雷电、静电、电磁脉冲！浅谈电磁效应与电磁防护

雷电、静电、电磁脉冲！浅谈电磁效应与电磁防护

静电是一种看不见、摸不着、甩不掉的近场危害源。随着高分子材料的广泛应用，静电危害日益普遍。静电是大自然中最为普遍的电磁脉冲辐射源。

静电放电可以形成高电位、强电场和瞬时大电流，并产生强烈的电磁辐射而形成宽频带电磁脉冲场。静电作为一种近场电磁危害源，可以干扰电子系统、可以使燃油、电爆装置意外燃烧、爆炸。

F-15战斗机在维修时，由于燃油系统接地不正确，人体未采取防静电措施，静电放电造成飞机彻底毁坏 。对于卫星而言，由于静电放电导致电子设备乱真切换、编码器乱真切换、姿态传感器异常、温控性能异常、干扰电子设备、遥测设备等层出不穷。

静电放电是一个高电压、强电场、瞬时脉冲大电流的过程，尤其是带电导体或者手持小金属物件（钥匙）的带电人体对接地体产生火花放电时，产生的瞬时脉冲电流可以达到几十安到上百安。这种静电效应除了可能引燃、引爆易燃易爆气体、花粉等，更重要的是会产生声强烈的电磁辐射场从而形成静电放电电磁脉冲（ESD EMP）

这样的强电磁场通过空隙、输入输出导线等耦合进设备的敏感电路上，从而引起敏感电路的损坏或者翻转，可能会造成某些装置中电火工品的误爆。上图显示的8kv人气金属模型放电辐射场的波形。这个静电放电电磁脉冲式脉冲宽度为百纳秒量级的窄脉冲，频谱分分布在几十到几百兆，最高可以到上G赫兹。

静电放电电磁脉冲的强度到底有多大？

在实际测量中发现，10KV的静电放电火花，在距离为几十厘米的出的辐射电场可以到200V/m,磁场变化率高达3.8104 T/S，这个量级与数十米出的雷电回击电路产生的磁场峰值具有同一个数量级。静电放电的近距离辐射电场可以达到千伏每米量级，这个比核电场脉冲只差一个数量级。

跟核电磁脉冲相比，静电放电发生的频率更高，更为频繁。由于静电放电的上升沿很陡，上升时间可以小于1ns，对于普通的防护器件而言，根本来不及响应；其频率特性又近似超宽带电磁辐射，频谱较款 ，无孔不入，一般的滤波器又难以阻挡。因此作为近场危害源，静电放电脉冲完全可以同雷电电磁脉冲危害以及核电磁脉冲危害相提并论。

静电放电电磁脉冲效应会引起电子系统中敏感部件损伤或者产生状态翻转，使电发火装置的电工品误爆，或者燃油箱起火等。

除此之外，根据美国地球物理数据中心统计结果静电效应导致的卫星故障占卫星总故障的三分之一。

由于静电引发的卫星故障主要是：

• 隧道二极管放大器逻辑出错

• 电源变化器开关异常

• 行波管系统关断

• 解码器开关异常

• 消旋系统解码器失步

• 遥测数据交换器数据丢失

• 气象图像系统关断

• 可见光扫描器步进开关异常

• 雷达系统故障

另外，沉积静电所产生的电磁干扰也不容忽视。所谓沉积静电指的是由于空气、潮雾、空气中的梨子与运动的飞行器（飞机、航天飞机）之间的电荷转移所形成的静电积累。沉积静电能使飞行器表面的静电电位高达100Kv-300kv。所产生的电晕、电弧放电能产生严重的电磁干扰，对飞行器的通信或者导航产生影响。

单片机是许多电磁装备通用的电子单元。静电放电电磁脉冲，近情况下，类似于高功率电磁脉冲炸弹的作用，能对工作于各种程序模块的单片机系统产生干扰，造成死机等故障。典型的故障包括：

系统重启的作用机理就是，在RST脚出现了一个持续时间大于一个机器周期的干扰，静电让CPU内部程序指针Pc指向程序起始处；

当静电改写了CPU内部程序指针内容，在数据线上产生了干扰使其读入错误指令的时候，造成系统死机。原因：静电放电脉冲造成系统状态的改变，执行了错误的指令。

对于雷电防护的研究已经有200年历史，目前对于雷电灾害的认识和预防主要以防护直击雷为主，对雷达电电磁脉冲的认识和防护起步较晚，上世界70年代开始才引起研究人员的重视。国际电工委员会曾报告指出：雷电电磁脉冲式信息化时代的公害！

美军标MIL-STD-464“系统电磁环境效应要求”全面、系统的提出对武器系统全寿命过程中电磁环境效应的一般要求，它所考虑的电磁环境效应包括雷电。标准中明确规定了用于雷达直接效应和间接效应的电流波形。

