典型电子设备强电磁安全效应试验研究*

赵治国，郑浩月

（中国电子科技网络信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

随着电子技术的飞速发展，电磁环境日趋复杂，电磁脉冲干扰与防护问题日益突出，对现代生产和生活安全造成了严重影响[1-3]。在信息化技术提高人们生活便利的同时，也使得这些电子产品严重依赖于周围的电磁环境，从而导致其面临的强电磁脉冲攻击威胁变得越来越现实。强电磁脉冲通过前门和后门耦合的方式，进入电子设备的内部电路和元器件，在电路板、内部线缆以及集成电路管脚处产生感应电压和感应电流，干扰电路和器件的正常工作，超过一定量级的感应电流和电压会使器件发生潜在性失效或永久性损伤，造成经济损失和灾难性事故。因此，电子设备在复杂电磁环境中的强电磁安全效应研究越来越受到关注[4-6]。本文基于核电磁脉冲模拟系统开展了电子计算器的核电磁脉冲辐照效应试验，得出不同等级核电磁脉冲环境下计算器的效应阈值和效应现象，并提出了防护建议，研究成果对评估电子设备的电磁毁伤效应具有重要意义。

1 高空核电磁脉冲模拟

强电磁脉冲辐射源从产生形式上分为高空核电磁脉冲、高功率微波以及电磁炸弹。辐射源以高功率、宽频谱的方式对目标进行辐射，通过电子设备的壳体、缝隙、屏幕、线缆以及接口进入设备内部，感应的电压强度超过器件或者模块的耐压阈值，产生高压击穿、器件烧毁、瞬态干扰等效应，从而导致电子设备功能紊乱或失效。

高空核电磁脉冲（High-altitude Electromagnetic Pulse，HEMP）是距地面40～100 km核爆炸时与大气相互作用产生的电磁脉冲[7]。电磁脉冲分为3个阶段，如图1所示。

图1 高空核电磁脉冲3个阶段示意

E1阶段（早期），主要是瞬发γ射线，产生场强幅度达数十千伏每米，上升沿为纳秒级且持续时间约为100 ns的高频电磁脉冲；E2阶段（中期），主要是散射γ射线和中子γ射线，产生的脉冲幅度为100 V/m以内，持续时间为100 ns到数十毫秒之间；E3阶段（晚期），也叫做磁体力学电磁脉冲，场强幅度为毫伏每米的量级，持续时间达到数百秒。E1阶段产生的电磁脉冲具有能量强度大、峰值场强高、频谱范围宽的特点，其对电子产品的破坏作用最大[8]。此次将高空核电磁脉冲E1阶段的电磁脉冲做为作为典型强电磁脉冲环境进行模拟。

E1阶段高空核电磁脉冲在理想远场辐射条件下，等效成在自由空间传输的平面波，空间波阻抗为120 Ω，时域波形用双指数函数表示[8]。国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）最新颁布的电磁脉冲波形参数要求中，规定脉冲上升沿时间为1.8～2.8 ns，半波宽度为18～28 ns，其场强E在时域上的数学表达式如式（1）所示[9]：

E(t)=kE0(e-αt-e-βt) （1）

式中，E0为峰值场强，量值为50 kV/m，k为修正系数，α为表征脉冲前沿的参数，β为表征脉冲后沿参数。

对高空核电磁脉冲环境的模拟，采取的是横电磁波（Transverse Electric and Magnetic Field，TEM）小室系统，基于瞬态脉冲发生器和平行板辐射系统进行E1阶段高空核电磁脉冲模拟，该系统符合美军标MIL-STD-461G中对高空核电磁脉冲试验的要求[10]。模拟器系统可以产生满足标准的高空核电磁脉冲波形，电场强度在4～60 kV/m，脉冲上升时间在1.8～2.5 ns。本次试验模拟的场强值包括5 kV/m，15 kV/m，25 kV/m，35 kV/m，50 kV/m，测试系统校准及试验配置示意如图2、图3所示，包括瞬态脉冲发生器、高压探头、示波器、平行板、被测计算器（Equipment Under Test，EUT）等。

图2 高空核电磁脉冲测试校准

图3 高空核电磁脉冲试验配置

2 试验对象

电子计算器是一种典型的电子设备，属于第一代计算机，基于互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)集成电路，由运算器、控制器和外围的电源模块、显示电路、键盘接口电路等组成，配合软件程序，执行数据的输入、存储、运算和显示功能[11]。运算器负责数据的运算，同时还集成了随机存储器（Random Access Memory，RAM），寄存中间运算结果或者固定数据。控制器由数字逻辑电路实现，用来协调全机的工作。键盘是计算器的输入部件，采用接触式或传感式实现“人机对话”。液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD）是计算器的输出部分，用来显示输入数据、中间数据以及最后运算数据。

