸過程耦合：長期處于電磁波輻射下的屏蔽電纜在其屏蔽層表面會產生電流，盡管受趨膚效應作用，但由于其輻射強度大，會阻抗耦合，在電纜的若干芯線上仍會產生較大的電流。

(3)縫隙或孔洞耦合：對高能電磁波的防護方法首先要采用屏蔽措施，但由于高功率微波的波長在若干毫米至厘米級別,頻率較高，經常是孔洞或者縫隙的尺寸要大于半波長，這樣電磁波就能進入屏蔽殼內。對于艦船、衛星、飛機而言，均存在小縫隙或孔洞；對于地面設施而言，縫隙或孔洞要更多，因而電磁波功率越大時，其泄露也更嚴重。當其功率太高時，更能導致空氣電離現象，此時反而對設備起到了一定的屏蔽作用，但是這種情況理論比較復雜。

(4)物聯網終端電源線耦合：電源線耦合十分相似于傳輸電纜耦合。終端電源線經常會有一段暴露于電磁波下，其非常容易導入高功率電磁波。

(5)電磁回路耦合：通過麥克斯韋方程得知，大電流或電磁波經過所有回路時均會產生電磁場耦合。

根據耦合進微波能量的大小，高功率微波的破壞效應可以從三個程度來描述：

(1)干擾：HPM相當于超級干擾源，能干擾現有的通信系統。

(2)破壞：HPM功率高到可以破壞電子系統中的微型電路。

(3)加熱：HPM功率高到可以加熱目標。

高功率微波對計算機及其系統產生的效應現象如表1所示。

表1 物聯網計算機在不同功率密度微波輻照下的效應現象

由此可知，物聯網重要終端之一的通信計算機在抗高功率微波技術研究上顯得尤為重要。

2 微波濾波器

2.1微波濾波器簡介

微波濾波器，又叫電磁波濾波器，它與傳統的電源濾波器有所不同，因為微波濾波器制造工藝復雜，并且在微波環境下，電信號傳輸會受到強烈的干擾，因此對于計算機外部的接口信號可通過電路設計將電信號轉成光信號，以光纖接口的形式與外界通訊[3]。其中涉及到光電轉換的軟件設計和硬件設計，包括對接口協議進行編解碼處理和光電器件的電阻電容匹配端接處理。

針對上述在研究和實踐過程中遇到的技術難點，主要在電源微波濾波器的設計上采用現代微波濾波器的設計方法，根據防護要求設計出高性能微波電源濾波器，實現GHz以上頻段的電源微波濾波。

2.2微波濾波器設計

針對計算機系統，除了從加強屏蔽的角度提高計算機防護能力外，去除從傳輸線纜耦合來的HPM干擾也是一個關鍵問題，當頻率在300 MHz以上，集總參數電子元器件(電容、電感等)會由于寄生效應而導致品質因數降低，無法實現其原有的電路功能，因此針對微波頻段的濾波，需要設計專門的微波濾波器來實現濾波效果。

2.2.1 濾波原理

濾波網絡如圖1中A范圍所示。當高頻信號(噪聲)通過時，其感抗jωl較大，此時容抗值-j/ωc較小，施加在電感L兩端的電壓有個較大的壓降，圖1中電容C近似地把負載R2短路，雖然電源Eg電動勢保持不變，電阻負載R2兩端的壓降接近于零。其中網絡A是由電抗元件組成的，電抗元件不消耗功率，高頻功率在這個電路中有時在電感中作為磁能，有時由電感L交還于電源，這樣高頻功率在電感和電源間來回交換，阻止了高頻功率傳送到后級的負載電路。

圖1 濾波網絡電路

2.2.2 濾波器的性能參數

濾波器的電源電動勢為Eg，內部電阻為R1。設定負載為R2，當直流負載直接與供電電源相連時，其所能吸納的能量P02為：

(1)

考慮到濾波器的特性，當供電電源頻率Hz變化時，表現在R2兩端的壓降E2會發生變化。由R2從供電電源處獲得的功率(P2=E2/R2)在不同頻率段是不同的。用分貝dB表示P02與P2的比值，設定為插入損耗Li：

(2)

理想狀態下微波濾波器的插入損耗值Li在通帶內接近于零，并且在止帶內數值是極限正無窮大。

2.2.3 LC低通濾波器的設計

低通濾波器的設計通常有兩種方法：第一種稱為鏡像參數法。依照濾波網絡的設計電路和內在特性，用計算分析的方法驗算出變換器損耗值特性。隨后把這些具體電路組裝起來，使得總LA特性滿足所需要的技術指標。此方法理論根據相對簡便，缺點是在分析過程中未考慮外接負載的作用，所以在提出具體的設計要求后，還需反復循環試探，方能取得理想的設計結果。

