電子設(shè)備的高功率微波防護(hù)技術(shù)

周璐，劉恩凱

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州，225000

0 引言

隨著脈沖功率技術(shù)、電真空學(xué)技術(shù)和等離子體物理學(xué)等的發(fā)展，高功率微波技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展。通常情況下人為高功率微波是指峰值功率超過100MV、頻率在1～300GHz的微波，不過這不是一個(gè)嚴(yán)格的限制。高功率武器能夠干擾或者破壞電子元器件，可以使之出現(xiàn)暫時(shí)的工作紊亂，或者是永久失效，其具體原理如下：通過強(qiáng)大的高增益天線使微波能量匯聚在比較短的波束內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)微波能量的集中，然后將其定向照射到準(zhǔn)備攻擊的物體上，使被攻擊物體包含的電子元器件被干擾或者破壞。隨著高功率微波干擾技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致電子元器件工作的電磁環(huán)境不斷惡化，為了減少高功率微波武器對(duì)武器作戰(zhàn)系統(tǒng)的影響，需要加強(qiáng)高功率微波武器防護(hù)技術(shù)的研究，從而保障在惡劣的電磁環(huán)境下，作戰(zhàn)系統(tǒng)仍能夠正常運(yùn)行[1]。

1 高功率微波武器毀傷機(jī)理

1.1 高功率微波武器毀傷機(jī)理分析

高功率微波武器是通過微波能量產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電效應(yīng)來毀壞目標(biāo)武器的。高功率微波武器發(fā)射出的微波能量進(jìn)入到目標(biāo)武器的電子系統(tǒng)之后，微波能量會(huì)產(chǎn)生熱能，從而使被攻擊武器內(nèi)部電子器件的溫度升高，高溫可以導(dǎo)致正常工作的電子器件被破壞或者摧毀；在受到高功率微波能量的輻射以后，被攻擊武器的金屬表面或者導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生瞬變的電磁場，在其作用下會(huì)在周圍形成感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的強(qiáng)度隨著微波能量的增強(qiáng)而增強(qiáng)，其能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備中的正常電流造成干擾，從而導(dǎo)致電子設(shè)備無法正常工作[2]。高功率微波武器對(duì)于電子設(shè)備系統(tǒng)及器件的破壞機(jī)制主要包括高壓擊穿、器件燒毀、電泳沖擊、微波加溫和瞬間干擾等幾種。

（1）高壓擊穿。高功率微波能量進(jìn)入到電子設(shè)備以后，能夠使結(jié)點(diǎn)附近形成高電壓或高電流，在高電壓或者是高電流的作用下，結(jié)點(diǎn)會(huì)被擊穿。

（2）器件燒毀。在大量熱量的作用下，導(dǎo)致被攻擊武器內(nèi)部金屬絲熔斷、熱敏元件失靈或者是PN解燒蝕，進(jìn)而導(dǎo)致器件燒毀，無法正常工作。

（3）電泳沖擊。在高功率微波能量的沖擊下，導(dǎo)致屏蔽殼體上產(chǎn)生比較大的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)部以后，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電子器件損壞。

（4）微波加溫。高功率微波能量的作用下，電子設(shè)備內(nèi)部的金屬器件、含水器件等的溫度會(huì)快速上升，從而不能正常工作。

（5）瞬間干擾。這種情況是在高功率微波進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)已經(jīng)衰減得很小而出現(xiàn)的，此時(shí)由于微波的能量比較小，不能直接將電子元器件破壞掉，但是產(chǎn)生的感應(yīng)電流能夠使電子元器件無法正常工作。

1.2 高功率微波武器毀傷途徑

高功率微波武器的工作原理是：通過微波能量耦合到電子設(shè)備的關(guān)鍵電子器件上，使其不能夠正常工作，進(jìn)而毀傷整個(gè)系統(tǒng)。高功率微波武器將能量耦合到攻擊目標(biāo)系統(tǒng)的方式包括“前門”和“后門”兩種，下面對(duì)這兩種方式進(jìn)行介紹。

