電子信息系統(tǒng)對高功率微波武器防護措施研究

高偉偉, 江志東, 曲家慶, 賀偉煒

(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū),山東 青島266041;2.上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

高功率微波(High Power Microwave,HPM)是一種強電磁脈沖,其頻段范圍為1 GHz～300 GHz,峰值功率高于100 MW[1]。高功率微波武器是一種應(yīng)用高功率微波技術(shù)的新型定向能武器,又稱為電磁脈沖武器。其原理是將高功率微波能量通過定向天線進(jìn)行輻射,產(chǎn)生高功率窄帶微波波束,運用電、熱等毀傷效應(yīng),對敵方的通信設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)彈、導(dǎo)航設(shè)備等電子信息系統(tǒng)造成干擾或毀傷[2-4]。因此,加強HPM武器的防護措施研究對制勝未來戰(zhàn)場有著非常重要的意義。

1 毀傷機理

隨著HPM武器相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展,HPM武器對電子信息系統(tǒng)的毀傷影響日益嚴(yán)重,其毀傷途徑和方式往往使電子信息系統(tǒng)“無所遁形”。

1.1 毀傷影響

HPM武器通過電效應(yīng)、熱效應(yīng)等方式對電子信息系統(tǒng)甚至人畜進(jìn)行殺傷,既具有“軟”殺傷能力,又具有“硬”殺傷能力[5]。文章僅針對電子信息系統(tǒng)進(jìn)行研究分析,表1列出了不同功率密度的微波輻射對電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[6]。

表1 微波輻射對電子信息系統(tǒng)的影響

1.2 毀傷途徑

HPM武器對電子信息系統(tǒng)的毀傷途徑主要是“前門”、“后門”耦合[7-8]。若HPM武器的輻射能量通過電子信息系統(tǒng)設(shè)備的天線或傳輸線等直接耦合到其內(nèi)部,進(jìn)而對電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或毀傷,稱為“前門”耦合。若輻射能量通過電子信息系統(tǒng)設(shè)備的表面孔洞、縫隙、線纜或殼體等耦合進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,對其電子器件造成干擾甚至導(dǎo)致器件失效,則稱為“后門”耦合。對于電子信息系統(tǒng),HPM可通過天線耦合、線纜耦合、孔洞或縫隙耦合、殼體感應(yīng)、微波穿透、回路耦合等六種方式[5-6,9-10]進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。

(1)天線耦合

HPM武器輻射出高功率電磁波,在目標(biāo)電子信息系統(tǒng)附近形成強電磁場。理論上,只要處于此電磁場范圍內(nèi)的導(dǎo)體,均可認(rèn)定為電磁波的接收天線,包括電子信息系統(tǒng)接收天線、傳輸線及裸露在外的金屬導(dǎo)線或引線等。處于電磁場內(nèi)的接收天線將會感應(yīng)產(chǎn)生很高的場強,從而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生高電壓或大電流,干擾甚至毀傷系統(tǒng)。

(2)線纜耦合

如果電子信息系統(tǒng)的電源線纜、信號線纜或系統(tǒng)設(shè)備間連接部位未做好防護處理,且處于HPM照射范圍內(nèi),由于強電磁場作用,這些部位會感應(yīng)產(chǎn)生較強的電壓或電流,感應(yīng)電壓或電流會對電子信息系統(tǒng)造成不可估量的損傷。

(3)孔洞和縫隙耦合

電子信息系統(tǒng)因散熱等要求,通常在其設(shè)備表面留有一定的孔洞,此外由于系統(tǒng)設(shè)備組裝、連接等因素可能會留有一定的表面縫隙。而HPM的波長一般在厘米或毫米量級,若孔洞或縫隙尺寸大于HPM的半波長,電磁波進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部會產(chǎn)生駐波,影響設(shè)備的正常工作。

(4)殼體感應(yīng)

一般情況下,雷達(dá)、通信設(shè)備等電子設(shè)備的殼體是由金屬材質(zhì)制成的。在HPM產(chǎn)生的強電磁場范圍內(nèi),由于電磁能量的作用,金屬殼體必然會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。一方面,設(shè)備的接地端一般會連接殼體,感應(yīng)電動勢可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部部分電子元器件遭到干擾甚至毀傷;另一方面,設(shè)備的電源線纜、信號線纜及天線饋線等各類線纜均會穿過殼體進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,在HPM作用下,很有可能產(chǎn)生電磁諧振,影響設(shè)備內(nèi)部線路及器件的正常工作。

