射頻前端強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)研究進(jìn)展

譚志良， 李亞南， 宋培姣

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū), 河北,石家莊 050003)

隨著無(wú)線電技術(shù)的進(jìn)步，射頻通信電子設(shè)備也在飛速地發(fā)展，極大地促進(jìn)了軍事指揮透明化、扁平化、協(xié)同化發(fā)展，同時(shí)超視距發(fā)現(xiàn)、超視距攻擊、電子戰(zhàn)等新興作戰(zhàn)手段也應(yīng)運(yùn)而生. 射頻通信技術(shù)越來(lái)越深刻地改變著戰(zhàn)爭(zhēng)的方式. 然而，隨著高功率微波武器和其他動(dòng)能、定向能武器等新概念武器不斷出現(xiàn)，加上自然環(huán)境中的雷電等電磁危害源，通信系統(tǒng)將面臨十分惡劣的高功率電磁環(huán)境[1]. 電磁脈沖武器通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)強(qiáng)電磁場(chǎng)來(lái)破壞對(duì)方的電子設(shè)備、指揮、控制、通信系統(tǒng)，強(qiáng)電磁脈沖武器釋放的高強(qiáng)度、超寬譜的電磁脈沖能量耦合進(jìn)入通信系統(tǒng)，將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部射頻接收前端模塊中半導(dǎo)體器件和集成電路的電擊穿、熱熔斷或熱應(yīng)力破壞. 因而，提高通信系統(tǒng)射頻前端的強(qiáng)電磁防護(hù)能力于整個(gè)通信指揮系統(tǒng)的正常工作具有重要的意義.

目前，有關(guān)電磁脈沖防護(hù)的理論、技術(shù)和試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法已成為當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)之一[2-3]. 由于雷電和靜電放電等相對(duì)比較常見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外的研究相對(duì)較多，但研究方向多集中于電子設(shè)備本身的防雷電及靜電設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[4-11]，對(duì)設(shè)備射頻前端的電磁防護(hù)較為薄弱.

射頻前端的電磁脈沖防護(hù)是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)體系，涵蓋范圍非常廣泛，限于篇幅無(wú)法一一介紹. 鑒于強(qiáng)電磁脈沖研究本質(zhì)上屬于瞬態(tài)電磁學(xué)研究的范疇，本文將從電磁脈沖效應(yīng)研究、電磁脈沖防護(hù)技術(shù)研究、電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系與評(píng)估3個(gè)方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的相關(guān)研究工作進(jìn)行歸納概述，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行展望.

1 電磁脈沖效應(yīng)研究

1.1 電磁脈沖效應(yīng)研究?jī)?nèi)容分析

磁脈沖效應(yīng)研究是電磁環(huán)境效應(yīng)(electromagnetic environment effect，E3)的重要研究?jī)?nèi)容，是指電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)、設(shè)備、裝置的運(yùn)行能力的影響，中國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 72A-2002[12]和美國(guó)AD報(bào)告AD-A243367都將其研究范圍進(jìn)行了定義. 電磁脈沖效應(yīng)的研究，是電磁抗干擾/毀傷技術(shù)研究的重要前提，可為未來(lái)武器裝備系統(tǒng)的論證、設(shè)計(jì)、研制、鑒定、應(yīng)用提供重要的理論、方法與技術(shù)支撐.

關(guān)于射頻前端的電磁脈沖效應(yīng)研究，首先需要針對(duì)典型電磁脈沖源建立波形數(shù)據(jù)庫(kù),其次針對(duì)需要射頻前端開(kāi)展精確建模，包括設(shè)備的模型數(shù)字化(如天線模型、濾波模型、結(jié)構(gòu)幾何模型等)，系統(tǒng)的電磁模型數(shù)字化(射頻發(fā)射模型、射頻接收模型、殼體模型等)，以及射頻前端的電磁脈沖響應(yīng)模型設(shè)計(jì)等. 然后，利用計(jì)算機(jī)仿真手段，結(jié)合射頻前端強(qiáng)電磁脈沖耦合規(guī)律，定量分析電磁脈沖源對(duì)射頻前端性能的影響，以期建立起較為完整的電磁脈沖效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù).

1.2 電磁脈沖效應(yīng)仿真計(jì)算與試驗(yàn)

目前對(duì)于EMP效應(yīng)研究經(jīng)歷了3個(gè)階段：經(jīng)驗(yàn)判斷階段、標(biāo)準(zhǔn)控制階段、電磁仿真計(jì)算階段[13]. 通過(guò)建立EMP源和能量耦合數(shù)學(xué)模型，利用仿真計(jì)算對(duì)電磁干擾和毀傷信息進(jìn)行分析，得出用于指導(dǎo)電磁防護(hù)設(shè)計(jì)的參數(shù)，定位電磁防護(hù)設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)，進(jìn)而提出有針對(duì)性的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)方案，避免“過(guò)設(shè)計(jì)”或“欠設(shè)計(jì)”，形成具體可實(shí)施的電磁加固手段，提高射頻前端抗電磁脈沖毀傷性能.

