典型電子設(shè)備強(qiáng)電磁安全效應(yīng)試驗(yàn)研究*

趙治國，鄭浩月

（中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，電磁脈沖干擾與防護(hù)問題日益突出，對現(xiàn)代生產(chǎn)和生活安全造成了嚴(yán)重影響[1-3]。在信息化技術(shù)提高人們生活便利的同時(shí)，也使得這些電子產(chǎn)品嚴(yán)重依賴于周圍的電磁環(huán)境，從而導(dǎo)致其面臨的強(qiáng)電磁脈沖攻擊威脅變得越來越現(xiàn)實(shí)。強(qiáng)電磁脈沖通過前門和后門耦合的方式，進(jìn)入電子設(shè)備的內(nèi)部電路和元器件，在電路板、內(nèi)部線纜以及集成電路管腳處產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，干擾電路和器件的正常工作，超過一定量級的感應(yīng)電流和電壓會(huì)使器件發(fā)生潛在性失效或永久性損傷，造成經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性事故。因此，電子設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的強(qiáng)電磁安全效應(yīng)研究越來越受到關(guān)注[4-6]。本文基于核電磁脈沖模擬系統(tǒng)開展了電子計(jì)算器的核電磁脈沖輻照效應(yīng)試驗(yàn)，得出不同等級核電磁脈沖環(huán)境下計(jì)算器的效應(yīng)閾值和效應(yīng)現(xiàn)象，并提出了防護(hù)建議，研究成果對評估電子設(shè)備的電磁毀傷效應(yīng)具有重要意義。

1 高空核電磁脈沖模擬

強(qiáng)電磁脈沖輻射源從產(chǎn)生形式上分為高空核電磁脈沖、高功率微波以及電磁炸彈。輻射源以高功率、寬頻譜的方式對目標(biāo)進(jìn)行輻射，通過電子設(shè)備的殼體、縫隙、屏幕、線纜以及接口進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，感應(yīng)的電壓強(qiáng)度超過器件或者模塊的耐壓閾值，產(chǎn)生高壓擊穿、器件燒毀、瞬態(tài)干擾等效應(yīng)，從而導(dǎo)致電子設(shè)備功能紊亂或失效。

高空核電磁脈沖（High-altitude Electromagnetic Pulse，HEMP）是距地面40～100 km核爆炸時(shí)與大氣相互作用產(chǎn)生的電磁脈沖[7]。電磁脈沖分為3個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 高空核電磁脈沖3個(gè)階段示意

E1階段（早期），主要是瞬發(fā)γ射線，產(chǎn)生場強(qiáng)幅度達(dá)數(shù)十千伏每米，上升沿為納秒級且持續(xù)時(shí)間約為100 ns的高頻電磁脈沖；E2階段（中期），主要是散射γ射線和中子γ射線，產(chǎn)生的脈沖幅度為100 V/m以內(nèi)，持續(xù)時(shí)間為100 ns到數(shù)十毫秒之間；E3階段（晚期），也叫做磁體力學(xué)電磁脈沖，場強(qiáng)幅度為毫伏每米的量級，持續(xù)時(shí)間達(dá)到數(shù)百秒。E1階段產(chǎn)生的電磁脈沖具有能量強(qiáng)度大、峰值場強(qiáng)高、頻譜范圍寬的特點(diǎn)，其對電子產(chǎn)品的破壞作用最大[8]。此次將高空核電磁脈沖E1階段的電磁脈沖做為作為典型強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境進(jìn)行模擬。

E1階段高空核電磁脈沖在理想遠(yuǎn)場輻射條件下，等效成在自由空間傳輸?shù)钠矫娌ǎ臻g波阻抗為120 Ω，時(shí)域波形用雙指數(shù)函數(shù)表示[8]。國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）最新頒布的電磁脈沖波形參數(shù)要求中，規(guī)定脈沖上升沿時(shí)間為1.8～2.8 ns，半波寬度為18～28 ns，其場強(qiáng)E在時(shí)域上的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示[9]：

