中国本I 程学会防护I 程分会第丸次学术年会论文集1 1 6 5典型天线感应核电磁脉冲研究王江枫1胡勇2( 1 二炮装备研究院五所，北京，1 0 0 0 8 5 ；2 第二炮兵司令部通信总站，北京，1 0 0 0 8 5 )摘要：核电磁脉冲感应需要通过试验研究，典型短波、卫星通信天线感应H E M P 情况经过试验得到一些数据，并由此得出一些想法。1 核电磁脉冲及其对电子器件的破坏核电磁脉冲是核爆炸瞬发? 射线与周围物质( 大气岩土介质等) 作用产生的一种特殊辐射环境，有时称它为环境电磁脉冲。核电磁脉冲场强很高，在源区内场强可达1 0 5 V i m 数量级，高空爆核电磁脉冲( H E M P ) 电场强度可达( 2 5 ) x 1 0 m 。核电磁脉冲频谱很宽，从很低到上百M H z ，覆盖了大部分无线电频段，对军事通信的破坏和影响很大。核电磁脉冲作用范围很广，低空核爆炸，能对电气、电子设备造成干扰、破坏的范围约几十公里，高空核爆炸时，将覆盖地球广大的面积，可达上千公里。对于高空爆核电磁脉冲，典型波形用以下函数描述， E ( t ) = E0 1 ( e “一P ”)f1 1式中：E 0 1 = 5 2 1 0 4V h n ，a l l = 1 5 x 1 0 6 ( S 。1 ) ，a 1 2 = 2 6 x 1 0 8 ( s 1 ) 。孔缝耦合时用短脉冲，短脉冲取以下表达式及参数，E 6 ( t ) = 1 2 E o l ( P 。4 2 1 一P 1 。)f2 1式中：E o l _ 5 2 x 1 0 4V m ，a 2 1 = 1 5 x 1 0 7 ( S - 1 ) ，a z z = 2 6 x l O s ( s 。) 。电磁脉冲电场频谱函数用下式描述E ( m ) =墨g一墨! 、( 口I + j o J ) ( a n + J 纠( 3 )式中：E ( 曲入射电场的频域函数。H E M P 入射场波形、电场频谱归一化曲线见图1 和图2 。1 1 6 6王江瓿等：典銎天线感应棱电磁球冲研究瓢飘il ； 触i 熊熏鬻：= = ：辨：| ! ! ! ：l 篙k 菇I * 啦_ 。： 戮i蕊：- i ；鬻譬| | |：i ：W 黼；。j i H * 一 慧 i 弋：一_ ： !hi j i：；0 - ：蠹图1H E M P 环境场波形图2 电场归一化频谱曲线核电磁脉冲( N E M P ) 是核爆炸的瞬时破坏因素，当它作用于适当的接收体时能够产生电磁耦合，电磁耦合可分为辐射耦合和传导耦合。一般说来，辐射耦合和传导耦合往往同时存在，空间电磁波经辐射耦合后，可在电路上产生很高的电压和很强的电流，通常又以传导耦合方式进入电子系统。E M P 耦合进入电子系统后会对电子元器件、线路乃至整个系统产生影响，使性能下降甚至损坏电子元器件，使指挥、控制以及通信系统失灵。电磁脉冲模拟器试验的结果表明，能量约为l O 。0 的非常短的脉冲足以使微波半导体二极管损坏，能量约为5 1 0 “ 2 J 时，将使低频晶体管损坏，而使真空管损坏则需要l J 能量。无线、微波通信都使用天线发射、接收信号，当发生高空核爆时，天线将耦合H E M P形成强电流，并传导到电子设备，进而破坏电子器件，导致通信设备损坏。为提高通信、指挥系统的生存能力，必须进行天线感应H E M P 研究。2 典型天线感应H E M P 试验为进一步了解 玎孙口作用于通信天线时天线感应电流情况，针对短波、微波通信典型天线，我们做了以下试验。2 1 试验内容2 1 1 双极天线感应H E M P 信号试验双极天线( 架高4m ) 架设于E M P 辐射场之中，将馈线引入屏蔽箱中，接于阻抗匹配器上，阻抗匹配器另一端接负载。阻抗匹配器及负载置于屏蔽箱内，激发模拟辐射源，测试天线感应电流。