D0L:10.16338/1.issn.1009-1319.2014.05.014 攻防系统 电磁脉冲武器及其防护技术概述 赵蒙 达新宇 张亚普 摘要介绍了电碳脉冲(MP)或器的概念、分夹 场信息传输中惭的危险，电磁脉冲严重制约着信息 攻击特点，归纳了核电磁脉冲(EP)、高功率微波 化装各战术性能的发辉和战场生存能力， (HPW)、超宽带(UW固等电磁脉冲的主要参教，闲述了美 国、罗斯等军事因在电脉冲式器方面的发展情况， 1EMP武器及其分类 结了电磁脉冲对通信电于设备的损伤机理及其耦合论径， 电磁脉冲武器是一种介于常规武器和核武器之 最后针对电磁脉冲武器提出了具体的工程防护措施 间的新型大规模电磁杀伤性武器，可以在瞬间放射 关键词电磁脉冲 防护技术 通信设备 出高达100W能量、上升时间极短的高强度电磁脉 合效应 冲，干扰、破坏或烧毁电子器件，使其逻辑素乱 控制失灵或停止工作等。电磁脉冲对电子设备的列 引言 特破坏力，是美国在20世纪60年代一次核试验中 随着电子科学技术在军事领域的快速发展和应 用，各种微电子器件在军用装备中广泛使用，使得 无意发现的。1962年7月，美国在太平洋进行了一 次高空核爆炸试验，结果这次1.4×10°1NT当量 现代化通信装备系统的电磁敏感度越来越高， 电磁 的核爆试验，竟造成了1400km之外夏威夷香山地 脉冲(Electromagnetic Pulse,EMP)武器的发展对电 区的供电网发生跳闸，连高压线上的避雷装置都被 子通信设备构成的威胁倍受人们的重视，其中高功 烧毁四。在战场上，这种新型武器将会对计算机 率电磁脉冲武器的出现尤其引人注目 通信指挥、雷达等电子系统造成毁灭性的破坏，损 未来信息条件下的高科技战争中，信息战将涉 夫将难以估量。 及陆、海、空、电磁等多维空间，制信息权己经 电磁脉冲武器按脉冲产生方式可以分为三类 成为了战争胜利的核心和关键，交战双方是以军事 ·是利用低当量核弹在高空引爆产生的高空核爆电 电子技术和倍息技术为基础在信息领域的对抗。近 磁脉冲(HEMP)武器二是利用高爆炸药及相关装 期由美国主导的几场局部战争中，战前美军不惜代 置产生频率高达10~102Hz的超宽带(UWB)电 价派出名架电磁干扰飞机，对预定空袭地区讲行强 磁脉冲武器：三是利用磁控管、虚阴极振荡器等高 电磁干扰，使敌方电子通信系统和互联网络失去工 功率微波器件产生的微波峰值功率超过100MW的 作能力，有效地控制了战场电磁环境，夺得了胜利 高功率微波(HPM)武器。表1对HEMP、UWB及 的主动权。因而，一且战争打响，通信信息系统必 HPN主要参数分别作了分析和归纳四。 将成为敌方高功率电磁脉冲武器打击的重点)。在 L.1HEMP器 日益复杂多变的电磁环境中，高功率微波武器等对 高空核爆电磁脉冲是利用低当量核弹在高空 武器装各的安全性以及生存能力构成了严重的成 （离地面70100km)引爆产生电磁脉冲的一种“弱 胁，如果用于战场信息传输的通信设备受到对方电 核爆电磁脉冲炸弹”。核电磁脉冲产生过程可以分 磁脉冲武器的打击干扰和破坏，被打击者将面临战 为三个阶段，其中早期(0≤1≤1μs)产生的电磁 本文2013227收到，赵蒙、达新字分别系空军工程大学硕士生、教授 飞航导弹2014年第5期 33 1994-2016 China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
攻防系统 本文 2013-12-27 收到，赵蒙、达新宇分别系空军工程大学硕士生、教授 电磁脉冲武器及其防护技术概述 赵 蒙 达新宇 张亚普 摘 要 介绍了电磁脉冲( EMP) 武器的概念、分类、 攻击 特 点，归纳了核电磁脉冲 ( HEMP) 、高 功 率 微 波 ( HPM) 、超宽带( UWB) 等电磁脉冲的主要参数，阐述了美 国、俄罗斯等军事强国在电磁脉冲武器方面的发展情况，总 结了电磁脉冲对通信电子设备的损伤机理及其耦合途径， 最后针对电磁脉冲武器提出了具体的工程防护措施。 关键词 电磁脉冲 防护技术 通信设备 耦 合效应 引 言 随着电子科学技术在军事领域的快速发展和应 用，各种微电子器件在军用装备中广泛使用，使得 现代化通信装备系统的电磁敏感度越来越高，电磁 脉冲( Electromagnetic Pulse，EMP) 武器的发展对电 子通信设备构成的威胁倍受人们的重视，其中高功 率电磁脉冲武器的出现尤其引人注目［1］。 未来信息条件下的高科技战争中，信息战将涉 及陆、海、空、电磁等多维空间［2］，制信息权已经 成为了战争胜利的核心和关键，交战双方是以军事 电子技术和信息技术为基础在信息领域的对抗。近 期由美国主导的几场局部战争中，战前美军不惜代 价派出多架电磁干扰飞机，对预定空袭地区进行强 电磁干扰，使敌方电子通信系统和互联网络失去工 作能力，有效地控制了战场电磁环境，夺得了胜利 的主动权。