高功率干擾設(shè)備電磁輻射危害性及防護分析

周 濤 ， 杜 丹

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸軍裝備部駐石家莊地區(qū)第一軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著電磁空間作戰(zhàn)技術(shù)的進步，電子干擾的手段逐漸向大功率、大范圍方向發(fā)展，期望能夠使用較少的設(shè)備控制較大的作戰(zhàn)區(qū)域。電子干擾裝備的輻射功率從90年代的百瓦量級、千瓦量級逐漸發(fā)展到兆瓦量級。

眾所周知，電磁輻射會對人體造成傷害，隨著輻射功率的增加及作用時間的延長，危害逐漸增大。對于操作及維護電子干擾裝備的作戰(zhàn)人員，不可避免地會受到電磁輻射影響。如果不能明確電子對抗裝備的輻射量，就不能保證作戰(zhàn)人員的身體健康，反之過度恐懼電磁輻射，就不能發(fā)揮電子對抗裝備的性能。為了避免這2個錯誤，就需要了解電磁輻射的危害，明確電子對抗裝備的輻射強度，采取合理的安全防護措施。

為保護人類的正常生活和繁衍，國內(nèi)外均制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電磁輻射安全限值，使電磁應(yīng)用安全考評有據(jù)可依。我國民用電磁輻射設(shè)備已經(jīng)普遍采取了強制性的電磁輻射安全性分析，對基站、通信車及雷達(dá)等專用設(shè)備也開展了電磁輻射危害性分析和防護研究[1-3]。本文對采用有源相控陣體制的高功率干擾設(shè)備的電磁輻射特性進行分析，針對相控陣特殊的天線波束形成方式，通過仿真獲得天線波束覆蓋區(qū)域，計算天線周圍不同區(qū)域的輻射計量，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了操作人員安全防護要求。

1 有源相控陣輻射特性分析方法

有源相控陣實現(xiàn)空間功率合成的原理是利用陣列天線中的多個天線單元，發(fā)射頻率相同、相位符合特定關(guān)系的電磁波，使之在空間傳播過程中功率相互疊加，從而在特定區(qū)域形成高功率場?？臻g功率合成技術(shù)應(yīng)用分布式功放，相對傳統(tǒng)的單功放、單饋源體制，避免了功率傳輸損耗大、功率耐受程度受限的問題，具有更大的等效輻射功率輸出潛力，是實現(xiàn)超大功率輻射輸出的最佳方式。

有源相控陣一般分為數(shù)字和模擬2種實現(xiàn)方式。數(shù)字方式通過數(shù)字集成電路產(chǎn)生多組不同相位的激勵信號，通過DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號送入前端發(fā)射通道；模擬方式輸入的干擾激勵信號為同源同相信號，通過在模擬通路上加裝模擬移相器，實現(xiàn)各通道相位調(diào)整，模擬有源相控陣組成如圖1所示。相對于數(shù)字方式，模擬方式具有成本低、成熟度高和工程易實現(xiàn)的優(yōu)點[4-5]。

圖1 模擬有源相控陣組成

模擬有源相控陣輸入的干擾激勵信號通過分配網(wǎng)絡(luò)分到各發(fā)射通道，前級功放用于抵消功率分配帶來的損耗。各發(fā)射通道的信號經(jīng)過移相器調(diào)相和末級功率放大后，送入天線單元輻射輸出。末級功放一般采用分布式小功率固態(tài)功率放大器。

有源相控陣在天線遠(yuǎn)場處的等效EIRP值計算公式為：

EIRP(遠(yuǎn)場)=N2×G×P×η，

式中，N為天線單元個數(shù)；G為單個天線增益；P為單個天線的發(fā)射功率；η為合成效率。

近場區(qū)域中，有源相控陣輻射特性與遠(yuǎn)場條件下差別很大。為了說明有源相控陣近場和遠(yuǎn)場輻射強度的不同，首先要了解電磁波在天線近場和遠(yuǎn)場的傳播特性。