直接效应是指雷电直接击中武器系统，其峰值电流的典型值为30kA,在这种情况下足以使武器系统严重损坏或引爆电爆装置

间接效应：在雷击过程中，云层或地面物体中会发生大量的电荷移动，这种电荷的重新排列，致使武器装备的接地分系统内，感生大量的移动电荷，进而在其电路内产生强电流；雷电会使物体负电，造成电磁干扰；雷击时输出强电流，强电流又在导电通道周围形成强磁场和强电场，作用于电子设备或电爆装置时，就会在电路上产生大电流，导致设备受干扰、元器件损坏或电爆装置爆炸。 

雷达电磁脉冲式伴随雷电放电产生的电流瞬变和强电场辐射，属于雷达的二次效应，出现频率高。是最为常见的天然电磁脉冲干扰源。根据国际电工委员会IEC61312-1标准的定义，雷电电磁脉冲包括非直击雷达产生的电磁场和电流瞬变。以此为依据，雷电电磁脉冲可以划分为3中形式，

静电脉冲、地电流瞬变脉冲和电磁脉冲辐射。

静电脉冲：

由于大气层电离层带负电荷，与大地之间形成大气静电场。雷雨云形成的电场，在地面物体表面会感应出异号电荷，电荷密度和电位会随着附近大气场强而变化。在落雷的瞬间，雷雨云电荷被释放，大气静电场急剧减少，地面物体的感应电荷会失去束缚，从而沿着接地通路流向大地，由于电流流过的通道存在电阻，

因而会出现电压，这种瞬时高电压称为静电脉冲，也称为天电瞬变。对于接地良好的导体而言，静电脉冲极小，可以忽略，对于静电接地电阻较大的孤立导体，放电时间会大于雷达持续时间，静电脉冲的危害尤为明显。

地电流瞬变脉冲：

是由落雷点附近区域的地面电荷中和形成的。如图所示，主放电通道建立后，产出回击电流，即雷雨云中的负电荷会流向大地，同时地面的感应正电荷也流向落雷点，与负电荷中和，形成瞬变地电流。地电流流过的地方，会出现瞬间高电位，不同位置之间也会有瞬间高电压，即跨步电压。

电磁场脉冲辐射：

当雷达的主放电通路建立，云层电荷迅速与大气或者云层异号感应电荷中和，回击电流急剧上升，受电荷电量、电位、和通道阻抗影响，电流的上升速率最大可达500Ka/s。此时放电通道构成等效天线，产生强烈的瞬态电磁辐射。闪电所产生的瞬变电磁场，都会在一定范围内产生电磁作用，对空间内的各种电子设备产生干扰和破坏作用。

图显示了雷达放电各个阶段辐射电场强度的时域波形，可见从雷雨云起电、预防电、阶跃先导到回击、后续以及后续回击等所有过程都伴随着电磁辐射。

雷达电磁脉冲以瞬时大电流、浪涌电压等形式从电源线、信号线传到到电子设备，也可以通过电容性耦合、电感性耦合或者等效天线耦合将脉冲能量耦合到武器装备上。其给微电子设备带来的危害是相当严重的，轻则引起设备紊乱，重则烧毁元器件。尤其是在大规模和超大规模集成电路的应用，对电磁脉冲的敏感程度进一步提高，雷电通过设备的机壳、天线、馈线和穿壳导线的能量耦合，造成对电子设备的破坏。

静电脉冲的危害形式为:

1．电压(流)冲击。输电线路上的静电高压脉冲会沿电线传播，形成高压冲击，对相连的电气设备造成危害；

2．高压电击。垂直放置的导体，若接地电阻较大，尖端会出现火花放电，从而引燃引爆物品；在雷电过后的短暂时间内人触摸或接近这类物体，可能遭电击身亡。

3．束缚电荷二次火花放电。处于雷电高压场中的油类，其电阻率高，内部电荷不易流动。落雷后，油品下部电荷较快通过容器壁流散,而上部出现大量高电位的自由电荷，且消散极慢，若用金属导体接近油面，就可能发生火花放电，导致燃烧

地电流脉冲的危害形式为:

1．地电位反击。地电位的瞬时高压会使接地的设备外壳与电路板之间出现火花放电。

2．跨步电压电击。直击雷可造成站在附近地面上的人、畜被跨步电压电击致死。

3．传导和感应电压。埋于地下的金属管道、电缆或其它导体，其表面有瞬变电流流过，造成导体两端出现传导电压；对屏蔽线而言，地电流只流经屏蔽层表面，其内芯导线上会产生感应电压。

电磁脉冲辐射的危害形式为

云地雷电的放电通道构成等效天线，产生强烈的电磁脉冲,对各种电子设备造成危害。

电磁脉冲能量一旦通过各种耦合途径进入系统后，加到设备的输入、输出端口，在元器件上产生感应电压，感应电流，一旦感应电压和感应电流超过了元器件的损失阈值，轻则使系统的正常工作受到干扰，重则造成元器件的永久性伤害，使设备停止运行。

