強電磁脈沖前門防護技術研究

邵元正 文蛟龍 王雨蒙 王久鵬 張亞秒

摘 要：本文針對強電磁脈沖前門防護的主要技術途徑，分別分析了限幅器/抑制電路、頻率選擇表面、能量選擇表面的作用機理、研究現狀及發展趨勢。強電磁脈沖前門防護需將空間防護和通道防護結合起來，在信號持續收發的同時，實現對電子設備的有效隔離和保護。

關鍵詞：強電磁脈沖;前門防護;插入損耗;屏蔽效能

中圖分類號：TN 07 ?文獻標識碼：A

隨著高功率微波技術的發展以及電子設備集成化水平的不斷提高，雷達等電子裝備面臨的強電磁脈沖威脅日益嚴重，強電磁脈沖可通過前、后門耦合多種途徑進入設備內部，對其電子元器件造成毀傷。面對電磁脈沖的威脅，屏蔽關機是最簡單有效的對抗措施，但對雷達等需要持續工作的設備而言，需要進行前門防護，使有用信號持續收發，同時能夠屏蔽強電磁脈沖的攻擊。

1 日益嚴重的強電磁脈沖威脅

經過數十年的發展，美俄等國均已研制出可用于實戰的高功率微波武器，從空基的高功率微波彈到地基車載的高功率微波炮均有不同產品問世，可用于攻擊雷達、導航、通信系統、無人機集群等武器裝備。[1]面對其發射出的功率達幾十GW、高重復頻率、幾十ns脈沖上升沿的強電磁脈沖，傳統的電子設備防護措施顯得力不從心，難以應對。從屏蔽效能看，極高功率的強電磁脈沖在經過金屬屏蔽措施的衰減后仍然有較高的電平，可燒毀設備中的電子元器件;從反應速度看，傳統的防護電路反應時間在us量級，來不及應對僅有幾十ns上升沿的強脈沖。在復雜電磁環境中，雷達等電子裝備既要能夠抵御強電磁脈沖的攻擊，又要有效接收和發送正常的電磁信號，這對強電磁脈沖前門防護提出了更高的要求。

2 強電磁脈沖前門防護

強電磁脈沖通過前門和后門兩個耦合途徑進入電子裝備內部。前門耦合主要指電磁脈沖通過目標上的天線耦合到電子系統內。電磁脈沖的前門防護的技術途徑主要包括以下三種：限幅器/抑制電路防護，頻率選擇表面（Frequency Selective Surfaces，FSS）防護，能量選擇表面（Energy Selective Surfaces，ESS）防護。[2]限幅器/抑制電路防護多用作導波傳播路徑中，抑制瞬時高電壓，屬于通道防護;FSS和ESS大多為覆蓋于天線罩上，用以濾除其他頻段的干擾信號或者屏蔽感應出的高電壓，屬于空間防護。

2.1 限幅器/抑制電路

限幅器主要用途是保護接收機不被大功率信號燒毀，理想狀態下，輸入較低功率信號時，限幅器無衰減，當輸入信號功率增大至某一固定值，限幅器產生衰減;輸入信號功率進一步增大時，輸出功率將維持在某一固定值附近。限幅器主要有氣體放電管、固體限幅裝置、等離子體限幅器等。氣體放電管功率容量較大，但其響應的時間較長，固體限幅裝置和等離子體限幅器的響應時間均為ns級，適用于快上升沿脈沖的防護。常見的固體限幅裝置為PIN二極管，具有插入損耗小、反應迅速（ns級）等特點，但功率容量較低，遇到快上升沿的強電磁脈沖時，存在輸出端尖峰泄露的問題。因此需要與TVS二極管、氣體放電管等器件級聯使用，構成多級保護電路，以保證防護模塊輸出端的脈沖抑制。

將電調衰減器和限幅器級聯構成PIN二極管主動式限幅器，[3]電調衰減器能承受足夠高的功率容量，其衰減量由后級PIN限幅器轉換輸出的電流予以控制。韓鵬偉[4]等人將PIN二極管與波導結構組成了S波段的波導PIN限幅器，主要由PIN二極管、限幅器內導體、腔體及匹配電極組成。仿真結果表明，單級限幅單元的波導PIN限幅器，對高功率微波入射基本可以達到24dB以上的衰減量。

限幅器/抑制電路未來仍將繼續向大功率和小插損方向發展，除了GaAs PIN限幅器，還有BiCMOS二極管限幅等新材料的應用，以及波導式限幅器和雙半有源限幅電路結構[5]等新穎的設計。