（1）“前門”耦合，所謂的“前門”指的是電子系統(tǒng)的天線、傳感器和傳輸線等，這些模塊可以作為耦合介質(zhì)，高功率微波能量可以通過這些介質(zhì)傳輸能量，將微波能量傳到系統(tǒng)的發(fā)射、接收設(shè)備中。由于系統(tǒng)的發(fā)射、接收等設(shè)備的靈敏度都比較高，因此微波能量會(huì)給其電子元件造成比較大的破壞，導(dǎo)致其不能夠正常工作。

（2）“后門”耦合，是指將高功率微波能量和系統(tǒng)的孔洞、電纜接頭和縫隙等作為介質(zhì)耦合，通過這樣的方式微波能量可以進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)部。若高功率微波的半波長不大于孔洞和縫隙的尺寸，其就能通過耦合傳輸?shù)诫娮悠骷膬?nèi)部，并且在內(nèi)部形成感應(yīng)電壓或者電流，對(duì)電子元器件造成破壞。在線纜的連接處，如果沒有做好屏蔽措施，高功率微波輻射到系統(tǒng)的電纜上之后，就會(huì)使其產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)致內(nèi)部的電子器件被毀壞，進(jìn)而使電子設(shè)備不能夠正常工作。

2 高功率微波武器防護(hù)技術(shù)

高功率微波武器發(fā)射的微波能量通過耦合的方式進(jìn)入到電子設(shè)備中，主要的方式包括“前門”耦合和“后門”耦合兩種，因此為了對(duì)高功率微波武器進(jìn)行防護(hù)，需要采取針對(duì)性的防護(hù)措施對(duì)“前門”和“后門”耦合來進(jìn)行防護(hù)，當(dāng)前主要的防護(hù)措施包括以下幾種。

2.1 空域防護(hù)

空域防護(hù)的原理是將高功率的微波能量在空間上和電子設(shè)備內(nèi)部的電子元器件隔離開，從而避免微波能量對(duì)電子元器件的影響。具體的措施如下：進(jìn)行合理的屏蔽設(shè)計(jì)，選擇效果良好的屏蔽材料對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行屏蔽，使其在空間上和高功率微波能量隔離開，將大部分微波能量隔絕，這樣可以使系統(tǒng)接收到很低的微波能量，從而避免其在微波能量的影響下遭到破壞[3]。

2.2 頻域防護(hù)

頻域防護(hù)的原理如下：對(duì)系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行分析，然后采用濾波的手段，將干擾頻段的信號(hào)全部濾除，只保留需要的頻率段的信號(hào)，從而起到防止高功率微波進(jìn)入的效果。在實(shí)際應(yīng)用中，這種方法主要被應(yīng)用到電纜的防護(hù)中，防止高能量微波通過電纜耦合的方式進(jìn)入系統(tǒng)。在頻域防護(hù)中，濾波器對(duì)微波的處理方式主要有兩類，一種是損耗濾波器，其能夠?qū)⒏蓴_頻率上的高功率微波能量損耗掉，從而達(dá)到濾波的效果；另一種是將干擾頻率上的高功率微波反射掉，從而達(dá)到濾波的效果。在具體的使用時(shí)，通常會(huì)采用兩種方法聯(lián)合應(yīng)用的方式來提供濾波的效果。

2.3 能域防護(hù)

通過應(yīng)用浪涌保護(hù)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高功率微波武器的防護(hù)，這種保護(hù)方式主要體現(xiàn)在能域上。其具體的防護(hù)方式如下：在浪涌干擾的入口位置連接一個(gè)浪涌保護(hù)器，其能夠?qū)Ξa(chǎn)生的浪涌干擾進(jìn)行控制，限制干擾電壓的大小或者是將產(chǎn)生的電流分流。浪涌保護(hù)器的原理如下：當(dāng)干擾浪涌電壓超過閾值以后，其會(huì)迅速動(dòng)作，將點(diǎn)位鉗住，然后通過旁路將電流分流。浪涌保護(hù)器可以分為開關(guān)型和非開關(guān)型兩種，其中前者是擊穿性器件，在浪涌干擾電壓超過其擊穿電壓以后，其電阻會(huì)被擊穿，其阻值會(huì)降低為低阻值，此時(shí)電流就會(huì)通過電阻分流到旁路；后者是一種電壓鉗位器件，其具有高度非線性的特點(diǎn)，若浪涌干擾電壓比較大，超過了保護(hù)器的鉗位電壓，其電阻也會(huì)隨著變化，使浪涌電壓被鉗制在鉗位電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。