另外，由于雷达电磁脉冲占有很宽的带宽，而且大部分能力集中的低频段，因而对普通的屏蔽材料依然会具有很强的穿透力。

实验表明：对平面波型的电磁脉冲场而言，上升陡度为1011V/m/s的脉冲场，峰值场强超过千伏/米时可使微机等微电子设备的工作状态发生变化，随着场强的增加，设备从显示出错直至死机，需重新启动才能工作；峰值场强近50千伏/米时可造成微电子设备的永久性损伤。而 设备的电源线、通信线、控制线等电线、电缆是耦合电磁脉冲能量的重要渠道，未采取屏蔽措施或屏蔽不完善的微电子设备受到电磁脉冲干扰或损伤的场强阈值明显降低。

核电磁脉冲（ NEMP）是伴随核爆炸产生的一种瞬时电磁辐射（EMR）。核爆炸一般可分为地面核爆炸、地空核爆炸和高空核爆炸。任何形式的核爆炸都可以产生EMR，但形式有所不同，其中高空核爆炸产生的核电磁脉冲强度大、覆盖面积广。其电场强度可达10kV/m或更高。对于100km以上的高空核爆炸，其产生的高场强在地面的覆盖范围可达上千km。NEMP的频率覆盖范围很宽，可以从甚低频到几百兆赫，而主要能量集中在常用无线电频率范围，因而可以对广大范围内的地面和飞行器上的电气与电子系统造成严重威胁。

地面核爆炸时，最主要的仍然是康普顿电流机制。地面的电导率远比空气中爆点附近的电导率大，这使得近地面的水平电场削弱，径向电场主要出现在与地面垂直的方向上。

另外，地面的电子回流和空气中的康普顿电流形成电流环，激励出强大的方位磁场。整个电场和磁场的分布，相当于垂直地面的偶极子。因此，地面核爆炸也辐射出很强的电磁脉冲。地空核爆炸：中等高度空中核爆炸电磁脉冲，高度低于30km且源区又不接触地面时，爆点下方的空气密度要比上方大，康普顿效应的碰撞频率以及空气的电离情况与空气密度的变化规律相一致，由于这种源区上下的不对称导致产生了一个竖直方向上的合成电子流。在发生电离的区域内激励振荡，其能量以电磁脉冲的形式辐射出去。

源区的半径约（5～15km），随爆高的增加而增加，源区没有明显的边界，其半径可按空气电导率达到10－7s/m范围来估计。

高空核爆炸电磁脉冲爆炸发生在30km以上的高空，

高空核爆炸时，光子向上方辐射，进入密度很低的大气中使 γ 射线在被吸收之前要走很远的距离。向下方辐射将碰到密度逐渐增大的大气，  γ  辐射与空气分子作用形成的电磁脉冲源区为一中间厚边缘薄的圆饼状。电磁脉冲不仅从源区垂直向下辐射，还从边缘以不同角度辐射其中频率较高的分量可延伸至视界范围。高空核爆炸与中等高度空中核爆炸和地面核爆炸所形成的电磁脉冲相比，其高频成分要丰富得多。后者源区为非对称的。与地面核地空核爆炸对比，高空核爆炸产生的电磁危害要更大，其脉冲强度大、覆盖区域广。

从波形看，核电磁脉冲具有很高的峰值场强，电场强度可达（104一105）V／m，磁感应强度可达10mT，而且很快上升至峰值。上升时间的典型数据为10-8s 。

从频谱看，核电磁脉冲频带宽。频率覆盖范围可从甚低频到数千MHz 。

从能量看,核爆炸产生的瞬发  射线的能量约占爆炸能量的0.3％，其中以电磁脉冲形式释放的能量在高空爆炸时约占这—部分能量的l／l02，在地面爆炸时占1／107。

从覆盖的地域看，地面爆炸时电磁脉冲源区的覆盖半径（3-8）km，而高空爆炸时地球上凡能看到爆点的地方皆能受到电磁脉冲的覆盖。

 HEMP能量经耦合进入电气或电子系统后，可能对系统的功能产生影响，称EMP效应。这种效应可能是暂时的或是永久的。系统的敏感性是指系统对耦合的EMP瞬态电冲击的响应。如果系统受EMP冲击后造成暂时工作失常称为工作失灵，而永久损伤称为功能损坏。

系统功能、电路或元器件等遭受核电磁脉冲的作用而发生暂时性损伤或无意的动作、假动作，从而导致分系统或系统本身受到破坏；

导弹发射电路中的瞬时感应会使导弹无意中点火；

计算机受干扰改变程序而发生延误；

雷达系统因内部瞬态过程而丢失敌机目标等

生物效应和热效应主要针对生物而言，3~13mW/cm2的功率密度，会让作战人员精神紊乱，情绪烦躁不安，记忆力衰退，行为错误。20~50mW/cm2会让人体出现痉挛或者失去知觉，100mW/cm2会致盲、致聋，心肺功能衰竭。

