高功率干扰设备电磁辐射危害性及防护分析

周 涛 ， 杜 丹

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.陆军装备部驻石家庄地区第一军代室，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着电磁空间作战技术的进步，电子干扰的手段逐渐向大功率、大范围方向发展，期望能够使用较少的设备控制较大的作战区域。电子干扰装备的辐射功率从90年代的百瓦量级、千瓦量级逐渐发展到兆瓦量级。

众所周知，电磁辐射会对人体造成伤害，随着辐射功率的增加及作用时间的延长，危害逐渐增大。对于操作及维护电子干扰装备的作战人员，不可避免地会受到电磁辐射影响。如果不能明确电子对抗装备的辐射量，就不能保证作战人员的身体健康，反之过度恐惧电磁辐射，就不能发挥电子对抗装备的性能。为了避免这2个错误，就需要了解电磁辐射的危害，明确电子对抗装备的辐射强度，采取合理的安全防护措施。

为保护人类的正常生活和繁衍，国内外均制定了相关标准，规定了电磁辐射安全限值，使电磁应用安全考评有据可依。我国民用电磁辐射设备已经普遍采取了强制性的电磁辐射安全性分析，对基站、通信车及雷达等专用设备也开展了电磁辐射危害性分析和防护研究[1-3]。本文对采用有源相控阵体制的高功率干扰设备的电磁辐射特性进行分析，针对相控阵特殊的天线波束形成方式，通过仿真获得天线波束覆盖区域，计算天线周围不同区域的辐射计量，并依据相关标准，提出了操作人员安全防护要求。

1 有源相控阵辐射特性分析方法

有源相控阵实现空间功率合成的原理是利用阵列天线中的多个天线单元，发射频率相同、相位符合特定关系的电磁波，使之在空间传播过程中功率相互叠加，从而在特定区域形成高功率场。空间功率合成技术应用分布式功放，相对传统的单功放、单馈源体制，避免了功率传输损耗大、功率耐受程度受限的问题，具有更大的等效辐射功率输出潜力，是实现超大功率辐射输出的最佳方式。

有源相控阵一般分为数字和模拟2种实现方式。数字方式通过数字集成电路产生多组不同相位的激励信号，通过DAC转换为模拟信号送入前端发射通道；模拟方式输入的干扰激励信号为同源同相信号，通过在模拟通路上加装模拟移相器，实现各通道相位调整，模拟有源相控阵组成如图1所示。相对于数字方式，模拟方式具有成本低、成熟度高和工程易实现的优点[4-5]。

图1 模拟有源相控阵组成

模拟有源相控阵输入的干扰激励信号通过分配网络分到各发射通道，前级功放用于抵消功率分配带来的损耗。各发射通道的信号经过移相器调相和末级功率放大后，送入天线单元辐射输出。末级功放一般采用分布式小功率固态功率放大器。

有源相控阵在天线远场处的等效EIRP值计算公式为：

EIRP(远场)=N2×G×P×η，

式中，N为天线单元个数；G为单个天线增益；P为单个天线的发射功率；η为合成效率。

近场区域中，有源相控阵辐射特性与远场条件下差别很大。为了说明有源相控阵近场和远场辐射强度的不同，首先要了解电磁波在天线近场和远场的传播特性。

由电磁传播理论可知，天线空间辐射场分为感应近场区、辐射近场区和辐射远场区[6]，如图2所示。

图2 电磁波的辐射与场区划分

感应近场区的电磁场并不产生辐射，其能量是震荡的，感应近场区与辐射近场区之间的边界线为：

式中，D为天线口径；λ为信号波长。

辐射近场区又称为菲涅尔区，此区域的场相对振幅随距离的改变而改变，在不同的距离上方向图均不同。

辐射远场区，电场矢量和磁场矢量在空间上相互垂直，在时间上同相，共同激发场电流，电磁能量沿矢径方向向外传播不再返回，形成电磁辐射。辐射近场区与辐射远场区之间的边界线为：

式中，D为天线口径；λ为信号波长。一般认为，距离超过R2为远场区，反之为近场区。

在近场区域，有源相控阵中各天线单元辐射信号呈非相干性，在空间不能合成功率，相当于多个发射单元并行工作。相控阵天线近场区域等效辐射功率为：

EIRP(近场)=N×G×P×η。

与较远场条件相比，近场等效辐射功率减小了N倍。

对于近距离接触干扰设备的操作人员来说，关注的是近场区域电磁场强分布。首先应该明确近场的界限，然后再计算近场区域电磁辐射场强。

2 电磁辐射危害与防护

2.1 电磁辐射危害原理

电磁辐射对人体的危害是一个长期累积的过程，以热效应、非热效应和累积效应3种方式作用于人体[7]。

电磁辐射作用于人体中的水分子，产生热效应，会产生高温生理反应而引发疾病；电磁辐射作用于人体器官和组织的微弱电磁场，产生非热效应，降低人体酶系统、染色体和细胞膜活性，可导致免疫、生殖和代谢功能下降等危害；长期接触过量的电磁辐射，危害累积而得不到人体的自行修复，就会成为永久性病态，甚至危及生命。

