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軍用電子裝備的電磁防護新技術

-2019-03-14-

  1前言
    軍用電子裝備的抗干擾問題對電子裝備可靠性水平有重大的影響作用,越來越引起各國軍方的高度重視。在現代戰場上,以過密電磁輻射頻譜運行的武器系統的激增,造成戰場上各軍兵種武器系統間電磁干擾(EMI)的可能性不斷增大,當兩個系統以足夠接近的頻率和間距運行時,就會出現電磁干擾。其對武器系統性能和可靠性所造成的惡劣影響以及由此而產生的后果是極其嚴重的,包括信息不準確、無法探測敵方目標、引信過早點火、飛機飛行失控和制導武器失靈等。海、陸、空三軍用于戰略、戰役、戰術等各種武器裝備都包含有大量的電子裝備,這些裝備的正常運作都必須解決電磁兼容(EMC)問題,否則后果不堪設想。例如,以戰斗機等裝備為首的武器系統,在現代戰爭中具有極其重要的作用,在對敵作戰中,常常要靠它們來搶占先機。在戰斗機狹小的空間里,必須裝備很多復雜的通信、導航設備以及雷達和敵我識別等電子設備。如此眾多的電子設備在飛機有限的空間內要同時工作,除了電子設備的質量和可靠性水平直接影響著戰斗機的作戰性能以外,設備的密集所帶來設備之間的相互干擾問題也不能忽略,因此,各設備之間的EMC已是一個至關重要的問題。隨著機載電子設備的種類和數量的不斷增加,它們所占用的電磁頻譜越來越寬,所傳輸的信息量越來越大,因而機載電子設備之間的EMC問題也越來越突出。如果這個問題解決得不好,就會使整架飛機的工作陷于混亂狀態,而機群的電磁環境還可能使飛機的飛行控制、雷達、通訊、導航、電子戰、火控和導彈控制系統的性能降低,這些不利影響隨著放射功率的增強、接收靈敏度的提高,體積更小和更敏感的固態電路的應用而變得更加明顯。
    實際上,軍用電子裝備的EMC基本對策與民用設備需采取的措施基本一樣,大體上可分為接地、布線和圖形布線、元件選定、濾波和屏蔽等;當然,其要求肯定要更高、更嚴格些。由于軍用電子設備大多數都要密集安裝在戰斗機、艦船、坦克等軍事裝備中,其所處的EMC環境很嚴酷,所以我們必須研究下面與現代軍用電子裝備密切相關的EMC項目和電磁防護新技術。
2 抗電磁脈沖(EMP)的對策技術
    在現代戰場上,電子對抗和電子干擾貫穿于戰爭的始終,最危險、最致命的殺傷就是敵方發出的強大電磁干擾和電磁脈沖。電磁脈沖(EMPElectromagnet ic Pulse)是一個不容怒視的重要問題,它可以來自多個方面,主要有核武器爆炸時產生的強大的核電磁脈沖(NEMP)和打雷時的閃電輻射造成的雷電電磁脈沖(LEMP)等。
    21 核電磁脈沖(NEMP)
    核電磁脈沖(NEMP)是核武器爆炸的產物。核爆炸時,除了產生光、熱、輻射能以外,還產生強大的核電磁脈沖。如圖1所示。
    40km以上高度的大氣層外發生核爆炸時,伽馬(γ)射線脈沖到達大氣層,與空氣中的分子發生沖災而產生康普頓效應。所謂康普頓效應,就是一種把電子從空氣的分子中擠趕出來的現象。在這個電子的流動過程中產生EMP。雖然NEMP為瞬時現象,但它對半導體器件及微電子設備卻具有極大的殺傷力——電擊穿。其作用范圍隨爆炸的高度而異,NEMP的最大特點是上升時間快、強度大。上升時間約8ns,連接時間約200ns  電場強度高,可達50kVm,是一種高強度的電磁干擾源(ENI),比通常的EMI強度高幾十至上百分貝;另一特點是作用范圍廣、頻帶寬、能量大。頻帶從10KHz100MHZ,除了對TV、無線電設備的前端(高頻端)有影響以外,對電話機等設備也有破壞作用,可使敵方的指揮、控制、通信、情報等系統遭受重創甚至癱瘓,成為現代戰場上最為嚴重的電磁破壞因素。
