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美国水面舰船电磁脉冲防护标准浅析射频前端强电磁脉冲防护研究进展（摘录）
谭志良李亚南宋培姣（陆军工程大学石家庄校区）
基金项目：国家自然科学基金资助项目（）
本文发表在《北京理工大学学报》.3
摘要：
未来战争条件下，人为产生的强电磁环境的攻击对通信系统构成了重大威胁，其射频前端电路在强电磁脉冲环境条件下，极易出现性能降级和损毁，导致通信系统工作异常甚至完全失效.因此，研究强电磁环境效应以及强电磁脉冲防护理论与方法，对于提高通信装备在强电磁环境下的生存能力具有重要的意义.文中阐述和分析了射频前端强电磁脉冲防护的的研究内容，并围绕电磁脉冲效应研究、电磁脉冲防护技术研究、电磁脉冲防护标准与效能评估这3个基本内容，从理论分析、建模仿真和实验评价等角度对现阶段国内外开展的电磁脉冲防护研究工作进行了概述和分析，并对射频前端强电磁防护的研究方向和研究重点进行了展望.
随着无线电技术的进步，射频通信电子设备也在飞速地发展，极大地促进了军事指挥透明化、扁平化、协同化发展，同时超视距发现、超视距攻击、电子战等新兴作战手段也应运而生.射频通信技术越来越深刻地改变着战争的方式.然而，随着高功率微波武器和其他动能、定向能武器等新概念武器不断出现，加上自然环境中的雷电等电磁危害源，通信系统将面临十分恶劣的高功率电磁环境［1］.电磁脉冲武器通过在短时间内产生瞬态强电磁场来破坏对方的电子设备、指挥、控制、通信系统，强电磁脉冲武器释放的高强度、超宽谱的电磁脉冲能量耦合进入通信系统，将会导致内部射频接收前端模块中半导体器件和集成电路的电击穿、热熔断或热应力破坏.因而，提高通信系统射频前端的强电磁防护能力于整个通信指挥系统的正常工作具有重要的意义.
目前，有关电磁脉冲防护的理论、技术和试验评价方法已成为当今世界各国研究的热点之一［2-3］.由于雷电和静电放电等相对比较常见，国内外的研究相对较多，但研究方向多集中于电子设备本身的防雷电及静电设计及验证［4-11］，对设备射频前端的电磁防护较为薄弱.
射频前端的电磁脉冲防护是一个复杂的技术体系，涵盖范围非常广泛，限于篇幅无法一一介绍.鉴于强电磁脉冲研究本质上属于瞬态电磁学研究的范畴，本文将从电磁脉冲效应研究、电磁脉冲防护技术研究、电磁脉冲防护标准体系与评估3个方面，对国内外开展的相关研究工作进行归纳概述，并对未来的发展方向进行展望.
1 电磁脉冲效应研究
1.1 电磁脉冲效应研究内容分析
磁脉冲效应研究是电磁环境效应（electromagnetic environment effect，E3）的重要研究内容，是指电磁脉冲对电子系统、设备、装置的运行能力的影响，中国国家军用标准GＪＢ 72A-［12］和美国AD报告AD-A都将其研究范围进行了定义.电磁脉冲效应的研究，是电磁抗干扰/毁伤技术研究的重要前提，可为未来武器装备系统的论证、设计、研制、鉴定、应用提供重要的理论、方法与技术支撑.
关于射频前端的电磁脉冲效应研究，首先需要针对典型电磁脉冲源建立波形数据库，其次针对需要射频前端开展精确建模，包括设备的模型数字化（如天线模型、滤波模型、结构几何模型等），系统的电磁模型数字化（射频发射模型、射频接收模型、壳体模型等），以及射频前端的电磁脉冲响应模型设计等.然后，利用计算机仿真手段，结合射频前端强电磁脉冲耦合规律，定量分析电磁脉冲源对射频前端性能的影响，以期建立起较为完整的电磁脉冲效应数据库.