功率密度达到0.5w/cm2,会导致人皮肤出现轻度烧伤，20w/cm2，烧伤2秒可造成人类皮肤三度烧伤，80W/cm2, 照射数秒就可以导致人类死亡。

对于武器装备而言，主要是热效应。0.01~1W/cm2会让雷达、通信、导航、敌我识别、接收机网络器件性能降低或者失效，尤其会损伤或者烧毁小型计算机芯片。

10~100W/cm2，会在金属表面产生强大的干电流，通过天线、金属开口或者缝隙进入设备内部，可直接烧毁各种电子器件，计算机芯片和集成电路。

1000~10000W/cm2可以瞬间引爆导弹、炸弹、炮弹弹头或者燃料库，从而破坏这个武器系统。

 1962年7月，美军在约翰斯顿岛上空进行了当量为140万吨的核试验，核弹爆炸1秒钟后，距试验场800公里的檀香山岛上的数百个防御警报器全部爆裂，瓦胡岛的照明变压器被烧坏，檀香山与威克岛的远距离短波通信中断。与此同时，距爆心投影点1300公里的夏威夷群岛上，美军的电子通信监视指挥系统也全部失灵。  是什么原因导致了灾难的发生呢？美军调查小组事后发现，“元凶”原来是核爆试验产生的高能电磁脉冲。这一偶然的发现，激起了美军将高能微波武器用于战场的兴趣。特别是近30多年来，电磁脉冲武器的研发和运用正呈加速的趋势。

非核电磁脉冲是一种由电磁脉冲武器产生的电磁场强度非常高、波形前沿上升快（0.01～0.03μs）、持续时间短（几十μs） 、频谱宽、能量极高的电磁波。    EMP武器可以分为定向辐射的EMP武器和非定向辐射的EMP武器。

高功率微波：

将脉冲峰值功率电平大于100MW的微波称为高功率微波（HPM），频率范围1Ghz到300Ghz。HPM最主要的作用是作为定向能武器，干扰和欺骗敌方的电子系统，随着发射功率的提高，还可以用来摧毁敌方武器系统中的电子器件、雷达、电引信和C3I 系统。

HPM的武器的杀伤能力大致分为3级，第一级，用这个功率通量照射目标，可使雷达、通信和导航等设备性能降低或者失效，尤其是计算机的芯片失效或者烧毁。

第二级，辐射形成的电磁场可以进入飞机、导弹坦克等武器的电子线路中，使电路功能混乱或者损坏电路元器件。

第三级，能瞬间摧毁目标，引爆炸弹、导弹等。

由于高功率微波武器能以不同的战斗级别实现对目标的软杀伤和硬杀伤，能够显著的增强电子战和信息战能力。

超宽带电子辐射：

是一种瞬态电磁辐射，又称为超短电磁脉冲，其辐射向自由空间的电磁脉冲具有几百兆到几G瓦的峰值功率，上升前沿为亚纳秒或者皮秒量级。一般讲相对带宽大于25%的信号源称为超宽带信号。高功率武器和超宽带电磁辐射源没有本质的区别，超宽带也是一种特殊的高功率辐射源。是利用超快电路直接激励的方法产生纳秒级的超短脉冲，从而获得超宽带电磁辐射输出，能量分散在一个很宽的频段内，任何一个频率对应的能量都具有破坏租用。目前超宽带峰值功率已经达到100GW，PRF为1Mhz。脉冲宽度小于10纳秒，上升闫晓宇1ns，频段宽度从100Mhz到50Ghz，可以覆盖目标系统的响应频率，对电子系统具有更大的威慑力。

电磁炸弹：

爆炸泵磁通压缩产生器（FCG） 技术成熟，工作原理利用瞬间爆炸力得到的高速压缩的磁场，将爆炸机械能转化为瞬间电磁能，能够在数十秒到数百微秒时间内产生10MJ的峰值功率。

虚阴极振荡器（Vircator） 工作原理是利用阳极高压的牵引，阴极发射的电子束高速撞击网状阳极，电子在阴极和虚阴极之间来回振荡产生高能微波，通过谐振腔从喇叭天线辐射出去。可以形成1G-10Ghz，功率40GW的强电场脉冲。

 微波武器可使武器、通讯、预警、雷达系统设备中的电子元器件失效或烧毁；导致系统出现误码、记忆信息抹掉等，强大的高功率微波辐射会使整个通讯网络失控；能够提前引爆导弹中的战斗部或炸药；能杀伤人员，当微波低功率照射时，可使导弹、雷达的操纵人员、飞机驾驶员以及炮手、坦克手等的生理功能发生紊乱，出现烦躁、头痛、记忆力减退、神经错乱以及心脏功能衰竭等症状；当微波高功率照射时，人的皮肤灼热，眼患白内障，皮肤内部组织严重烧伤甚至致死；前苏联的研究人员曾用山羊进行过强微波照射试验，结果1公里以外的山羊顷刻间死亡，2公里以外的山羊也丧失活动功能而瘫痪倒地。

虽然各种形式的电磁脉冲与电子设备的之间的能量耦合方式不同，但是最终出现在电路上的都是瞬变电流或者瞬变电压，对电路和元器件的作用机理都是相同或者近似的。因此从防护的角度而言，对上述各种电磁脉冲源的防护措施具有一定的共性，即都是从降低耦合效率、限制过电压和分流过电流入手。图给出了几种典型的电磁脉冲频谱分布。