對(duì)于射頻前端的電磁脈沖效應(yīng)仿真來(lái)說(shuō)，其核心問(wèn)題是強(qiáng)電磁脈沖耦合規(guī)律與作用機(jī)理，其關(guān)鍵技術(shù)是電磁耦合建模、電磁能量分布規(guī)律研究，其建模方法可以分為機(jī)理分析法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法. 基于機(jī)理分析的EMP效應(yīng)仿真通過(guò)設(shè)定邊界條件求解Maxwell方程組，完成能量耦合分析，機(jī)理分析法包括時(shí)域有限差分法[14]、電磁拓?fù)浞╗15-18]和傳輸線法. 機(jī)理分析建模方法需要對(duì)電路模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)電磁場(chǎng)理論和計(jì)算有著較高要求，不利于工程應(yīng)用. 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的EMP效應(yīng)仿真利用EUT輸入、輸出信息來(lái)建立能量耦合模型，適用于EUT內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)不確定的情況. 常用方法包括概率統(tǒng)計(jì)法[19]和頻譜估計(jì)法[20-22].

基于系統(tǒng)辨識(shí)的EMP效應(yīng)仿真是一種建模仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的研究方法[23]，可用于器件級(jí)、設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的研究，能滿足于不同環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合的需求，為電磁脈沖效應(yīng)機(jī)理分析提供了新的思路.

1.3 電磁脈沖效應(yīng)研究展望

電磁脈沖效應(yīng)研究是國(guó)內(nèi)外電磁環(huán)境效應(yīng)評(píng)估領(lǐng)域的重要內(nèi)容，為強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)與評(píng)估提供了基礎(chǔ)支撐. 目前研究對(duì)象主要集中于器件級(jí)的簡(jiǎn)單目標(biāo)，缺乏系統(tǒng)性[24-25]. 對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)而言，電磁脈沖耦合途徑越來(lái)越復(fù)雜，因此對(duì)于系統(tǒng)級(jí)電磁脈沖能量耦合規(guī)律的精確建模和快速分析已成為EMP效應(yīng)研究中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題. 這其中，重點(diǎn)研究多輸入、多輸出及非線性系統(tǒng)的EMP效應(yīng)仿真建模，進(jìn)而由設(shè)備級(jí)仿真擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)EMP效應(yīng)仿真將是一個(gè)重要發(fā)展方向.

EMP對(duì)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的穿透和耦合過(guò)程數(shù)值分析需要高效率的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法. 但是，目前單一的電磁場(chǎng)數(shù)值分析技術(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)值模擬效率是計(jì)算電磁學(xué)難以克服的瓶頸之一，這直接受到系統(tǒng)建模復(fù)雜性、計(jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU速度方面的嚴(yán)重制約. 針對(duì)此問(wèn)題，可以采用混合模擬技術(shù)，綜合運(yùn)用機(jī)理分析中的幾種方法，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，從而更加有效地解決EMP效應(yīng)仿真建模問(wèn)題. 此外，研究非線性的EMP效應(yīng)仿真算法，進(jìn)而由設(shè)備級(jí)仿真擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)EMP效應(yīng)仿真算法研究，這也是EMP效應(yīng)研究的重要發(fā)展方向.

高測(cè)量精度和可靠性的電磁環(huán)境對(duì)于E3工程分析、試驗(yàn)計(jì)劃、傳導(dǎo)試驗(yàn)、故障診斷與改進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)等有著重要意義. 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，利用實(shí)物、半實(shí)物和數(shù)值協(xié)同仿真的方法構(gòu)建電磁環(huán)境成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)，實(shí)物、半實(shí)物仿真可以產(chǎn)生真實(shí)的射頻電磁環(huán)境，而數(shù)值仿真方法能夠模擬系統(tǒng)可能面臨的電磁環(huán)境，二者相輔相成、互相驗(yàn)證.

2 電磁脈沖防護(hù)技術(shù)研究

高功率微波、核電磁脈沖等人為強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)空間安全構(gòu)成重大威脅，電磁脈沖武器和動(dòng)能、定向能武器產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖使空間攻防條件下的電磁環(huán)境更加復(fù)雜、嚴(yán)酷. 針對(duì)武器裝備強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)的迫切需求，相應(yīng)的電磁脈沖防護(hù)理論和技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)，軍事大國(guó)非常重視電磁安全防護(hù).