本次试验的计算器型号为Brilliant BS-132，计算器的外壳是塑料的，没有任何金属屏蔽措施，内部由显示部分和处理电路板组成，二者之间用带状线缆连接，显示的数字位数为12位，能显示的最小值为10-11，计算器有独立的电源（电池供电）。

计算器主要功能包括：（1）通过键盘进行数据输入和数据校正；（2）基于内嵌程序执行运算（加法、乘法、除法、平方根），并将计算结果在LCD上显示；（3）对显示在RAM中的数据进行记录，并将数据添加到之前的RAM中，同时也可执行RAM中的数据显示在LCD上和将数据从RAM中删除（清除RAM中的数据）的操作。

为了便于试验前后对计算器的效应进行评估，要对计算器的正常工作状态和效应状态进行定义。计算器按键负责数据的输入，按下“On”时显示“0”字符，按“0…9”字符时显示相应字符，按“→”时显示删除一个字符，“GT”、“M”、“%”按钮时，显示对应字符，按下“MR”按钮时，显示保存在RAM中的数字，按下“MC”时禁用“M”字符，按下“+”“-”“×”“÷”时对应相应计算，按“=”按钮时改变当前显示或者显示运算结果。显示器LCD负责显示从0～9的数字字符，当计算器关闭时，整个区域显示浅灰色，计算器在显示字符时对应字符没有失真，显示器没有闪烁，显示器对比度正常。因此计算器的正常工作状态应该为键盘确保数据的输入、数学运算的选择以及不同功能的切换，计算器对键盘的正常响应表征为显示数据的变化，其次执行相应运算后显示器确保显示信息的正确性和完好性，最后计算结果应该符合数学规则。

当电磁脉冲以辐射场的形式作用于计算器时，其内部的电子元件、接口以及线缆上感应电压和电流，从而导致计算器工作状态的变化，体现在LCD上显示数据的变化、LCD显示功能故障，运算逻辑出现错误，数据丢失。因此将屏幕没有显示或者显示异常、打不开计算器、计算结果不正确、按键失灵，且状态不可逆，定义为损毁效应状态C。显示的数据改变，存储的数据丢失，但在重启按“On”键后恢复，定义为干扰效应状态B。计算器没有任何变化，功能正常，对应为无效应状态A。

3 试验方法

试验采取调节瞬态脉冲发生器的输出功率，从而实现在模拟环境中产生不同等级的场强。通过调整计算器的布置方位，研究不同极化方向、不同入射场方向条件下计算器的耦合效应现象。通过计算器的内部结构分析可知，易敏感部位包括液晶显示屏、内部集成芯片、连接线缆、按键，考虑到计算器壳体、显示屏、按键、电路板以及排线等耦合途径，因此将计算器分为以下6种摆放位置（E为电场矢量，H为磁场，P为脉冲传输方向），分别进行从小到大（5 kV/m，15 kV/m，25 kV/m，35 kV/m，50 kV/m）5种不同等级的辐射场强考核，如图4所示。每次试验结束后均对计算器进行功能型校验，出现物理故障后更换相同型号的计算器继续试验。

图4 计算器相对于电场和磁场向量的位置方向

计算器在TEM室内的现场布置图如图5所示。支撑计算机的材料为泡沫，材料的电导率和磁导率接近1，其物理特性不会影响电场和磁场的分布。

图5 试验现场配置

4 结果分析

试验采取由低强度到高强度的辐照试验方式，分别完成场强为5 kV/m、15 kV/m、25 kV/m、35 kV/m、50 kV/m的高空核电磁脉冲的模拟，试验数据如表1～表5所示。试验现场记录的电磁脉冲幅值由示波器抓取，实际测量场强值E与要求场强值5 kV/m、15 kV/m、25 kV/m、35 kV/m、50 kV/m存在允许范围内的误差，不影响试验结果。

表1 试验数据（5 kV/m）

表2 试验数据（15 kV/m）

表3 试验数据（25 kV/m）

表5 试验数据（50 kV/m）

高空核电磁脉冲峰值场强为5.0±0.5 kV/m时，计算器在6种方向上均没有效应，工作正常。脉冲峰值场强为16.7±0.5 kV/m时，计算器产生了干扰效应B，放置方向为3和6，效应现象是在辐照后先前输入的数字消失，显示0值，其他功能正常。脉冲峰值场强为26±1 kV/m时，计算器产生了干扰效应B，放置方向为3和6，效应现象是在辐照后先前输入的数字消失，显示0值。脉冲峰值场强为36±1 kV/m时，计算器产生了干扰效应B，放置方向3、6、2、5。脉冲峰值场强为52±1 kV/m时，计算器产生了干扰效应B，放置方向为1、2、3、4、5、6。对于损毁效应C，该型号计算器在这次试验过程中未发生。

