加固计算机接口的强电磁脉冲防护研究∗

（中国航天科工二院七○六所 北京 100854）

1 引言

随着超级电子管整流器、相对论磁控管、速调管以及电磁脉冲生成技术的发展，强电磁脉冲对电子信息系统的威胁越来越大。作为电子信息系统的核心，加固计算机在系统运行过程中具有重要作用。强电磁脉冲的功率高、频谱宽、危害大，通过前门耦合和后门耦合方式进入加固计算机内部，对电子元器件会产生不同程度的损毁和伤害，进而导致电子信息系统的短暂或永久性损坏，因此对加固计算机的强电磁脉冲防护具有重要的意义。

2 典型强电磁脉冲特性分析

目前典型的强电磁脉冲有高空核电磁脉冲（HEMP）、高功率微波（HPM）和超宽带脉冲（UWB），其特性如下。

2.1 高空核电磁脉冲（HEMP）

高空核爆在地面附近产生的电磁脉冲环境分为早、中、晚三个部分，而早期环境的波形是HEMP的主要组成部分，也是最常用的电磁脉冲波形，故常采用其作为HEMP环境的标准。目前国际上许多有影响的标准均对HEMP的时域波形进行了详细的描述，包括1976年的学术出版物标准、美国Bell实验室标准、国际电工委员会（IEC）标准等[1]。HEMP较常用的时域解析模型是双指数函数模型，为

式中：E0为电场强度峰值；k为修正系数；α，β为表征前、后沿的参数。

GJB 151B和MIL-STD-461E中定义的波形参数为k=1.3，E0=50kV/m，α=4.0×107s-1，β=6.0×108s-1。HEMP的时域波形和频域波形如图1所示[2]。

从时域波形上看，HEMP具有陡峭的上升前沿，能在5ns内上升至50kV/m的峰值场强；从频域波形上看，HEMP的频谱较宽，几乎覆盖了从超长波至微波低端的整个频段，从而对加固计算机构成了严重的威胁。

图1 HEMP时域及频域波形

2.2 高功率微波（HPM）

高功率微波是一种由电源、微波源等组成的高功率微波系统发射的高能电磁脉冲。在系统中，前级电源首先为系统提供一个长脉冲或连续的低功率电输入，脉冲功率将其电能储存起来并转变为持续时间非常短的高功率脉冲，然后通过微波源转换为空间电磁波，最后天线将电磁波向指定方向发射，并同时在空间上压缩，产生一个高能量密度波束。

高功率微波（HPM）的峰值功率在100MW以上，频率范围在100MHz～300GHz之间；单次脉冲在10ns以内，单次脉冲输出的能量达10J以上，功率密度和能量密度都相当高；此外脉冲源能够以单次脉冲、重复脉冲、调制脉冲或连续波形式发射高功率微波。

高功率微波的电磁波能量集中在以某一高频段为主的窄带内，波长以毫米波或厘米波为主。

HPM的时域解析模型近似为[3～4]

其中E0为电场峰值，τ为脉冲宽度，t1为脉冲上升时间和衰落时间，ω0为载波频率。一个典型HPM的时域及频域波形如图2所示。

图2 HPM时域及频域波形

2.3 超宽带电磁脉冲（UWB）

超宽带电磁脉冲是超宽带技术发展下的产物，一般超宽带装置的脉冲功率发生器由一系列脉冲压缩电路组成，它在压缩脉冲宽度的同时提高了峰值功率，然后直接送往天线。超宽带系统采用快速开关技术发射的UWB脉冲占据很宽的频带范围，作用距离可达数千米，但相应的输出能量较低，持续时间一般低于 1ns[5]。

超宽带电磁脉冲峰值功率大于100MW，上升前沿为亚纳秒或皮秒量级，相对带宽超过25%，其带宽覆盖100MHz～300GHz。

超宽带电磁脉冲的电磁波能量分散在一个很宽的低频段内，任何一种频率对应的能量都较小[6]。

美国空军研究实验室（AFRL）的超宽带脉冲表达式是通过实验测试数据拟合得到的，其时域和频域波形如图3所示。

其中，a1=1.55571ns，b1=0.05207ns，t1=0.07667ns，ω1=0.0521ns；a2=0.44016ns，b2=0.05689ns，t2=0.24527ns，ω2=0.0569ns；a3=5.07040ns，b3=0.08847ns，t3=0.11903ns，ω3=0.0885ns。

