船載導(dǎo)航設(shè)備電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)分析研究

摘要 電磁脈沖可由核爆炸、雷電、高功率微波設(shè)備及其它方式產(chǎn)生，能毀傷雷達(dá)、無(wú)線電通信、導(dǎo)航設(shè)備以及其它的電子設(shè)備。毀損的器件包括電子設(shè)備中的晶體管，集成電路，電容電阻電感、濾波器以及繼電器等各類電子器件。電磁脈沖主要通過(guò)輻射耦合和傳導(dǎo)耦合作用于屏蔽機(jī)箱。其耦合途徑主要為“前門耦合”和“后門耦合”?！扒伴T耦合”指電磁脈沖通過(guò)目標(biāo)上的天線即傳輸線等耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，以干擾或毀傷其前段電子設(shè)備；“后門耦合”是指電磁脈沖通過(guò)目標(biāo)上的縫隙或孔洞耦合進(jìn)系統(tǒng)，干擾或毀傷電子設(shè)備中的微電子器件和集成電路。

本文的主要研究?jī)?nèi)容為，針對(duì)船載電子導(dǎo)航設(shè)備的特點(diǎn)，進(jìn)行關(guān)于雷電脈沖、核電磁脈沖及非核電磁脈沖的防護(hù)分析與研究。

關(guān)鍵詞 電磁脈沖；耦合；防護(hù)

中圖分類號(hào) TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-（2012）122-0176-02

近幾年來(lái)，隨著微電子技術(shù)迅速發(fā)展，超大規(guī)模集成電路和高密度、高集成度器件的最新技術(shù)在船載射頻系統(tǒng)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。從整體上看，設(shè)備信息化含量程度越高，在復(fù)雜電磁環(huán)境中的防護(hù)能力越脆弱。因此加強(qiáng)船載設(shè)備的電磁防護(hù)能力顯得越來(lái)越重要。本文通過(guò)某型船載導(dǎo)航設(shè)備的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，歸納出船載電子設(shè)備的電磁防護(hù)的通用設(shè)計(jì)方法。

1 電磁脈沖的說(shuō)明

1.1 電磁脈沖的分類

按照產(chǎn)生機(jī)理分析，電磁脈沖，主要有兩類，一是自然形成的雷電脈沖二是周邊環(huán)境產(chǎn)生的強(qiáng)電磁輻射，后者又可分為核電磁脈沖和非核電磁脈沖（包括高功率微波（窄帶）強(qiáng)電磁脈沖和超寬帶強(qiáng)電磁脈沖）兩種。

1.2 雷電脈沖（LEMP）

雷電的直接效應(yīng)：雷電電弧附著時(shí)伴隨產(chǎn)生的高位、高壓沖擊波和電磁能量對(duì)系統(tǒng)造成的燃燒、溶蝕、爆炸、結(jié)構(gòu)畸變和強(qiáng)度降低等效應(yīng)。

雷電間接效應(yīng)：雷電放電時(shí)伴隨產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖感應(yīng)引起的過(guò)電壓或過(guò)電流對(duì)系統(tǒng)電氣電子設(shè)備所造成的損壞或干擾。

1.3 核爆炸電磁脈沖

核電磁脈沖是由離地面30 km～500 km的高空區(qū)域發(fā)生核爆炸或太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的γ射線激發(fā)電離大氣層而產(chǎn)生的電磁脈沖，又稱高空核爆炸電磁脈沖（HEMP）。

從波形看，核電磁脈沖具有很高的峰值場(chǎng)強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)104 V/m～108 V/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)10 mT，而且很快上升至峰值，上升沿的時(shí)間通常不大于5 ns。其主要產(chǎn)生的電磁脈沖頻譜覆蓋了從超長(zhǎng)波直至微波低端的整個(gè)頻段（下限為幾千赫茲，上限為300 MHz）。核電磁脈沖主要通過(guò)“前門”耦合途徑，進(jìn)入敏感設(shè)備接收機(jī)內(nèi)部，對(duì)重要模塊和期間造成臨時(shí)性或永久性的破壞。

通常采用雙指數(shù)型脈沖波形對(duì)核電磁脈沖進(jìn)行描述，對(duì)應(yīng)輻射環(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式為：

E（t）=kEp（e-αt-e-βt）

1.4 非核電磁脈沖

非核電磁脈沖根據(jù)輻射特征，又可分為高功率微波（窄帶）強(qiáng)電磁脈沖（HPM）和超寬帶強(qiáng)電磁脈沖（UWB）。其脈沖峰值功率已達(dá)數(shù)十千兆瓦，輻射的瞬時(shí)電磁脈沖峰值場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)數(shù)百千伏/米。非核電磁脈沖的上升時(shí)間僅為幾十微秒，而從最高峰下降到峰值的一半所持續(xù)的時(shí)間約為幾十納秒，其輻射頻譜可覆蓋