E(t)=kE0(e-αt-e-βt) （1）

式中，E0為峰值場強(qiáng)，量值為50 kV/m，k為修正系數(shù)，α為表征脈沖前沿的參數(shù)，β為表征脈沖后沿參數(shù)。

對高空核電磁脈沖環(huán)境的模擬，采取的是橫電磁波（Transverse Electric and Magnetic Field，TEM）小室系統(tǒng)，基于瞬態(tài)脈沖發(fā)生器和平行板輻射系統(tǒng)進(jìn)行E1階段高空核電磁脈沖模擬，該系統(tǒng)符合美軍標(biāo)MIL-STD-461G中對高空核電磁脈沖試驗(yàn)的要求[10]。模擬器系統(tǒng)可以產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)的高空核電磁脈沖波形，電場強(qiáng)度在4～60 kV/m，脈沖上升時(shí)間在1.8～2.5 ns。本次試驗(yàn)?zāi)M的場強(qiáng)值包括5 kV/m，15 kV/m，25 kV/m，35 kV/m，50 kV/m，測試系統(tǒng)校準(zhǔn)及試驗(yàn)配置示意如圖2、圖3所示，包括瞬態(tài)脈沖發(fā)生器、高壓探頭、示波器、平行板、被測計(jì)算器（Equipment Under Test，EUT）等。

圖2 高空核電磁脈沖測試校準(zhǔn)

圖3 高空核電磁脈沖試驗(yàn)配置

2 試驗(yàn)對象

電子計(jì)算器是一種典型的電子設(shè)備，屬于第一代計(jì)算機(jī)，基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)集成電路，由運(yùn)算器、控制器和外圍的電源模塊、顯示電路、鍵盤接口電路等組成，配合軟件程序，執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算和顯示功能[11]。運(yùn)算器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，同時(shí)還集成了隨機(jī)存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM），寄存中間運(yùn)算結(jié)果或者固定數(shù)據(jù)。控制器由數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)，用來協(xié)調(diào)全機(jī)的工作。鍵盤是計(jì)算器的輸入部件，采用接觸式或傳感式實(shí)現(xiàn)“人機(jī)對話”。液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）是計(jì)算器的輸出部分，用來顯示輸入數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)以及最后運(yùn)算數(shù)據(jù)。

本次試驗(yàn)的計(jì)算器型號(hào)為Brilliant BS-132，計(jì)算器的外殼是塑料的，沒有任何金屬屏蔽措施，內(nèi)部由顯示部分和處理電路板組成，二者之間用帶狀線纜連接，顯示的數(shù)字位數(shù)為12位，能顯示的最小值為10-11，計(jì)算器有獨(dú)立的電源（電池供電）。

計(jì)算器主要功能包括：（1）通過鍵盤進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)校正；（2）基于內(nèi)嵌程序執(zhí)行運(yùn)算（加法、乘法、除法、平方根），并將計(jì)算結(jié)果在LCD上顯示；（3）對顯示在RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并將數(shù)據(jù)添加到之前的RAM中，同時(shí)也可執(zhí)行RAM中的數(shù)據(jù)顯示在LCD上和將數(shù)據(jù)從RAM中刪除（清除RAM中的數(shù)據(jù)）的操作。

