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军用电子装备的电磁防护新技术

-2019-03-14-

  1前言
    军用电子装备的抗干扰问题对电子装备可靠性水平有重大的影响作用,越来越引起各国军方的高度重视。在现代战场上,以过密电磁辐射频谱运行的武器系统的激增,造成战场上各军兵种武器系统间电磁干扰(EMI)的可能性不断增大,当两个系统以足够接近的频率和间距运行时,就会出现电磁干扰。其对武器系统性能和可靠性所造成的恶劣影响以及由此而产生的后果是极其严重的,包括信息不准确、无法探测敌方目标、引信过早点火、飞机飞行失控和制导武器失灵等。海、陆、空三军用于战略、战役、战术等各种武器装备都包含有大量的电子装备,这些装备的正常运作都必须解决电磁兼容(EMC)问题,否则后果不堪设想。例如,以战斗机等装备为首的武器系统,在现代战争中具有极其重要的作用,在对敌作战中,常常要靠它们来抢占先机。在战斗机狭小的空间里,必须装备很多复杂的通信、导航设备以及雷达和敌我识别等电子设备。如此众多的电子设备在飞机有限的空间内要同时工作,除了电子设备的质量和可靠性水平直接影响着战斗机的作战性能以外,设备的密集所带来设备之间的相互干扰问题也不能忽略,因此,各设备之间的EMC已是一个至关重要的问题。随着机载电子设备的种类和数量的不断增加,它们所占用的电磁频谱越来越宽,所传输的信息量越来越大,因而机载电子设备之间的EMC问题也越来越突出。如果这个问题解决得不好,就会使整架飞机的工作陷于混乱状态,而机群的电磁环境还可能使飞机的飞行控制、雷达、通讯、导航、电子战、火控和导弹控制系统的性能降低,这些不利影响随着放射功率的增强、接收灵敏度的提高,体积更小和更敏感的固态电路的应用而变得更加明显。
    实际上,军用电子装备的EMC基本对策与民用设备需采取的措施基本一样,大体上可分为接地、布线和图形布线、元件选定、滤波和屏蔽等;当然,其要求肯定要更高、更严格些。由于军用电子设备大多数都要密集安装在战斗机、舰船、坦克等军事装备中,其所处的EMC环境很严酷,所以我们必须研究下面与现代军用电子装备密切相关的EMC项目和电磁防护新技术。
2 抗电磁脉冲(EMP)的对策技术
    在现代战场上,电子对抗和电子干扰贯穿于战争的始终,危险、致命的杀伤就是敌方发出的强大电磁干扰和电磁脉冲。电磁脉冲(EMP:Elec—tromagnet ic Pulse)是一个不容怒视的重要问题,它可以来自多个方面,主要有核武器爆炸时产生的强大的核电磁脉冲(NEMP)和打雷时的闪电辐射造成的雷电电磁脉冲(LEMP)等。
    2.1 核电磁脉冲(NEMP)
    核电磁脉冲(NEMP)是核武器爆炸的产物。核爆炸时,除了产生光、热、辐射能以外,还产生强大的核电磁脉冲。
    在40km以上高度的大气层外发生核爆炸时,伽马(γ)射线脉冲到达大气层,与空气中的分子发生冲灾而产生康普顿效应。所谓康普顿效应,就是一种把电子从空气的分子中挤赶出来的现象。在这个电子的流动过程中产生EMP。虽然NEMP为瞬时现象,但它对半导体器件及微电子设备却具有极大的杀伤力——电击穿。其作用范围随爆炸的高度而异,NEMP的特点是上升时间快、强度大。上升时间约8ns,连接时间约200ns,  电场强度高,可达50kV/m,是一种高强度的电磁干扰源(ENI),比通常的EMI强度高几十至上百分贝;另一特点是作用范围广、频带宽、能量大。频带从10KHz至100MHZ,除了对TV、无线电设备的前端(高频端)有影响以外,对电话机等设备也有破坏作用,可使敌方的指挥、控制、通信、情报等系统遭受重创甚至瘫痪,成为现代战场上严重的电磁破坏因素。