1.2 电磁脉冲效应仿真计算与试验
目前对于EMP效应研究经历了3个阶段：经验判断阶段、标准控制阶段、电磁仿真计算阶段［13］.通过建立EMP源和能量耦合数学模型，利用仿真计算对电磁干扰和毁伤信息进行分析，得出用于指导电磁防护设计的参数，定位电磁防护设计的工作重点，进而提出有针对性的电磁防护设计方案，避免“过设计”或“欠设计”，形成具体可实施的电磁加固手段，提高射频前端抗电磁脉冲毁伤性能.
对于射频前端的电磁脉冲效应仿真来说，其核心问题是强电磁脉冲耦合规律与作用机理，其关键技术是电磁耦合建模、电磁能量分布规律研究，其建模方法可以分为机理分析法和实验数据统计分析法.基于机理分析的EMP效应仿真通过设定边界条件求解Maxwell方程组，完成能量耦合分析，机理分析法包括时域有限差分法［14］、电磁拓扑法［15-18］和传输线法.机理分析建模方法需要对电路模型进行简化，对电磁场理论和计算有着较高要求，不利于工程应用.基于实验数据统计分析的EMP效应仿真利用EUT输入、输出信息来建立能量耦合模型，适用于EUT内部电路结构不确定的情况.常用方法包括概率统计法［19］和频谱估计法［20-22］.
基于系统辨识的EMP效应仿真是一种建模仿真与实验测试相结合的研究方法［23］，可用于器件级、设备级和系统级的研究，能满足于不同环境和应用场合的需求，为电磁脉冲效应机理分析提供了新的思路.
1.3 电磁脉冲效应研究展望
电磁脉冲效应研究是国内外电磁环境效应评估领域的重要内容，为强电磁环境防护设计与评估提供了基础支撑.目前研究对象主要集中于器件级的简单目标，缺乏系统性［24-25］.对于大型复杂系统而言，电磁脉冲耦合途径越来越复杂，因此对于系统级电磁脉冲能量耦合规律的精确建模和快速分析已成为EMP效应研究中亟待解决的关键问题.这其中，重点研究多输入、多输出及非线性系统的EMP效应仿真建模，进而由设备级仿真扩展到系统级EMP效应仿真将是一个重要发展方向.
EMP对三维复杂结构的穿透和耦合过程数值分析需要高效率的电磁场数值计算方法.但是，目前单一的电磁场数值分析技术对整个系统的数值模拟效率是计算电磁学难以克服的瓶颈之一，这直接受到系统建模复杂性、计算机内存和CPU速度方面的严重制约.针对此问题，可以采用混合模拟技术，综合运用机理分析中的几种方法，发挥各自优势，从而更加有效地解决EMP效应仿真建模问题.此外，研究非线性的EMP效应仿真算法，进而由设备级仿真扩展到系统级EMP效应仿真算法研究，这也是EMP效应研究的重要发展方向.
高测量精度和可靠性的电磁环境对于E3工程分析、试验计划、传导试验、故障诊断与改进试验技术等有着重要意义.随着计算机软硬件的飞速发展，利用实物、半实物和数值协同仿真的方法构建电磁环境成为了一个研究热点，实物、半实物仿真可以产生真实的射频电磁环境，而数值仿真方法能够模拟系统可能面临的电磁环境，二者相辅相成、互相验证.
2 电磁脉冲防护技术研究
高功率微波、核电磁脉冲等人为强电磁环境对空间安全构成重大威胁，电磁脉冲武器和动能、定向能武器产生强电磁脉冲使空间攻防条件下的电磁环境更加复杂、严酷.针对武器装备强电磁环境防护的迫切需求，相应的电磁脉冲防护理论和技术已经成为各国的研究热点，军事大国非常重视电磁安全防护.
