复杂电磁环境及防护

  Belle ·  2011-04-13 22:37  ·  11229 次点击
中国兵器工业新技术推广所电磁兼容技术研究室李子森
1.复杂电磁环境提出的背景
复杂电磁环境可以综合定义为:在某一空间内由时域、频域、空域和能量域分布复杂的多种电磁信号叠加,它对电子装备、火工品、燃油和人员等有不同程度的危害。
复杂电磁环境是综合性名词,主要用于顶层策划和宏观分析。实质上电磁环境都是复杂的、动态的,在技术设计层面都应进行分解和分类,成为可描述的技术参数。
1.1按电磁能量的来源划分有:
(1)自然电磁现象和人为电磁现象
(2)我方电子装备辐射和敌方电子装备辐射
(3)无意电磁辐射(电磁兼容范畴)和有意电磁辐射(电子对抗范畴)
1.2按电磁场信号特性划分有:
(1)随机或无规则波形
(2)无调制波形(脉冲,连续正弦波)
(3)调制波形(脉冲调制,模拟量调制)
在电子装备使用过程中,使用方常常应用“复杂”这个词来形容装备附近的电磁环境,其原因是多方面的。
(1)电磁环境集成的不确定性
电子装备在不同空间电磁信号的叠加是不确定的,电磁信号的组合受多种因素限制。
(2)电磁环境测量的不确定性
电磁环境测量数据受时间,方向及频谱等因素影响。测试结果具有统计特性,另外,在特定条件下,电磁干扰信号电平是很低的,例如雷达接收机极限灵敏度-110dBm,天线增益40dB。其干扰信号用一般干扰测量仪或频谱仪是测不到的。
(3)未来战场上广泛使用电子对抗技术和强电磁脉冲技术,这些技术参数是不可预知的,并且攻防双方都应用可变参数。
为了进行电磁防护,提高电子装备的电磁生存能力,电子装备设计时需要对可能造成电磁干扰的电磁环境进行分类分析。
2.复杂电磁环境的分析
2.1电子对抗(电子战)和电磁环境效应内容的区别
电磁环境效应是在能量域研究电磁能量对电子装备、军械等的影响。主要涉及电子装备(含接收器通道外)对电磁能量敏感程度,并且要求对接收器通道内器件不损坏、不烧毁。
电子对抗是在信息域研究接收器通道内的电子对抗。主要通过信号处理剔除干扰,当然也应用了信道捷变频,天线旁瓣对消等措施。
电磁环境效应包含了一些电子对抗的内容,但电子对抗有其独特的技术内容,两者有较大区别。
2.2有关外部射频电磁环境
GJB1389A《系统电磁兼容性要求》所提供的外部射频电磁环境包含人为和无意的电磁辐射,主要是由雷达和通信系统通过发射天线向特定空间或在近区所形成的电磁场,这些电磁场的统计特征值用峰值和平均值表示,平均值是模拟量调制的通信设备所产生的,而峰值主要是雷达设备产生的脉冲调制波,从标准中多个表格所提供的数值明显看出300MHz以下频段电磁场的平均值与峰值相等,这是通信使用电磁波的特征,而在300MHz以上频段电磁波平均值与峰值不相等。它们的比值就是占空比(占空比小于1)。标准中外部射频电磁场典型平均值为200V/m,峰值为2~3kv/m。
2.3有关强电磁场环境
由于受平均功率的限制,在一般情况下的强电磁场是指电磁脉冲波,电磁脉冲波的峰值功率可以很大。
电磁脉冲波主要有高功率微波(HPM)、超带宽电磁脉冲(UWB)、核电磁脉冲(NEMP)和雷电波(LEMP),其中雷电波为自然电磁现象,其它均是人为电磁现象。电磁脉冲波的电磁效应大部分不是电热效应,电磁脉冲的破坏作用远大于连续波,所以在未来战场上使用的软杀伤武器一般指的是电磁脉冲武器。
2.4其它电磁现象
其它电磁现象包括太阳磁爆对无线电设备影响,大气无线电噪声的影响,地磁对阴极射线器件、陀螺仪的影响,以及地磁(磁性矿物)对电磁波传输的影响等。
此外,由于沉积静电出现在高速飞行器表面,引起飞行器不等电位和电弧放电,对飞行器通信和导航造成很大影响。
综上所述,电磁现象种类很多,其影响是多方面的,只有对其机理进行深入研究,才能找到合适的防护方法。
3.强电磁环境条件下,装备及设备的防护
装备及设备在强电磁环境条件下要求能正常工作,必须对装备及设备进行防护设计,使其在上述条件下不损坏且不出现电磁敏感。
3.1装备在强电磁环境条件工作的风险评估