(5)微波穿透

HPM覆蓋的頻譜一般較寬。根據(jù)HPM的功率、頻譜范圍、極化類型和電子信息系統(tǒng)設(shè)備的尺寸大小、設(shè)備間連接情形等因素的不同,HPM對各類導(dǎo)電介質(zhì)均有不同程度的穿透能力,即便是地下的電子信息系統(tǒng)都有可能受到影響。

(6)回路耦合

根據(jù)麥克斯韋電磁理論,在HPM作用下,電子信息系統(tǒng)與周圍潮濕的空氣和大地等會形成回路,產(chǎn)生電磁耦合,干擾設(shè)備的正常運行。

1.3 毀傷方式

隨著科技的進(jìn)步,電子信息系統(tǒng)使用的電子器件數(shù)量越來越多,變相降低了系統(tǒng)的抗HPM毀傷能力。HPM對電子設(shè)備或其內(nèi)部電子器件的毀傷方式主要有高壓擊穿、器件燒毀、微波加溫、瞬時干擾、浪涌沖擊等[11-12]。

(1)高壓擊穿

若HPM被電子信息系統(tǒng)接收,將被轉(zhuǎn)換為高電壓或大電流,由此引起系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點或部件損傷甚至回路的擊穿。

(2)器件燒毀

由于高電壓或大電流的作用,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電子器件的燒毀或保險絲、金屬連接線等的熔斷。

(3)微波加溫

任何電子器件都有限定的工作溫度閾值。HPM屬于微波,微波照射對電子器件會產(chǎn)生一定的加溫作用,若溫度超過電子器件的工作溫度閾值,電子器件將無法正常工作甚至燒毀。

(4)瞬時干擾

若HPM輻射進(jìn)入電子信息系統(tǒng)內(nèi)部的功率較低,雖不足以毀壞系統(tǒng),但由于感應(yīng)瞬時電壓或電流的作用,仍會對系統(tǒng)造成干擾,影響其正常工作。

(5)浪涌沖擊

若HPM由于電子信息系統(tǒng)的屏蔽措施未能直接進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部,仍有可能在設(shè)備殼體上感應(yīng)出高電壓或大電流。高電壓和大電流通過設(shè)備的孔洞、縫隙等進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部,會導(dǎo)致一些敏感器件受到干擾甚至毀壞。

2 技術(shù)防護措施

為提高電子信息系統(tǒng)對HPM武器毀傷的防護能力,在明確設(shè)備的“前門”、“后門”和HPM毀傷途徑及方式的基礎(chǔ)上,應(yīng)對防護措施加以重視并進(jìn)行深入研究。

2.1 基本防護措施

基本的防護措施有屏蔽、濾波和接地等。針對HPM武器和電子信息系統(tǒng)的特點,應(yīng)對其進(jìn)行合理設(shè)計。

(1)屏蔽

屏蔽是指利用合適的屏蔽材料并進(jìn)行合理的設(shè)計,以達(dá)到電磁防護目的的手段。對于電子信息系統(tǒng)來說,屏蔽包括線纜屏蔽、孔洞屏蔽和縫隙屏蔽等,屏蔽是預(yù)防“后門”耦合的重要措施。

(2)濾波

濾波是從頻域角度進(jìn)行電磁防護的方法。在分析電子信息系統(tǒng)頻率特性基礎(chǔ)上,將從天線或傳輸線等耦合進(jìn)入系統(tǒng)的非有用信號濾除。濾波器一般有反射濾波器和損耗濾波器兩種,在實際應(yīng)用中,經(jīng)常將兩者結(jié)合起來以達(dá)到更好的效果。

(3)接地

接地是將電子信息系統(tǒng)設(shè)備通過合理途徑與大地相接,將HPM感應(yīng)產(chǎn)生的電流導(dǎo)出至大地。良好的接地措施是抑制噪聲和抵抗干擾的有效保證,能夠很大程度上提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

以上是最基本的電磁防護措施,除此之外,較常見的還有接收限幅、浪涌保護等防護措施,均可有效降低HPM對電子信息系統(tǒng)的危害。

2.2 防護新技術(shù)