现阶段国外EMP防护研究内容主要包括：器件、系统级电磁环境效应和损伤机理研究；探索电磁防护新技术、新工艺研究，包括采用屏蔽、滤波、接地等手段进行分级、分层防护，以及软/硬限幅及智能自动增益控制技术；研制新型轻质、高屏蔽效能、宽频带、复合功能电磁防护材料.
现阶段国内EMP防护研究内容主要包括：部分电子器件、电路的强电磁脉冲耦合模型和规律研究；半导体器件损伤模式、损伤建模的初步研究；同时，利用电磁脉冲源模拟器，研究了典型敏感系统的电磁安全阈值试验评估方法，确定了干扰和损伤的阈值；探索了装备主动防雷击技术、电磁仿生防护技术、自适应电磁防护技术等电磁主动防护新原理、新方法.
为应对越发恶劣的电磁环境，在屏蔽、滤波、接地和隔离等传统技术手段的基础上，国内外研究学者也对适用于电磁防护领域的新技术、新材料和新器件进行了深入研究.
2.1 防护技术手段
2.1.1 能量选择表面（略）
能量选择表面是一种利用强电磁效应改变阻抗特性，实现能量选择的辐射场防护表面。当入射强电磁脉冲时，压控导电器件两端感应出大电压，元件由高阻态变为低阻态，呈屏蔽效果；当入射正常信号时，压控导电器件两端感应的电压不足以使元件导通，压控导电结构相当于介质，呈透射效果.
能量选择表面具有能量自适应、超宽带等优点，克服了传统防护手段在功率容量和防护功能上的不足，可用于对电磁脉冲炸弹和高功率微波武器的综合防护.
2.1.2 频率选择表进行面（略）
2.1.3 等离子防护技术（略）
2.1.5 电磁防护仿生技术
电磁防护仿生的研究方向，最早由刘尚合院士课题组［39］在《自然杂志》上提出，通过探索生物体电磁信息传递的抗扰机制，建立并优化电磁防护仿生模型，结合新颖的仿生器件而实现仿生技术，满足电子系统高可靠安全运行的要求.文献［40-42］基于神经系统特性规律，构建了容错自律仿生电路和神经网络模型，提出了一种三模块冗余容错机制、自组织演化修复、神经网络结构三技术融合的控制电路系统框架.
2.1.6 其他防护技术或方案（略）
国外大力开展电磁脉冲防护器件与模块研究工作，设计研制具有大功率容量、快响应的防护器件是一个研究热点.日本研制的硅基浪涌防护器件已应用于通信电路的防护；美国和韩国研发了多种限幅器和浪涌保护器件，响应时间达到nｓ量级.
目前国内多数的防护电路存在功率容量低或反应时间慢的缺点.针对此缺点，文献［43］研制了一种射频接收前端电磁脉冲防护膜片，如图6所示，该防护膜片通过并联快响应半导体器件，在保证低插损的前提下，提高了防护膜片的功率容量，电磁脉冲限幅效果大于20DＢ.
鉴于由防护器件组成的印制板级防护电路对原有电子设备的改动较小，单个器件的成本也较低廉，适应传导路径场合，可广泛应用于射频前端端口防护［45-47］.国内还有一些商业公司投入到电磁脉冲防护产品的研发.广州某公司的一型雷电电磁脉冲防护模块［48］，将电涌保护器件与LC高通滤波器结合起来，起到了一定的电磁防护效果，如图8所示.
2.2 电磁防护材料研究
电磁波防护材料可分为两大类：一是反射电磁波的材料；二是吸波电磁波的材料.第一类电磁防护材料通过金属纤维将电磁波反射，减少了电磁波的透过量.而第二类的吸波材料，如铁氧体及部分导电材料，能够部分吸收入射的电磁波，降低电磁波的反射能量.在电磁防护新材料方面，具有感知功能、信号处理功能和自我修复的智能材料以及具有超常物理性质的超材料等在电磁屏蔽、电磁吸波中的应用前景受到广泛
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