為了保證武器系統能正常地履行其功能并發揮重大作用,就要實施EMP防護。軍用電子設備的NEMP防護也是EMC工作的一個重要組成部分。在現代戰場上,為屏蔽電磁干擾和電磁脈沖的危害,就必須要求裝載電氣與電子設備的方艙具有很好的電磁屏蔽性能。總的來說,使用方艙并提高方艙整個艙體的電磁屏蔽性能就是一個很好的方法,它具有簡單、成本低、整體效果好等優點。
    22 雷電電磁脈沖(LEMP)
    雷電是自然界強大的脈沖放電現象,也是一種靜電現象,而且是自然電磁干擾源中最強的一種放電現象。一次閃電平均含有上萬個脈沖放電過程,電流脈沖平均幅值為幾萬安培,持續時間幾十到幾百微秒。閃電通道大約有幾百米至幾公里長,在先導——主放電過程中,它們向周圍空間輻射高頻和甚高頻能量,從而產生雷電電磁脈沖(LEMP)。LEMP給計算機等微電子設備帶來的危害也是相當嚴重的。雷電脈沖通常通過電網供電電源進入計算機網絡造成干擾,輕則引起計算機程序混亂、信息處理失誤;重則燒毀元器件,或使某些部件損壞直至停機,造成難以估計的重大損失。
  由于微電子技術和計算機技術在軍用電子裝備中的應用程度越來越高,采取相應的LEMP防護措施已成為軍用電子裝備安全性與抗干擾技術的一個迫切要求。具體地說,首先應從硬件、軟件方面提高計算機系統自身的抗干擾能力。例如,在硬件設計中要進行EMC設計,綜合采用各種抗干擾措施;在軟件設計中,可以利用冗余技術、容錯技術、標志技術以及數字濾波技術等。其次,還要采取攔截、屏蔽、均壓、分流、接地和濾波等防護措施。
  例如,屏蔽包括機房屏蔽、整機屏蔽、元器件之間的屏蔽和隔離以及電源的進線和輸入線、輸出線的屏蔽和接地;系統與機房不僅要有良好的接地,而且還要按需進行交直流接地、高頻接地、防雷接地和安全接地等設計;濾波也是抑制傳導耦合干擾的重要方法,可以首選電源EMI濾波器。它是EMI濾波器的一種,對實現和改善電子設備與電子系統的EMC環境有很大的幫助,可以有效地抑制電源線上的信號干擾電平,降低來自供電網的干擾,并可在屏蔽體的出入口或導線的適當位置安裝濾波電路。目前,國外的做法是,根據美軍標(NILSTD461462)的要求,軍用設備必須設置避雷器來降低LEMP的干擾能量,一些能高速工作的避雷器之類的部件也就應運而生,而且,為了確認其效果,還正在使用一種如圖2所示的比較大型的新式EMP模擬設備。
    3 防信息電磁泄漏(TEMPEST)技術
    從七十年代起,計算機在國外迅速普及并發展起來,計算機相互之間的干擾和抗干擾問題日益突出,一些功能正常的計算機常常會產生一些不知其所以然的誤動作等故障。更為嚴重的是,計算機的電磁發射信號不但頻譜成分豐富,而且攜帶信息,因而對其處理的信息的安全性將造成巨大的威脅。尤其是近幾年來,使用以計算機為主的信息技術設備處理重要信息的必要性日漸增大,但是,隨之而來的就是數據保密問題。保密的其中一個內容就是如何防止竊聽。
    計算機等各種信息技術設備和通信設備在工作時常常會泄漏電磁波,而且與這些設備連接的數據線、電源線同樣也會有電磁波輻射出來。這樣,被處理的信息也就會通過電磁輻射向空間泄漏。其頻率范圍可達數千赫到1兆赫,如果用ELINT系統那樣的高靈敏度接收機接收這些電磁波,就可能成為竊聽的對象。通過使用分析和破譯處理等手段,就可以復制原信息,造成失密等嚴重后果。因此,世界各國對信息技術設備的信息電磁泄漏問題越來越重視并開展了一系列有計劃、有組織、有針對性的研究。
    從八十年代初期開始,西方諸國正在迅速開展一項專門研究和解決信息技術設備的信息電磁泄漏及其安全防護問題的活動。這個活動被稱為TEMPEST。而美國實際上早在五十年代就已開始實施這項研究計劃,由美國國家安全局(NSA)和國防部(DoD)聯合進行研究與開發,列為絕對機密,不得輸出。