除上述基本的防護措施外,近年來新的防護技術(shù)相繼被提出,主要有等離子體防護技術(shù)、基于能量選擇表面的防護技術(shù)、仿生電磁防護技術(shù)等。

(1)等離子體防護技術(shù)

等離子體是自然界中除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的另一種物質(zhì)形態(tài),其內(nèi)部含有大量載流子,因此具有很好的導(dǎo)電性,且對電磁場有很強的反應(yīng)。國內(nèi)外關(guān)于等離子體與HPM相互作用的研究有很多。常規(guī)的限幅器,如PIN二極管限幅器、變?nèi)荻O管限幅器、肖特基勢壘二極管限幅器等,很容易被HPM毀傷。根據(jù)等離子體對電磁場的反應(yīng)原理制成的等離子體限幅器,相比常規(guī)限幅器具有更高的功率容限,對HPM具有更好的防護效果。

圖1是兩種等離子體防護結(jié)構(gòu)[13-14]。其中:圖1(a)是一種介質(zhì)層與等離子體層間隔分布的防護結(jié)構(gòu),通過介質(zhì)層的反射和等離子體層的吸收以及層間的反射對HPM進(jìn)行衰減;圖1(b)是兩層圓柱狀等離子體結(jié)構(gòu),HPM通過該結(jié)構(gòu)時,經(jīng)過兩層離子體的反射和吸收,同樣達(dá)到了衰減HPM的效果。

圖1 等離子體防護結(jié)構(gòu)

(2)基于能量選擇表面的防護技術(shù)

基于能量選擇表面(Energy Selective Surface,ESS)材料的防護技術(shù)是運用壓控導(dǎo)電材料或電磁敏感材料進(jìn)行設(shè)計的電磁防護技術(shù)。ESS材料具有電磁環(huán)境的自適應(yīng)特性,可根據(jù)空間中電磁能量的強弱,實時變化自身對電磁波的傳輸特性,從而改變空間的電磁分布,以實現(xiàn)電磁能量的低通特性。

圖2為一種較為典型的ESS電磁防護材料結(jié)構(gòu)[15],該結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)電交叉金屬貼片和反向并聯(lián)二極管組成的二維周期性網(wǎng)格陣列。為保證屏蔽效果,網(wǎng)格間距應(yīng)遠(yuǎn)小于入射電磁波波長。由于二極管的壓控特性,入射電磁脈沖的強度不同,二極管的感應(yīng)電壓也會不同,因此防護結(jié)構(gòu)是可變的。當(dāng)入射信號能量較小時,二極管兩端電壓低于其導(dǎo)通電壓,此時所有二極管都處于截止?fàn)顟B(tài),該結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電網(wǎng)格陣列,幾乎不會影響電磁信號的傳輸;反之,當(dāng)入射信號能量增大,二極管兩端電壓大于其導(dǎo)通電壓時,所有二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài),該結(jié)構(gòu)為金屬屏蔽網(wǎng),可以阻止強電磁脈沖進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。

圖2 典型的ESS電磁防護材料結(jié)構(gòu)

(3)仿生電磁防護技術(shù)

仿生電磁防護主要是學(xué)習(xí)生物系統(tǒng)的構(gòu)造和活動的過程、機理,并進(jìn)行合適的提取后將其應(yīng)用到電磁防護領(lǐng)域[16],是電磁仿生學(xué)的新生分支。目前,關(guān)于此方面的研究方興未艾。

2.3 防護新材料/新器件

伴隨著新型防護技術(shù)的研究,各類新材料和新器件在HPM防護中時也得到越來越多的應(yīng)用。

(1)納米材料

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度或以此為基元構(gòu)成的材料。由于材料的尺度遠(yuǎn)小于電磁波波長以及小尺度所帶來的大表面效應(yīng),使得納米材料可以對電磁波進(jìn)行有效的屏蔽防護[17]。以納米技術(shù)為基礎(chǔ)的新型復(fù)合電磁防護材料研究已成為重要的研究熱點。據(jù)報道,美國IBM公司已研制出以多層石墨烯為主的新型防護材料,可以對微波輻射進(jìn)行有效的防護[18]。文獻(xiàn)[19]提出了一種納米聚苯胺-鍍鎳碳纖維復(fù)合材料,具有良好的力學(xué)性能、電磁屏蔽性能和吸波性能。一定工藝條件下,其在10 k Hz～4 GHz頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽效能最高可達(dá)72 dB。

