強(qiáng)電磁脈沖前門防護(hù)技術(shù)研究

邵元正 文蛟龍 王雨蒙 王久鵬 張亞秒

摘 要：本文針對(duì)強(qiáng)電磁脈沖前門防護(hù)的主要技術(shù)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(jī)理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。強(qiáng)電磁脈沖前門防護(hù)需將空間防護(hù)和通道防護(hù)結(jié)合起來，在信號(hào)持續(xù)收發(fā)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的有效隔離和保護(hù)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)電磁脈沖;前門防護(hù);插入損耗;屏蔽效能

中圖分類號(hào)：TN 07 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著高功率微波技術(shù)的發(fā)展以及電子設(shè)備集成化水平的不斷提高，雷達(dá)等電子裝備面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅日益嚴(yán)重，強(qiáng)電磁脈沖可通過前、后門耦合多種途徑進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，對(duì)其電子元器件造成毀傷。面對(duì)電磁脈沖的威脅，屏蔽關(guān)機(jī)是最簡單有效的對(duì)抗措施，但對(duì)雷達(dá)等需要持續(xù)工作的設(shè)備而言，需要進(jìn)行前門防護(hù)，使有用信號(hào)持續(xù)收發(fā)，同時(shí)能夠屏蔽強(qiáng)電磁脈沖的攻擊。

1 日益嚴(yán)重的強(qiáng)電磁脈沖威脅

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，美俄等國均已研制出可用于實(shí)戰(zhàn)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(chǎn)品問世，可用于攻擊雷達(dá)、導(dǎo)航、通信系統(tǒng)、無人機(jī)集群等武器裝備。[1]面對(duì)其發(fā)射出的功率達(dá)幾十GW、高重復(fù)頻率、幾十ns脈沖上升沿的強(qiáng)電磁脈沖，傳統(tǒng)的電子設(shè)備防護(hù)措施顯得力不從心，難以應(yīng)對(duì)。從屏蔽效能看，極高功率的強(qiáng)電磁脈沖在經(jīng)過金屬屏蔽措施的衰減后仍然有較高的電平，可燒毀設(shè)備中的電子元器件;從反應(yīng)速度看，傳統(tǒng)的防護(hù)電路反應(yīng)時(shí)間在us量級(jí)，來不及應(yīng)對(duì)僅有幾十ns上升沿的強(qiáng)脈沖。在復(fù)雜電磁環(huán)境中，雷達(dá)等電子裝備既要能夠抵御強(qiáng)電磁脈沖的攻擊，又要有效接收和發(fā)送正常的電磁信號(hào)，這對(duì)強(qiáng)電磁脈沖前門防護(hù)提出了更高的要求。

2 強(qiáng)電磁脈沖前門防護(hù)

強(qiáng)電磁脈沖通過前門和后門兩個(gè)耦合途徑進(jìn)入電子裝備內(nèi)部。前門耦合主要指電磁脈沖通過目標(biāo)上的天線耦合到電子系統(tǒng)內(nèi)。電磁脈沖的前門防護(hù)的技術(shù)途徑主要包括以下三種：限幅器/抑制電路防護(hù)，頻率選擇表面（Frequency Selective Surfaces，F(xiàn)SS）防護(hù)，能量選擇表面（Energy Selective Surfaces，ESS）防護(hù)。[2]限幅器/抑制電路防護(hù)多用作導(dǎo)波傳播路徑中，抑制瞬時(shí)高電壓，屬于通道防護(hù);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(hào)或者屏蔽感應(yīng)出的高電壓，屬于空間防護(hù)。

2.1 限幅器/抑制電路

限幅器主要用途是保護(hù)接收機(jī)不被大功率信號(hào)燒毀，理想狀態(tài)下，輸入較低功率信號(hào)時(shí)，限幅器無衰減，當(dāng)輸入信號(hào)功率增大至某一固定值，限幅器產(chǎn)生衰減;輸入信號(hào)功率進(jìn)一步增大時(shí)，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(yīng)的時(shí)間較長，固體限幅裝置和等離子體限幅器的響應(yīng)時(shí)間均為ns級(jí)，適用于快上升沿脈沖的防護(hù)。常見的固體限幅裝置為PIN二極管，具有插入損耗小、反應(yīng)迅速（ns級(jí)）等特點(diǎn)，但功率容量較低，遇到快上升沿的強(qiáng)電磁脈沖時(shí)，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(jí)聯(lián)使用，構(gòu)成多級(jí)保護(hù)電路，以保證防護(hù)模塊輸出端的脈沖抑制。

將電調(diào)衰減器和限幅器級(jí)聯(lián)構(gòu)成PIN二極管主動(dòng)式限幅器，[3]電調(diào)衰減器能承受足夠高的功率容量，其衰減量由后級(jí)PIN限幅器轉(zhuǎn)換輸出的電流予以控制。韓鵬偉[4]等人將PIN二極管與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成了S波段的波導(dǎo)PIN限幅器，主要由PIN二極管、限幅器內(nèi)導(dǎo)體、腔體及匹配電極組成。仿真結(jié)果表明，單級(jí)限幅單元的波導(dǎo)PIN限幅器，對(duì)高功率微波入射基本可以達(dá)到24dB以上的衰減量。