因而，一旦战争打响，通信信息系统必 将成为敌方高功率电磁脉冲武器打击的重点［3］。在 日益复杂多变的电磁环境中，高功率微波武器等对 武器装备的安全性以及生存能力构成了严重的威 胁，如果用于战场信息传输的通信设备受到对方电 磁脉冲武器的打击干扰和破坏，被打击者将面临战 场信息传输中断的危险，电磁脉冲严重制约着信息 化装备战术性能的发挥和战场生存能力。 1 EMP 武器及其分类 电磁脉冲武器是一种介于常规武器和核武器之 间的新型大规模电磁杀伤性武器，可以在瞬间放射 出高达 1010 W 能量、上升时间极短的高强度电磁脉 冲，干扰、破坏或烧毁电子器件，使其逻辑紊乱、 控制失灵或停止工作等。电磁脉冲对电子设备的独 特破坏力，是美国在 20 世纪 60 年代一次核试验中 无意发现的。1962 年 7 月，美国在太平洋进行了一 次高空核爆炸试验，结果这次 1． 4 × 106 t TNT 当量 的核爆试验，竟造成了 1 400 km 之外夏威夷香山地 区的供电网发生跳闸，连高压线上的避雷装置都被 烧毁［4］。在战场上，这种新型武器将会对计算机、 通信指挥、雷达等电子系统造成毁灭性的破坏，损 失将难以估量。 电磁脉冲武器按脉冲产生方式可以分为三类: 一是利用低当量核弹在高空引爆产生的高空核爆电 磁脉冲( HEMP) 武器; 二是利用高爆炸药及相关装 置产生频率高达 108 ～ 1012 Hz 的超宽带( UWB) 电 磁脉冲武器; 三是利用磁控管、虚阴极振荡器等高 功率微波器件产生的微波峰值功率超过 100 MW 的 高功率微波( HPM) 武器。表 1 对 HEMP、UWB 及 HPM 主要参数分别作了分析和归纳［1］。 1． 1 HEMP 武器 高空核爆电磁脉冲是利用低当量核弹在高空 ( 离地面 70 ～ 100 km) 引爆产生电磁脉冲的一种“弱 核爆电磁脉冲炸弹”。核电磁脉冲产生过程可以分 为 三个阶段，其中早期( 0≤t≤1μs) 产生的电磁 飞航导弹 2014 年第 5 期 ·33· DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2014.05.014
攻防系统 表1HPM、UWB和HEMP的主要参数 HPM UWB HEMP 上升沿上升时间/n 10=20 1 0=5 输出能量 100J-20kJ 5J-500J 10°G 500 MHz -10 GHz 100 MHz -50 GHz 0-200M 辐照而积 非核爆炸 1 8-1 120 10 km 0103m1/3 不同作用 100m 1W/m2-200MW/ 距离处的 1 km 10 mW/m'-2 MW/m 2-100W 600W 能量密度 10 km 0.1-200kW/m 100m 20-300kV/m -30k￥/ 4-200kV1m 200 kV/m 10 km 200 V/m -3 kV /m 脉冲对通信装备系统的攻击和破坏最为严重。在理 ~100GW,工作频率为1300GHz的无线电电 论研究工作中 高空核爆电磁脉冲辐射环境可以近 磁波，具有频率高、脉冲上升时间短、辐射功率强 似地表示成双指数函数的形式：E()-kE(e 等特点回 高功率微波武器的主体是利用 一台自 严)。其中，E。为电磁脉冲峰值场强， 一船为 重复产生高功率微波的高增益定向天线或其它设 50km,k是修正系数，B和a为表征脉冲前沿利 各，装置在战车、战术飞机或无人机上，以极高的 脉冲后沿的参数。目前，最常用的HEMP描述标 顿率和晶射强度照射目标，利用大功率微波束干 准有三种向，分别是1976年出版物标准、BI实验 扰、毁坏敌方信息系统和通信链路中的敏感电子 室标准与国际电工委员会EC)标准。三种常用 部件。高功率微波器辐射的脉冲功率一般在G HEMP波形描述参数见表2。 级，在远距离上可实施对电子设备的干扰，在近 距离上可杀伤有生力量，引爆各类弹药或直接摧 表2三种高空核爆电磁脉冲波形标准参数 毁目标。 13 分1g76H版物B1实验室EC UWB或器 1.04 105 13 超宽带武器是指频带宽度范围在10-102 15x10540x106 40×103 之间，利用高顷率的电磁脉冲功率原或爆炸，产生 2.6×103 4.76×106.0×10 纳秒级脉冲，从而获得超宽带电磁辐射输出，峰值 上升时间/ 7.8 4.1 2.5 功率可达1-20GW,覆盖频带100Hz-50GHz 衰落时间/ns 1465 550 55 对通信电子装备构成了严重威脚，被认为是一种专 。超宽带 其中，1976年出版物定义的脉冲持续时间和 门采用超宽带和短脉冲技术的微波武器 电磁脉冲武器是以炸药式爆炸为主体的电磁脉冲弹 升时间最长。EC定义的脉冲波形持续时间只有 头，被装置在导弹、炸弹或炮弹中，投射到目标区 55ns,上升沿仅为2.5ns。Bell实验室定义的脉冲 域附近引爆，爆炸樱间可以将机械能转化为电磁 波形介于两者之间。 能，对固定范围内的通信电子设备产生电磁脉冲损 1.2HPN成器 伤效应 高功率微波是指微波源的峰值功率为100MW ·34· 飞航子弹2014年第5期 194-2016 China Academie Joumal Electronic Publishing House. All rights www.cnki.ne