為了便于試驗(yàn)前后對計(jì)算器的效應(yīng)進(jìn)行評估，要對計(jì)算器的正常工作狀態(tài)和效應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行定義。計(jì)算器按鍵負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入，按下“On”時(shí)顯示“0”字符，按“0…9”字符時(shí)顯示相應(yīng)字符，按“→”時(shí)顯示刪除一個(gè)字符，“GT”、“M”、“%”按鈕時(shí)，顯示對應(yīng)字符，按下“MR”按鈕時(shí)，顯示保存在RAM中的數(shù)字，按下“MC”時(shí)禁用“M”字符，按下“+”“-”“×”“÷”時(shí)對應(yīng)相應(yīng)計(jì)算，按“=”按鈕時(shí)改變當(dāng)前顯示或者顯示運(yùn)算結(jié)果。顯示器LCD負(fù)責(zé)顯示從0～9的數(shù)字字符，當(dāng)計(jì)算器關(guān)閉時(shí)，整個(gè)區(qū)域顯示淺灰色，計(jì)算器在顯示字符時(shí)對應(yīng)字符沒有失真，顯示器沒有閃爍，顯示器對比度正常。因此計(jì)算器的正常工作狀態(tài)應(yīng)該為鍵盤確保數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)學(xué)運(yùn)算的選擇以及不同功能的切換，計(jì)算器對鍵盤的正常響應(yīng)表征為顯示數(shù)據(jù)的變化，其次執(zhí)行相應(yīng)運(yùn)算后顯示器確保顯示信息的正確性和完好性，最后計(jì)算結(jié)果應(yīng)該符合數(shù)學(xué)規(guī)則。

當(dāng)電磁脈沖以輻射場的形式作用于計(jì)算器時(shí)，其內(nèi)部的電子元件、接口以及線纜上感應(yīng)電壓和電流，從而導(dǎo)致計(jì)算器工作狀態(tài)的變化，體現(xiàn)在LCD上顯示數(shù)據(jù)的變化、LCD顯示功能故障，運(yùn)算邏輯出現(xiàn)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)丟失。因此將屏幕沒有顯示或者顯示異常、打不開計(jì)算器、計(jì)算結(jié)果不正確、按鍵失靈，且狀態(tài)不可逆，定義為損毀效應(yīng)狀態(tài)C。顯示的數(shù)據(jù)改變，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)丟失，但在重啟按“On”鍵后恢復(fù)，定義為干擾效應(yīng)狀態(tài)B。計(jì)算器沒有任何變化，功能正常，對應(yīng)為無效應(yīng)狀態(tài)A。

3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采取調(diào)節(jié)瞬態(tài)脈沖發(fā)生器的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)在模擬環(huán)境中產(chǎn)生不同等級的場強(qiáng)。通過調(diào)整計(jì)算器的布置方位，研究不同極化方向、不同入射場方向條件下計(jì)算器的耦合效應(yīng)現(xiàn)象。通過計(jì)算器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析可知，易敏感部位包括液晶顯示屏、內(nèi)部集成芯片、連接線纜、按鍵，考慮到計(jì)算器殼體、顯示屏、按鍵、電路板以及排線等耦合途徑，因此將計(jì)算器分為以下6種擺放位置（E為電場矢量，H為磁場，P為脈沖傳輸方向），分別進(jìn)行從小到大（5 kV/m，15 kV/m，25 kV/m，35 kV/m，50 kV/m）5種不同等級的輻射場強(qiáng)考核，如圖4所示。每次試驗(yàn)結(jié)束后均對計(jì)算器進(jìn)行功能型校驗(yàn)，出現(xiàn)物理故障后更換相同型號(hào)的計(jì)算器繼續(xù)試驗(yàn)。

圖4 計(jì)算器相對于電場和磁場向量的位置方向

計(jì)算器在TEM室內(nèi)的現(xiàn)場布置圖如圖5所示。支撐計(jì)算機(jī)的材料為泡沫，材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率接近1，其物理特性不會(huì)影響電場和磁場的分布。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場配置

4 結(jié)果分析

試驗(yàn)采取由低強(qiáng)度到高強(qiáng)度的輻照試驗(yàn)方式，分別完成場強(qiáng)為5 kV/m、15 kV/m、25 kV/m、35 kV/m、50 kV/m的高空核電磁脈沖的模擬，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～表5所示。試驗(yàn)現(xiàn)場記錄的電磁脈沖幅值由示波器抓取，實(shí)際測量場強(qiáng)值E與要求場強(qiáng)值5 kV/m、15 kV/m、25 kV/m、35 kV/m、50 kV/m存在允許范圍內(nèi)的誤差，不影響試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（5 kV/m）

