超短波通信系统的强电磁脉冲耦合分析及防护研究*

何小东，王 哲，吴 昊，马 谢，宋 滔，张永胜

（1.中国电子科技网络信息安全有限公司，四川 成都 610045；2.成都蓉威电子技术有限公司，四川 成都 610074）

0 引言

随着电子技术的快速发展，电磁脉冲武器正逐步向实用化迈进[1]，其瞬间释放的高强度、超宽谱电磁脉冲能量极易破坏敏感的电子设备，对各类电子系统特别是对具有对外接收功能需求的通信系统构成极其严重的安全威胁[2-3]。

超短波通信系统由于在通信稳定性、保密性、通信容量以及结构尺寸等方面的优势，被广泛应用于战术通信和C3I 系统。但是，随着超短波通信系统向小型化、集成化方向发展，它对强电磁脉冲的抗毁阈值越来越低，这对超短波通信系统的强电磁脉冲防护提出了更高的要求。本文针对超短波通信系统面临的强电磁脉冲威胁，结合超短波通信系统自身的特点，拟利用仿真与试验等手段，研究超短通信系统在强电磁脉冲环境下的耦合情况和相应的防护措施，从而为提升超短波通信系统在强电磁脉冲环境下的适应性与生存能力提供指导。

1 强电磁脉冲分类及其特征

强电磁脉冲是一种突发的高强度电磁辐射，根据产生方式的不同，可分为自然产生和人为产生。自然产生以雷电电磁脉冲（Light Electromagnetic Pulse，LEMP）为代表，而人为产生的强电磁脉冲主要有核电磁脉冲（如HEMP）和非核电磁脉冲（如HPM、UWB）[4]，如图1 所示。

图1 强电磁脉冲分类

LEMP 通常是由雷电流的电磁感应效应产生的。具体而言，当雷云放电时会产生时间很短、强度很大且边沿很陡的电流。此电流是一个天然的高能电磁辐射源，辐射的LEMP 能量可达数百兆焦耳。在雷电电磁脉冲波形方面，国内外各种标准并没有明确规定，但是雷电电磁脉冲的远场及近场电场波形和通道电流波形十分相似。参考雷电的电流波形，可以用如图2 所示的波形进行描述。从图2 中可以看出，雷电电磁脉冲频谱主要集中于1 MHz 频率以下。

图2 雷电电磁脉冲波形

HEMP 一般是指高空核爆（距离地面大于30 km处爆炸）产生的高能电磁脉冲。根据2001 年国际电工委员会发布的关于HEMP 标准，其波形可采用双指数函数近似，数学表达式为：

式中,E0=50kV/m，为电场峰值；α=4×107s-1；β=4×108s-1。时域、频域波形分别如图3 所示。从图3 可以看出，核电磁脉冲（High-altitude Electromagnetic Pulse，HEMP）环境的电场可在纳秒量级的时间上升至50 kV/m，其频谱能达到1 GHz，在0～100 MHz的频段内电场强度几乎没有衰减。

图3 EMP 波形

非核电磁脉冲是以电子手段产生能量，通过微波器件产生脉冲，利用定向天线发射产生的电磁脉冲。根据覆盖带宽的不同，可将其分为高功率微波（High Power Microwave，HPM）和超宽带电磁脉冲（Ultra Wide Band，UWB）。HPM 在GJB8848-2016《系统电磁环境效应试验方法》中被定义为：频率在300 MHz～300 GHz、脉冲功率在100 MW 以上（一般大于1 GW）或平均功率大于1 MW 的强电磁辐射，单次脉冲能量在10 J以上；UWB没有具体波形限制，只要频带大于中心频率的20%或占有频带宽度超过500 MHz，就认为是超宽带电磁脉冲。这两种非核电磁脉冲已经有应用于军事电磁脉冲打击的相关报道，两者间没有严格的区别，但UWB 一般为超短脉冲，输出能量也低于HPM。

对于通信系统来说，天线本身相当于选频器件，其对位于通信频带外的信号具有一定的抑制能力，而对与通信频率重合或接近的带内和带边具有较好的接收能力。从上文的分析知，HEMP 的能量主要集中在1 GHz 以下，完全覆盖了超短波通信系统的工作频率。从这一点来说，HEMP 对超短波通信系统的威胁更大。因此，后文对超短波通信系统进行的强电磁脉冲耦合分析，都以HEMP 环境波形作为耦合分析的脉冲源。

