电子设备的高功率微波防护技术

周璐，刘恩凯

中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州，225000

0 引言

随着脉冲功率技术、电真空学技术和等离子体物理学等的发展，高功率微波技术也实现了快速的发展。通常情况下人为高功率微波是指峰值功率超过100MV、频率在1～300GHz的微波，不过这不是一个严格的限制。高功率武器能够干扰或者破坏电子元器件，可以使之出现暂时的工作紊乱，或者是永久失效，其具体原理如下：通过强大的高增益天线使微波能量汇聚在比较短的波束内，从而实现微波能量的集中，然后将其定向照射到准备攻击的物体上，使被攻击物体包含的电子元器件被干扰或者破坏。随着高功率微波干扰技术的发展，导致电子元器件工作的电磁环境不断恶化，为了减少高功率微波武器对武器作战系统的影响，需要加强高功率微波武器防护技术的研究，从而保障在恶劣的电磁环境下，作战系统仍能够正常运行[1]。

1 高功率微波武器毁伤机理

1.1 高功率微波武器毁伤机理分析

高功率微波武器是通过微波能量产生的热效应和电效应来毁坏目标武器的。高功率微波武器发射出的微波能量进入到目标武器的电子系统之后，微波能量会产生热能，从而使被攻击武器内部电子器件的温度升高，高温可以导致正常工作的电子器件被破坏或者摧毁；在受到高功率微波能量的辐射以后，被攻击武器的金属表面或者导线上会产生瞬变的电磁场，在其作用下会在周围形成感应电流，感应电流的强度随着微波能量的增强而增强，其能够对电子设备中的正常电流造成干扰，从而导致电子设备无法正常工作[2]。高功率微波武器对于电子设备系统及器件的破坏机制主要包括高压击穿、器件烧毁、电泳冲击、微波加温和瞬间干扰等几种。

（1）高压击穿。高功率微波能量进入到电子设备以后，能够使结点附近形成高电压或高电流，在高电压或者是高电流的作用下，结点会被击穿。

（2）器件烧毁。在大量热量的作用下，导致被攻击武器内部金属丝熔断、热敏元件失灵或者是PN解烧蚀，进而导致器件烧毁，无法正常工作。

（3）电泳冲击。在高功率微波能量的冲击下，导致屏蔽壳体上产生比较大的感应电流，感应电流进入到系统内部以后，会导致内部电子器件损坏。

（4）微波加温。高功率微波能量的作用下，电子设备内部的金属器件、含水器件等的温度会快速上升，从而不能正常工作。

（5）瞬间干扰。这种情况是在高功率微波进入系统时已经衰减得很小而出现的，此时由于微波的能量比较小，不能直接将电子元器件破坏掉，但是产生的感应电流能够使电子元器件无法正常工作。

1.2 高功率微波武器毁伤途径

高功率微波武器的工作原理是：通过微波能量耦合到电子设备的关键电子器件上，使其不能够正常工作，进而毁伤整个系统。高功率微波武器将能量耦合到攻击目标系统的方式包括“前门”和“后门”两种，下面对这两种方式进行介绍。

（1）“前门”耦合，所谓的“前门”指的是电子系统的天线、传感器和传输线等，这些模块可以作为耦合介质，高功率微波能量可以通过这些介质传输能量，将微波能量传到系统的发射、接收设备中。由于系统的发射、接收等设备的灵敏度都比较高，因此微波能量会给其电子元件造成比较大的破坏，导致其不能够正常工作。

（2）“后门”耦合，是指将高功率微波能量和系统的孔洞、电缆接头和缝隙等作为介质耦合，通过这样的方式微波能量可以进入到系统内部。若高功率微波的半波长不大于孔洞和缝隙的尺寸，其就能通过耦合传输到电子器件的内部，并且在内部形成感应电压或者电流，对电子元器件造成破坏。在线缆的连接处，如果没有做好屏蔽措施，高功率微波辐射到系统的电缆上之后，就会使其产生感应电流，并且进入到系统内部导致内部的电子器件被毁坏，进而使电子设备不能够正常工作。