不同频段电磁辐射对人体器官影响不同，依据射频共振原理，1/4波长为共振区，因此30～300 MHz为人体最易吸收的频段，故此频段范围微波辐射对人体伤害最大。电磁辐射频率和伤害位置对应关系如表1所示。

表1 电磁辐射频率和伤害位置对应关系

频率/MHz波长/cm感应区伤害特性<150>200无人体无伤害150～1 200200～25内部器官人体吸收50%的微波能量,器官因过热受损1 000～3 30030～9眼球眼球受热易生成白内障3 300～10 0009～3眼及表皮皮肤为主要吸收体,皮肤受伤发热>10 000<3皮肤皮肤对微波部分吸热,部分反射,皮肤发痒

因此，对不同频率的电磁辐射，应采取不同的防护措施。

2.2 电磁辐射安全标准

目前，各国关于电磁辐射均制定出相关标准，但各国标准限值并不统一，尚未形成一致的评价和测试标准。我国参考国际标准并制定了更加严格的标准[8-9]。

GJB5313A-2007中规定了1 Hz～300 GHz电磁辐射环境中作业区和生活区辐射暴露限值、测量和评价方法，明确了短时间暴露限值和长时间暴露限值，明确了100 kHz以上电磁辐射的限值与时间的关系。作业区短时间暴露的平均暴露限值如表2所示。

表2 作业区短时间暴露的平均暴露限值

频率范围/MHz平均电场强度/V·m-1平均功率密度/W·m-20.1～3.5170-3.5～10610/f-10～4006110400～2 0003f1/2f/402 000～300 00013750注1:限值为任意6 min测量平均值的限值注2:f为频率范围栏中的频率值

作业区连续8 h暴露的平均暴露限值如表3所示。

表3 作业区连续8 h暴露的平均暴露限值

频率范围/MHz平均电场强度/V·m-1平均功率密度/W·m-2)0.1～3.047.763～3082.5/f1/218/f30～3 000150.63 000～10 0000.274f1/2f/5 00010 000～300 00027.42注1:限值为任意 6 min测量平均值的限值注2:f为频率范围栏中的频率值

对于L频段，以典型值1 000 MHz为例，作业区长时间暴露限值为15 V/m，短时限值为94.8 V/m。

2.3 电磁辐射防护措施

通过有效的防护，能够降低人体接收电磁辐射的强度，保证人员身体健康。电磁辐射的防护措施主要包括4个方面：降低辐射源强度、隔离传播途径、减少累计辐射时间和人体自身恢复。

2.3.1 降低辐射源强度

为实现电子干扰装备的作战性能，系统辐射强度不能降低时，合理设计安全作业区域，可等效辐射源辐射强度。应根据辐射源天线方向图，划分出强辐射区作为作业禁区，避免人员受到强辐射危害。同时，计算出近场功率辐射值，根据相关标准的安全限值，划分危害区域，悬挂警示标志，禁止非作业人员长时间停留。

2.3.2 隔离传播途径

采用屏蔽技术是隔离传播途径的主要方式。

对需要长时间在辐射区工作的人员，可配备屏蔽房或屏蔽方舱。一般屏蔽房建设在辐射源正下方，使用钢筋混净土结构，设计小尺寸门窗。

按照GJB6109-2007，电磁屏蔽方舱的电磁屏蔽要求分为3级，I级60 dB(0.09 MHz～18GHz)，Ⅱ级 60 dB(0.1 MHz～10 GHz)，Ⅲ级40 dB (0.10 MHz～10 GHz)。电磁屏蔽方舱与普通方舱的基本组成相同，采用金属板结构，主要区别是在门窗、通风孔口处采用特殊的屏蔽材料进行处理，如屏蔽丝网、通风波导等，在设计加工组装古城中要保证舱体各部分的电气连续性[10]。

穿戴屏蔽服是一种重要的电磁防护措施，一般采用金属丝线织物制作，包括屏蔽服、屏蔽帽、屏蔽手套、屏蔽鞋和屏蔽眼镜等。GB/T 23464—2009规定了其覆盖的频率范围是300 MHz～300 GHz，屏蔽效能分为不小于50 dB、不小于30 dB和不小于10 dB三档[11]。