第二種方法從插入損耗著手，這個是最近較常用的設計方法，同時也是文中設計采用的方法。該方法根據提出的技術指標，決定頻率ω與插入損耗Li的函數表達式，依據這個函數關系式，采納相關網絡理論融合出具體的電路構架。該方法的優點是準確性設計，同時考慮到了外連部件負載的作用，不需再進行擴展性試驗。把滿足目前要求的微波母型濾波器設計出來后，可以通過讀圖查表和使用矩陣和高等數學來換算數據獲得[4]。

典型的低通濾波器特性有貝塞爾特性、巴特沃斯特性、切比雪夫特性以及聯立切比雪夫特性。每種濾波器的特性都有其特點，根據設計需求(需要較好的截止特性)，采用切比雪夫特性的濾波器作為濾波器原型進行設計。

(1)根據技術指標確定濾波器的階數n。

(3)

其中，Las為帶外抑制；ε為波紋因子；ω為歸一化頻率。

(2)選擇好切比雪夫的歸一化模型，進行反歸一化，利用設計中的截止頻率和特性阻抗計算出實際濾波器的元件值。

M=設計指標截止頻率/歸一化截止頻率

(4)

K=設計指標特性阻抗/歸一化特性阻抗

(5)

濾波器截止頻率變換：

(6)

(7)

濾波器特性阻抗變換:

LNEW=LOLD×K

(8)

(9)

將所得的新電感電容參數代入到原切比雪夫歸一化模型中，即可得到所需性能的濾波器模型。

3 基于物聯網的抗微波輻射計算機設計

3.1電路結構總體設計

物聯網是信息終端之間的通信和傳輸，傳輸途徑遭受電磁乃至微波輻射仍不受影響顯得尤為重要。為了使設計的基于物聯網計算機達到抗高功率微波等強抗干擾的目標，該計算機的主要板卡都是自主研發設計，通過從元器件級入手，提高計算機的可靠性。主要模塊有：

電源濾波模塊：包括專用的微波濾波器模塊和常用的低通濾波模塊。

電源模塊：基于物聯網抗微波輻射電源，將220 V交流電轉成所需的5 V,3.3 V,12 V。

主板及背板模塊：基于Type6的COM-E模塊設計的抗輻射主板。

接口光電轉換模塊：將串口，網口，PS2，DVI信號轉成光信號。

經過微波濾波、低通濾波及浪涌抑制處理后，輸入的220 V交流電可經抗微波輻射電源模塊進行電壓轉換，如圖2所示。

圖2 抗微波輻射電源模塊內部功能框圖

抗微波輻射電源模塊各部分功能如下：PFC部分為了提高功率因數PF，減小電流諧波對電網環境的污染，采用高效率、高功率因數的PFC模塊來實現，簡單可靠。

功率變換電路經過PFC模塊變換后，交流電壓轉換為360 V的高壓，于是功率變換電路再次將此電壓轉換為計算機所需要的電壓+12 V、+5 V、+3.3 V。此電路為功率變換的核心部分，采用電源模塊實現。

保護電路包含了對整機電源的所有控制和保護功能，包括輸入交流電壓采樣，輸入交流電壓過欠壓保護、輸出過欠壓保護、過載保護、過熱保護等。該電路強化了電源的多功能、高性能和高可靠性等特點[5]。

直流濾波部分為了減少電源的共模噪聲和差模噪聲對計算機設備的干擾，在電源輸出端增加濾波電路，提高了電源的EMC性能。

3.2輸入供電設計

設計采用市電交流220 V供電，在計算機內采用專用的抗微波輻射電源將220 V轉換成5 V、3.3 V、12 V。供電部分輸入過程需進行濾波、防浪涌雷擊等處理。

3.2.1 濾波模塊設計

電源的輸入濾波處理包括微波濾波和低通濾波兩部分，微波濾波器的設計參考2.2節的方法，設計出截止頻率為1 GHz的同軸低通濾波器[6]。

低通濾波器主要針對100 MHz以下的高頻噪聲，通常是電源的共模差模干擾，像閃電暫態電壓采集波形的高頻頻譜中含有大量的能量分量(無法忽略的頻率范圍為0.99～10 MHz)，物聯網計算機開關電源產生的共模噪聲(頻率范圍從9.99 kHz～50 MHz)，研究盡可能地衰減這段頻段的噪聲，防止輸入干擾電源，同時也防止電源的噪聲干擾電網。在電路中設計由共模電感、差模電感、Y電容、X電容等組成的低通濾波模塊，用于抑制其共模干擾和差模干擾。