参试设备与辐射波模拟器的几何位置关系如图3 所示。2 1 2 卫星、微波天线卫星天线架设于E M P 辐射场之中，将馈线引入屏蔽箱中接负载，馈线进人屏蔽箱之前皮线接地。激发模拟辐射源，测试感应电流。参试设备与辐射波模拟器的几何位置关系如图4 所示。中国土木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集1 1 6 7辐射波模拟器主开荚 书I 一广! 一J 箱图3 双极天线试验图图4微波天线试验图2 2 试验分析2 2 1 双极天线外场波形与理论分析的H E M P 波形有差别( 从图2 和图5 可以看出) ，尤其是低频段总会有个别频点幅值非常高，这样会扰乱对感应电流的分析，但外场基本符合H E M P 特性，可以作为试验源使用，只是分析时对低频部分另加注意即可。天线感应电流非常高且上升沿变缓。外场上升沿为5 a s ，天线感应电流上升沿为1 8 a s ，上升沿变缓有利于保护电路的开发。天线感应电流频谱与外场频谱相比发生了很大变化，中、长波及更低频率部分受到一定的限制，感应电流较低，短波部分的幅值较大，米波以上频段感应较弱。一方面，天线具有带通性，其最佳接收频率为2 M H z 一1 0 M H z ，使得此频段感应很强；次佳接收频率为l O M l t z 一3 0 M H z ，这一频段的感应电流显然在其次，而低频部分的频谱幅值较高，是由于外场本身能量不均匀造成的；另一方面，由于整个接收系统谐振作用，使能量发生转移。双极天线引人的屏蔽箱内场波形非常复杂且场强极高，甚至高于外场。原因在于屏蔽箱太小，进入屏蔽箱的天线二次辐射，再经箱壁金属反射在较小的空间内振荡、叠加，造成内场场强非常高。内场与矫场柏比，较低频率频谱幅度大大超过了外场此频段频谱幅值，说明能量向较低频率方向转移。这是由于内场主要是由天线感应后二次辐射造成的，天线的选频性使得短波频段感应很强，屏蔽箱及系统的谐振作用使能量发生转移，结果短波以下频段幅值反大于外场，较高频率分量幅值明显降低。如此内场环境无异于核爆炸发生在屏蔽箱内，其危害是极其巨大的，不但与此天线连接的系统设备会遭到破坏，屏蔽箱内的其他设备也不能幸免于难。阻抗匹配器后同轴电缆的芯电流频谱中2 M H z 一1 0 M H z 蝠值最大，1 0 M H z 一3 0 M H z 幅值其次，极为明显的表明了天线系统的频率选择性。天线的这种滤波作用对于滤除外场中幅1 1 6 8I 汪枫等：典型天线感直棱电磁酥冲研究值较高的低频部分可以起到一定的作用，从天线感应电流频谱看，低频部分幅值相对较低，而外场频谱中低频部分幅值是很高的，由此可以证明天线滤除了部分低频部分的能量。阻抗匹配器后的芯电流即送入终端设备的电流是我们最关心的电流。该电流能量集中在接收系统工作频段，对终端电路具有致命的破坏作用，如果不进行防护，接收系统将遭到破坏的。另外，工作频段以外的频率电流值也较高，即使器件可以承受各频率点的电流值，但是能量的积累同样可以损坏器件。因此，对于芯电流的防护措施必须既有限幅又有滤波。图5 、图6 分别是外场和内场频谱；图7 、图8 是天线电流和同轴电缆芯电流频谱；表1 是对频谱进行的分析比较。表1 中第一行是频率点；第二行是外场场强在该频率点的幅值；第三行是天线感应电流在该频率点的幅值；第四行是天线感应电流与外场场强比值；第五行是以1 9 5 M H z 频点时比值为基值，各比值与其相除的比值数。从比值的比值可以明显看出，天线对2 M H Z 3 0 M H z 频段感应强，对于频段外的频率相对来说有一定的衰减性，而且距此频段越远衰减越强。