图显示是各种电磁脉冲源在电路上产生的瞬变电压波形，从中可以看出他们在幅值和持续时间上的区别。

从频域的角度，高功率微波和宽带电磁辐射频谱主要分布在Ghz以上的频率范围，属于高频微波干扰，容易通过空隙、天线等进入设备内部，常用作定向干扰源。

核电子脉冲NEMP、静电放电电磁脉冲和雷达电磁脉冲LEMP的频率成分主要分布在200Mhz以下的频段内，属于宽带非定向干扰。这其中NEMP危害最大，范围最广。静电放电脉冲属于近场危害源，发生频率最高。LEMP以地电浪涌形式出现，属于低频范围，而电磁脉冲形式的LEMP则属于宽带电磁干扰，覆盖低频段，影响区域半径可达数十公里。

对于作用目标而言，HEMP和LEMP作用范围大，可直接对计算机芯片、传感器、通信设备、车辆、电力传输系统、军用基础设施产生损坏。

高功率微波、宽带电磁脉冲辐射和静电脉冲能够对集成电路、继电器开关、通信导航设备造成损坏。

电磁脉冲炸弹 作用距离一般几百米，能够摧毁变压器、低频设备、集成电路和继电器开关等。

由于各种电磁脉冲源的特性和耦合途径存在很大的区别，针对某种电磁脉冲危害的加固并不能一劳永逸，必须掌握电磁干扰源的共性和个性特性，做到突出重点防护，在电子装备的设计时充分考虑其抗电磁干扰的能力，才能获得良好的效果。

电磁防护和电磁兼容是两个不同的概念，电磁兼容设计技术是为了保证电磁设备、分系统以及系统具有电磁兼容性的措施与对策，使系统、设备、分系统能够在共同的电磁环境中一起执行各自功能的共存状态。

本质上说，电磁防护和电磁兼容在内涵和外延上是一个有机的整体，无论是电磁防护还是电磁兼容，其重点研究的都是在电磁环境对系统或者装备的作用机理、能量耦合途径，其目的都是为了他提高系统在复杂电磁环境中的生存能力和运行能力。

• 空域防护

是对空间辐射干扰和感应耦合干扰的有效控制方法，主要采用空间分离、空间隔离措施来保证敏感设备不受电磁干扰影响。

所谓空间分离及时加大干扰源和敏感设备之间的空间距离，使干扰电磁场到达敏感设备时其强度已经衰减到最小限度，从而达到电磁防护的目的。当空间分离解决不了问题的时候，就需要采取空间隔离的措施。

空间隔离是指采用屏蔽措施，将那些对于电磁比较敏感的电磁、电气设备以及系统在空间上与电磁辐射环境相隔离，减少电磁场对设备以及系统的耦合影响。电磁屏蔽措施是实施空间隔离的有效手段。

电磁屏蔽又可以分为静电场、静磁场和电磁场屏蔽。对不同性质电磁场的屏蔽有着不同的屏蔽机理，要根据各种性质电磁场的屏蔽原理，系统分析决定和影响屏蔽效果的各种因素，以选取合适的屏蔽材料和屏蔽方法。

静电场屏蔽主要采取完善的屏蔽体和良好的接地；静磁场屏蔽主要采用磁导率高的屏蔽材料将敏感元器件隔离，使敏感元件不受磁场影响，屏蔽体不接地与不会影响屏蔽效果；电磁场屏蔽主要针对 交变电磁场而采取的屏蔽措施。

根据电磁屏蔽的原理，电磁屏蔽材料主要由三类，一类以反射损耗为主，吸收损耗为主、反射损耗和吸收损耗相结合，按照屏蔽材料的组成，可以分为铁磁类、良导体和复合类；按照屏蔽材料制备和存在的形态又可以分为涂覆类和结构复合型。目前主要由导电高分子材料、纤维类复合材料和发泡金属三类主要的屏蔽新材料。

其中导电高分子材料主要用于电场和电磁屏蔽，形态主要是采用涂料涂覆的形式，用于密封导电胶、导电玻璃等。

纤维类辐射材料一般称为抗电磁辐射织物，含有金属软化纤维屏蔽织物与复合导电纤维等，制作成各种电磁防御用品。

发泡金属主要用于对需要透气散射电子设备的通风窗进行电磁屏蔽，这是一种电磁屏蔽性能优良，具有透气结构的发泡金属。结构上的特点是让电磁波在金属空洞中发生多次发射与吸收损耗，在厚度很薄的情况下实现很好的屏蔽的效能。