30 MHz～50 GHz。非核電磁脈沖可通過(guò)“前門”耦合，在敏感射頻設(shè)備接收鏈路的電子線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓與電流，以擊穿或燒毀其中的敏感元件；當(dāng)射頻設(shè)備的天線安裝構(gòu)件、機(jī)柜外殼等具有與微波脈沖波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)目住⒖p、窗等結(jié)構(gòu)時(shí)，非核電磁脈沖可通過(guò)“后門”耦合兩種途徑進(jìn)入接收機(jī)，干擾或破壞其內(nèi)部電子

設(shè)備。

1.5 船舶電磁防護(hù)簡(jiǎn)述

船舶是一個(gè)大型金屬結(jié)構(gòu)，其船體及上層建筑基本上都屬于金屬結(jié)構(gòu)件。一般來(lái)說(shuō)，大型金屬結(jié)構(gòu)能夠耦合大量的電磁脈沖能量。另外，船舶甲板上的眾多天線、外部電纜和管道等金屬導(dǎo)體也可以耦合電磁脈沖能量。當(dāng)電磁脈沖沖擊到一艘船舶時(shí)，一些能量通過(guò)艙口、通道、窗口及縫隙直接穿透至甲板下隔艙，而大部分能量通過(guò)傳導(dǎo)耦合、輻射耦合模式對(duì)船載射頻設(shè)備造成干擾或破壞作用。耦合途徑主要分為“前門”耦合（能量通過(guò)射頻設(shè)備天線、布置于靠近船體外側(cè)壁艙室的中主要機(jī)柜和一些電纜、傳輸線進(jìn)入包含有發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)，以破壞前端射頻設(shè)備）和“后門”耦合（能量通過(guò)射頻設(shè)備的天線安裝構(gòu)件、機(jī)柜外殼等結(jié)構(gòu)上的縫隙或孔洞進(jìn)入系統(tǒng)，干擾其射頻設(shè)備，使其不能正常工作或燒毀電子設(shè)備中微電子器件的和電路）。其主要的幾種破壞機(jī)制包括：高壓擊穿、器件燒毀、電涌沖擊、瞬間干擾、微波加溫、強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)、磁效應(yīng)（針對(duì)計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)記憶元件）。在其作用下，射頻系統(tǒng)設(shè)備可能出現(xiàn)工作失靈、功能損壞、甚至是系統(tǒng)癱瘓等嚴(yán)重現(xiàn)象。

我國(guó)目前船舶電子信息系統(tǒng)主要采取了防雷擊的相關(guān)措施，但這些措施對(duì)上升時(shí)間在10 ns左右的高功率微波電磁脈沖基本不起作用，更談不上對(duì)上升沿為0.1 ns級(jí)的超寬帶電磁脈沖進(jìn)行

抑制。

2 某型導(dǎo)航設(shè)備對(duì)電磁脈沖的防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 針對(duì)前門耦合的防護(hù)

該導(dǎo)航設(shè)備配備的超短波天線主要工作在超短波段的150 MHz-165 MHz，對(duì)非工作頻段具有很強(qiáng)的抑制和衰減作用。在天線饋電端口處加裝有相應(yīng)防護(hù)措施，耦合過(guò)大的電磁波能量（≥10 dBm）時(shí)，則自動(dòng)切斷天線饋電端口與主機(jī)內(nèi)部電路板的連接。針對(duì)可能發(fā)生的對(duì)電源線的“前門”耦合，設(shè)備在電源接入口采用了有效的電源濾波器和熔斷型保險(xiǎn)絲。電流過(guò)大時(shí)，具備自動(dòng)切斷主機(jī)電源的能力。同時(shí)，為確保對(duì)“前門”耦合的防護(hù)，主機(jī)內(nèi)外部連接電纜的使用上，設(shè)備皆采用具有良好屏蔽效能的電纜。

在電路板上，射頻信號(hào)接口以及電源接口采用接地，隔離，均壓，濾波等有效防護(hù)手段及措施。

2.2 針對(duì)后門耦合的防護(hù)

相對(duì)雷電電磁脈沖和核電磁脈沖主要作用在“前門”耦合，非核電磁脈沖還可以通過(guò)天線結(jié)構(gòu)件與機(jī)柜外殼等具有與微波脈沖波長(zhǎng)相等的孔、縫、窗等結(jié)構(gòu)處，通過(guò)“后門”耦合的途徑進(jìn)入接收機(jī)，干擾、破壞及損毀設(shè)備。

對(duì)此，該導(dǎo)航設(shè)備在主機(jī)和顯控終端上應(yīng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)，內(nèi)部外部接地

良好。

主機(jī)從正面看除各單元間細(xì)長(zhǎng)縫隙再無(wú)其他縫隙。同時(shí)，在加裝了減震緩沖設(shè)計(jì)的主機(jī)背后，可利用減震架，對(duì)主機(jī)與船體之間采用多點(diǎn)接地，確保接地效果良好。而在顯控終端背后，設(shè)備除了確保其與主機(jī)共地良好外，還另外設(shè)計(jì)接地端口，方便顯控終端與船體共地。對(duì)此，我們使用電磁仿真軟件HFSS對(duì)該孔縫進(jìn)行電磁脈沖分析。對(duì)該縫隙進(jìn)行耦合激勵(lì)設(shè)置，掃頻范圍為