为了保证武器系统能正常地履行其功能并发挥重大作用,就要实施EMP防护。军用电子设备的NEMP防护也是EMC工作的一个重要组成部分。在现代战场上,为屏蔽电磁干扰和电磁脉冲的危害,就必须要求装载电气与电子设备的方舱具有很好的电磁屏蔽性能。总的来说,使用方舱并提高方舱整个舱体的电磁屏蔽性能就是一个很好的方法,它具有简单、成本低、整体效果好等优点。
    2.2 雷电电磁脉冲(LEMP)
    雷电是自然界强大的脉冲放电现象,也是一种静电现象,而且是自然电磁干扰源中的一种放电现象。一次闪电平均含有上万个脉冲放电过程,电流脉冲平均幅值为几万安培,持续时间几十到几百微秒。闪电通道大约有几百米至几公里长,在先导——主放电过程中,它们向周围空间辐射高频和甚高频能量,从而产生雷电电磁脉冲(LEMP)。LEMP给计算机等微电子设备带来的危害也是相当严重的。雷电脉冲通常通过电网供电电源进入计算机网络造成干扰,轻则引起计算机程序混乱、信息处理失误;重则烧毁元器件,或使某些部件损坏直至停机,造成难以估计的重大损失。
  由于微电子技术和计算机技术在军用电子装备中的应用程度越来越高,采取相应的LEMP防护措施已成为军用电子装备安全性与抗干扰技术的一个迫切要求。具体地说,首先应从硬件、软件方面提高计算机系统自身的抗干扰能力。例如,在硬件设计中要进行EMC设计,综合采用各种抗干扰措施;在软件设计中,可以利用冗余技术、容错技术、标志技术以及数字滤波技术等。其次,还要采取拦截、屏蔽、均压、分流、接地和滤波等防护措施。
  例如,屏蔽包括机房屏蔽、整机屏蔽、元器件之间的屏蔽和隔离以及电源的进线和输入线、输出线的屏蔽和接地;系统与机房不仅要有良好的接地,而且还要按需进行交直流接地、高频接地、防雷接地和安全接地等设计;滤波也是抑制传导耦合干扰的重要方法,可以电源EMI滤波器。它是EMI滤波器的一种,对实现和改善电子设备与电子系统的EMC环境有很大的帮助,可以有效地抑制电源线上的信号干扰电平,降低来自供电网的干扰,并可在屏蔽体的出入口或导线的适当位置安装滤波电路。目前,国外的做法是,根据美军标(NIL—STD—461/462)的要求,军用设备必须设置避雷器来降低LEMP的干扰能量,一些能高速工作的避雷器之类的部件也就应运而生,而且,为了确认其效果,还正在使用一种如图2所示的比较大型的新式EMP模拟设备。
    3 防信息电磁泄漏(TEMPEST)技术
    从七十年代起,计算机在国外迅速普及并发展起来,计算机相互之间的干扰和抗干扰问题日益突出,一些功能正常的计算机常常会产生一些不知其所以然的误动作等故障。更为严重的是,计算机的电磁发射信号不但频谱成分丰富,而且携带信息,因而对其处理的信息的安全性将造成巨大的威胁。尤其是近几年来,使用以计算机为主的信息技术设备处理重要信息的必要性日渐增大,但是,随之而来的就是数据保密问题。保密的其中一个内容就是如何防止窃听。
    计算机等各种信息技术设备和通信设备在工作时常常会泄漏电磁波,而且与这些设备连接的数据线、电源线同样也会有电磁波辐射出来。这样,被处理的信息也就会通过电磁辐射向空间泄漏。其频率范围可达数千赫到1兆赫,如果用ELINT系统那样的高灵敏度接收机接收这些电磁波,就可能成为窃听的对象。通过使用分析和破译处理等手段,就可以复制原信息,造成失密等严重后果。因此,世界各国对信息技术设备的信息电磁泄漏问题越来越重视并开展了一系列有计划、有组织、有针对性的研究。
    从八十年代初期开始,西方诸国正在迅速开展一项专门研究和解决信息技术设备的信息电磁泄漏及其安全防护问题的活动。这个活动被称为TEMPEST。而美国实际上早在五十年代就已开始实施这项研究计划,由美国全局(NSA)和国防部(DoD)联合进行研究与开发,列为机密,不得输出。