2 高功率微波武器防护技术

高功率微波武器发射的微波能量通过耦合的方式进入到电子设备中，主要的方式包括“前门”耦合和“后门”耦合两种，因此为了对高功率微波武器进行防护，需要采取针对性的防护措施对“前门”和“后门”耦合来进行防护，当前主要的防护措施包括以下几种。

2.1 空域防护

空域防护的原理是将高功率的微波能量在空间上和电子设备内部的电子元器件隔离开，从而避免微波能量对电子元器件的影响。具体的措施如下：进行合理的屏蔽设计，选择效果良好的屏蔽材料对电子设备进行屏蔽，使其在空间上和高功率微波能量隔离开，将大部分微波能量隔绝，这样可以使系统接收到很低的微波能量，从而避免其在微波能量的影响下遭到破坏[3]。

2.2 频域防护

频域防护的原理如下：对系统的频率特性进行分析，然后采用滤波的手段，将干扰频段的信号全部滤除，只保留需要的频率段的信号，从而起到防止高功率微波进入的效果。在实际应用中，这种方法主要被应用到电缆的防护中，防止高能量微波通过电缆耦合的方式进入系统。在频域防护中，滤波器对微波的处理方式主要有两类，一种是损耗滤波器，其能够将干扰频率上的高功率微波能量损耗掉，从而达到滤波的效果；另一种是将干扰频率上的高功率微波反射掉，从而达到滤波的效果。在具体的使用时，通常会采用两种方法联合应用的方式来提供滤波的效果。

2.3 能域防护

通过应用浪涌保护器能够实现对高功率微波武器的防护，这种保护方式主要体现在能域上。其具体的防护方式如下：在浪涌干扰的入口位置连接一个浪涌保护器，其能够对产生的浪涌干扰进行控制，限制干扰电压的大小或者是将产生的电流分流。浪涌保护器的原理如下：当干扰浪涌电压超过阈值以后，其会迅速动作，将点位钳住，然后通过旁路将电流分流。浪涌保护器可以分为开关型和非开关型两种，其中前者是击穿性器件，在浪涌干扰电压超过其击穿电压以后，其电阻会被击穿，其阻值会降低为低阻值，此时电流就会通过电阻分流到旁路；后者是一种电压钳位器件，其具有高度非线性的特点，若浪涌干扰电压比较大，超过了保护器的钳位电压，其电阻也会随着变化，使浪涌电压被钳制在钳位电压，从而实现对电路的保护。

2.4 时域防护

时域防护的原理是时间回避法，其通过极高灵敏度的传感器，能够在高功率微波能量到来之前采集到其即将到达的信息，在采集到这一信息后迅速切断系统电源，或者转移重要信息，达到防止电子元器件受到干扰和破坏的效果，并且保护重要信息。

2.5 接地防护

接地防护的原理如下：抑制传导耦合，从而达到防止系统被高功率微波攻击的目的，这种方法常用于“后门”耦合的防护。在高功率微波辐射到电子设备的金属壳体以后，金属壳体表面会产生感应电流，而通过接地防护，可以将这些电流导入大地，从而起到防止电子设备受到干扰的效果。

3 高功率微波防护技术的实际应用

3.1 在大型地面工事上的应用

以指挥所等大型地面工事上防护技术的应用，对高功率微波的防护进行探讨。对于指挥所和情报机构而言，通常会设置有数据中心，数据中心需要设置在固定的建筑物上，需要较长的建设周期，通常采用通信和光缆的方式来和外部进行信息交流。对于这类设施的高功率微波防护，不会受到空间和质量的限制，因此通常会用电磁脉冲屏蔽防护技术来进行防护。具体的防护措施如下。

（1）建立六面体屏蔽室。六面体屏蔽室通常采用导电性良好的金属板、金属网等进行建设，其中采用钢板焊接式屏蔽体可以获得非常好的效果，而采用金属网的屏蔽效果要差一些，因此最好选用金属板材来制作屏蔽室。

（2）屏蔽门。屏蔽室需要设置屏蔽门，而且门缝处也需要通过安装梳形簧片和导电衬条等方式来进行屏蔽；若需要获得较高的屏蔽效果，可以应用充气推拉门，并且在门缝处安装弹簧和气囊。