現(xiàn)階段國(guó)外EMP防護(hù)研究?jī)?nèi)容主要包括：器件、系統(tǒng)級(jí)電磁環(huán)境效應(yīng)和損傷機(jī)理研究；探索電磁防護(hù)新技術(shù)、新工藝研究，包括采用屏蔽、濾波、接地等手段進(jìn)行分級(jí)、分層防護(hù)，以及軟/硬限幅及智能自動(dòng)增益控制技術(shù)；研制新型輕質(zhì)、高屏蔽效能、寬頻帶、復(fù)合功能電磁防護(hù)材料.

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)EMP防護(hù)研究?jī)?nèi)容主要包括：部分電子器件、電路的強(qiáng)電磁脈沖耦合模型和規(guī)律研究；半導(dǎo)體器件損傷模式、損傷建模的初步研究；同時(shí)，利用電磁脈沖源模擬器，研究了典型敏感系統(tǒng)的電磁安全閾值試驗(yàn)評(píng)估方法，確定了干擾和損傷的閾值；探索了裝備主動(dòng)防雷擊技術(shù)、電磁仿生防護(hù)技術(shù)、自適應(yīng)電磁防護(hù)技術(shù)等電磁主動(dòng)防護(hù)新原理、新方法.

為應(yīng)對(duì)越發(fā)惡劣的電磁環(huán)境，在屏蔽、濾波、接地和隔離等傳統(tǒng)技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者也對(duì)適用于電磁防護(hù)領(lǐng)域的新技術(shù)、新材料和新器件進(jìn)行了深入研究.

2.1 防護(hù)技術(shù)手段

2.1.1能量選擇表面

能量選擇表面是一種利用強(qiáng)電磁效應(yīng)改變阻抗特性，實(shí)現(xiàn)能量選擇的輻射場(chǎng)防護(hù)表面[26]. 如圖1所示，當(dāng)入射強(qiáng)電磁脈沖時(shí)，壓控導(dǎo)電器件兩端感應(yīng)出大電壓，元件由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，呈屏蔽效果；當(dāng)入射正常信號(hào)時(shí)，壓控導(dǎo)電器件兩端感應(yīng)的電壓不足以使元件導(dǎo)通，壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)相當(dāng)于介質(zhì)，呈透射效果.

能量選擇表面具有能量自適應(yīng)、超寬帶等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)防護(hù)手段在功率容量和防護(hù)功能上的不足，可用于對(duì)電磁脈沖炸彈和高功率微波武器的綜合防護(hù).

2.1.2頻率選擇表進(jìn)行面

頻率選擇表面(frequency selective surface, FSS)是一種典型的亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，由無(wú)源諧振單元在介質(zhì)層上以二維周期性排列構(gòu)成單層或多層的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)[27-30]，如圖2所示，F(xiàn)SS具有增透射或增反射的選頻功能. FSS作為一種空間濾波器，廣泛應(yīng)用于微波、紅外至可見(jiàn)光波段，能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境變化.

目前，新型的FSS單元結(jié)構(gòu)層出不窮，可重構(gòu)FSS和小型化頻率選擇表面(miniaturized falements FSS，XZESS)是FSS的重要發(fā)展方向，文獻(xiàn)[31]利用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)了二階帶通型通帶可調(diào)FSS設(shè)計(jì)，圖3給出了采用卷曲技術(shù)設(shè)計(jì)的2.5D小型化FSS[32]. 近年來(lái)，有源智能化可調(diào)FSS系統(tǒng)[33]的概念時(shí)而被提及，在周期陣列單元表面上通過(guò)集成有源器件來(lái)調(diào)控陣元上的電流分布，使FSS頻選特性可調(diào)，實(shí)現(xiàn)按需吸收或反射特定頻段的電磁波，大大提高其對(duì)入射強(qiáng)電磁脈沖的頻譜適應(yīng)性.

2.1.3等離子防護(hù)技術(shù)

以波導(dǎo)等離子防護(hù)為例[34-35]. 如圖4所示，波導(dǎo)中置入一個(gè)充有易電離氣體的密封腔體. 當(dāng)入射信號(hào)不大于導(dǎo)通閾值時(shí)，限幅器處于導(dǎo)通狀態(tài)a，信號(hào)無(wú)衰減通過(guò)波導(dǎo)傳播；當(dāng)入射強(qiáng)電磁脈沖大于導(dǎo)通閾值時(shí)，密閉腔體內(nèi)氣體激發(fā)形成等離子體如狀態(tài)c，等離子體將反射入射強(qiáng)電磁脈沖而起到防護(hù)作用.