攻防系统 表 1 HPM、UWB 和 HEMP 的主要参数 分类 HPM UWB HEMP 上升沿上升时间/ns 10 ～ 20 ＜ 1 0 ～ 5 输出能量 100 J ～ 20 kJ 5 J ～ 500 J 106 GJ 覆盖频率 500 MHz ～ 10 GHz 100 MHz ～ 50 GHz 0 ～ 200 MHz 辐照面积/km2 ＜ 1 ＜ 10 5 × 106 作用距离 直线距离为几十千米 ＜ 100 m 几百千米 辐射方法 天线 非核爆炸 核爆炸 不同作用 距离处的 能量密度 100 m 1 km 10 km 100 m 1 km 10 km 100 m 1 km 10 km 1 ～ 200 μJ/m2 10 mJ/m2 ～ 2 J/m2 0． 1 ～ 0． 2 mJ/m2 1 W/m2 ～ 200 MW/m2 10 mW/m2 ～ 2 MW/m2 0． 1 ～ 200 kW/m2 20 ～ 300 kV/m 2 ～ 30 kV/m 200 V/m ～ 3 kV/m 8 nJ ～ 1 μJ 120 μJ 2 ～ 100 W 600 W 4 ～ 200 kV/m 200 kV/m 脉冲对通信装备系统的攻击和破坏最为严重。在理 论研究工作中，高空核爆电磁脉冲辐射环境可以近 似地表示成双指数函数的形式: E( t) = kE0 ( e －αt － e －βt ) 。其 中，E0 为电磁脉冲峰值场强，一 般 为 50 kV/m，k 是修正系数，β 和 α 为表征脉冲前沿和 脉冲后沿的参数［5］。目前，最常用的 HEMP 描述标 准有三种［6］，分别是 1976 年出版物标准、Bell 实验 室标准与国际电工委员会( IEC) 标准。三种常用 HEMP 波形描述参数见表 2。 表 2 三种高空核爆电磁脉冲波形标准参数 分类 1976 出版物 Bell 实验室 IEC k 1． 04 1． 05 1． 3 α 1． 5 × 106 4． 0 × 106 4． 0 × 107 β 2． 6 × 108 4． 76 × 108 6． 0 × 108 上升时间/ns 7． 8 4． 1 2． 5 衰落时间/ns 1 465 550 55 其中，1976 年出版物定义的脉冲持续时间和上 升时间最长。IEC 定义的脉冲波形持续时间只有 55 ns，上升沿仅为 2． 5 ns。Bell 实验室定义的脉冲 波形介于两者之间［7］。 1． 2 HPM 武器 高功率微波是指微波源的峰值功率为100 MW ～ 100 GW，工作频率为 1 ～ 300 GHz 的无线电电 磁波，具有频率高、脉冲上升时间短、辐射功率强 等特点［8］。高功率微波武器的主体是利用一台能 重复产生高功率微波的高增益定向天线或其它设 备，装置在战车、战术飞机或无人机上，以极高的 频率和辐射强度照射目标，利用大功率微波束干 扰、毁坏敌方信息系统和通信链路中的敏感电子 部件。高功率微波器辐射的脉冲功率一般在 GW 级，在远距离上可实施对电子设备的干扰，在近 距离上可杀伤有生力量，引爆各类弹药或直接摧 毁目标。 1． 3 UWB 武器 超宽带武器是指频带宽度范围在 108 ～ 1012 Hz 之间，利用高频率的电磁脉冲功率源或爆炸，产生 纳秒级脉冲，从而获得超宽带电磁辐射输出，峰值 功率可达 1 ～ 20 GW，覆盖频带 100 MHz ～ 50 GHz， 对通信电子装备构成了严重威胁，被认为是一种专 门采用超宽带和短脉冲技术的微波武器［9］。超宽带 电磁脉冲武器是以炸药式爆炸为主体的电磁脉冲弹 头，被装置在导弹、炸弹或炮弹中，投射到目标区 域附近引爆，爆炸瞬间可以将机械能转化为电磁 能，对固定范围内的通信电子设备产生电磁脉冲损 伤效应。 ·34· 飞航导弹 2014 年第 5 期
攻防系统 2国外EMP武器发展情况 战略、战术通信设备使用的所有频段： 自20世纪80年代，美国就开始了对申磁脉冲 2)辐射场强高，核电磁脉冲产生的场强大约是 武器的研制。1991年海湾战争中，美海军首次使用 10-1O0k1m,几乎可以击穿烧毁任何 子器件 由战斧巡航导弹携带的电磁脉冲弹头，用于干扰 3)脉冲持续时间短，电磁脉冲武器产生的电磁 毁伤伊拉克的电子系统。1999年北约对南联盟的发 秋冲持续时间都非常短，一般在数10ns到数10u5 炸中美国使用了洛斯阿拉草斯实哈室研制的微波 之间，上升沿陡峭，一般只有几个纳秒，对电子器 武器，使南联盟部分地风的各种诵信设施庭库了 件危害极大： 3个多小时。