图5 外场频谱 F r e ( H 4圈6 内场频谱图7 天线电流频谱图8 同轴电缆芯电流中国本I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集1 1 6 9衰1对外场频谱和天线电流频谱的分析频率 0 4 8 80 9 7 71 9 53 27 81 01 32 02 85 01 0 0 ( M H z )外场场强 2 3 8 71 4 8 59 0 87 3 31 4 38 8 66 7 _ 33 3 83 343 8 579 E ( V m )天线感应1 0 21 3 71 4 44 963 3 61 6 06 48 6952703 电流l ( A )A = I E0 0 4 3O 0 9 20 1 5 90 6 7 72 3 5 0O 1 8 1O 0 9 5O 2 5 40 2 8 40 0 7 00 0 3 8A A l _ 9 50 2 70 5 8142 61 4811 40 6 01 4 7 917 90 4 40 2 42 2 2 抛物面天线抛物面天线试验中，馈线进入屏蔽箱前皮线先接地再人箱，接地后馈线皮电流很小，屏蔽箱内场也很小。馈线皮线接地对降低皮电流起到了很大的作用，进而有效地控制了皮电流二次辐射对周围设备的损害。此次面天线试验馈线很短，只有5 m 长，一般正常工作的面天线馈线长度绝对不会低于4 0 m ，裸露在外的4 0 m 馈线就是一幅短波线天线，其接收H E M P的能力在线天线试验中已经验证。虽然馈线主要是皮线感应H E M P 形成皮电流，但是，一方面普通馈线的屏蔽能力有限，会感应出较强的芯电流；另一方面，如果皮线不接地，进入屏蔽箱的皮电流发生二次辐射，会形成较强的内场，进而影响周围设备，这一点也可以在线天线试验中得到证实。因此，抛物面天线的馈线应具有足够的屏蔽能力，并且馈线接终镕设备之前屏蔽皮线要先接地。面天线试验中芯电流很小，频谱分析后可以看到，各频点电流值都很低不会对后面的器件造成损伤，另外，频率都在5 0 0 M H z 以下，在卫星接收系统工作频段之外，幅值很小而且频率在工作频段以外，接收系统自身的滤波设备可以滤除，不需要另加滤波，就可以保证安全。但是，要保证接收系统的终端设备不能直接裸露在H E M P 场中，否则有可能通过另外的感应途径对器件造成损伤。图9 和图1 0 分别是试验时外场和内场频谱曲线图；图1 1 、图1 2 分别是屏蔽箱内同轴电缆的皮电流和芯电流频谱曲线图。3 小结在进行电磁脉冲屏蔽时，电子设备应置于具有一定屏蔽能力的仓体内。由于天线不能置于仓体内，必须采取措施进行防护加固，避免天线感应电流传导进入电子设备造成损坏。根据试验数据及分析结果，我们认为：1 1 7 0王江搬等：典型天线感应核电磁棘冲研究a ) 短波通信天线对腿感应电流很强，二次辐射也非常严重，因此天线绝对不能直接进入屏蔽仓体。b ) 同轴电缆芯电流相对较低，又比较容易进行防护加固，因此应将短波通信天线转换成同轴电缆，经过防护措施屏蔽后，再接人屏蔽仓体。c ) 短波通信天线具有一定选频作用，但是感应电流频带依然较宽，而且有效频带内感应电流很强。因此保护器件应该即能滤波又要限幅。d ) 短波通信频段处于H E M P 频段内，保护器件可以保证电子设备的存货，但是强脉冲的感应电流必定会带来误码，这是保护器件无能为力的，须从其他角度考虑解决这一问题。e ) 卫星通信天线主要工作频段在H E M P 频段以外，感应电流很小，只要有效防止馈线感应电流进入屏蔽仓体，天线感应电流可以不加防护。2 图9 外场频谱著 孑1 0 I钒划邝，m 如k 。 锄自0S 日仰1 a 葛岫1 且点舯2 自偶 r - m 他)围l O 内场频谱图1 1 箱内皮电流频谱图1 2 箱内芯电流频谱参考文献1 1 周璧华、陈彬等，电磁脉冲及其工程防护，国防工业出版社【2 】王坚、李路翔，核武器效应及防护，北京理工大学出版社“热k 一逊八| | 一。l