Kikel等[36]提出了等離子體限幅器的概念，并將其運(yùn)用到實(shí)際電磁脈沖的防護(hù)中，美國(guó)AAC (accurate automation corporation)公司已有等離子體限幅器成品出售. 文獻(xiàn)[37]建立高功率微波脈沖與等離子體相互作用的理論模型, 并結(jié)合等離子體的特征參數(shù), 采用時(shí)域有限差分方法分析了等離子體電子密度和高功率微波傳輸特性的變化. 劉洋等[38]提出將等離子體陣列結(jié)構(gòu)用于高功率微波防護(hù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了雙層柱狀等離子體對(duì)高功率微波的防護(hù)性能.

2.1.4有源對(duì)消電磁防護(hù)技術(shù)

有源對(duì)消電磁防護(hù)技術(shù)通過(guò)在同頻段共場(chǎng)地發(fā)射機(jī)端耦合采樣，采用負(fù)反饋方法自適應(yīng)地調(diào)整采樣信號(hào)的幅度和相位，產(chǎn)生一個(gè)與干擾信號(hào)幅度相近但相位相反的對(duì)消信號(hào)，在未進(jìn)入接收機(jī)前端之前將干擾信號(hào)進(jìn)行對(duì)消. 該技術(shù)不但能夠解決作戰(zhàn)平臺(tái)內(nèi)部的電磁干擾問(wèn)題，還可以消除來(lái)自外部的電磁干擾，在電子戰(zhàn)中能夠保護(hù)己方電子設(shè)備或系統(tǒng)免受來(lái)自敵方的電磁攻擊. 到目前，國(guó)外干擾對(duì)消技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段，并已廣泛應(yīng)用于短波和超短波通信系統(tǒng)中.

基于有源對(duì)消電磁防護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)，它能夠有效解決大型平臺(tái)多鏈路通信系統(tǒng)間的電磁干擾防護(hù)問(wèn)題. 2009年底正式進(jìn)行投產(chǎn)的美軍新一代電子攻擊機(jī)EA-18G“咆哮者”是有源對(duì)消電磁防護(hù)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)典型，EA-18G采用了干擾對(duì)消系統(tǒng)(INCANS，如圖5所示).

2.1.5電磁防護(hù)仿生技術(shù)

電磁防護(hù)仿生的研究方向，最早由劉尚合院士課題組[39]在《自然雜志》上提出，通過(guò)探索生物體電磁信息傳遞的抗擾機(jī)制，建立并優(yōu)化電磁防護(hù)仿生模型，結(jié)合新穎的仿生器件而實(shí)現(xiàn)仿生技術(shù)，滿足電子系統(tǒng)高可靠安全運(yùn)行的要求. 文獻(xiàn)[40-42]基于神經(jīng)系統(tǒng)特性規(guī)律，構(gòu)建了容錯(cuò)自律仿生電路和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種三模塊冗余容錯(cuò)機(jī)制、自組織演化修復(fù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三技術(shù)融合的控制電路系統(tǒng)框架.

2.1.6其他防護(hù)技術(shù)或方案

國(guó)外大力開(kāi)展電磁脈沖防護(hù)器件與模塊研究工作，設(shè)計(jì)研制具有大功率容量、快響應(yīng)的防護(hù)器件是一個(gè)研究熱點(diǎn). 日本研制的硅基浪涌防護(hù)器件已應(yīng)用于通信電路的防護(hù)；美國(guó)和韓國(guó)研發(fā)了多種限幅器和浪涌保護(hù)器件，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到ns量級(jí).

目前國(guó)內(nèi)多數(shù)的防護(hù)電路存在功率容量低或反應(yīng)時(shí)間慢的缺點(diǎn). 針對(duì)此缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[43]研制了一種射頻接收前端電磁脈沖防護(hù)膜片，如圖6所示，該防護(hù)膜片通過(guò)并聯(lián)快響應(yīng)半導(dǎo)體器件，在保證低插損的前提下，提高了防護(hù)膜片的功率容量，電磁脈沖限幅效果大于20 dB.

文獻(xiàn)[44]介紹了一種新的雙向納米交叉陣列ESD保護(hù)機(jī)制和功能結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的ESD概念和ESDDLT模型. 測(cè)試顯示優(yōu)良的靜電放電防護(hù)特性，包括超快ESD響應(yīng)(100 ps)，超低泄漏電流(小于2 pA)，以及抗靜電ESD保護(hù)水平.