2003年伊拉克战争期间，美英联军又 4)耦合途径多，可以经过设备的线缆、孔缝 次使用电磁武器打击、干扰了伊拉克的通信电子 天线等途径耦合电磁能量，对设备造成干扰或损 设备.2004年美国对新一代电磁脉冲武器开始了大 坏，受环境和打击精度的约束较小： 范围测试。2007-一2008年进行了一些关键的机载高 5)杀伤半径大，其中HEMP辐射面积可达几十 功率微被武器系统级试哈，验证机载HPM武器对 平方公里，并且对武器打击的瞄准精度要求不高： 地基传感器阵列的作用效果.2009年成功对紧凑型 6)全天候作战， 电磁脉冲武器利用发射到 重频脉冲GW级HPM炸弹进行了试验，经过不 的强电磁波来损毁目标，在大气中高功率电磁波受 发展，目前已经基本具备装备水平，2010年，美国 环境因素的影响小0： 要求装载电磁脉冲武器的新型无人攻击机数量要占 )打击效果难评估，导弹等常规武器对目标实 整个攻击机的13。时至今日，美国在高功率申 施攻击后，目标的打击摧鹤程府可以通过高空摄像 脉冲武器方面做了大量工作 从电 元器件到下22 等方法直接观察】 但是EMP武器则不同，目标的打 战斗机等大型武器装备，已经建立了较为系统的军 击损伤程度无法直接从外部观察 用电子设备电磁防护标准和武器装备电磁脉冲效应 除了能够对通信电子设备进行攻击之外，EM 防护实验数据库： 武器还具有电磁生物效应，能够对人体造成一定的 俄罗断在高功率电磁脉冲武器的研究和实现方 杀伤效应。对人体的杀伤效应可分为“非热效应”和 面同美国 直处于世界领先水平 ,并且部分 “热效应”。 研究内容和技术已经超越美国。目前己经研制出 率12GHz、峰值功率高达15GW、脉冲宽度60s的 4EMP武器的损伤机理 单脉冲返波振荡器，并且生产出峰值功率为1GW 随着电子技术的快速发展，高集成芯片内部的 的小型便携式高功率电磁脉冲源。 TT、COS、品体管禁器件的使用数量大幅提升 日、印等其它军事强国在电磁盼 密度增大使其承 受脉冲的电压越来越 电磁脉冲 对电子通信设备的危害日益凸显。在日益复杂的高 功率战场电磁环境下，高功率电磁脉冲式器对通信 3EMP武器的攻击特点 设备的危害尤为严重。 高功率EP武器对电子设备系统的损害主要 高功率电磁脉神武器的目的是专门毁指挥 来源于电磁脉冲与设备之间的 电磁耦合作为 控制和通讯电子设备 号称 电磁杀手” 其对通信 新概念武器，与传统武器相比，EP武器在技术特 电子设备的干扰和破坏主要是由电磁场与电子系 点、杀伤破坏力和作战方式等方面都有明显的区 的耦合而形成的，在攻击范围内可以攻击、干扰任 别。其对电子设备的攻击和破坏主要有以下七个方 何通信电子设备，小则击穿、烧毁电子器件，大则 面的特占： 破坏推毁整个通信系统，使整个打击目标区域的通 1)频谱覆盖广，电磁脉冲武器释放的脉冲频率 信、指挥、控制、情报 ,监视和侦察等作战指挥系 覆盖了中频(300业~3MH、高频(3~30NM 统瞬间瘫痪，失去战斗力。 和甚高频(30~300MHz)等多个频段，涵盖了目前 电磁脉冲与通信电子设备的耦合方式可分为 飞航导弹2014年第5期 ·35 994-016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.net
攻防系统 2 国外 EMP 武器发展情况 自 20 世纪 80 年代，美国就开始了对电磁脉冲 武器的研制。1991 年海湾战争中，美海军首次使用 由战斧巡航导弹携带的电磁脉冲弹头，用于干扰、 毁伤伊拉克的电子系统。1999 年北约对南联盟的轰 炸中，美国使用了洛斯阿拉莫斯实验室研制的微波 武器，使南联盟部分地区的各种通信设施瘫痪了 3 个多小时。2003 年伊拉克战争期间，美英联军又 一次使用电磁武器打击、干扰了伊拉克的通信电子 设备。2004 年美国对新一代电磁脉冲武器开始了大 范围测试。2007—2008 年进行了一些关键的机载高 功率微波武器系统级试验，验证机载 HPM 武器对 地基传感器阵列的作用效果。2009 年成功对紧凑型 重频脉冲 GW 级 HPM 炸弹进行了试验，经过不断 发展，目前已经基本具备装备水平。2010 年，美国 要求装载电磁脉冲武器的新型无人攻击机数量要占 整个攻击机的 1 /3。时至今日，美国在高功率电磁 脉冲武器方面做了大量工作，从电子元器件到 F-22 战斗机等大型武器装备，已经建立了较为系统的军 用电子设备电磁防护标准和武器装备电磁脉冲效应 防护实验数据库。 俄罗斯在高功率电磁脉冲武器的研究和实现方 面同美国一样，一直处于世界领先水平，并且部分 研究内容和技术已经超越美国。目前已经研制出频 率 12 GHz、峰值功率高达15 GW、脉冲宽度60 ns的 单脉冲返波振荡器，并且生产出峰值功率为 1 GW 的小型便携式高功率电磁脉冲源。 英、法、德、日、印等其它军事强国在电磁脉 冲武器方面也有大量的研究成果。 