由電磁傳播理論可知，天線空間輻射場分為感應(yīng)近場區(qū)、輻射近場區(qū)和輻射遠(yuǎn)場區(qū)[6]，如圖2所示。

圖2 電磁波的輻射與場區(qū)劃分

感應(yīng)近場區(qū)的電磁場并不產(chǎn)生輻射，其能量是震蕩的，感應(yīng)近場區(qū)與輻射近場區(qū)之間的邊界線為：

式中，D為天線口徑；λ為信號波長。

輻射近場區(qū)又稱為菲涅爾區(qū)，此區(qū)域的場相對振幅隨距離的改變而改變，在不同的距離上方向圖均不同。

輻射遠(yuǎn)場區(qū)，電場矢量和磁場矢量在空間上相互垂直，在時間上同相，共同激發(fā)場電流，電磁能量沿矢徑方向向外傳播不再返回，形成電磁輻射。輻射近場區(qū)與輻射遠(yuǎn)場區(qū)之間的邊界線為：

式中，D為天線口徑；λ為信號波長。一般認(rèn)為，距離超過R2為遠(yuǎn)場區(qū)，反之為近場區(qū)。

在近場區(qū)域，有源相控陣中各天線單元輻射信號呈非相干性，在空間不能合成功率，相當(dāng)于多個發(fā)射單元并行工作。相控陣天線近場區(qū)域等效輻射功率為：

EIRP(近場)=N×G×P×η。

與較遠(yuǎn)場條件相比，近場等效輻射功率減小了N倍。

對于近距離接觸干擾設(shè)備的操作人員來說，關(guān)注的是近場區(qū)域電磁場強分布。首先應(yīng)該明確近場的界限，然后再計算近場區(qū)域電磁輻射場強。

2 電磁輻射危害與防護

2.1 電磁輻射危害原理

電磁輻射對人體的危害是一個長期累積的過程，以熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累積效應(yīng)3種方式作用于人體[7]。

電磁輻射作用于人體中的水分子，產(chǎn)生熱效應(yīng)，會產(chǎn)生高溫生理反應(yīng)而引發(fā)疾病；電磁輻射作用于人體器官和組織的微弱電磁場，產(chǎn)生非熱效應(yīng)，降低人體酶系統(tǒng)、染色體和細(xì)胞膜活性，可導(dǎo)致免疫、生殖和代謝功能下降等危害；長期接觸過量的電磁輻射，危害累積而得不到人體的自行修復(fù)，就會成為永久性病態(tài)，甚至危及生命。

不同頻段電磁輻射對人體器官影響不同，依據(jù)射頻共振原理，1/4波長為共振區(qū)，因此30～300 MHz為人體最易吸收的頻段，故此頻段范圍微波輻射對人體傷害最大。電磁輻射頻率和傷害位置對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 電磁輻射頻率和傷害位置對應(yīng)關(guān)系

頻率/MHz波長/cm感應(yīng)區(qū)傷害特性<150>200無人體無傷害150～1 200200～25內(nèi)部器官人體吸收50%的微波能量,器官因過熱受損1 000～3 30030～9眼球眼球受熱易生成白內(nèi)障3 300～10 0009～3眼及表皮皮膚為主要吸收體,皮膚受傷發(fā)熱>10 000<3皮膚皮膚對微波部分吸熱,部分反射,皮膚發(fā)癢

因此，對不同頻率的電磁輻射，應(yīng)采取不同的防護措施。

2.2 電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)

目前，各國關(guān)于電磁輻射均制定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但各國標(biāo)準(zhǔn)限值并不統(tǒng)一，尚未形成一致的評價和測試標(biāo)準(zhǔn)。我國參考國際標(biāo)準(zhǔn)并制定了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。

GJB5313A-2007中規(guī)定了1 Hz～300 GHz電磁輻射環(huán)境中作業(yè)區(qū)和生活區(qū)輻射暴露限值、測量和評價方法，明確了短時間暴露限值和長時間暴露限值，明確了100 kHz以上電磁輻射的限值與時間的關(guān)系。作業(yè)區(qū)短時間暴露的平均暴露限值如表2所示。

表2 作業(yè)區(qū)短時間暴露的平均暴露限值

頻率范圍/MHz平均電場強度/V·m-1平均功率密度/W·m-20.1～3.5170-3.5～10610/f-10～4006110400～2 0003f1/2f/402 000～300 00013750注1:限值為任意6 min測量平均值的限值注2:f為頻率范圍欄中的頻率值

作業(yè)區(qū)連續(xù)8 h暴露的平均暴露限值如表3所示。

表3 作業(yè)區(qū)連續(xù)8 h暴露的平均暴露限值

頻率范圍/MHz平均電場強度/V·m-1平均功率密度/W·m-2)0.1～3.047.763～3082.5/f1/218/f30～3 000150.63 000～10 0000.274f1/2f/5 00010 000～300 00027.42注1:限值為任意 6 min測量平均值的限值注2:f為頻率范圍欄中的頻率值