鑒于由防護(hù)器件組成的印制板級(jí)防護(hù)電路對(duì)原有電子設(shè)備的改動(dòng)較小，單個(gè)器件的成本也較低廉，適應(yīng)傳導(dǎo)路徑場(chǎng)合，可廣泛應(yīng)用于射頻前端端口防護(hù)[45-47]. 國(guó)內(nèi)還有一些商業(yè)公司投入到電磁脈沖防護(hù)產(chǎn)品的研發(fā). 廣州某公司的一型雷電磁脈沖防護(hù)模塊[48]，將電涌保護(hù)器件與LC高通濾波器結(jié)合起來(lái)，起到了一定的電磁防護(hù)效果，如圖8所示. 圖9為文獻(xiàn)[49]提供的一型電磁防護(hù)模塊電路圖，是將電涌保護(hù)器件嵌入LC帶通濾波器中.

在高密度的集成電路和系統(tǒng)級(jí)防護(hù)研究中，通過(guò)引入多層接地金屬過(guò)孔陣列形成電磁防護(hù)林，可以有效降低外部電磁脈沖耦合進(jìn)入電路內(nèi)部的信號(hào)強(qiáng)度. 電磁防護(hù)林在電磁敏感系統(tǒng)內(nèi)部射頻微波收/發(fā)前端模塊以及防護(hù)模塊設(shè)計(jì)方面將有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值.

2.2 電磁防護(hù)材料研究

電磁波防護(hù)材料可分為兩大類：一是反射電磁波的材料；二是吸波電磁波的材料.

第一類電磁防護(hù)材料通過(guò)金屬纖維將電磁波反射，減少了電磁波的透過(guò)量. 而第二類的吸波材料，如鐵氧體及部分導(dǎo)電材料，能夠部分吸收入射的電磁波，降低電磁波的反射能量.

在電磁防護(hù)新材料方面，具有感知功能、信號(hào)處理功能和自我修復(fù)的智能材料以及具有超常物理性質(zhì)的超材料等在電磁屏蔽、電磁吸波中的應(yīng)用前景受到廣泛關(guān)注，比如碳納米管、左手材料、超磁性材料等超材料，如圖10所示.

左手材料是一種特殊電磁特性的人工復(fù)合材料，也被稱為“負(fù)折射系數(shù)材料”. 近年來(lái)，左手材料被用于電磁波隱身的研究，經(jīng)過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的左手材料能夠彎曲電磁波，并將光線或雷達(dá)波反向散射出去，從而實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾功能. 圖11展示了X波段窄帶電磁斗篷結(jié)構(gòu).

納米材料是指尺寸在1～100 nm之間的微粒構(gòu)成的材料，納米屏蔽材料作為一種新型的電磁屏蔽材料，越來(lái)越成為研究熱點(diǎn). 汪正平團(tuán)隊(duì)利用水熱法和高溫退火制備了碳包覆銀納米線雜化海綿[50]，如圖12所示. 該海綿不僅具有金屬的屏蔽性能，還兼?zhèn)涮疾馁|(zhì)的輕質(zhì)、良好的力學(xué)性能，綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料和普通碳材料，為開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、柔性、耐腐蝕的電磁屏蔽材料提供了新的設(shè)計(jì)思路.

于此同時(shí)，文獻(xiàn)[51-52]介紹了一種摻雜石墨烯紙，在石墨烯復(fù)合材料基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)選取的大尺寸石墨烯進(jìn)行碘摻雜，不僅提高其載流子傳輸，還進(jìn)一步提高了其載流子密度. 這種厚度僅有12.5 μm的摻石墨烯紙不僅具備優(yōu)異的電磁屏蔽性能，屏蔽效能高達(dá)52.2 dB，而且力學(xué)性能相較于未摻雜石墨烯紙幾乎沒(méi)有下降.

綜上所述，傳統(tǒng)的電磁屏蔽與吸波材料強(qiáng)調(diào)的是強(qiáng)衰減，而新型的材料則大多采用復(fù)合技術(shù)，突出質(zhì)量輕、頻帶寬和性能好的特點(diǎn)，能滿足于不同環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合的需求，因此開(kāi)發(fā)和研制新一代的多頻、輕質(zhì)、智能型的電磁屏蔽與吸波材料必將成為日后的重點(diǎn).

2.3 電磁脈沖防護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

① 加強(qiáng)電子設(shè)備電磁環(huán)境效應(yīng)機(jī)理研究，發(fā)展綜合防護(hù)技術(shù).

針對(duì)強(qiáng)電磁脈沖在電子設(shè)備內(nèi)耦合、傳遞的途徑，確定電磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的損傷機(jī)理和作用規(guī)律，結(jié)合裝備的重要性和生存需要，采用拓?fù)淇紤]中的整體防護(hù)、分布防護(hù)，從器件、電路、分系統(tǒng)、系統(tǒng)層次分別采取全方位綜合防護(hù)技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì).