2.2 頻率選擇表面

頻率選擇表面是一種將金屬貼片或孔徑型的諧振單元按二維方式排列在介質表面，組成無限大周期性的陣列結構，可實現對電磁波傳輸的有效控制，實現電磁波頻率、極化以及入射角度的選擇。在前門防護中，FSS能夠大大提高天線的帶外抑制能力，防護電子設備帶外頻率的強電磁脈沖。FSS多覆蓋于天線口面上，以達到所需的頻率、極化及入射角度的選擇功能。針對不同工作頻率、不同口面形狀的天線，其適用的FSS也需要相應的調整其單元形狀、尺寸、結構、介質種類等。

張厚[6]等設計了一種基于基片集成波導技術的新型帶通FSS，仿真計算表明：將該新型 FSS加載到如圖2的喇叭天線上，能夠有效抑制帶外干擾信號，在6～10GHz工作頻帶內的帶外抑制度達到20dB。王超[7]等人基于人工表面等離激元設計了一種具有陡截止和高透高抑制性能的雙通帶頻率選擇結構，能夠實現在3.0～4.1GHz和10.5～10.9GHz兩個頻帶內高效透射，而在4.7～9.2GHz和12.1～18GHz頻率范圍內，該結構能有效抑制透射效果。其結果對SAR這種多頻段雷達天線的強電磁脈沖防護具有較高的意義。

頻率選擇表面從傳統的無源FSS發展為有源FSS，從單一頻段選擇到雙頻段甚至多頻段選擇，從單層結構到雙層甚至立體結構發展。FSS使用的介質基板，也從傳統的材料發展到超材料，利用超材料獨特的電磁特性，提高FSS的入射角穩定性和極化穩定性。小型化技術[8]是拓展FSS應用范圍的重要手段，利用單元卷曲、交指技術、容性表面與感性表面耦合技術以及集總無源/有源元件加載技術等，極大提高了FSS的角穩定性，并且在局部小區域、限制空間、非平面波照射等特殊情況下，其依然具有優異的濾波特性。

2.3 能量選擇表面

能量選擇表面是一種可根據入射電磁波場強的大小改變自身電磁特性的防護材料。當弱場電磁波入射時，空間電場強度低于ESS防護啟動閾值，二極管截止，ESS處于透波模式;當強場電磁波入射ESS時，空間電場強度高于ESS防護啟動閾值，二極管導通，形成導電的金屬網絡柵格，屏蔽外場信號，ESS變為屏蔽模式。ESS可實現工作信號收發與強電磁脈沖防護的兼容，具有傳統防護技術無法比擬的優勢。

楊成[9]等設計制作了基于PIN二極管的能量選擇表面，在L和S波段進行測試，從原理上驗證了能量選擇表面的能量低通特性。結果表明，透波模式下，ESS插入損耗在1dB左右，屏蔽模式下，ESS屏蔽效能至少大于20dB。

劉晨曦[10]等設計出雙層非對稱結構的能量選擇表面（ESS）結構，在L波段插入損耗小于0.5dB，防護模式屏蔽效能大于20dB，具有能量低通特性，基本滿足電子設備的前門防護需求。

劉翰青[11]等設計出一種基于二氧化釩的新型ESS，利用在溫度或強電磁場的作用下，二氧化釩會產生相變，電導率發生顯著變化的特點，得到了1～3 GHz的頻段上，正常工作信號透過新型ESS時的插入損耗小于3.6dB，強場電磁波入射新型ESS時的屏蔽效能大于10dB。李浩祺[12]等設計出雙層Y形結構在頻率0～3GHz的范圍內，插入損耗最大0.8dB，屏蔽效能最高35dB。

處于透波模式的ESS要求插入損耗小，而處于屏蔽模式的ESS要求屏蔽效能高，二者難以兼得，需要對PIN二極管的I層厚度，ESS單元結構，介質基板介電常數等方面綜合考慮，得到滿足各項條件的設計方案。當前ESS研究的研究方向，一方面是新型半導體材料的應用，將PIN二極管替換為二氧化釩薄膜、錳氧化物、聚合物基納米復合材料等;另一方面是ESS與FSS的結合，形成一種限幅FSS，[13]實現濾除帶外干擾的同時實現強電磁防護。

3 結語

強電磁脈沖前門防護裝置應當具有高功率容量、快反應時間、低插入損耗、高屏蔽效能，以解決電磁防護與收發兼容的問題。隨著設計方法的進步和材料技術的發展，通道防護和空間防護的界限將逐漸模糊，二者相結合，能夠有效實現收發低能量信號、隔離強電磁脈沖，實現高效率、高可靠性和強實用性的前門防護。

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