3 EMP 武器的攻击特点 高功率 EMP 武器对电子设备系统的损害主要 来源于电磁脉冲与设备之间的电磁耦合。作为一种 新概念武器，与传统武器相比，EMP 武器在技术特 点、杀伤破坏力和作战方式等方面都有明显的区 别。其对电子设备的攻击和破坏主要有以下七个方 面的特点: 1) 频谱覆盖广，电磁脉冲武器释放的脉冲频率 覆盖了中频( 300 Hz ～ 3 MHz) 、高频( 3 ～ 30 MHz) 和甚高频( 30 ～ 300 MHz) 等多个频段，涵盖了目前 战略、战术通信设备使用的所有频段; 2) 辐射场强高，核电磁脉冲产生的场强大约是 10 ～ 100 kV/m，几乎可以击穿烧毁任何电子器件; 3) 脉冲持续时间短，电磁脉冲武器产生的电磁 脉冲持续时间都非常短，一般在数 10 ns 到数 10 μs 之间，上升沿陡峭，一般只有几个纳秒，对电子器 件危害极大; 4) 耦合途径多，可以经过设备的线缆、孔缝、 天线等途径耦合电磁能量，对设备造成干扰或损 坏，受环境和打击精度的约束较小; 5) 杀伤半径大，其中 HEMP 辐射面积可达几十 平方公里，并且对武器打击的瞄准精度要求不高; 6) 全天候作战，电磁脉冲武器利用发射到空中 的强电磁波来损毁目标，在大气中高功率电磁波受 环境因素的影响小［10］; 7) 打击效果难评估，导弹等常规武器对目标实 施攻击后，目标的打击摧毁程度可以通过高空摄像 等方法直接观察，但是 EMP 武器则不同，目标的打 击损伤程度无法直接从外部观察。 除了能够对通信电子设备进行攻击之外，EMP 武器还具有电磁生物效应，能够对人体造成一定的 杀伤效应。对人体的杀伤效应可分为“非热效应”和 “热效应”。 4 EMP 武器的损伤机理 随着电子技术的快速发展，高集成芯片内部的 TTL、CMOS、晶体管等器件的使用数量大幅提升， 密度增大使其承受脉冲的电压越来越小，电磁脉冲 对电子通信设备的危害日益凸显。在日益复杂的高 功率战场电磁环境下，高功率电磁脉冲武器对通信 设备的危害尤为严重。 高功率电磁脉冲武器的目的是专门摧毁指挥、 控制和通讯电子设备，号称“电磁杀手”。其对通信 电子设备的干扰和破坏主要是由电磁场与电子系统 的耦合而形成的，在攻击范围内可以攻击、干扰任 何通信电子设备，小则击穿、烧毁电子器件，大则 破坏摧毁整个通信系统，使整个打击目标区域的通 信、指挥、控制、情报、监视和侦察等作战指挥系 统瞬间瘫痪，失去战斗力。 电磁脉冲与通信电子设备的耦合方式可分为 飞航导弹 2014 年第 5 期 ·35·
攻防系统 “前门棍合”与“后门摆合”。“前门辐合”是指电磁 杂电磁环境的必然要求。以下列举了一系列可行的 脉冲与目标的天线、传输线等媒介直接形成的耦 电磁防护标准和安全防护体系。 合。“后门祸合”是指电磁能量通过目标金属壳体上 1)设置.据指利用对申感波且右明 的孔缝电缆接头等形成的耦合。电磁脉冲对电子系 收、 衰减、反射等特性的材料 来屏蔽阻挡电础 统造成的损伤效应主要是通过三种耦合途径引起 的传输，可以有效提高整个屏蔽休的电磁屏蔽性 的：天线耦合，外界电磁场的辐射能量直接通 能，并具有设计简单、成本低、防护效果好等优点 过系统的天线传输至系统：线缆以及接头连接处的 既可以防止系统内部的电磁泄露，又可以减少外界 耦合，外界电磁场对通信设备线缆的辐射产生的感 电磁辐射，可有效加固通信设备的“后门耦合”防 应电流、电压传输至通信设备：孔、洞、缝等不封 护。大体可分为三类：静电屏 磁屏蔽和电磁屏 闭处的耦合，外界电磁场的辐射能量通过通信设备 蔽 箱体上的由输入输出接口、散热孔、缝等开口处 2)终端保护装置和滤波，滤波是抑制电磁脉冲 耦合至设备箱体内 对通信设备“前门耦合”的重要方法。为了防止天 当外界电磁环境与通信设备之间的耦合能量达 线、通信电缆受高功率微波辐射而产生的电磁脉冲 到通信设备主板中晶体管、半导体等器件的门限阔 电压或电流沿着通信电缆传播至设备内高 可采用 值时，将直接导致申子申路墨件的电、热或力学击 浪涌保护器(SPD)结合滤波电路组成的滤波器，有 穿。通过各种耦合途径进入通信电子系统的电磁 洗择地法除接收信号之外的须率成分，但此过程中 量，对电子系统的损坏程度与电磁能量的功率密度 SPD必须能够在有效的时间内发挥作用。 整切相关)，相关数据见表3。 3)接地处理，接地是电磁防护中最重要的环 节， 可以将通信设备 过合理的途径与大地连接 表3不同功率密度EMP的损伤效 提高电路系统的工作稳定性和安全性，避免箱体或 电磁屏蔽罩的电背积累过多而发生静电放电结现 EMP功率密度 损伤效应 0.01-1W1e 响相应频段上雷达和通信设备 4)采用具有冗余度和故障跨越机理的电路模 其产生强干扰，设备不能正常工作 块拓扑结构，可以有效避免因电磁干扰造成部分青 丽信、雷达、导航等由子系统中的元 点、链路受损而使整个设备功能丧失的情况，可有 0.01-1W1m 器件失效或烧 效提高通信设备在EMP武器打击下的战场生存能 力。 