    TEMPEST与军事电子设备的EMC项目密切相关,可以说是EMC研究体系中的一个独立的分支。目前,国外已把它作为计算机安全研究的一项重要内容。它的定义如下:对有损任务安全性的意外电磁辐射(EMR)的控制(The Control of unin-tenTIonal EMR that can compromise the security of a mission)
(EMR:Electromagnetic Radiation)。
即是说,所谓TEMPEST技术,并不以那些有意辐射电磁波的无线通讯设备为对象,其目的是使有用信息尤其是一些涉及安全的机密信息不被窃取和破译,以免造成失密;其技术措施就是防止计算机等信息技术设备在不知不觉间通过电磁波辐射而泄漏有用的机密信息。因此,虽然TEM—PEST技术在抑制干扰的方法和手段上与EMC技术有许多相似之处,国外通常把它并入EMC的研究领域之中,但是,其目的是与EMC技术以互相兼容的观点研究电磁兼容的耦合形式和干扰抑制的目的完全不同的。这是一种要求把传导干扰(CE)和辐射干扰(RE)降至程度的技术,方法之一是在建筑物的外墙壁和间隔墙上采取措施防止骚扰,如图3所示。
    TEMPEST技术的研究内容主要有以下几个方面:
    a.设计规范的研究:包括低辐射电子设备、结构工艺等设计规范的研究。
    b.测试设备与测试技术的研究:研制符合TEMPEST标准、由计算机控制的自动化系统;TEM—PEST测试可分为TEMPEST设备的检测和TEMPEST屏蔽机房的检测两个方面。
    C.TEMPEST标准的研究:欧美各国均有严格的TEMPEST技术标准,并由安全部门直接控取水平的不断提高,各国还将不断制定和修改TEMPEST标准。
    d.新材料、新结构、新工艺的研究:包括低辐射元器件、高效能屏蔽材料、导电喷涂工艺等方面的研究。
    e.符合TEMPEST标准的设备及屏蔽室的研究:包括低辐射的计算机系统等。
    为了保卫安全,军用电子装备对TEMPEST技术的要求还将越来越高,有必要进行更深入的研究。
    4 结束语
    综上所述,现代军用电子装备的EMC问题是至关重要、不能忽略的,与此密切相关的电磁防护新技术将发挥极其重要的作用。然而,我国对EMC问题的研究则起步较晚,无论是理论还是技术等整体的研究水平均落后于国外先进水平。直到八十年代初、中期,许多技术人员还把这项技术仅仅理解为电子设备超标与否的测量标准而已,甚至在1992年召开的技术研讨会上,仍有些技术人员认为开展电磁兼容性预测、分析和设计工作的必要性不大。不过,近几年来,我们已经有了不小的进步,这种进步不仅体现在技术方面,而且也体现在广大工程技术人员和管理部门对这项研究的认识提高和日益重视上,这标志着我国EMC理论与技术的研究工作已经进入了一个更高的层次和达到了一个新水平。

上海海悦电子科技有限公司成立于2006年,公司自成立至今一直专注于安规与电磁兼容测试设备的研发、生产和销售,公司的主要人员具有近20年的从业经历,有着丰富的实践经验,已经成功给多家大型认证实验室提供过测试设备的规划以及相应试验设备供应,公司自行生产数百种各类安规设备、试验仪器,并承接非标定制试验设备。

公司同时代理销售国内外多家知名的安规设备厂商产品,包括:美国COMPWEST、意大利ATS、美国ED&D、台湾鲸扬、日本SOKEN、日本KIKUSUI、日本YOGOGAWA、台湾艾普斯、日本SOKEN、日本ESPEC等等。

公司在电磁兼容领域提供完整的EMI与EMS设备,代理供应包括欧洲EM-TEST、意大利AFJ、德国FRANKONIA、瑞士EMC-PARTNER、日本MORITA等众多厂家产品,同时公司也是北京科环在华东区销售网点。

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