2.3.3 减少累计辐射时间

对于强辐射源的使用和维护，应规定合理的工作时间，避免电磁辐射累计效应加重对人体的伤害，使作业人员能够及时得到恢复。

2.3.4 人体自身恢复

人体自身的恢复是降低辐射危害最重要的方式之一。平时生活中应多吃水果和绿色蔬菜，多饮用绿茶。绿色蔬菜，特别是富含维生素B的食物，有利于调节人体电磁场紊乱状态；绿茶含有较多能够改善机体造血功能的脂多糖。科学的饮食，能够改善人体自身对辐射的抵抗能力，简单易行且行之有效。

3 仿真分析

3.1 L频段有源相控阵系统

对有源相控阵天线波束性能的分析，主要通过计算机仿真、实装测试和小样机测试3种方法。在对某型L频段的有源相控阵系统性能分析中，采用计算机仿真的方法[12]。

系统天线阵子采用96个对称阵子天线，按照6×16阵型布阵，系统使用96个20 W固态功放馈入每个天线单元，天线单元增益为3 dBi，阵列合成效率为0.8。根据有源相控阵远场计算公式，等效辐射功率不小于440 kW。

阵列天线波束三维仿真如图3所示，阵列天线波束二维仿真如图4所示。

图3 天线波束三维仿真

图4 天线波束二维仿真

图4中，分别仿真了900，1 000 MHz两个频点的场强，频率越高，天线波束越窄。干扰系统天线波束增益如表4所示。

表4 干扰系统天线波束增益

序号波束角度/(°)抑制/dBm1主瓣0-m2第1旁瓣12.214.4m3第2旁瓣23.417.6m4第3旁瓣31.720.1

通过天线波束仿真可以看出，天线主波束方向和30°方向的增益相差20 dB以上，系统电磁辐射场强相差100倍。

对于L频段天线系统，天线口径D按照2 m计算，距离天线超过26.7 m为远场区域，之内为近场区域。

根据有源相控阵近场计算公式，等效辐射功率不小于4.6 kW，仅为远场辐射强度的1%。

3.2 安全区域分析

远场区域，即距离天线26.7 m之外，天线主波束覆盖区为强辐射区，即天线法线方向±10°范围。

近场区域，即距离天线26.7 m之内，电磁辐射信号随距离不同逐渐衰减，符合自由空间传输损耗规则。计算L频段相控阵干扰系统近场区域、不同距离处电磁辐射场强。干扰系统近场电磁场强如表5所示。

表5 干扰系统近场电磁场强

距离/m接收平均电场强度/V·m-1378.0639.01219.51614.6

根据GJB5313A的规定，作业区长时间暴露限值为15 V/m，短时限值为94.8 V/m。因此，距离该型干扰系统超出3 m时，即可满足短时安全限值要求。超出16 m时，即可满足长时间安全限值要求。

因此，确定天线主波束范围内是强辐射区，为人员禁区。由于天线可以机械转动，禁区随天线转动角度变化。近场区域为弱辐射区，可短时停留，操作人员在屏蔽方舱内或穿着屏蔽服时，可安全工作。

4 使用注意与防护措施

该干扰系统工作频段为L频段，从电磁辐射危害原理可以看出，L频段对人体的伤害最大，主要作用于人体的内脏器官和眼球，因此，必须采取相应的措施进行防护。尽管从仿真结果得知，在近场条件下，电磁辐射符合短时安全限值，但为安全考虑，仍需要采取必要的安全防护。

① 屏蔽方舱

系统配备屏蔽方舱，具体设计包括：在舱门缝隙处安装金属丝网，通风口和空调进风通道安装通风波导板，信号孔口使用屏蔽型专用接插件。屏蔽方舱屏蔽能力不低于40 dB。在屏蔽方舱内，接收平均电场强度降至1 V/m以下，远低于作业区长时间暴露限值规定的15 V/m。

② 安全区域

相控阵天线波束宽度为20°，天线前方标定为危害区域，在天线前端设计声光报警装置，系统工作时发出告警信息，提醒危害区域人员离开。

③ 安全警示标志

除舱外声光警示，在舱内控制计算机上设计多重安全提醒，如功率开启提醒、确认舱门关闭提醒、确认危害区无人提醒和工作时长累积提醒等。

5 结束语

对有源相控阵电子干扰设备,在近场区域产生的辐射功率远小于远场区域合成的波束，因此，通过计算可合理地划分出危害区域加以警示。在其他区域，通过必要的安全防护措施，能够保证操作人员的安全。

基于电磁辐射数据计算和安全性分析，使用单位能够针对电子对抗装备制定合理的安全操作手册，指导作战人员，在保证人身健康安全的基础上，完成必要的作战任务。