3.2.2 浪涌抑制模塊設計

設計用壓敏電阻和氣體放電管組合成防雷保護電路，如圖3所示。當電源為220 V時，壓敏電阻的阻值是無窮大，電阻相當于開路，正常工作。當最大電壓高于471 V AC時(交流220 V電壓的峰值是311 V AC)，壓敏電阻會馬上擊穿形成短路現象，從而保護后面的電路[7]。壓敏電阻參數有：使用電壓范圍、通流容量、常態泄漏電流、殘壓水平、動作響應。綜合考慮以上因素，通常選用氧化鋅壓敏電阻。

圖3 防雷擊浪涌設計原理

電路中串聯了一種氣體放電管，這種放電管是基于間隙式的有效防雷保護元器件。每當氣體放電管外部兩端電壓增加到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，放電管兩極之間的間隙由于快速放電而被擊穿，相當于放電管變成電阻，此時其由原來的絕緣態轉變成導電態。放電管兩極導通后，兩端的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水準[8]。這種殘壓一般情況下會非常小，起到保護與氣體放電管并聯的后級電路的作用。

3.3自研主板設計

整個主板是基于嵌入式模塊COM-Express設計的，具有各個計算機功能接口的自研主板[9]。

需要采用專用芯片和可編程邏輯器件等，設計實現各計算機接口的電光轉換及相關的功能模塊[10]。

4 實驗驗證

4.1微波實驗條件設定

實驗終端微波源設定有兩個方面：

(1)1 GW超寬(帶寬頻率1.1 Hz～100 Hz)微波源(其功率為1 GW左右、脈沖寬度為3 ns、可以單次運行、頻率是可調的)[11]；

(2)窄帶頻段(頻率1.31 GHz)L磁控管微波源(功率1 MW、脈寬為20 ns～1μs可調、重頻近似100 Hz)。

依照上述微波源設定，對物聯網抗微波輻射通信計算機設備進行抗高功率微波相關實驗，測試計算機在多種高功率微波輻射下的防護性能[12]。實驗結果表明，設備在高功率電磁微波的干擾下能正常運行和工作[13]的微波功率密度最大值如表2所示。

表2 抗高功率微波實驗結果對比

4．2實驗分析

國家軍標GJB151A-97中RS103(電場輻射敏感度)規定電場電磁頻率在30 MHz～40 GHz范圍內，其電場輻射發射敏感度的最大輻射場強值是200 V/m，以空間波阻抗377 Ω為基礎進行推導，功率譜密度為0.01 W/cm2[14]。

依照上述實驗結果，相比較GJB151A-97中電場輻射敏感度章節中規定的0.01 W/cm2,結合物聯網特性[15]，所設計的計算機在L波段(1.31 GHz)和Ultra Wide Band[16]超寬帶波段內的防護性能都明顯高于規定指標。進行相關計算，頻率為1 GHz的10 G瓦高功率微波源在5.1 km外輻照中心的功率場強為9 000 V/m[17]，功率密度約22 W/cm2。考慮到實驗環境制約，因L波段的微波源功率微小，實驗測試數據未能測得抗高功率微波計算機的最高微波防護水準[18]。結合表2計算機系統在不同功率密度微波輻照下的效應現象，從分析計算和實驗結果來看，設計的基于物聯網抗高功率微波高性能計算機可以防護10～100 W/cm2量級的微波干擾，完全滿足實際的防護需求。

5 結束語

基于物聯網抗微波電磁輻射通信計算機,使用物聯網技術、結合相關算法的同時，設計優化了特殊的微波低通濾波器和抑制浪涌模塊。完成了基于物聯網抗微波輻射通信計算機的設計和實驗，結果表明，該設計能夠滿足實際的防護需求。通過多種類實驗的合格結果證明了設計的有效性，目前該技術在國內處于領先水平。

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DesignofAnti-HPMCommunicationComputerwithInternetofThings

HUANG Chen

(Beijing Taiji Information System Technology Company Ltd.,Beijing 100083,China)

The high performance computer based on Internet of Things which the key department uses can work normally in electomagnetic disturbing,especially the HPM disturbing.Based on the needs of anti-HPM application,combined with design of signal filter,fiber transimission and circuit board,the main circuit design of mainboard and key component in the communication computer has been presented,including Internet of Things hierarchy,high power microwave working principle,parts of the fiber-electric conversion design,design of power filter,and anti-HPM experiment.Communication computer consists of power supply input and the self-researched main board including DC filter,power exchange circuit,main components of IoT,which realize the circuit and the structure module of the anti-HPM.Verification tests based on the Internet of Things anti-HPM computer design have been conducted to prove availability of the computer.The experimental results show that the design is effective and reliable.

Internet of Things technology;anti-HPM;computer communication;microwave filter

TP31

A

1673-629X(2017)10-0049-05

2016-10-01

2017-02-16 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-11

國家自然科學基金資助項目(61170115)

黃 臣(1966-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為物聯網及計算機工程應用。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170711.1455.042.html

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.10.011