    TEMPEST與軍事電子設備的EMC項目密切相關,可以說是EMC研究體系中的一個獨立的分支。目前,國外已把它作為計算機安全研究的一項重要內容。它的定義如下:對有損任務安全性的意外電磁輻射(EMR)的控制(The Control of unin-tenTIonal EMR that can compromise the security of a mission)
(EMRElectromagnetic Radiation)
即是說,所謂TEMPEST技術,并不以那些有意輻射電磁波的無線通訊設備為對象,其目的是使有用信息尤其是一些涉及國家安全的機密信息不被竊取和破譯,以免造成失密;其技術措施就是防止計算機等信息技術設備在不知不覺間通過電磁波輻射而泄漏有用的機密信息。因此,雖然TEMPEST技術在抑制干擾的方法和手段上與EMC技術有許多相似之處,國外通常把它并入EMC的研究領域之中,但是,其目的是與EMC技術以互相兼容的觀點研究電磁兼容的耦合形式和干擾抑制的目的完全不同的。這是一種要求把傳導干擾(CE)和輻射干擾(RE)降至最低程度的技術,方法之一是在建筑物的外墻壁和間隔墻上采取措施防止騷擾,如圖3所示。
    TEMPEST技術的研究內容主要有以下幾個方面:
    a.設計規范的研究:包括低輻射電子設備、結構工藝等設計規范的研究。
    b.測試設備與測試技術的研究:研制符合TEMPEST標準、由計算機控制的自動化系統;TEMPEST測試可分為TEMPEST設備的檢測和TEMPEST屏蔽機房的檢測兩個方面。
    CTEMPEST標準的研究:歐美各國均有嚴格的TEMPEST技術標準,并由國家安全部門直接控取水平的不斷提高,各國還將不斷制定和修改TEMPEST標準。
    d.新材料、新結構、新工藝的研究:包括低輻射元器件、高效能屏蔽材料、導電噴涂工藝等方面的研究。
    e.符合TEMPEST標準的設備及屏蔽室的研究:包括低輻射的計算機系統等。
    為了保衛國家安全,軍用電子裝備對TEMPEST技術的要求還將越來越高,有必要進行更深入的研究。
    4 結束語
    綜上所述,現代軍用電子裝備的EMC問題是至關重要、不能忽略的,與此密切相關的電磁防護新技術將發揮極其重要的作用。然而,我國對EMC問題的研究則起步較晚,無論是理論還是技術等整體的研究水平均落后于國外先進水平。直到八十年代初、中期,許多技術人員還把這項技術僅僅理解為電子設備超標與否的測量標準而已,甚至在1992年召開的技術研討會上,仍有些技術人員認為開展電磁兼容性預測、分析和設計工作的必要性不大。不過,近幾年來,我們已經有了不小的進步,這種進步不僅體現在技術方面,而且也體現在廣大工程技術人員和管理部門對這項研究的認識提高和日益重視上,這標志著我國EMC理論與技術的研究工作已經進入了一個更高的層次和達到了一個新水平。

上海海悅電子科技有限公司成立于2006年,公司自成立至今一直專注于安規與電磁兼容測試設備的研發、生產和銷售,公司的主要人員具有近20年的從業經歷,有著豐富的實踐經驗,已經成功給多家大型認證實驗室提供過測試設備的規劃以及相應試驗設備供應,公司自行生產數百種各類安規設備、試驗儀器,并承接非標定制試驗設備。

公司同時代理銷售國內外多家知名的安規設備廠商產品,包括:美國COMPWEST、意大利ATS、美國ED&D、臺灣鯨揚、日本SOKEN、日本KIKUSUI、日本YOGOGAWA、臺灣艾普斯、日本SOKEN、日本ESPEC等等。

公司在電磁兼容領域提供完整的EMIEMS設備,代理供應包括歐洲EM-TEST、意大利AFJ、德國FRANKONIA、瑞士EMCPARTNER、日本MORITA等眾多廠家產品,同時公司也是北京科環在華東區銷售網點。

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