射频前端强电磁脉冲防护研究进展（摘录）

周璧华教授说：如果把无形的电磁波比作有形的飞机炸弹，我们的工作就好比在建防空洞。可以说，没有电磁脉冲防护能力，战事未开已先败。

国内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.

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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（51277179）

本文发表在《北京理工大学学报》2020.3

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. 1.1　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-2002［12］和美国AD报告AD-A243367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关注，比如碳纳米管、左手材料、超磁性材料等超材料.近年来，左手材料被用于电磁波隐身的研究，经过特殊结构设计的左手材料能够弯曲电磁波，并将光线或雷达波反向散射出去，从而实现抗电磁干扰功能。（略）

2.3　电磁脉冲防护技术发展趋势

①加强电子设备电磁环境效应机理研究，发展综合防护技术.

针对强电磁脉冲在电子设备内耦合、传递的途径，确定电磁场对系统的损伤机理和作用规律，结合装备的重要性和生存需要，采用拓扑考虑中的整体防护、分布防护，从器件、电路、分系统、系统层次分别采取全方位综合防护技术成为发展趋势.

②建立多源、大动态范围的电磁环境防护仿真分析模型，建立基于系统工程理论的多易损对象、多损伤机理的系统防护方法.

建立射频模块的非线性大信号等效电路模型，开展不同电场强度的的数值仿真试验、半实物/实物电磁环境效应试验，从元件布局、材料选型、工艺改进多方面增强射频电路的抗毁伤性能.

基于场路耦合理论、孔缝耦合理论以及空间电磁场传播理论，重点研究电子设备的电磁防护仿真分析方法，编写强电磁环境防护能力电磁仿真预测分析软件，构建强电磁环境防护能力电磁仿真平台，具备分析计算电子设备电磁能量分布及易损对象的防护效果的能力.

③探索强电磁防护新原理、新概念、新方法.

重点探索电子元器件的电磁脉冲防护新技术、新工艺，通过应用新型半导体材料、综合集成多模式半导体防护技术，可以为电磁防护设计提供理论和技术支撑.

借鉴认知无线电的核心思想，探讨一种收/发组件前端智能电磁防护新技术.通过使收/发组件前端具有一定的电磁干扰感知、分析与规避能力，可以对出现的电磁干扰进行分析、学习和判断，并针对可能的情况做出适当的性能改变和规避等防护措施.

为适应电磁脉冲防护的需要，设计研制快响应、高脉冲功率承受能力的新型复合抑制器件也成为电磁防护的一个研究热点，这对于提高射频前端的抗电磁脉冲能力具有重要意义.

目前，很多电磁防护的新技术、新方法还处于实验研究阶段，距离工程化的实际应用还有一段距离，因此进一步推进频率选择表面、能量选择表面技术和有源对消电磁防护技术，开展电磁防护仿生研究，实现环境自适应、故障自修复技术的实用化也具有重要的现实意义.

3电磁脉冲防护标准与效能评估

3.1　电磁脉冲防护标准体系（略）

3.2　防护效能评估（略）

3.3　展望

目前在国标、国军标规范中，多是电磁兼容性方面的相关规定，而对于系统级的电磁防护评估，目前还没有出台针对性标准.此外，由于标准所反映的特异性和缺乏与实际环境一致性等原因，在实际应用中，常发生部件与试验不一致的现象.因此，要进行系统级的电磁防护评估，目前亟待解决的问题是建立完整的电磁防护指标体系，并引入与系统分析相适应、具有针对性的评估准则对体系进行评估.

国外防护性能试验验证一般通过物理试验方法.通过等效模拟理论在地面建立强电磁环境试验及测试系统，验证在给定的强电磁环境应力下试件的功能、性能是否正常，是否存在设计和工艺缺陷，判定试件是否合格交付.这种试验的不足是仅能定性验证试件是否满足设计要求，无法给出试件电磁健壮性的定量指标，不能对精细化设计提供量化数据.近年来，国外研究基于失效机理和损伤模式的环境健壮性评价方法，可以定量评价试件环境耐受性能，为设计改进提供精确的依据，这是未来武器装备环境试验发展的趋势.

4结束语

随着现代科学技术的不断发展，关于电磁防护理论和技术研究取得了长足的进步，然而复杂恶劣的电磁环境以及新型电磁脉冲武器的运用，对电磁脉冲防护研究提出了更紧迫、更严苛的要求.针对战场复杂恶劣的电磁脉冲环境，通过研究电磁脉冲环境内涵，分析武器装备内部电磁敏感部件的电磁脉冲效应，开展电磁脉冲护技术研究，从元器件、电路、分系统到系统层次采取有效的综合加固防护措施，是提高作战系统在电磁脉冲环境下抗毁能力和工作性能的重要保障，也将成为强电磁脉冲防护的发展趋势.

同时，从总体设计的角度上说，为解决电子设备强电磁场系统防护问题，必须制定相关的标准和防护规范，基于多学科优化理论与方法建立电磁防护指标体系以及电磁防护预测模型，定量评价系统电磁脉冲防护性能，为解决强电磁脉冲对电子设备的干扰、损伤问题和改进电磁防护水平提供精确的依据.

解放军理工大学首席教授周璧华：如果把无形的电磁波比作有形的飞机炸弹，我们的工作就好比在建防空洞。可以说，没有电磁脉冲防护能力，战事未开已先败。