箱体摄合产生解态电磁场，内部电路 10-100W1em 宝牛成应申压出现功能素乱、误 5)选择合理的工作频率，当微波在大气层传播 码、逻辑混乱，甚至水久失效 时， 会受到大气环境因素的影响，大气层中水 强场作用，引起非线性效应，可在 气、氧气以及雨水在一定的频率下会对微波产生吸 10-10W1em 时间内通过热效应或微观力学效应 收作用，当赏波须率在22GH2、185GHz时被水荒 损坏目标 气吸收，在60GHz、118GHz时被氧气吸收。因此」 在保证有效通信距离的情况下，根据战场地区雨 5EMP武器防护技术 水、水蒸气、氧气等气候特征， 合理选择通信设名 电磁脉冲武器作为一种新概念武器，可以通过 的无线工作频率，可有效减小EMP武器的损伤效 破坏通信电子系统的电子元器件等攻击敌方的电子 应，能够起到一定的防护作用。 信息系统。通信设备是军事通信指挥系统的主要通 6)合理配置线路和电缆，通信线缆尽可能地讲 信设施之一，因而，研究和分析通信设备的电磁损 择光缆取代传统的线缆， 光信号 的传输受电磁脉冲 伤效应机理，建立、健全以及完善通信设备的电 的干扰比较小，光纤本身的物理结构使其具有天然 防护技术是提高战斗力的必要手段，是适应战场复 的抗电磁脉冲能力。除此之外，线缆之间应该尽量 ·36· 飞航导弹2014年第5期 1994-2016 China Academic Joumal Electronic Publishing House All rights ve www.cnki.ne
攻防系统 “前门耦合”与“后门耦合”。“前门耦合”是指电磁 脉冲与目标的天线、传输线等媒介直接形成的耦 合。“后门耦合”是指电磁能量通过目标金属壳体上 的孔缝电缆接头等形成的耦合。电磁脉冲对电子系 统造成的损伤效应主要是通过三种耦合途径引起 的［11-14］: 天线耦合，外界电磁场的辐射能量直接通 过系统的天线传输至系统; 线缆以及接头连接处的 耦合，外界电磁场对通信设备线缆的辐射产生的感 应电流、电压传输至通信设备; 孔、洞、缝等不封 闭处的耦合，外界电磁场的辐射能量通过通信设备 箱体上的电缆输入输出接口、散热孔、缝等开口处 耦合至设备箱体内。 当外界电磁环境与通信设备之间的耦合能量达 到通信设备主板中晶体管、半导体等器件的门限阈 值时，将直接导致电子电路器件的电、热或力学击 穿。通过各种耦合途径进入通信电子系统的电磁能 量，对电子系统的损坏程度与电磁能量的功率密度 密切相关［7］，相关数据见表 3。 表 3 不同功率密度 EMP 的损伤效应 EMP 功率密度 损伤效应 0． 01 ～ 1 μW/cm2 影响相应频段上雷达和通信设备，对 其产生强干扰，设备不能正常工作 0． 01 ～ 1 W/cm2 通信、雷达、导航等电子系统中的元 器件失效或烧毁 10 ～ 100 W/cm2 箱体耦合产生瞬态电磁场，内部电路 产生感应电压，出现功能紊 乱、误 码、逻辑混乱，甚至永久失效 103 ～ 104 W/cm2 强场作用，引起非线性效应，可在短 时间内通过热效应或微观力学效应 损坏目标 5 EMP 武器防护技术 电磁脉冲武器作为一种新概念武器，可以通过 破坏通信电子系统的电子元器件等攻击敌方的电子 信息系统。通信设备是军事通信指挥系统的主要通 信设施之一，因而，研究和分析通信设备的电磁损 伤效应机理，建立、健全以及完善通信设备的电磁 防护技术是提高战斗力的必要手段，是适应战场复 杂电磁环境的必然要求。以下列举了一系列可行的 电磁防护标准和安全防护体系［15-17］。 1) 设置屏蔽，屏蔽是指利用对电磁波具有吸 收、衰减、反射等特性的材料，来屏蔽阻挡电磁波 的传输，可以有效提高整个屏蔽体的电磁屏蔽性 能，并具有设计简单、成本低、防护效果好等优点， 既可以防止系统内部的电磁泄露，又可以减少外界 电磁辐射，可有效加固通信设备的“后门耦合”防 护。大体可分为三类: 静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏 蔽。 2) 终端保护装置和滤波，滤波是抑制电磁脉冲 对通信设备“前门耦合”的重要方法。为了防止天 线、通信电缆受高功率微波辐射而产生的电磁脉冲 电压或电流沿着通信电缆传播至设备内部，可采用 浪涌保护器( SPD) 结合滤波电路组成的滤波器，有 选择地滤除接收信号之外的频率成分，但此过程中 SPD 必须能够在有效的时间内发挥作用。 3) 接地处理，接地是电磁防护中最重要的环 节，可以将通信设备通过合理的途径与大地连接， 提高电路系统的工作稳定性和安全性，避免箱体或 电磁屏蔽罩的电荷积累过多而发生静电放电等现 象。 4) 采用具有冗余度和故障跨越机理的电路模 块拓扑结构，可以有效避免因电磁干扰造成部分节 点、链路受损而使整个设备功能丧失的情况，可有 效提高通信设备在 EMP 武器打击下的战场生存能 力。 5) 选择合理的工作频率，当微波在大气层传播 时，会受到大气环境因素的影响，大气层中水蒸 气、氧气以及雨水在一定的频率下会对微波产生吸 收作用，当微波频率在 22 GHz、185 GHz 时被水蒸 气吸收，在 60 GHz、118 GHz 时被氧气吸收。因此， 在保证有效通信距离的情况下，根据战场地区雨 水、水蒸气、氧气等气候特征，合理选择通信设备 的无线工作频率，可有效减小 EMP 武器的损伤效 应，能够起到一定的防护作用。 6) 合理配置线路和电缆，通信线缆尽可能地选 择光缆取代传统的线缆，光信号的传输受电磁脉冲 的干扰比较小，光纤本身的物理结构使其具有天然 的抗电磁脉冲能力。除此之外，线缆之间应该尽量 ·36· 飞航导弹 2014 年第 5 期