图3 UWB时域及频域波形

UWB系统的代表有美国空军实验室研制的IRA 和 H系列超宽带脉冲源[7～9]，其中IRA 超宽带源采用直径为3.7m的抛面天线制成，在距离305m远的瞬变场强为4.6kV/m，上升时间为85ps，脉冲半峰宽为130ps。

综上所述，三种典型强电磁脉冲的时域、频域特点对比如表1所示。

表1 三类典型强电磁脉冲的比较

3 强电磁脉冲对加固计算机的毁伤分析

强电磁脉冲主要通过前门耦合和后门耦合方式[10～11]对加固计算机产生影响：

3.1 前门耦合

强电磁脉冲耦合到与外部通信的设备，如天线、传感器等，其又可分为

一级前门耦合：强电磁脉冲的频率与加固计算机组件的工作频率一致；

二级前门耦合：上述两者频率不一致。

3.2 后门耦合

强电磁脉冲通过对屏蔽体的缝隙、孔洞等耦合，增加了屏蔽体内电磁环境的复杂度，例如加固计算机与外部连接的线缆、机箱上的缝隙和孔洞等。

电磁脉冲对加固计算机机箱的缝隙、孔洞的耦合相对较弱，并且加固计算机机箱一般采取了屏蔽措施；而天线、线缆的耦合对加固计算机的影响严重，因此需要对天线、传输线等加固计算机接口进行电磁脉冲防护设计。

4 加固计算机接口强电磁脉冲防护设计

加固计算机平台上包含有电源线类、信号线类、网络线类和天馈线类四类线缆接口，每一类接口传输的信号特征（频率、幅度等）不同，对外界电磁脉冲干扰的敏感特性不同。其中：

1）电源线类包括：电源输入和功率输出；

2）信号线类包括：KI输入、KO输出、A/D转换、D/A转换；

3）网络线类包括：RS422通信、CAN总线、网络接口、B码接口和1553B通信接口；

4）天馈线类包括：GPS天线接口。

强电磁脉冲的防护一般分为频率域和能量域防护，频率域防护利用防护器件的频率选择特性，通过设置频域阻带衰减电磁脉冲；能量域防护利用防护器件的空间限幅特性，可以在任意宽度频率范围内实现能量低通的防护效果[12～13]。由于强电磁脉冲频带较宽，与加固计算机接口信号会存在频域混叠现象，采用单一频率域防护难以有效抑制强电磁脉冲；并且强电磁脉冲与加固计算机接口信号在能量域也可能存在重叠，单一能量域防护也不是有效措施。因此本文提出采用能量域-频率域复合多级防护方案。

采用多级防护措施，一方面可以尽量降低通过防护器件后的残压；另一方面，集成了各种功能保护电路，如高温保护、滤波电路等，提高了防护器件本身的生存能力，并能够弥补响应时间不足的问题。

4.1 电源线类接口电磁防护设计

电源线类接口电磁防护的设计中主要考虑的是吸收、泄放和滤除电磁脉冲能量。简单的单级吸收、泄放的电路效果并不好，不能将强电磁脉冲能量降低到安全范围，其残余能量依然很大；而电源线上的干扰分为共模干扰和差模干扰，为了抑制其干扰还需加上滤波部分。

根据加固计算机电源特征，分为交流电源EMP滤波防护器和直流电源EMP滤波防护器两种类型，可设计成多级吸收、泄放加滤波的组合电路进行综合防护，从而实现对计算机电子设备的保护。由于直流电源EMP滤波防护器和交流电源EMP滤波防护器原理功能类似，因此以直流电源EMP滤波防护器为主要介绍，其原理框图如图4所示。