對于L頻段，以典型值1 000 MHz為例，作業(yè)區(qū)長時間暴露限值為15 V/m，短時限值為94.8 V/m。

2.3 電磁輻射防護措施

通過有效的防護，能夠降低人體接收電磁輻射的強度，保證人員身體健康。電磁輻射的防護措施主要包括4個方面：降低輻射源強度、隔離傳播途徑、減少累計輻射時間和人體自身恢復(fù)。

2.3.1 降低輻射源強度

為實現(xiàn)電子干擾裝備的作戰(zhàn)性能，系統(tǒng)輻射強度不能降低時，合理設(shè)計安全作業(yè)區(qū)域，可等效輻射源輻射強度。應(yīng)根據(jù)輻射源天線方向圖，劃分出強輻射區(qū)作為作業(yè)禁區(qū)，避免人員受到強輻射危害。同時，計算出近場功率輻射值，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的安全限值，劃分危害區(qū)域，懸掛警示標(biāo)志，禁止非作業(yè)人員長時間停留。

2.3.2 隔離傳播途徑

采用屏蔽技術(shù)是隔離傳播途徑的主要方式。

對需要長時間在輻射區(qū)工作的人員，可配備屏蔽房或屏蔽方艙。一般屏蔽房建設(shè)在輻射源正下方，使用鋼筋混凈土結(jié)構(gòu)，設(shè)計小尺寸門窗。

按照GJB6109-2007，電磁屏蔽方艙的電磁屏蔽要求分為3級，I級60 dB(0.09 MHz～18GHz)，Ⅱ級 60 dB(0.1 MHz～10 GHz)，Ⅲ級40 dB (0.10 MHz～10 GHz)。電磁屏蔽方艙與普通方艙的基本組成相同，采用金屬板結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別是在門窗、通風(fēng)孔口處采用特殊的屏蔽材料進行處理，如屏蔽絲網(wǎng)、通風(fēng)波導(dǎo)等，在設(shè)計加工組裝古城中要保證艙體各部分的電氣連續(xù)性[10]。

穿戴屏蔽服是一種重要的電磁防護措施，一般采用金屬絲線織物制作，包括屏蔽服、屏蔽帽、屏蔽手套、屏蔽鞋和屏蔽眼鏡等。GB/T 23464—2009規(guī)定了其覆蓋的頻率范圍是300 MHz～300 GHz，屏蔽效能分為不小于50 dB、不小于30 dB和不小于10 dB三檔[11]。

2.3.3 減少累計輻射時間

對于強輻射源的使用和維護，應(yīng)規(guī)定合理的工作時間，避免電磁輻射累計效應(yīng)加重對人體的傷害，使作業(yè)人員能夠及時得到恢復(fù)。

2.3.4 人體自身恢復(fù)

人體自身的恢復(fù)是降低輻射危害最重要的方式之一。平時生活中應(yīng)多吃水果和綠色蔬菜，多飲用綠茶。綠色蔬菜，特別是富含維生素B的食物，有利于調(diào)節(jié)人體電磁場紊亂狀態(tài)；綠茶含有較多能夠改善機體造血功能的脂多糖。科學(xué)的飲食，能夠改善人體自身對輻射的抵抗能力，簡單易行且行之有效。

3 仿真分析

3.1 L頻段有源相控陣系統(tǒng)

對有源相控陣天線波束性能的分析，主要通過計算機仿真、實裝測試和小樣機測試3種方法。在對某型L頻段的有源相控陣系統(tǒng)性能分析中，采用計算機仿真的方法[12]。

系統(tǒng)天線陣子采用96個對稱陣子天線，按照6×16陣型布陣，系統(tǒng)使用96個20 W固態(tài)功放饋入每個天線單元，天線單元增益為3 dBi，陣列合成效率為0.8。根據(jù)有源相控陣遠(yuǎn)場計算公式，等效輻射功率不小于440 kW。