攻防系统 避免平行、线缆长度尽可能缩短、减少线缆的暴露 B】徐伯夏，丁国辉，黄靖.复杂电磁环境下CSR系统 部分等措施都是减小申磁脉冲对通信系统内部申路 的防护研究.电光与控制，2011.18(3)：14 系统耦合与干扰的有效手段 ]郑生全，吴晓光，朱英福。舰船平台强电磁脉冲城刷 7)时间回避法，利用灵敏度极高的传感器在高 与防护要求.微波学报，2010.(8)：100H04 [5]安霆，魏明，李士度.等.UWB,HEMP作用下长线线 强度电磁场到来之前，切断设备与电源、天线等之 间的连接，等待电磁脉冲过后再重新连接。 场线耦合效应比较研究.微被学报，2010,26(4)：14 美国不仅在由磁脉冲研制方面引须若世界新型 [6]谢度召，王赞基，王群书，等。高空核爆电磁脉冲波 武器的发展方向，而且在电磁脉冲防护技术方面也 形标准及特征分析.强激光与粒子束，2003,15(8)： 走在世界前列。据悉，冷战时期美国的武器装备包 781787 括装甲车辆、CSR系统等就有核电磁脉冲加固标 []柴焱杰，孙继银，赵利军。近地面HEMP电磁环境特 准。1992年，美国在一次地下核试验中进行了军事 性研究.计算机测量与控制.2011,19(1)：210212 系统的抗核电磁脉冲加固防护技术研究。2003年 [8】谢鹏浩，刘尚合，谭志良，等，雷达系统的电磁脉冲 美国国会组织研究人员专门研究美国本土受核电 效应分析.系统工程与电子技术.2007.2911)：1856 磁脉冲打击后的损伤评估，并且建议美国军方在 1858 )]杨学患，宋学军，王成。电磁脉冲对战场的影响。现 2010年前完成重要基础设施的核电磁脉冲防护建 代雷达.2012,345：14 设。 [10]盛兆玄，孙新利。新型电碰脉冲导弹的发展动态.飞 航导弹，2007(11)：74】 6结束语 [1]王川川.朱长青，谷志锋，等.近地电缆屏蔽层对高 随着电磁武器技术的日益成热，EP武器将向 空核电碾脉冲响应的所究.微被学报，2011.27(4)： 若功率更高、频谱更宽、脉冲前后沿更窄、武器装 1821 置更小的方向发展、对通信设各第申子设各的或助 [12】田晓凌，汪卫华.高功率微波脉冲与目标璃合效应研 也日益加重。因此在表来高科技条件下的复杂根 究现状及发展趋势， 航导年，20094)：3940 场环境中 通信设备除了采用 些基本防护技术》 [13] 王涛，余文力，朱峰。高功率微波武器杀伤机理及发 外，最关键的是要根据通信电子设备所处的电磁环 展现状.飞航导弹.2008(3)：1216 境。建立全方位、多层次、立体式、综合性的防护 [4】宋航，侯德亭，周东方，等.高功率微波对双层屏藏 措施，制定和完善器件、电路、模块、系统以及设 腔体的孔缝糊合特性.强激光与粒子束，2009,21 (4):574578 备级的由磁防护标准和防护要求，采用新技术、新 思路 [15] 王建宝，周壁华。杨波.屏蔽室接地位置不同对其屏 不断发展防护措施和标准 并且将防护标准列 蔽效能的影响研究.电波科学学报，2012.27(1)： 入设备的设计 生产和验收全过程，提高通信电子 4549 设备在EMP武器打击下的战场生存能力。 [16] 汪柳平，高攸钢.。有孔矩形腔的屏蔽效能及其对诺 振抑制研究.电波科学学报，2008,23(3)：56056 [17] Tadeusz Konefal.John F Daw son.A Fast Circuit Mode ]周壁华，陈彬，高成。现代战争面临的高功率电磁环 Deseription of the Shielding Effectiveness of a Box With 境分析.微波学报，2002.18() 880 Imperfect Gaskets or Apertures Covered by Thin Resis [2]J s of High-Power Micr tive Sheet Coatings.IEEE Transactions on Electromag- ，200s.36 netie Compatibility.2006.2(48)134-144 (3):569581 飞航导弹2014年第5期 ·37 1994-2016China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enkine