② 建立多源、大動(dòng)態(tài)范圍的電磁環(huán)境防護(hù)仿真分析模型，建立基于系統(tǒng)工程理論的多易損對(duì)象、多損傷機(jī)理的系統(tǒng)防護(hù)方法.

建立射頻模塊的非線性大信號(hào)等效電路模型，開(kāi)展不同電場(chǎng)強(qiáng)度的的數(shù)值仿真試驗(yàn)、半實(shí)物/實(shí)物電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)，從元件布局、材料選型、工藝改進(jìn)多方面增強(qiáng)射頻電路的抗毀傷性能.

基于場(chǎng)路耦合理論、孔縫耦合理論以及空間電磁場(chǎng)傳播理論，重點(diǎn)研究電子設(shè)備的電磁防護(hù)仿真分析方法，編寫(xiě)強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)能力電磁仿真預(yù)測(cè)分析軟件，構(gòu)建強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)能力電磁仿真平臺(tái)，具備分析計(jì)算電子設(shè)備電磁能量分布及易損對(duì)象的防護(hù)效果的能力.

③ 探索強(qiáng)電磁防護(hù)新原理、新概念、新方法.

重點(diǎn)探索電子元器件的電磁脈沖防護(hù)新技術(shù)、新工藝，通過(guò)應(yīng)用新型半導(dǎo)體材料、綜合集成多模式半導(dǎo)體防護(hù)技術(shù)，可以為電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)支撐.

借鑒認(rèn)知無(wú)線電的核心思想，探討一種收/發(fā)組件前端智能電磁防護(hù)新技術(shù). 通過(guò)使收/發(fā)組件前端具有一定的電磁干擾感知、分析與規(guī)避能力，可以對(duì)出現(xiàn)的電磁干擾進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)和判斷，并針對(duì)可能的情況做出適當(dāng)?shù)男阅芨淖兒鸵?guī)避等防護(hù)措施.

為適應(yīng)電磁脈沖防護(hù)的需要，設(shè)計(jì)研制快響應(yīng)、高脈沖功率承受能力的新型復(fù)合抑制器件也成為電磁防護(hù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這對(duì)于提高射頻前端的抗電磁脈沖能力具有重要意義.

目前，很多電磁防護(hù)的新技術(shù)、新方法還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，距離工程化的實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，因此進(jìn)一步推進(jìn)頻率選擇表面、能量選擇表面技術(shù)和有源對(duì)消電磁防護(hù)技術(shù)，開(kāi)展電磁防護(hù)仿生研究，實(shí)現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)、故障自修復(fù)技術(shù)的實(shí)用化也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

④ 解決電磁防護(hù)材料減重、擴(kuò)頻問(wèn)題，向功能復(fù)合化方向發(fā)展.

近年來(lái)，電磁防護(hù)材料更加側(cè)重于復(fù)合功能，使其兼?zhèn)淦帘魏臀▋煞N用途，并且具有更好的環(huán)境適應(yīng)性. 其中，研究新型輕質(zhì)、高屏蔽效能、寬頻帶、復(fù)合功能電磁防護(hù)材料，拓展電磁屏蔽材料的帶寬、降低自身重量，研制適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)電、導(dǎo)磁納米復(fù)合電磁防護(hù)材料是電磁防護(hù)材料的重要發(fā)展趨勢(shì).

3 電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與效能評(píng)估

3.1 電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系

完整的復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)包括5方面內(nèi)容：復(fù)雜電磁環(huán)境定義、對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的要求、測(cè)試方法、維護(hù)方法.

電磁脈沖一直被認(rèn)為是最具威脅的電磁環(huán)境，美軍關(guān)于電磁脈沖的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是各種復(fù)雜電磁環(huán)境中最為完善的[53]，美軍圍繞電磁環(huán)境效應(yīng)概念，以MIL-STD -464C為頂層標(biāo)準(zhǔn)，并以針對(duì)特定環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)為支撐(參見(jiàn)表1)，構(gòu)建了一套較為完整的標(biāo)準(zhǔn)體系.

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

顯然，美軍的電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系注重頂層設(shè)計(jì)，縱向?qū)哟畏置?，橫向覆蓋全面，具有鮮明的目標(biāo)性，體現(xiàn)了系統(tǒng)方法論的特點(diǎn).