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（15 kV/m）

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（25 kV/m）

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（50 kV/m）

高空核電磁脈沖峰值場強(qiáng)為5.0±0.5 kV/m時(shí)，計(jì)算器在6種方向上均沒有效應(yīng)，工作正常。脈沖峰值場強(qiáng)為16.7±0.5 kV/m時(shí)，計(jì)算器產(chǎn)生了干擾效應(yīng)B，放置方向?yàn)?和6，效應(yīng)現(xiàn)象是在輻照后先前輸入的數(shù)字消失，顯示0值，其他功能正常。脈沖峰值場強(qiáng)為26±1 kV/m時(shí)，計(jì)算器產(chǎn)生了干擾效應(yīng)B，放置方向?yàn)?和6，效應(yīng)現(xiàn)象是在輻照后先前輸入的數(shù)字消失，顯示0值。脈沖峰值場強(qiáng)為36±1 kV/m時(shí)，計(jì)算器產(chǎn)生了干擾效應(yīng)B，放置方向3、6、2、5。脈沖峰值場強(qiáng)為52±1 kV/m時(shí)，計(jì)算器產(chǎn)生了干擾效應(yīng)B，放置方向?yàn)?、2、3、4、5、6。對于損毀效應(yīng)C，該型號(hào)計(jì)算器在這次試驗(yàn)過程中未發(fā)生。

計(jì)算器在輻射場中共完成了6個(gè)不同方向的試驗(yàn)，3和6兩個(gè)方向效應(yīng)最明顯，1和4兩個(gè)方向效應(yīng)最不明顯，2和5兩個(gè)方向介于最明顯和最不明顯中間。為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行6個(gè)方向在電磁脈沖輻照環(huán)境下的理論分析。1和4兩個(gè)方向，電磁脈沖波垂直入射面積最小的面，電場矢量垂直于顯示器和計(jì)算器結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的最長導(dǎo)體，電場耦合最小，同時(shí)磁場平行于電流回路，沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流，該方向下效應(yīng)最不明顯。3和6兩個(gè)位置，電磁脈沖波垂直入射面積最小的面，電場矢量指向最長導(dǎo)體（主板和顯示器之間的連接線纜），電場耦合最大，同時(shí)磁場矢量方向垂直于電路板，回路中產(chǎn)生最大感應(yīng)電流，該方向下效應(yīng)最明顯。2和5兩個(gè)位置，電磁脈沖波垂直入射面積最大的面，電場矢量指向最長導(dǎo)體（主板和顯示器之間的連接線纜），電場耦合最大，但磁場矢量方向平行于電路板，沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流，預(yù)測該方向下效應(yīng)介于明顯和不明顯之間。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，同時(shí)在此次試驗(yàn)過程中，也驗(yàn)證強(qiáng)電磁脈沖耦合途徑中，長線纜耦合是威脅最大的耦合方式。

干擾效應(yīng)狀態(tài)B對應(yīng)的現(xiàn)象是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失。由前面的分析可知，發(fā)生效應(yīng)的關(guān)聯(lián)部件是隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），由于強(qiáng)電磁脈沖能量超過計(jì)算器集成電路的敏感閾值，導(dǎo)致計(jì)算器內(nèi)部集成電路中隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）復(fù)位，復(fù)位后緩存數(shù)據(jù)默認(rèn)為0。對于電子設(shè)備，隨機(jī)存儲(chǔ)芯片（RAM）是必不可少的組成單元，負(fù)責(zé)與運(yùn)算單元直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，存放當(dāng)前正在使用的（即執(zhí)行中）的數(shù)據(jù)和程序，是數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算處理類電子產(chǎn)品最核心的組成部分。緩存數(shù)據(jù)的清零會(huì)直接導(dǎo)致當(dāng)前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)丟失和計(jì)算結(jié)果的無效，造成不可估量的損失和嚴(yán)重后果。