攻防系统 避免平行、线缆长度尽可能缩短、减少线缆的暴露 部分等措施都是减小电磁脉冲对通信系统内部电路 系统耦合与干扰的有效手段。 7) 时间回避法，利用灵敏度极高的传感器在高 强度电磁场到来之前，切断设备与电源、天线等之 间的连接，等待电磁脉冲过后再重新连接。 美国不仅在电磁脉冲研制方面引领着世界新型 武器的发展方向，而且在电磁脉冲防护技术方面也 走在世界前列。据悉，冷战时期美国的武器装备包 括装甲车辆、C4 ISＲ 系统等就有核电磁脉冲加固标 准。1992 年，美国在一次地下核试验中进行了军事 系统的抗核电磁脉冲加固防护技术研究。2003 年， 美国国会组织研究人员专门研究美国本土遭受核电 磁脉冲打击后的损伤评估，并且建议美国军方在 2010 年前完成重要基础设施的核电磁脉冲防护建 设。 6 结束语 随着电磁武器技术的日益成熟，EMP 武器将向 着功率更高、频谱更宽、脉冲前后沿更窄、武器装 置更小的方向发展，对通信设备等电子设备的威胁 也日益加重。因此，在未来高科技条件下的复杂战 场环境中，通信设备除了采用一些基本防护技术之 外，最关键的是要根据通信电子设备所处的电磁环 境，建立全方位、多层次、立体式、综合性的防护 措施，制定和完善器件、电路、模块、系统以及设 备级的电磁防护标准和防护要求，采用新技术、新 思路不断发展防护措施和标准，并且将防护标准列 入设备的设计、生产和验收全过程，提高通信电子 设备在 EMP 武器打击下的战场生存能力。 参考文献 ［1］ 周壁华，陈彬，高成． 现代战争面临的高功率电磁环 境分析． 微波学报，2002，18( 1) : 88-92 ［2］ James Benford． Space Applications of High-Power Microwaves． IEEE Transactions on Plasma Science，2008，36 ( 3) : 569-581 ［3］ 徐伯夏，丁国辉，黄靖． 复杂电磁环境下 C4 ISＲ 系统 的防护研究． 电光与控制，2011，18( 3) : 1-4 ［4］ 郑生全，吴晓光，朱英福． 舰船平台强电磁脉冲威胁 与防护要求． 微波学报，2010，( 8) : 100-104 ［5］ 安霆，魏明，李士彦，等． UWB，HEMP 作用下长线缆 场线耦合效应比较研究． 微波学报，2010，26( 4) : 14- 18 ［6］ 谢彦召，王赞基，王群书，等． 高空核爆电磁脉冲波 形标准及特征分析． 强激光与粒子束，2003，15( 8) : 781-787 ［7］ 柴焱杰，孙继银，赵利军． 近地面 HEMP 电磁环境特 性研究． 计算机测量与控制，2011，19( 1) : 210-212 ［8］ 谢鹏浩，刘尚合，谭志良，等． 雷达系统的电磁脉冲 效应分析． 系统工程与电子技术，2007，29( 11) : 1856- 1858 ［9］ 杨学惠，宋学军，王成． 电磁脉冲对战场的影响． 现 代雷达，2012，34( 5) : 1-4 ［10］ 盛兆玄，孙新利． 新型电磁脉冲导弹的发展动态． 飞 航导弹，2007( 11) : 7-11 ［11］ 王川川，朱长青，谷志锋，等． 近地电缆屏蔽层对高 空核电磁脉冲响应的研究． 微波学报，2011，27( 4) : 18-21 ［12］ 田晓凌，汪卫华． 高功率微波脉冲与目标耦合效应研 究现状及发展趋势． 飞航导弹，2009( 4) : 39-40 ［13］ 王涛，余文力，朱峰． 高功率微波武器杀伤机理及发 展现状． 飞航导弹，2008( 3) : 12-16 ［14］ 宋航，侯德亭，周东方，等． 高功率微波对双层屏蔽 腔体的孔缝耦合特性． 强激光与粒子束，2009，21 ( 4) : 574-578 ［15］ 王建宝，周璧华，杨波． 屏蔽室接地位置不同对其屏 蔽效能的影响研究． 电波科学学报，2012，27 ( 1) : 45-49 ［16］ 汪柳平，高攸纲． 有孔矩形腔的屏蔽效能及其对谐 振抑制研究． 电波科学学报，2008，23( 3) : 560-564 ［17］ Tadeusz Konefal，John F Daw son． A Fast Circuit Model Description of the Shielding Effectiveness of a Box With Imperfect Gaskets or Apertures Covered by Thin Ｒesistive Sheet Coatings． IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2006，2( 48) : 134-144 飞航导弹 2014 年第 5 期 ·37·