图4 直流/交流电源电磁脉冲防护器多级防护原理框图

电磁脉冲能量进入计算机电源部分后，首先进入电磁脉冲防护组件，防护组件第一级电磁脉冲吸收泄放保护，可在5ns内对高达50kV/m的电磁脉冲能量进行吸收泄放入地，此为对电磁脉冲的基础电路保护，泄放70%左右的电磁脉冲能量；第二级防护设计主要由安规电容来抑制电磁干扰；第三级防护设计对剩余电磁脉冲能量进行残压滤波，滤除10%左右的残余电磁脉冲能量；第四级防护为泄放保护，将剩余能量泄放入地；第五级防护为低频滤波，抑制电源线上的共模干扰和差模干扰；第六级防护采取热保护设计，当漏电流过大时，将器件与电路切断阻止器件起火燃烧；第七级防护设计为滤除高频干扰；在安装电路板时必须进行屏蔽隔离，最后使输出的脉冲能量对防护组件后端的器件/系统不能造成损害。

4.2 信号线类接口电磁防护设计

信号线类接口电磁防护的设计主要也是考虑吸收、泄放和滤除电磁脉冲能量，仍然采用多级泄放加滤波相结合的设计方案。信号线类接口电磁防护原理框图如图5所示。

电磁脉冲能量进入计算机信号线类接口后，电磁脉冲防护组件将对高压脉冲能量进行防护以保护后端设备。信号线类接口部分第一级电磁脉冲保护，可在5ns内对高达50kV/m的电磁脉冲能量进行吸收泄放入地，此为对电磁脉冲的基础电路保护，泄放70%左右的电磁脉冲能量[14]；第二级防护设计为对电磁脉冲能量进行电磁屏蔽隔离；第三级防护设计为对电磁脉冲能量产生的瞬态电压及高浪涌电流进行抑制；第四级防护为EMI滤波，抑制脉冲干扰；最后第五级防护再一次将剩余电磁脉冲能量泄放入地。这种多级泄放加集成滤波的方式确保了泄放滤除电磁脉冲能量并且同时确保不影响有用数据的正确传输。

4.3 网络线类接口电磁防护设计

网络线类接口电磁防护设计原理、结构与信号线类接口电磁防护设计类似。

4.4 天馈线类接口电磁防护设计

布置在计算机外部空间的天线是一个非常重要的强电磁脉冲信号耦合通道，且一般天线后端直接连接了接收机等一类非常敏感的电子设备，对耦合电磁脉冲形成的浪涌、尖峰信号抵抗能力很弱。因此，为了保护接收机等重要设备，同时保证天线系统的正常工作，需要对天线系统进行电磁防护设计。

对GPS这一类天线，针对天线本身进行电磁脉冲防护设计是不切实际的，因此，本方案选择在天馈线上实施电磁防护处理措施，典型天馈线防护器件如图6所示。由天线结构感应耦合的外界强电磁脉冲干扰信号会在天线馈电端口形成浪涌、尖峰信号，该浪涌、尖峰信号会沿着与天线相连的天馈线向接收机等电子设备端传播。本方案可提供相应的天馈线电磁防护器件，该器件安装在靠近天线馈入端口位置，当天线感应到的浪涌、尖峰信号超过一定幅值时，该浪涌、尖峰信号会在该防护器件处被及时导出，泄放到平台外壳或大地中，以保护天馈线缆和天线后端的电子设备。

图5 信号线类接口电磁防护原理框图

考虑到处在计算机外部的天馈线本身可能感应耦合外界的强电磁脉冲干扰信号，同时防止天线端口处电磁脉冲防护器件的泄放能力不足的问题，还可在进入计算机的线缆端口处添加相同的电磁防护器件，以确保安全。

图6 典型天馈线电磁防护器件

5 结语

强电磁脉冲峰值功率高，可达GW量级；脉冲上升时间和持续时间短，单次脉冲在10ns以内；频谱宽，频率覆盖100MHz～300GHz；并且具有重频脉冲形式，具有很高的能量密度，加固计算机内的电子元器件很容易受到强电磁脉冲的干扰甚至损毁。基于强电磁脉冲的特点及其对加固计算机的耦合途径分析，提出了能量域-频率域复合多级复合防护，进行了加固计算机接口的强电磁脉冲防护方案的设计。