对于屏蔽体的防御措施而言，住了进行合理材料选择、尺寸设计外，还要进行缝隙、孔洞和屏蔽窗口等关键部位的防护加固。

例如缝隙的处理，最大限度的减少缝隙，使屏蔽体与盖板接触良好；增加缝隙的厚度，减少直接耦合，采用非直通缝隙，降低进入腔体的微波能量；采用微波吸收材料填充孔隙间隙，吸收耦合进入的微波能量；减少缝隙长度等措施。缝隙的长度应远小于被屏蔽的电磁波波波长，小于十分之一，如果缝隙长度大于四分之一波长，那么缝隙将成为电磁波辐射器。使得屏蔽体的效能大为降低。

对于孔洞的处理，包括用金属屏蔽网、蜂窝状导通风板，屏蔽玻璃等减少孔洞耦合；孔洞尽量开成圆孔，而不是矩形孔，在孔的背面安装附加屏蔽罩，在面板和屏蔽罩之间加导电寸垫；在电源线和信号线出入口出的滤波单元要采取屏蔽措施，减少不必要的干扰信号进入腔体；把较大的孔分成几个较小有一定间距的孔等措施。

对于屏蔽门而言，主要针对门扇和门框之间的存在缝隙，需要采取电磁密封措施。，例如按照导电的寸条，通过门扇和门款之间的挤压实现电磁密封。

• 频域的防护

频域防御控制主要包括滤波、频谱管制、调频、编码、电光变换等。

无论是辐射的干扰电磁场还是传导的干扰电压、电流都可以通过频域控制方法来抑制干扰，基本原理就是利用系统的频域特性将所需要的频率成分加以接收，而降其他的频率成分加以剔除。

滤波技术很容易理解，不用过多解释。频谱管制就是为了减少有意发射电磁波的相互干扰，对频谱资源进行分配和管理，当然频谱管制对无意发射的电磁干扰是不适用的，以及有意的电磁脉冲干扰也是不适用的。

调频技术是为了防止在长距离传输过程中，在干扰频谱较宽且频域范围不确定是，采用调频的方式提供较好的信号传输质量。

编码技术也是这样。

电光变换就是讲电信号变为光信号传输，防止电磁干扰，这是因为光的频率远高于微波频段。

时域防护简单来说就是一个字“躲！

当干扰很强，不易受到抑制，但又在一定时间范围内存在时，可以采用时域放狠话方法，就是在信号的传输时间上避开干扰作用。主要有两种措施：主动时间回避法和被动时间回避法。能够确定干扰出现的时间，采用主动时间回避。主动时间回避就是干扰来不工作，干扰走工作。

如果不能确定干扰与信号出现时间关系，就采用被动时间回避法，就是在瞬时干扰前期征兆出现时，利用高速电子开关讲信号通道、电源切断，使系统暂时停止工作，将存储的信息转移到永久存储器中，干扰过去，重新联通，恢复系统工作。

能域的防护主要针对向雷达、核电磁脉冲、静电脉冲以及电路负载通断过程都会在电路上产生很强的瞬态干扰，这个干扰一般称为浪涌电压或者电流。如果浪涌进入设备，不但会引起干扰，还可能导致设备器件、部件、电路的严重损毁。对于浪涌的防护方法，就是采用 浪涌抑制器件，进行限幅、旁路分流。

浪涌器件通常有火花隙放电器、充气放电管、变阻器和半导体器件。

浪涌抑制器的工作不能影响系统的正常工作，应具有足够大的分流能力，足够快的响应速度等

按照工作原理可以分为开关类元器件、限压元器件类和防过流和防过热保护元器件。

电磁干扰在传播过程中，无论是通过辐射耦合还是通过传导耦合，最后都是要通过连接被保护设备的导线将干扰引入接收器，所以对传导途径的干扰防护是电磁防护的关键环节。

对于传导回路的防护而言，主要是途径，一是控制传导回路（信号线、电源线）而是控制接地回路。主要的防护技术包括接地和搭接。

接地是简单的防护措施，可以控制电磁干扰、保证设备电磁兼容性，提高可靠性的重要技术措施，也是保护人身安全的重要措施。接地分不同的类型：浮地、单点接地、多点接地、混合接地等。不做过多说明。

搭接是指两个金属物体之间通过机械或者化学方法实现结构连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程。搭接又分永久性搭接和半永久性搭接，也是抑制电磁干扰的技术措施之一。如果搭接不良或者不恰当，不仅会直接降低设备或者系统的抗雷电放电、抗静电和抗信号噪声干扰的能力，直接影响系统和人身安全，而且还会影响其他抑制电磁干扰技术措施的实施效果。；

下面以一个地面雷达系统抗强电磁脉冲防护的设计为例进行设备电磁防护分析。

首先需要针对具体装备所针对的外部环境、进行电磁防护的分类，按照不同的毁伤激励进行整体电磁防护的设计，通过毁伤效应试验，不断优化设计，满足性能要求。

针对雷达系统传统的电磁防护主要包括前门和后面的防护加固。

所谓前门就是直接通过天线系统进入电子设备的通道，后门就是过机壳、孔隙、线缆等电磁能量耦合通道进入雷达系统的通道。

通过前门进入系统内部的电磁脉冲，主要影响的是射频通道的相关元器件，特别是接收通道中的敏感器件。对于使用环形器的典型雷达系统而言，强电磁脉冲经过环形器后，能量流向限幅保护器、前级低噪声放大器、滤波器、电调衰减器、末级低噪声放大器、移相器等元器件，对于限幅保护时间长，损伤阈值低的器件造成损伤。