5 結(jié) 語

本文中，采取模擬高空核電磁脈沖環(huán)境的試驗(yàn)方法，對電子計(jì)算器在不同場強(qiáng)環(huán)境下電磁環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，得出了相對應(yīng)的效應(yīng)狀態(tài)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高空核電磁脈沖對典型電子設(shè)備產(chǎn)生了敏感效應(yīng)，敏感閾值為15 kV/m，其敏感部位為集成電路的隨機(jī)存儲(chǔ)芯片（RAM），主要耦合途徑為長線纜和未經(jīng)屏蔽的設(shè)備殼體。為了提高電子設(shè)備在強(qiáng)電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力，不僅要建立完善的試驗(yàn)設(shè)施以及標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，同時(shí)還需要進(jìn)行電磁安全防護(hù)設(shè)計(jì)。針對電子設(shè)備面臨的電磁安全威脅，從系統(tǒng)防護(hù)的角度出發(fā)，給出以下防護(hù)建議：

（1）系統(tǒng)評估。在電子設(shè)備或電子系統(tǒng)部署前，從總體的角度進(jìn)行考慮，將電磁環(huán)境適應(yīng)性納入考慮范圍。具體方法是基于強(qiáng)電磁脈沖在地理環(huán)境中的傳播模型以及威脅源的輻射特性，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，對電子設(shè)備的外部強(qiáng)電磁環(huán)境進(jìn)行預(yù)測，分析特定區(qū)域中電磁環(huán)境特性，根據(jù)能量強(qiáng)度和頻域分布對目標(biāo)處的強(qiáng)電磁環(huán)境進(jìn)行等級劃分，并評估電磁環(huán)境對目標(biāo)電子設(shè)備的威脅和危害程度，自上而下系統(tǒng)性的對電子設(shè)備抗擾度和環(huán)境威脅等級進(jìn)行合理匹配。

（2）正向設(shè)計(jì)。在電子設(shè)備或系統(tǒng)研發(fā)階段，確定電磁防護(hù)指標(biāo)，建立防護(hù)設(shè)計(jì)體系，基于指標(biāo)要求進(jìn)行前期設(shè)計(jì)，分級防護(hù)，指標(biāo)量化分配，針對性設(shè)計(jì)防護(hù)措施。針對敏感電子設(shè)備，從“前門”和“后門”分別考慮分析強(qiáng)電磁環(huán)境對其產(chǎn)生的能量效應(yīng)和信息效應(yīng)，通過傳輸路徑分析其威脅程度，如果有多個(gè)傳輸路徑，則計(jì)算每個(gè)路徑的系統(tǒng)防護(hù)指標(biāo)，然后求總防護(hù)指標(biāo)，或者是選擇最嚴(yán)重的防護(hù)指標(biāo)，最后根據(jù)防護(hù)指標(biāo)的分析，給出防護(hù)設(shè)計(jì)建議。

（3）物理防護(hù)。對于電子設(shè)備，組成要素為設(shè)備殼體、接口線纜、內(nèi)部電路及芯片等，電磁防護(hù)主要針對直接電磁輻射效應(yīng)和瞬態(tài)高電壓大電流的傳導(dǎo)效應(yīng)，采取隔離和泄放兩種技術(shù)手段進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。隔離主要措施就是采取屏蔽，將敏感單元與電磁輻射環(huán)境相隔離，減少輻射源對敏感體的耦合影響。泄放主要措施是在能量進(jìn)入設(shè)備通道前，將其引入到大地，避免在端口上產(chǎn)生高頻電壓，使電子設(shè)備被干擾。電磁防護(hù)與電磁兼容在內(nèi)涵上是一致的，都是通過研究電磁環(huán)境對目標(biāo)的耦合機(jī)理和作用途徑，從而針對性的切斷耦合路徑或者提高抗敏度，最終提升電子設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力。