2 强电磁脉冲对系统的耦合分析

2.1 超短波通信系统耦合路径分析

超短波通信系统在面对强电磁脉冲辐照时，强电磁脉冲可通过“前门”和“后门”耦合等多种途径进入系统并对其造成毁伤。其中，“前门”耦合是指强电磁脉冲能量通过接收通道进入系统内部，主要破坏系统的前端设备；“后门”耦合是指强电磁脉冲能量通过设备缝隙、孔洞、线缆等途径进入系统内部，可破坏系统的所有组成部分[5]。

在实际工程中，超短波通信系统的主要电子部件位于屏蔽壳体内部，整个系统除了对外连接的线缆开孔和外接线缆外，并无其他功能性开孔，且在进行电磁兼容设计时通常会采用滤波、屏蔽和接地等措施加固壳体和线缆。这些加固措施对于强电磁脉冲的后门防护同样有效[6]，因此“后门”耦合对于超短波通信系统的影响相对较小。本文不做过多分析，主要针对其“前门”耦合进行研究。

图4 为某典型超外差式超短波通信系统的“前门”通路。从图4 可以看出，该系统的强电磁脉冲“前门”耦合传导包括接收链路和发射链路两条路径。其中，接收路径主要包括天线-天馈线缆-收发转换开关-前置滤波器-低噪放-混频器-中频滤波器-放大器-后端用户电路；发射路径包括天线-天馈线缆-收发转换开关-发射机-后端用户电路。由于发射链路一般功率容量较大，且有防止功率倒灌的发射保护电路存在，很难受到强电磁脉冲影响，因此在讨论强电磁脉冲对超短波通信系统的“前门”耦合时，主要针对超短波通信的天线-接收机链路。

2.2 天线对强电磁脉冲的响应

天线对强电磁脉冲的响应分析是天线-接收链路“前门”耦合的核心。该分析实质上仍是求解电磁场的边界问题，根据接收天线与发射天线的互易性原理，以某发射天线为例，进行天线的强电磁脉冲耦合分析。

天线的建模既可采用原尺寸原结构，也可采用等效简化模型，本文采用超短波天线的等效简化模型，如图5 所示。该天线工作在超短波频段，天线主瓣增益3.2 dB。采用双指数脉冲平面波作为激励源、峰值场强50 kV/m、垂直极化、斜45°角入射，仿真计算得到天线末端的感应电压时域波形，如图6 所示。从仿真结果可以知道，超短波天线对于强电磁脉冲感应电压的响应峰值电压已经达到10.75 kV，该高电压经过传导进入接收链路的射频前端，将对系统造成严重损害。

图5 超短波天线强电磁脉冲耦合模型

图6 天线对强电磁脉冲的时域响应

2.3 超短波系统射频前端耦合仿真

对超短波通信系统天线-接收链路的耦合分析，若仅仅对天线进行辐照仿真分析，不能完全反映强电磁脉冲在进入超短波系统射频前端后的耦合情况；反之亦然。因此，有必要借助三维全波电磁仿真软件和二维电路仿真软件构建联合仿真模型。

在ADS 软件环境下构建如图7 所示的某接收机系统链路，该链路在天线端口后端依次连接收发转换开关、带通滤波器、低噪放、混频器、中频滤波器以及中频放大器等射频电路。图7 中的正常接收信号和天线辐照所产生的感应脉冲电压分别由源SRC4 和SRC1 模拟，其中SRC1 的数据为超短波天线在强电磁脉冲辐照下的时域响应波形。

由于在仿真过程中无法对各射频器件的功率容量（损伤阈值）进行预设，所以在对以上电路进行仿真时，先假设各器件的损伤阈值为无穷大，分别在各射频器件输入端口设置电压监测点，以分析各射频器件的端口耦合规律，得到的各射频模块输入端口电压如图8 所示。

从图8 的仿真结果可以看出如下内容。

（1）在天线和接收链路射频前端阻抗匹配条件下，天线上耦合的强电磁脉冲波基本可以完全传导进入接收链路。

（2）前置带通滤波器输入端脉冲电压达到12.26 kV，比收发开关端口耦合电压7.737 kV 幅值更高，主要是因为脉冲波进入前置带通滤波器后，由于滤波器的反射，注入的脉冲波和反射波相互叠加，从而在滤波器的输入端叠加出比输入脉冲幅值更大的脉冲电压。这说明超短波通信系统的前置带通滤波器输入端口是遭受强电磁脉冲威胁的一个重要节点，需要进行特别的加固或者加装防护模块。