目前，我國(guó)通信裝備電磁防護(hù)及評(píng)價(jià)理論研究基礎(chǔ)非常薄弱，缺少有效的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證準(zhǔn)則，不能對(duì)通信設(shè)備防護(hù)設(shè)計(jì)提供定量指標(biāo)要求，尚未形成系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)和健壯性評(píng)價(jià)方法及規(guī)范. 在電磁脈沖測(cè)試規(guī)范方面我國(guó)開(kāi)展的較晚，與世界其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖安全防護(hù)的研究尚處于起步狀態(tài)，滯后于攻擊技術(shù)的研究[54]. 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制定雖有成績(jī)，但仍明顯滯后，有待進(jìn)一步完善. 表現(xiàn)如下.

① 首創(chuàng)性、先進(jìn)性不足. 我國(guó)電磁干擾防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)主要參考美國(guó)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)化不及時(shí)、轉(zhuǎn)化速度慢，導(dǎo)致我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)始終落后于國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn).

② 系統(tǒng)性、完備性缺乏. 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)間標(biāo)準(zhǔn)等幾個(gè)層次，但由于缺乏頂層設(shè)計(jì)，每個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)都不全面，缺乏原始目標(biāo)性，整體規(guī)劃差.

③ 一致性、嚴(yán)謹(jǐn)性問(wèn)題. 標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)不同標(biāo)準(zhǔn)所用的術(shù)語(yǔ)不一致、測(cè)試要求和測(cè)試方法不協(xié)調(diào). 某些術(shù)語(yǔ)、定義和概念發(fā)生變化后，通用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求和測(cè)試方法隨之變化，但相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)卻并沒(méi)有隨之更新.

3.2 防護(hù)效能評(píng)估

電子裝備電磁脈沖效應(yīng)評(píng)估是從宏觀的角度或最壞條件的情況下，對(duì)電子設(shè)備的電磁防護(hù)效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到設(shè)備的電磁效應(yīng)評(píng)估系數(shù). 面對(duì)復(fù)雜多變的電磁戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，電磁脈沖防護(hù)效能評(píng)估需要針對(duì)裝備用途、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處電磁環(huán)境的認(rèn)知水平，著眼于不同角度層次，綜合運(yùn)用多種評(píng)估準(zhǔn)則進(jìn)行分析，構(gòu)建一個(gè)科學(xué)客觀、具有可操作性的測(cè)試評(píng)估方法，為全面、客觀反映電子設(shè)備的電磁防護(hù)能力提供數(shù)據(jù)支持，也可為新型武器裝備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和技術(shù)參考.

一般情況下，評(píng)估準(zhǔn)則可以分為兩大類，即基于確定電磁環(huán)境特征的防護(hù)效能評(píng)估準(zhǔn)則，以及基于隨機(jī)電磁環(huán)境的統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估準(zhǔn)則.

① 基于確定電磁環(huán)境特征的防護(hù)效能評(píng)估準(zhǔn)則為

ρ=Csemp/ρ0.

(1)

式中：ρ為電磁脈沖防護(hù)效能評(píng)估系數(shù)；Csemp為電磁脈沖對(duì)設(shè)備不產(chǎn)生影響的概率；ρ0為武器裝備確定性的電磁脈沖效應(yīng)閾值概率.

② 基于隨機(jī)電磁環(huán)境的統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估準(zhǔn)則.

將概率評(píng)估理論應(yīng)用到電子系統(tǒng)電磁環(huán)境生存力評(píng)估中，為對(duì)電子系統(tǒng)評(píng)估提供除試驗(yàn)評(píng)估以外的另一條途徑.

對(duì)于某一個(gè)特定電磁環(huán)境φ(E，H)，S(φ)為電磁環(huán)境強(qiáng)度，電子裝備損傷閾值為T(mén)，電磁安全域?yàn)棣?φ)，則電子裝備的電磁環(huán)境生存概率為

P=Prob(S(j)>1).

(2)

(3)

式中Pc為置信區(qū)間.

目前國(guó)內(nèi)外電磁效應(yīng)評(píng)估研究中，主要以電磁兼容的評(píng)估研究為主，并取得了較多的研究成果[55]. 由于電磁防護(hù)與電磁兼容兩者相互獨(dú)立而又有內(nèi)在聯(lián)系，所以在電磁防護(hù)效能評(píng)估研究中，可以借鑒電磁兼容評(píng)估領(lǐng)域的相關(guān)研究成果. 文獻(xiàn)[56]將電磁拓?fù)鋵W(xué)和功率平衡方法相結(jié)合，推導(dǎo)出了功率平衡方法的網(wǎng)絡(luò)化公式，并提出了一種電大尺寸設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)電磁效應(yīng)評(píng)估方法. 此外，高斌等[57]運(yùn)用不同電磁效能準(zhǔn)則和電磁效能參數(shù)，給出電磁干擾情況下系統(tǒng)總的效能參數(shù)計(jì)算方法，并得出非干擾情況、干擾情況下的系統(tǒng)效能的計(jì)算準(zhǔn)則，為建立電磁效能評(píng)估提供評(píng)估準(zhǔn)則和理論基礎(chǔ). 本課題組[58]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法，借鑒D.M.Clement和A.W.Johnson的衛(wèi)星生存能力評(píng)估理論，建立了電磁環(huán)境生存概率的均值和方差的計(jì)算方法,得到了系統(tǒng)生存概率模型，并通過(guò)電磁輻照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果.