2.4 時(shí)域防護(hù)

時(shí)域防護(hù)的原理是時(shí)間回避法，其通過極高靈敏度的傳感器，能夠在高功率微波能量到來之前采集到其即將到達(dá)的信息，在采集到這一信息后迅速切斷系統(tǒng)電源，或者轉(zhuǎn)移重要信息，達(dá)到防止電子元器件受到干擾和破壞的效果，并且保護(hù)重要信息。

2.5 接地防護(hù)

接地防護(hù)的原理如下：抑制傳導(dǎo)耦合，從而達(dá)到防止系統(tǒng)被高功率微波攻擊的目的，這種方法常用于“后門”耦合的防護(hù)。在高功率微波輻射到電子設(shè)備的金屬殼體以后，金屬殼體表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而通過接地防護(hù)，可以將這些電流導(dǎo)入大地，從而起到防止電子設(shè)備受到干擾的效果。

3 高功率微波防護(hù)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 在大型地面工事上的應(yīng)用

以指揮所等大型地面工事上防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)高功率微波的防護(hù)進(jìn)行探討。對(duì)于指揮所和情報(bào)機(jī)構(gòu)而言，通常會(huì)設(shè)置有數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心需要設(shè)置在固定的建筑物上，需要較長的建設(shè)周期，通常采用通信和光纜的方式來和外部進(jìn)行信息交流。對(duì)于這類設(shè)施的高功率微波防護(hù)，不會(huì)受到空間和質(zhì)量的限制，因此通常會(huì)用電磁脈沖屏蔽防護(hù)技術(shù)來進(jìn)行防護(hù)。具體的防護(hù)措施如下。

（1）建立六面體屏蔽室。六面體屏蔽室通常采用導(dǎo)電性良好的金屬板、金屬網(wǎng)等進(jìn)行建設(shè)，其中采用鋼板焊接式屏蔽體可以獲得非常好的效果，而采用金屬網(wǎng)的屏蔽效果要差一些，因此最好選用金屬板材來制作屏蔽室。

（2）屏蔽門。屏蔽室需要設(shè)置屏蔽門，而且門縫處也需要通過安裝梳形簧片和導(dǎo)電襯條等方式來進(jìn)行屏蔽；若需要獲得較高的屏蔽效果，可以應(yīng)用充氣推拉門，并且在門縫處安裝彈簧和氣囊。

（3）通風(fēng)窗口屏蔽。對(duì)于屏蔽室的通風(fēng)窗口，可以通過安裝金屬網(wǎng)、穿孔金屬板或者截至波導(dǎo)等方式來進(jìn)行防護(hù)，其中波導(dǎo)具有良好的屏蔽效能，隨著入射波頻率的提升其屏蔽效能也會(huì)隨之提升。

（4）屏蔽室之間的貫通導(dǎo)體。具體包括電線、電纜和長導(dǎo)體等，這些是屏蔽室和外部之間實(shí)現(xiàn)通信所必需的工具，對(duì)于這些貫通導(dǎo)體，通常要安裝在金屬管道內(nèi)，和屏蔽室一起包封成全屏蔽體。此外，還可以在電線電纜穿過屏蔽體的位置安裝濾波器。當(dāng)前，可以使用光纖代替電線和電纜等來達(dá)到通信的目的，而光纖穿過屏蔽體的位置通常采取安裝截止波導(dǎo)的方式來進(jìn)行保護(hù)[4]。

（5）天線、電纜防護(hù)。通常采用安裝濾波器、浪涌保護(hù)器以及頻率選通等方式來進(jìn)行保護(hù)。

（6）對(duì)于天線和電纜等設(shè)備，應(yīng)建立備用設(shè)施，從而在發(fā)生故障以后，可以迅速恢復(fù)運(yùn)行。

通過以上這些屏蔽措施，可以使指揮所等大面積地面工事獲得良好的屏蔽高功率微波的能力，從而使這些設(shè)施可以在高功率電磁武器的攻擊下正常運(yùn)行。

3.2 防護(hù)技術(shù)在艦船及車輛上的應(yīng)用

現(xiàn)代的艦船、車輛等主體結(jié)構(gòu)都是由金屬、合金材料等制成的，由于其組成材料的特點(diǎn)，使其主體本身擁有良好的屏蔽特性。但是艦船、車輛等搭載了很多的電子設(shè)備，因此也需要做好電磁屏蔽，采用有效的防護(hù)技術(shù)，在各類電子設(shè)備及其前端與系統(tǒng)之間共同組成一個(gè)大屏蔽體，達(dá)到良好的電磁防護(hù)效果，并且擁有良好的性價(jià)比[5]。