图7 超短波通信系统接收前端仿真模型

图8 各射频器件输入端口电压

（3）脉冲电压经过前置带通滤波器后，进入低噪放输入端口电压幅值超过1.5 kV。该脉冲电压远远大于低噪放的可耐受阈值，会直接导致低噪放损坏，需要采取必要措施对脉冲电压进行限制。

综上所述，强电磁脉冲通过超短波天线耦合进入接收链路后，呈现为高强度的脉冲信号，在接收通道中与正常信号一起被放大、混频，可以对正常信号产生强烈的压制、干扰，甚至直接导致接收链路硬件毁伤，有必要进一步开展强电磁脉冲的防护研究。

3 强电磁脉冲防护研究

为了减小强电磁脉冲通过天线-接收链路对超短波通信系统的损害，保障其正常工作，本文针对超短波通信系统的接收链路设计了一种可加装于射频前端的强电磁脉冲防护模块。

3.1 强电磁脉冲防护模块设计

从系统设计立场出发，系统在遭遇强电磁脉冲前、遭遇过程中以及遭遇之后都应该能够满足完成使命要求。从这一点来说，强电磁脉冲防护模块的设计必须满足以下基本要求：一是在正常条件下不能影响系统的正常通信；二是在遭遇强电磁脉冲时能快速对脉冲做出响应，将脉冲降到安全阈值；三是强电磁脉冲经过后，防护模块可快速恢复。基于以上3 点，强电磁脉冲防护模块的设计主要需要考虑插入损耗、耐受功率响以及响应速度等因素。综合考虑，本文采用具有高耐受电压的气体放电管和具有快速响应能力的PIN 管作为防护模块的核心组成器件进行电路设计，其等效电路拓扑结构如图9 所示。

对于微波射频电路设计来说，结构即电路，电路的实现形式很大程度决定了最终的性能指标。为了提高整个模块的功率容量和降低插入损耗，本文采用同轴腔体作为传输结构来实现。防护模块的仿真结果如图10 所示。

从图10 可以看出，强电磁防护模块在0～3 GHz 的频率范围内，传输系数S21低于0.4 dB，插入损耗维持在较小范围内，后期加装到系统后对超短波通信系统的正常通信影响比较小。而在遭遇强电磁脉冲的条件下，耦合进入的上万伏脉冲电压经过防护模块后，输出的脉冲电压幅值被控制到205 V 以下，有效抑制了脉冲电压。

图9 防护模块等效电路

图10 防护模块S21（左）和脉冲响应输出波形（右）

3.2 防护效能试验

为了验证强电磁脉冲防护模块的实际防护效能，本文在微波暗室中搭建了如图11 所示的测试环境。试验过程中首先由HEMP 模拟器生成空间电场，然后通过位于空间电场内天线的耦合作用转化为天线端口脉冲电压，再通过线缆传导注入强电磁脉冲防护模块，最后经过定向耦合器和衰减器接入示波器，监测防护模块输出端口的残余电压。试验中的脉冲模拟器由MONTENA 公司生产的瞬态脉冲发生器提供，耦合天线为某工作在30～350 MHz的超短波天线。

图12 和图13 分别为通过天线耦合进入防护模块输入端口电压和输出端口电压。从试验测试结果可以看出，超短波天线上的耦合脉冲电压达到了10.91 kV，与前文的仿真结果比较接近。该脉冲电压在通过防护模块后，输出脉冲电压在纳秒级的时间被抑制到了75 V，防护效能超过43.25 dB，具有射频前端强电磁脉冲的防护能力。

图12 防护模块输入端口电压（100 dB 衰减）

图13 防护模块输出端口电压（80 dB 衰减）

4 结语

文章以超短波通信系统作为研究对象，利用仿真软件构建了超短波通信系统天线-射频前端模型，重点分析了超短波通信系统天线-接收链路在强电磁脉冲环境下的耦合规律及各射频器件的响应情况。仿真结果表明，强电磁脉冲从天线耦合进入射频前端后，会对构成射频前端的各器件造成严重威胁，影响系统的正常工作。为了降低强电磁脉冲对系统的影响，本文在仿真的基础上设计了一种可用于超短波通信系统射频前端防护的强电磁脉冲防护模块，并对其防护效能进行试验验证。试验结果表明，幅值为10.91 kV 的强电磁脉冲电压在经过防护模块后，输出电压被控制在75 V 左右，防护效能超过43.25 dB，具有响应速度快和良好的大功率信号衰减性能，可用于射频前端的强电磁脉冲防护，对提高系统的抗毁能力和生存能力有重要的实际意义。