对于通过后门进入的电磁脉冲主要通过三种方式影响电子设备，意识传导！即电源线、总线、信号线作为天线干扰出电脉冲，直接传递到电子设备内，而是耦合，即导线上的传导脉冲通过电容（分布式电容）传递到其他导线上，进一步传递到电子设备内部，耦合一般发生在信号线和电源线，信号线和总线之间；三是辐射，即电磁场直接作用到电路板或者器件上，对其造成损伤。

特别是 HPM 可覆 盖 L、S、X 等多个频段，其频率可与各种雷达系统的工作频率吻合，甚至可利用脉冲调制的窄谱 HPM 对雷达系统实施通带内的瞄准式攻击，使高功率电磁脉冲通过天线耦合进入射频通道，对雷达系统的射频通道 造成严重威胁。

目前，针对壳体孔洞、缝隙、线缆等耦合途径，可以以电磁兼容设计方法为基础，采用滤波、屏蔽和接地等措施，部分消除通过“后门”耦合进入雷达系统的强电磁辐射影响，如果外界辐照强度过大，需要考虑更牢靠的解决方案。

对于“前门”射频通道耦合途径，部分雷达系统接收通道前端安装有一定防护效能的限幅器，但目前的限幅器件对高峰值功率、快上升沿纳秒甚至亚纳秒量级的强电磁脉冲攻击防护不足，相应指标很难满足实际需求。目前对于电磁脉冲防护技术的研究主要有“前 门”防护技术和“后门”防护技术。

对于“前门”防护，可能采用的防护途径主要有空间防护和通道防护两种。空间防护是指在雷达系统外部，特别是在天线接收口面外形成一定的保护层，从空间上降低外界强电磁脉冲的干扰，主要涉及到频率选择表面技术(FSS-频域防御)和能量选择表面技术(ESS-能域防护);

通道防护主要是在电磁脉冲能量传输的射频通道内，在一些损伤阈值较低的器件前端增加限幅器件或者采用一定的射频电路抑制技术，用于保护敏感器件，避免器件被烧毁。

对于前门防护而言，就是为了限制电磁脉冲对天线或传感器耦合，限制就和能量传递系统内部。例如采取频率选择表面，降低干扰进入天线的有效面积。采取能量选择表面技术，降低干扰进入口和系统内部敏感组件之间的耦合。

前门防护需要遵循以下要求：当不存在强脉冲环境时，电磁防护的加固单元不能对系统工作有不利影响，所以对于加固器件的功率、插入损耗、尺寸、重量、形状、可靠性参数都需要提前考虑；在有电磁脉冲干扰呼叫下，加固单元需要阻止损坏、反转或者其他不可接受的性能，加固单元需要在强脉冲环境下工作而不被损伤。

依据以上的原则，对于射频部分针对强电磁脉冲的防护距离可以采取以下措施：

接收机前端采用限幅器和滤波器。在接收机前端加限幅器，可以降低高功率微波脉冲攻击毁伤的距离，通过加滤波器，将较窄频段的高功率微波滤除，削弱。

提高电子器件自身抗摧毁能力:通过生产工艺、材料选择、器件选型等方面做到细微研究，提高组件的抗毁伤能力。

利用开关管保护雷达不被高功率微波脉冲烧毁。当开关管导通是，大功率脉冲经过天线辐射出去，泄露进入接收机的能量就会被大幅削弱，实际上起到在接收机前段加限幅器作用，从而保护接收机不会烧毁。

后门防护技术的目的就是要将大功率的电磁信号屏蔽在外。从电磁防护“最不利的原则”出发，重点关注那些对地面雷达系统威胁最为严重的强电磁脉冲环境。通过对电磁脉冲能量的反射、吸收、隔离和泄放，使电磁脉冲大部分能量被抵挡在雷达系统之外或是将进入系统的电磁脉冲能量衰减到设备能够承受的程度是实施电磁脉冲防护的主要思路。

对于“后门”防护，主要针对强电磁脉冲通过雷达系统的机箱/机壳接缝、通风/显示等功能孔口、连接器缝隙等孔缝耦合，以及由于满足有效耦合长度的互连线缆场线耦合而产生降级或损伤效应。考虑后门耦合的途径，防护技术主要涉及壳体的强电磁脉冲屏蔽加固设计技术，以及互连端口电气引入点的瞬态及稳态滤波防护加固技术。