借鑒于相關(guān)學(xué)科系統(tǒng)分析方法，電磁防護(hù)效能評(píng)估理論也在不斷的發(fā)展之中. 對(duì)于復(fù)雜的電磁耦合系統(tǒng)，Baum和Tesche利用拓?fù)鋵W(xué)理論將復(fù)雜的電磁耦合系統(tǒng)分解成相對(duì)獨(dú)立的小電磁問(wèn)題[59]，實(shí)現(xiàn)對(duì)處于強(qiáng)電磁環(huán)境下的電子設(shè)備的性能與狀態(tài)進(jìn)行研究和評(píng)估. 圖14是飛機(jī)系統(tǒng)的電磁拓?fù)淠Ｐ?

3.3 展 望

目前在國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)規(guī)范中，多是電磁兼容性方面的相關(guān)規(guī)定，而對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的電磁防護(hù)評(píng)估，目前還沒(méi)有出臺(tái)針對(duì)性標(biāo)準(zhǔn). 此外，由于標(biāo)準(zhǔn)所反映的特異性和缺乏與實(shí)際環(huán)境一致性等原因，在實(shí)際應(yīng)用中，常發(fā)生部件與試驗(yàn)不一致的現(xiàn)象. 因此，要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的電磁防護(hù)評(píng)估，目前亟待解決的問(wèn)題是建立完整的電磁防護(hù)指標(biāo)體系，并引入與系統(tǒng)分析相適應(yīng)、具有針對(duì)性的評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)體系進(jìn)行評(píng)估.

國(guó)外防護(hù)性能試驗(yàn)驗(yàn)證一般通過(guò)物理試驗(yàn)方法. 通過(guò)等效模擬理論在地面建立強(qiáng)電磁環(huán)境試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證在給定的強(qiáng)電磁環(huán)境應(yīng)力下試件的功能、性能是否正常，是否存在設(shè)計(jì)和工藝缺陷，判定試件是否合格交付. 這種試驗(yàn)的不足是僅能定性驗(yàn)證試件是否滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)法給出試件電磁健壯性的定量指標(biāo)，不能對(duì)精細(xì)化設(shè)計(jì)提供量化數(shù)據(jù). 近年來(lái)，國(guó)外研究基于失效機(jī)理和損傷模式的環(huán)境健壯性評(píng)價(jià)方法，可以定量評(píng)價(jià)試件環(huán)境耐受性能，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供精確的依據(jù)，這是未來(lái)武器裝備環(huán)境試驗(yàn)發(fā)展的趨勢(shì).

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于電磁防護(hù)理論和技術(shù)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境以及新型電磁脈沖武器的運(yùn)用，對(duì)電磁脈沖防護(hù)研究提出了更緊迫、更嚴(yán)苛的要求. 針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜惡劣的電磁脈沖環(huán)境，通過(guò)研究電磁脈沖環(huán)境內(nèi)涵，分析武器裝備內(nèi)部電磁敏感部件的電磁脈沖效應(yīng)，開(kāi)展電磁脈沖護(hù)技術(shù)研究，從元器件、電路、分系統(tǒng)到系統(tǒng)層次采取有效的綜合加固防護(hù)措施，是提高作戰(zhàn)系統(tǒng)在電磁脈沖環(huán)境下抗毀能力和工作性能的重要保障，也將成為強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的發(fā)展趨勢(shì).

同時(shí)，從總體設(shè)計(jì)的角度上說(shuō)，為解決電子設(shè)備強(qiáng)電磁場(chǎng)系統(tǒng)防護(hù)問(wèn)題，必須制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和防護(hù)規(guī)范，基于多學(xué)科優(yōu)化理論與方法建立電磁防護(hù)指標(biāo)體系以及電磁防護(hù)預(yù)測(cè)模型，定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)電磁脈沖防護(hù)性能，為解決強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的干擾、損傷問(wèn)題和改進(jìn)電磁防護(hù)水平提供精確的依據(jù).