计算器在辐射场中共完成了6个不同方向的试验，3和6两个方向效应最明显，1和4两个方向效应最不明显，2和5两个方向介于最明显和最不明显中间。为了验证试验结果的准确性，进行6个方向在电磁脉冲辐照环境下的理论分析。1和4两个方向，电磁脉冲波垂直入射面积最小的面，电场矢量垂直于显示器和计算器结构中出现的最长导体，电场耦合最小，同时磁场平行于电流回路，没有产生感应电流，该方向下效应最不明显。3和6两个位置，电磁脉冲波垂直入射面积最小的面，电场矢量指向最长导体（主板和显示器之间的连接线缆），电场耦合最大，同时磁场矢量方向垂直于电路板，回路中产生最大感应电流，该方向下效应最明显。2和5两个位置，电磁脉冲波垂直入射面积最大的面，电场矢量指向最长导体（主板和显示器之间的连接线缆），电场耦合最大，但磁场矢量方向平行于电路板，没有产生感应电流，预测该方向下效应介于明显和不明显之间。试验结果与理论分析结果一致，同时在此次试验过程中，也验证强电磁脉冲耦合途径中，长线缆耦合是威胁最大的耦合方式。

干扰效应状态B对应的现象是存储数据的丢失。由前面的分析可知，发生效应的关联部件是随机存储器（RAM），由于强电磁脉冲能量超过计算器集成电路的敏感阈值，导致计算器内部集成电路中随机存储器（RAM）复位，复位后缓存数据默认为0。对于电子设备，随机存储芯片（RAM）是必不可少的组成单元，负责与运算单元直接进行数据交换，存放当前正在使用的（即执行中）的数据和程序，是数据传输、计算处理类电子产品最核心的组成部分。缓存数据的清零会直接导致当前传输的数据丢失和计算结果的无效，造成不可估量的损失和严重后果。

5 结 语

本文中，采取模拟高空核电磁脉冲环境的试验方法，对电子计算器在不同场强环境下电磁环境效应进行了分析研究，得出了相对应的效应状态。试验数据表明，高空核电磁脉冲对典型电子设备产生了敏感效应，敏感阈值为15 kV/m，其敏感部位为集成电路的随机存储芯片（RAM），主要耦合途径为长线缆和未经屏蔽的设备壳体。为了提高电子设备在强电磁环境中的适应能力，不仅要建立完善的试验设施以及标准法规，同时还需要进行电磁安全防护设计。针对电子设备面临的电磁安全威胁，从系统防护的角度出发，给出以下防护建议：

（1）系统评估。在电子设备或电子系统部署前，从总体的角度进行考虑，将电磁环境适应性纳入考虑范围。具体方法是基于强电磁脉冲在地理环境中的传播模型以及威胁源的辐射特性，结合计算机仿真计算，对电子设备的外部强电磁环境进行预测，分析特定区域中电磁环境特性，根据能量强度和频域分布对目标处的强电磁环境进行等级划分，并评估电磁环境对目标电子设备的威胁和危害程度，自上而下系统性的对电子设备抗扰度和环境威胁等级进行合理匹配。

（2）正向设计。在电子设备或系统研发阶段，确定电磁防护指标，建立防护设计体系，基于指标要求进行前期设计，分级防护，指标量化分配，针对性设计防护措施。针对敏感电子设备，从“前门”和“后门”分别考虑分析强电磁环境对其产生的能量效应和信息效应，通过传输路径分析其威胁程度，如果有多个传输路径，则计算每个路径的系统防护指标，然后求总防护指标，或者是选择最严重的防护指标，最后根据防护指标的分析，给出防护设计建议。

（3）物理防护。对于电子设备，组成要素为设备壳体、接口线缆、内部电路及芯片等，电磁防护主要针对直接电磁辐射效应和瞬态高电压大电流的传导效应，采取隔离和泄放两种技术手段进行防护设计。隔离主要措施就是采取屏蔽，将敏感单元与电磁辐射环境相隔离，减少辐射源对敏感体的耦合影响。泄放主要措施是在能量进入设备通道前，将其引入到大地，避免在端口上产生高频电压，使电子设备被干扰。电磁防护与电磁兼容在内涵上是一致的，都是通过研究电磁环境对目标的耦合机理和作用途径，从而针对性的切断耦合路径或者提高抗敏度，最终提升电子设备在复杂电磁环境中的适应能力。