（3）通风窗口屏蔽。对于屏蔽室的通风窗口，可以通过安装金属网、穿孔金属板或者截至波导等方式来进行防护，其中波导具有良好的屏蔽效能，随着入射波频率的提升其屏蔽效能也会随之提升。

（4）屏蔽室之间的贯通导体。具体包括电线、电缆和长导体等，这些是屏蔽室和外部之间实现通信所必需的工具，对于这些贯通导体，通常要安装在金属管道内，和屏蔽室一起包封成全屏蔽体。此外，还可以在电线电缆穿过屏蔽体的位置安装滤波器。当前，可以使用光纤代替电线和电缆等来达到通信的目的，而光纤穿过屏蔽体的位置通常采取安装截止波导的方式来进行保护[4]。

（5）天线、电缆防护。通常采用安装滤波器、浪涌保护器以及频率选通等方式来进行保护。

（6）对于天线和电缆等设备，应建立备用设施，从而在发生故障以后，可以迅速恢复运行。

通过以上这些屏蔽措施，可以使指挥所等大面积地面工事获得良好的屏蔽高功率微波的能力，从而使这些设施可以在高功率电磁武器的攻击下正常运行。

3.2 防护技术在舰船及车辆上的应用

现代的舰船、车辆等主体结构都是由金属、合金材料等制成的，由于其组成材料的特点，使其主体本身拥有良好的屏蔽特性。但是舰船、车辆等搭载了很多的电子设备，因此也需要做好电磁屏蔽，采用有效的防护技术，在各类电子设备及其前端与系统之间共同组成一个大屏蔽体，达到良好的电磁防护效果，并且拥有良好的性价比[5]。

舰船和车辆上装载大量的电子设备，对于舰船和车辆的运行以及功能发挥着重要意义，因此在对舰船进行电磁防护时，主要对“前门”耦合和窗口进行防护，下面对具体的防护措施以及其起到的效果进行分析。

（1）对前门天线进行控制，限制其有效面积，通过合并的方式来减少天线的数量；同时，在舰船和车辆的前端，应安装针对武器的高功率容量接收机保护装置，起到屏蔽高功率微波的效果；在车辆线缆穿过平台的位置，应设置转接滤波器来进行微波的过滤，可以根据实际需求选择合适的滤波器；滤波器具有很高的阻带衰减能力，可以对高功率微波进行防护。

（2）舰船和车辆设备外壁的防护。通过应用电磁防护材料、无机金属纤维材料、微波防护胶棉等材料到设备外壁，来提高其防护高功率微波的能力。举例来说，可以在玻璃上镀膜，通过这样的方式来提高设备的防护效能。

（3）对于舰船和车辆内的设备，尽可能地应用折弯和焊接等工艺，减少孔缝数量，同时通过加装导电衬垫的方式来增加接触面积，提高微波防护效果。此外，还可以应用人工烟雾、箔条等防护技术来使电磁脉冲快速衰减，提高微波防护效果。

（4）舰船的水幕防护系统。在现代舰船中通常都设置有水幕系统，通过对其进行适当的改造，使水幕水量满足要求就能够起到防护高功率微波武器的效果。

对于舰船和车辆系统的高功率微波防护技术而言，有主动防御和被动防御两种技术手段。其中，主动防御技术包括使用箔条、烟雾、水幕系统等。这些技术的问题在于，其时效性比较强，实施得早了或者晚了都不能够起到应有的效果，应用这些防御技术，需要准确的信息支撑，这限制了主动防御技术的应用范围。被动防御技术包括减少天线有效接收面积、采用滤波器、调整焊接工艺和应用电磁防护材料等，在新平台设计时，可以采用上述手段进行一体化的设计，从而提高系统高功率微波的防御能力[6]。

4 结语

随着电子技术、信息技术等的发展，各类武器中电子设备的应用会越来越多，电子设备在战争中的作用越来越显著，因此电子战会越来越受到重视。在电子战中，高功率微波武器在打击军用装备时可以起到非常好的效果，各国也加大了高功率微波武器的研发力度。在这样的背景下，加强高功率微波武器防护技术的研究具有重要意义，通过做好高功率微波防护措施，可以提高电子设备抵抗电磁威胁的能力，从而在电子战中占据优势，为赢得战争的胜利奠定良好的基础。