陣列天線波束三維仿真如圖3所示，陣列天線波束二維仿真如圖4所示。

圖3 天線波束三維仿真

圖4 天線波束二維仿真

圖4中，分別仿真了900，1 000 MHz兩個頻點的場強，頻率越高，天線波束越窄。干擾系統(tǒng)天線波束增益如表4所示。

表4 干擾系統(tǒng)天線波束增益

序號波束角度/(°)抑制/dBm1主瓣0-m2第1旁瓣12.214.4m3第2旁瓣23.417.6m4第3旁瓣31.720.1

通過天線波束仿真可以看出，天線主波束方向和30°方向的增益相差20 dB以上，系統(tǒng)電磁輻射場強相差100倍。

對于L頻段天線系統(tǒng)，天線口徑D按照2 m計算，距離天線超過26.7 m為遠(yuǎn)場區(qū)域，之內(nèi)為近場區(qū)域。

根據(jù)有源相控陣近場計算公式，等效輻射功率不小于4.6 kW，僅為遠(yuǎn)場輻射強度的1%。

3.2 安全區(qū)域分析

遠(yuǎn)場區(qū)域，即距離天線26.7 m之外，天線主波束覆蓋區(qū)為強輻射區(qū)，即天線法線方向±10°范圍。

近場區(qū)域，即距離天線26.7 m之內(nèi)，電磁輻射信號隨距離不同逐漸衰減，符合自由空間傳輸損耗規(guī)則。計算L頻段相控陣干擾系統(tǒng)近場區(qū)域、不同距離處電磁輻射場強。干擾系統(tǒng)近場電磁場強如表5所示。

表5 干擾系統(tǒng)近場電磁場強

距離/m接收平均電場強度/V·m-1378.0639.01219.51614.6

根據(jù)GJB5313A的規(guī)定，作業(yè)區(qū)長時間暴露限值為15 V/m，短時限值為94.8 V/m。因此，距離該型干擾系統(tǒng)超出3 m時，即可滿足短時安全限值要求。超出16 m時，即可滿足長時間安全限值要求。

因此，確定天線主波束范圍內(nèi)是強輻射區(qū)，為人員禁區(qū)。由于天線可以機械轉(zhuǎn)動，禁區(qū)隨天線轉(zhuǎn)動角度變化。近場區(qū)域為弱輻射區(qū)，可短時停留，操作人員在屏蔽方艙內(nèi)或穿著屏蔽服時，可安全工作。

4 使用注意與防護措施

該干擾系統(tǒng)工作頻段為L頻段，從電磁輻射危害原理可以看出，L頻段對人體的傷害最大，主要作用于人體的內(nèi)臟器官和眼球，因此，必須采取相應(yīng)的措施進行防護。盡管從仿真結(jié)果得知，在近場條件下，電磁輻射符合短時安全限值，但為安全考慮，仍需要采取必要的安全防護。

① 屏蔽方艙

系統(tǒng)配備屏蔽方艙，具體設(shè)計包括：在艙門縫隙處安裝金屬絲網(wǎng)，通風(fēng)口和空調(diào)進風(fēng)通道安裝通風(fēng)波導(dǎo)板，信號孔口使用屏蔽型專用接插件。屏蔽方艙屏蔽能力不低于40 dB。在屏蔽方艙內(nèi)，接收平均電場強度降至1 V/m以下，遠(yuǎn)低于作業(yè)區(qū)長時間暴露限值規(guī)定的15 V/m。

② 安全區(qū)域

相控陣天線波束寬度為20°，天線前方標(biāo)定為危害區(qū)域，在天線前端設(shè)計聲光報警裝置，系統(tǒng)工作時發(fā)出告警信息，提醒危害區(qū)域人員離開。

③ 安全警示標(biāo)志

除艙外聲光警示，在艙內(nèi)控制計算機上設(shè)計多重安全提醒，如功率開啟提醒、確認(rèn)艙門關(guān)閉提醒、確認(rèn)危害區(qū)無人提醒和工作時長累積提醒等。

5 結(jié)束語

對有源相控陣電子干擾設(shè)備,在近場區(qū)域產(chǎn)生的輻射功率遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)場區(qū)域合成的波束，因此，通過計算可合理地劃分出危害區(qū)域加以警示。在其他區(qū)域，通過必要的安全防護措施，能夠保證操作人員的安全。

基于電磁輻射數(shù)據(jù)計算和安全性分析，使用單位能夠針對電子對抗裝備制定合理的安全操作手冊，指導(dǎo)作戰(zhàn)人員，在保證人身健康安全的基礎(chǔ)上，完成必要的作戰(zhàn)任務(wù)。