武器装备包含大量的电子信息系统,在强电磁环境条件下存在风险,因此需要对装备的防护风险进行评估,并采取综合性防护设计措施。正如其它灾害,例如地震、雷电等只能实现减灾,不可能达到避灾。因为防护所投入的人力、物力和财力随着防护能力的提高而增加,防护能力的提高与经济性需要综合权衡的。
就防护能力而言,风险评估需要考虑如下各个因素:
(1)装备所处的环境因素
装备受强电磁辐射的影响,包括辐射源的辐射强度和辐射源离装备的距离,例如某些地区是落雷区经常遭受雷电影响,某些装备是核试验设备,受很强高空核电磁辐射。
(2)装备的机动特性
装备的机动性是军用装备的重要指标,一般装备分为固定装备和移动装备,移动装备通常使用电子方舱,舱外电缆长度有限,由电磁感应引起的端口干扰电流、电压比固定装备要小一些。
(3)装备敏感程度
有些装备内有大量的传感器,受强电磁场影响就较大,是防护的薄弱环节;相反,有些装备外露端口较少,电子设备耐强电磁能力较强。
(4)装备的重要程度
有些装备是区域中枢设备,其作用远大于其它装备,重要度很高,有些装备的功能或作用空域可以被其它设备所替代,其重要程度稍低。
3.2装备对强电磁环境的防护等级和层次
如前所述,对装备在强电磁脉冲环境条件下的风险评估以后就可以确定防护等级,电磁环境越恶劣,装备重要程度越高以及装备对电磁环境越敏感时防护等级将越高。
防护等级可以分为2~3级,即硬点加固型、加固型和轻便加固型。美军标MIL-STD-188-125A中指出,硬点加固适用于固定设施核电磁脉冲防护,要求电磁场屏蔽效能达100dB,端口注入电流达8kA;加固型适应于固定地面设施高功率脉冲防护,规定电磁屏蔽效能为80dB,端口防护注入电流为5kA;轻便加固型适用于移动地面装备电磁脉冲防护,规定电磁屏蔽效能为80dB,端口防护注入电流为1~5kA。
另一方面,电磁脉冲防护设计大多采用多层逐级防护方案,也就是采用分层抗扰技术,防护设计一般分为装备(系统)级、机柜(舱段)分系统级和电路级,这三级防护的电磁环境严酷度相差很大,防护器材也有很大差别。
三级防护的参数具有传递特性,例如MIL-STD-188-125-2端口注入电流为5kA,通过一级防护后,端口残余电流约为1~10A,该指标与设备级电磁兼容性指标要求相一致,即舱内(室内)机柜电缆注入电流敏感度(CS115、CS116)极限值为5~10A。
三级防护具有替代性,例如飞行器没有方舱屏蔽壳体,那么屏蔽防护首先需要依靠飞行器壳体和舱段壳体,此时,部件及电路级防护设计成为防护的重要环节。
3.3装备对强电磁环境的防护设计
常用的强电磁环境防护手段主要包括屏蔽、滤波、接地和加装防护器件。其中屏蔽和接地是防护的基础。屏蔽是用高导电率和高导磁率的金属材料把电子设备屏蔽起来,并设有良好的接地线,同时在所有穿过屏蔽体的导线、门窗、通气孔等处施加防护设施。
装备的电磁环境防护设计中,除了要考虑舱体结构和材料外,贯通舱体内外各种连接线的电磁防护以及端口电磁泄漏在整个设计中至关重要。端口的电磁防护包括电磁干扰屏蔽设计和防尖峰浪涌设计,电磁干扰屏蔽主要靠电源线和信号线滤波器来实现,尖峰浪涌防护需要设计尖峰浪涌吸收电路。
强电磁脉冲防护的常用元件包括气体放电管、半导体放电管、压敏电阻以及半导体瞬态抑制器等。各种浪涌抑制器件的共同特点为在阈值电压以下都呈现高阻抗,一旦超过阈值电压,阻抗便急剧下降,对尖峰电压具有消峰作用。但在响应时间、通流容量方面,各种元件都有优缺点,因此,需根据具体的应用场合,采用上述器件中的一个或者几个的组合,来构成相应的保护电路。
3.4射频电磁环境的频谱十分广泛
对电子方舱而言,电磁屏蔽的频率范围是90KHz~18GHz,屏蔽效能A级为60dB,B级为40dB。而强电磁环境多指电磁脉冲环境,其频谱相对较窄,此时要求,磁场屏蔽:100KHz信号屏蔽效能为40dB,1MHz为60dB,电磁屏蔽:10~1000MHz范围,屏蔽效能应为80dB。
综合上文分析认为,复杂电磁环境的内涵是十分广泛的,要使装备适应复杂电磁环境要求,电磁兼容性和电磁环境的防护是非常必要的。
复杂电磁环境包括射频电磁环境和电磁脉冲电磁环境,对复杂电磁环境的防护至少应综合射频环境及电磁脉冲环境的防护要求。

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