0.1 GHz～50 GHz，功率為100 W。

考慮到非核電磁脈沖的寬頻帶特性和大動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，即使是主機(jī)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，主機(jī)內(nèi)部接地良好，也不排除會(huì)有大量電磁脈沖通過(guò)細(xì)小縫隙耦合涌入，情況如圖1所示。

由圖1得知，內(nèi)部電路將被嚴(yán)重干擾甚至損毀！為防止這類孔縫耦合，對(duì)各個(gè)單元加裝蓋板。

由圖2中電場(chǎng)分布強(qiáng)度可知，加蓋后，單個(gè)業(yè)務(wù)單元外部形成一個(gè)完整金屬屏蔽環(huán)境。電場(chǎng)只分布在已經(jīng)接地良好的金屬外殼上，而良好的接地能消除其對(duì)內(nèi)部電路的

影響。

除了盡量避免結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)較大縫隙，設(shè)備在裝船時(shí)，將對(duì)主機(jī)和顯控終端散熱孔以及備用的對(duì)外接口上加裝電磁屏蔽網(wǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該導(dǎo)航設(shè)備具備較好的“前門”和“后門”耦合防護(hù)效果，相關(guān)措施起到了較好的電磁脈沖防護(hù)作用。歸納起來(lái)在船載電子設(shè)備的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)上可采取的措施包括：

3.1 斷耦合路徑，采取硬件加固措施

采取硬件加固模塊等技術(shù)措施，如天線的防護(hù)電路或加固設(shè)計(jì)等，改進(jìn)電子裝備，從“前門”和“后門”進(jìn)行嚴(yán)密的防護(hù)，以切斷電磁脈沖的傳輸途徑，阻止強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入電子元器件

內(nèi)部。

3.2 采用電磁加固（即系統(tǒng)屏蔽強(qiáng)化設(shè)計(jì)）

電磁加固的技術(shù)基礎(chǔ)是屏蔽技術(shù)。屏蔽防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)所有電纜及進(jìn)出孔要用電磁波吸收材料加以堵塞，并對(duì)電纜、導(dǎo)線采用旁路電容、濾波等措施。對(duì)通信和信息系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行的超級(jí)屏蔽處理包括結(jié)構(gòu)材料選用電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率乘積大的材料設(shè)備機(jī)箱外采用高導(dǎo)電涂層增加屏蔽效果在結(jié)構(gòu)方面，研究合理的外部形狀，開孔的位置、大小要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算對(duì)機(jī)箱上產(chǎn)生縫隙的部位，要使用合理的密封和導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料對(duì)一些敏感部件，采用雙層屏蔽設(shè)計(jì)。

3.3 濾波和接地

濾波是為了預(yù)防不希望的電磁振蕩沿與設(shè)備相連的任何外部連接線傳入設(shè)備。在電線、電纜穿過(guò)屏蔽體的地方安裝濾波器（例如電源線濾波器、信號(hào)濾波器等），濾除線纜上從外界耦合的電磁干擾，有效防止貫通線纜造成屏蔽效能下降的現(xiàn)象。

良好的接地是降低強(qiáng)電磁脈沖對(duì)船載射頻系統(tǒng)/設(shè)備破壞的基礎(chǔ)?？蓪⑿盘?hào)地與電源地分開，先將信號(hào)地匯聚在一起，然后將兩者用最短的導(dǎo)線連在一起，以避免含有多種脈沖波形的大電流引到某數(shù)字器件的輸入端，而導(dǎo)致系統(tǒng)正常的邏輯功能失效。另外，為了安全，所有船載射頻系統(tǒng)/設(shè)備的機(jī)柜殼體應(yīng)接到電源

地上。

3.4 應(yīng)用新型材料

選用具有高電導(dǎo)率、高磁導(dǎo)率等特性的新型材料，以加強(qiáng)屏蔽效果。

3.5 合理選用元器件和配線路

對(duì)于一些核心的電子設(shè)備，可以采用抗電磁干擾能力強(qiáng)的電子元器件。合理配置線路是減少電磁脈沖武器對(duì)通信和信息系統(tǒng)設(shè)備系統(tǒng)的禍合與干擾的重要手段。

3.6 采用光纖傳輸

采用光導(dǎo)纖維完成射頻信號(hào)的傳送能具有較好的抗電磁脈沖效果。

3.7 合理設(shè)計(jì)電路

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)設(shè)計(jì)，用編碼和定時(shí)鑒別，或者同時(shí)使用的邏輯設(shè)計(jì)，使電路對(duì)電磁脈沖引起的瞬時(shí)干擾不予響應(yīng)，從而加強(qiáng)對(duì)任意瞬變過(guò)程的防護(hù)。

作者簡(jiǎn)介

朱能文（1980—），男，廣東廣州人，碩士，工程師，從事工作：船舶通信導(dǎo)航產(chǎn)品研究與開發(fā)。