艦船和車輛上裝載大量的電子設(shè)備，對(duì)于艦船和車輛的運(yùn)行以及功能發(fā)揮著重要意義，因此在對(duì)艦船進(jìn)行電磁防護(hù)時(shí)，主要對(duì)“前門”耦合和窗口進(jìn)行防護(hù)，下面對(duì)具體的防護(hù)措施以及其起到的效果進(jìn)行分析。

（1）對(duì)前門天線進(jìn)行控制，限制其有效面積，通過合并的方式來減少天線的數(shù)量；同時(shí)，在艦船和車輛的前端，應(yīng)安裝針對(duì)武器的高功率容量接收機(jī)保護(hù)裝置，起到屏蔽高功率微波的效果；在車輛線纜穿過平臺(tái)的位置，應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)接濾波器來進(jìn)行微波的過濾，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的濾波器；濾波器具有很高的阻帶衰減能力，可以對(duì)高功率微波進(jìn)行防護(hù)。

（2）艦船和車輛設(shè)備外壁的防護(hù)。通過應(yīng)用電磁防護(hù)材料、無機(jī)金屬纖維材料、微波防護(hù)膠棉等材料到設(shè)備外壁，來提高其防護(hù)高功率微波的能力。舉例來說，可以在玻璃上鍍膜，通過這樣的方式來提高設(shè)備的防護(hù)效能。

（3）對(duì)于艦船和車輛內(nèi)的設(shè)備，盡可能地應(yīng)用折彎和焊接等工藝，減少孔縫數(shù)量，同時(shí)通過加裝導(dǎo)電襯墊的方式來增加接觸面積，提高微波防護(hù)效果。此外，還可以應(yīng)用人工煙霧、箔條等防護(hù)技術(shù)來使電磁脈沖快速衰減，提高微波防護(hù)效果。

（4）艦船的水幕防護(hù)系統(tǒng)。在現(xiàn)代艦船中通常都設(shè)置有水幕系統(tǒng)，通過對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤顾凰繚M足要求就能夠起到防護(hù)高功率微波武器的效果。

對(duì)于艦船和車輛系統(tǒng)的高功率微波防護(hù)技術(shù)而言，有主動(dòng)防御和被動(dòng)防御兩種技術(shù)手段。其中，主動(dòng)防御技術(shù)包括使用箔條、煙霧、水幕系統(tǒng)等。這些技術(shù)的問題在于，其時(shí)效性比較強(qiáng)，實(shí)施得早了或者晚了都不能夠起到應(yīng)有的效果，應(yīng)用這些防御技術(shù)，需要準(zhǔn)確的信息支撐，這限制了主動(dòng)防御技術(shù)的應(yīng)用范圍。被動(dòng)防御技術(shù)包括減少天線有效接收面積、采用濾波器、調(diào)整焊接工藝和應(yīng)用電磁防護(hù)材料等，在新平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用上述手段進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)，從而提高系統(tǒng)高功率微波的防御能力[6]。

4 結(jié)語

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展，各類武器中電子設(shè)備的應(yīng)用會(huì)越來越多，電子設(shè)備在戰(zhàn)爭中的作用越來越顯著，因此電子戰(zhàn)會(huì)越來越受到重視。在電子戰(zhàn)中，高功率微波武器在打擊軍用裝備時(shí)可以起到非常好的效果，各國也加大了高功率微波武器的研發(fā)力度。在這樣的背景下，加強(qiáng)高功率微波武器防護(hù)技術(shù)的研究具有重要意義，通過做好高功率微波防護(hù)措施，可以提高電子設(shè)備抵抗電磁威脅的能力，從而在電子戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢，為贏得戰(zhàn)爭的勝利奠定良好的基礎(chǔ)。