(2)智能防護材料

智能防護材料是一種能夠感知外界變化,并根據(jù)變化情況做出適當(dāng)反應(yīng)的新型材料,是繼石器材料、鋼鐵材料、合金高分子材料及人工設(shè)計材料之后的第五代材料。相比于傳統(tǒng)電磁防護材料,智能防護材料電磁調(diào)節(jié)速度更快、電場敏感度更高、相變前后的電導(dǎo)率變化范圍更大、相變時間更短且相變可逆[20],具有更好的電磁防護性能。廣義上,應(yīng)用于等離子體技術(shù)和能量表面選擇技術(shù)的材料都可以看作是智能防護材料。

(3)新型器件

現(xiàn)有電子信息系統(tǒng)中使用的器件大部分不具有抵抗HPM的能力。在研究新型電磁防護技術(shù)和材料的同時,需加強對新型強電磁防護器件的研究。目前,美俄等國已研制出可以抵抗一定功率強度HPM脈沖的集成芯片,相對于常規(guī)芯片,其抗強電磁脈沖能力提高了8～10倍[6]。運用石墨烯材料制成的晶體管相比常規(guī)晶體管具有更高的遷移率和開關(guān)比,理論上可以突破傳統(tǒng)晶體管對亞閾值斜率的限制[21]。

除此之外,由于光信號的傳輸受電磁脈沖的干擾較小,可以考慮用光纖替換現(xiàn)有電子信息系統(tǒng)中傳輸信號的線纜,以減少線纜耦合的影響。

3 戰(zhàn)術(shù)防護措施

從技術(shù)上提升電子信息系統(tǒng)HPM防護能力的同時,還應(yīng)從戰(zhàn)術(shù)上考慮如何降低HPM武器對電子信息系統(tǒng)的危害。參考美國國防機構(gòu)對電磁防御問題的分析與應(yīng)對策略[22],應(yīng)從以下方面考慮電子信息系統(tǒng)的HPM防護。

3.1 加強電子信息系統(tǒng)的主動干擾和偽裝欺騙能力

敵方HPM武器必然要事先得到我方電子信息系統(tǒng)可靠信息才可進(jìn)行電磁攻擊,所以加強對敵方探測設(shè)備的主動干擾和欺騙,并對我方設(shè)備進(jìn)行合適的偽裝,將極大地降低敵方打擊效果。有經(jīng)驗表明,在雷達(dá)陣地附近布置假陣地,隨著偽裝級別的提升,敵方以假當(dāng)真的概率將大為增加。不同偽裝級別下目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率及摧毀概率如表2所示[23]。

表2 不同偽裝級別下目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率及摧毀概率

3.2 加強對HPM武器或平臺的主動攻擊

最好的防御就是進(jìn)攻。應(yīng)加強對我方探測設(shè)備的重視與應(yīng)用,提升探測設(shè)備的協(xié)作能力;加強區(qū)域甚至整體的探測感知能力,積極主動探測敵方HPM武器及其平臺所在;合理部署針對HPM武器的打擊部隊并加強其機動能力,遇有狀況及時響應(yīng),力爭先于敵方攻擊。

3.3 提升安全保密能力

對電子信息系統(tǒng)的電磁信息要加強保密,嚴(yán)防電磁信號頻率、制式、功率等重要信息的泄露。同時應(yīng)結(jié)合電子信息系統(tǒng)部署地點的實際情況,制定嚴(yán)格的安全保密規(guī)章,甚至將電磁安全保密措施擴展至“聲”、“光”等領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

文章對HPM武器的毀傷機理進(jìn)行了簡要闡述,并在此基礎(chǔ)上探討了未來進(jìn)行HPM武器防護的新技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)防護要求。隨著科技的進(jìn)步,電子信息設(shè)備和HPM都在快速發(fā)展,未來戰(zhàn)爭中,電子戰(zhàn)必然是重中之重。防護好己方電子信息系統(tǒng)免受敵方HPM武器的攻擊可能是未來戰(zhàn)場制勝的關(guān)鍵。