限幅器/抑制電路未來仍將繼續(xù)向大功率和小插損方向發(fā)展，除了GaAs PIN限幅器，還有BiCMOS二極管限幅等新材料的應(yīng)用，以及波導(dǎo)式限幅器和雙半有源限幅電路結(jié)構(gòu)[5]等新穎的設(shè)計(jì)。

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(zhì)表面，組成無限大周期性的陣列結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳輸?shù)挠行Э刂?，?shí)現(xiàn)電磁波頻率、極化以及入射角度的選擇。在前門防護(hù)中，F(xiàn)SS能夠大大提高天線的帶外抑制能力，防護(hù)電子設(shè)備帶外頻率的強(qiáng)電磁脈沖。FSS多覆蓋于天線口面上，以達(dá)到所需的頻率、極化及入射角度的選擇功能。針對(duì)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(yīng)的調(diào)整其單元形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、介質(zhì)種類等。

張厚[6]等設(shè)計(jì)了一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的新型帶通FSS，仿真計(jì)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(hào)，在6～10GHz工作頻帶內(nèi)的帶外抑制度達(dá)到20dB。王超[7]等人基于人工表面等離激元設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在3.0～4.1GHz和10.5～10.9GHz兩個(gè)頻帶內(nèi)高效透射，而在4.7～9.2GHz和12.1～18GHz頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)能有效抑制透射效果。其結(jié)果對(duì)SAR這種多頻段雷達(dá)天線的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)具有較高的意義。

頻率選擇表面從傳統(tǒng)的無源FSS發(fā)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(jié)構(gòu)到雙層甚至立體結(jié)構(gòu)發(fā)展。FSS使用的介質(zhì)基板，也從傳統(tǒng)的材料發(fā)展到超材料，利用超材料獨(dú)特的電磁特性，提高FSS的入射角穩(wěn)定性和極化穩(wěn)定性。小型化技術(shù)[8]是拓展FSS應(yīng)用范圍的重要手段，利用單元卷曲、交指技術(shù)、容性表面與感性表面耦合技術(shù)以及集總無源/有源元件加載技術(shù)等，極大提高了FSS的角穩(wěn)定性，并且在局部小區(qū)域、限制空間、非平面波照射等特殊情況下，其依然具有優(yōu)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(jù)入射電磁波場強(qiáng)的大小改變自身電磁特性的防護(hù)材料。當(dāng)弱場電磁波入射時(shí)，空間電場強(qiáng)度低于ESS防護(hù)啟動(dòng)閾值，二極管截止，ESS處于透波模式;當(dāng)強(qiáng)場電磁波入射ESS時(shí)，空間電場強(qiáng)度高于ESS防護(hù)啟動(dòng)閾值，二極管導(dǎo)通，形成導(dǎo)電的金屬網(wǎng)絡(luò)柵格，屏蔽外場信號(hào)，ESS變?yōu)槠帘文Ｊ?。ESS可實(shí)現(xiàn)工作信號(hào)收發(fā)與強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的兼容，具有傳統(tǒng)防護(hù)技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

楊成[9]等設(shè)計(jì)制作了基于PIN二極管的能量選擇表面，在L和S波段進(jìn)行測試，從原理上驗(yàn)證了能量選擇表面的能量低通特性。結(jié)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(shè)計(jì)出雙層非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的能量選擇表面（ESS）結(jié)構(gòu)，在L波段插入損耗小于0.5dB，防護(hù)模式屏蔽效能大于20dB，具有能量低通特性，基本滿足電子設(shè)備的前門防護(hù)需求。

劉翰青[11]等設(shè)計(jì)出一種基于二氧化釩的新型ESS，利用在溫度或強(qiáng)電磁場的作用下，二氧化釩會(huì)產(chǎn)生相變，電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化的特點(diǎn)，得到了1～3 GHz的頻段上，正常工作信號(hào)透過新型ESS時(shí)的插入損耗小于3.6dB，強(qiáng)場電磁波入射新型ESS時(shí)的屏蔽效能大于10dB。李浩祺[12]等設(shè)計(jì)出雙層Y形結(jié)構(gòu)在頻率0～3GHz的范圍內(nèi)，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(duì)PIN二極管的I層厚度，ESS單元結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板介電常數(shù)等方面綜合考慮，得到滿足各項(xiàng)條件的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)前ESS研究的研究方向，一方面是新型半導(dǎo)體材料的應(yīng)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(fù)合材料等;另一方面是ESS與FSS的結(jié)合，形成一種限幅FSS，[13]實(shí)現(xiàn)濾除帶外干擾的同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁防護(hù)。

3 結(jié)語

強(qiáng)電磁脈沖前門防護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)具有高功率容量、快反應(yīng)時(shí)間、低插入損耗、高屏蔽效能，以解決電磁防護(hù)與收發(fā)兼容的問題。隨著設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步和材料技術(shù)的發(fā)展，通道防護(hù)和空間防護(hù)的界限將逐漸模糊，二者相結(jié)合，能夠有效實(shí)現(xiàn)收發(fā)低能量信號(hào)、隔離強(qiáng)電磁脈沖，實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性和強(qiáng)實(shí)用性的前門防護(hù)。

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