滤波技术属于频域防护，是干扰信号进行信号通道后的滤除，接地和搭接属于常规操作，这两个不做详细介绍。重点研究下屏蔽技术。

屏蔽方舱或机柜柜门以及机箱接缝的耦合抑制，主要考虑导电衬垫的抑制机理，导电橡胶、导电指簧和填充丝网等多种类型衬垫的基本结构以及工程应用技术。

• 接口的电磁防护

接口部分是比较薄弱的环节，通信和电源接口一般必须满足调节器所需的电气安全指标要求，这些接口通常利用隔离变压器加以保护，其额定电压从几百伏到大约２～３ｋＶ。很明显，一旦由变压器、电缆脉冲放电器或屏蔽提供的保护功能被破坏，只要几十伏的电压就能给计算机和通信设备造成很大的破坏。网络里的电缆本身也是一个能有效传播电磁影

响的媒介，从而使网络内的设备受到损坏。对于远距离或要求高速信号传输的可采用光缆（电光转换），对于近距离低速信号采用红外接口方式。这样可切断金属导线的电磁效应，保证电子设备不受电磁、浪涌等干扰的破坏。

观察窗/孔的抑制，目前主要采用金属丝网夹心屏蔽玻璃进行抑制。金属丝网夹心屏蔽玻璃中的金属丝网的材质、丝径、目数、表面处理工艺以及丝网敷设角度对屏蔽效能影响非常大，需根据屏蔽要求进行设计。

通风孔口的抑制，目前主要采用波导通风窗或发泡金属通风窗进行抑制。其中波导材质、波导孔径、波导深度、安装工艺等对其屏蔽效能影响较大，需根据强脉冲频率范围进行针对性设计。

• 电源线的防护

电源线的防护主要采用的是电磁脉冲滤波器，电磁干扰通过电缆耦合经过电磁脉冲滤波器是，如果电磁脉冲过冲电压达到滤波器的箝位电压，则瞬态电路导通，产生的瞬态过流电路流过导通电路，使得过冲电压被旁路释放，保护电路不出故障。这样通过电源线进入的干扰信号被稳态滤波电路进行正常滤波后而衰减，并对强电磁脉冲干扰信号旁路，达到保护电路正常工作的目的。

• 信号线的防护

设备与设备之间的互连电缆、电路与电路之间的互连部分是电磁干扰最容易耦合的通道。互连电缆是电磁辐射和电磁敏感的主要通道。在复杂电磁环境下，如果数据线的通信距离较长，当信号线遭受到外界强电磁脉冲干扰时，强电磁脉冲则通过信号线耦合进入通信设备内部，会对电路形成干扰，过强的干扰会阻塞信道，中断正常的通信。为了应对这种干扰，必须对信号线进行屏蔽，且屏蔽层进行良好接地。数据传输线防护装置采用多级防护的方案，系统构成如图  所示。瞬态抑制器包括两级保护器件，气体放电管或者半导体放电管放在线路输入端，做为第一级电磁脉冲保护器件，承受较大的电流; TVS 管作为二级保护器件，对高灵敏的电子电路提供保护，在 皮秒 级时间范围内对电磁脉冲产生响应。能够可靠保护 ＲS－232，ＲS－485，CAN 总线等数据线路，确保通信和控制系统的有效运行。

• 电路设计和回避法

采用足够冗余度和故障跨越的拓扑结构，在多个节点和线路受到电磁打击造成无**常工作的情况下，系统仍能正常工作；采用时间鉴别或对电路触发要求的设计，通过网络响应、逻辑设计，达到避开电磁脉冲影响或者对于外来瞬时干扰不响应。

回 避 法 的 指 导 思 想 是 在 有 电 磁 脉 冲 干 扰 的 瞬间，设备暂停工作，待脉冲过后设备恢复正常工作。回避包括检测能引起干扰且任务失效的电磁场和存在瞬变故障危险时中断信号处理。就是时域防护中的主动和被动时间回避法。

未来可以预想 装备在战场中面临的电磁环境十分恶劣，尤其是高功率微波（High Power Microwave，HPM）、电磁脉冲弹等形成的强电磁环境对装备的生存力带来极大挑战，装备的强电磁防护性能影响战斗的效能发挥。随着新军事变革的深入推进，装备的研制采购和作战体系的建设更加面向实战化的要求。作为顶层设计的核心内容，电磁防护标准体系建设是作战基础能力建设的重要组成部分，强电磁防护的标准体系建设更是新形势下亟需完善发展的重要问题。

在军事领域，美军已经形成一套较为完善的标准体系，尤其在电磁环境效应方面处于世界领先水平。在具体应用中，美军在强电磁防护领域，从顶层总体要求，到设计要求，到实施规范和指南，到研制过程管理，再到检验验收，都有相应的标准、规范和手册，如表 1 所示。

除 此 之 外， 还 有 国 防 部 指 令（Department of Defense Directives，DoDD）、国防部指示（Department f Defense Instructions，DoDI）、 军 用 工 程 实 践 案例（Engineering Practice Study for Military Standard，EPS-MIL-STD）、 军 用 产 品 详 细 规 范（Military Detail Specification，MIL-DTL）、军用产品性能规范（Military Performance Specification，MIL-PRF）等进行约束和规范。

美国强电磁防护标准体系的发展过程表现的特点包括：体系逐步完整、标准更新与装备研制同步、对装备的实际应用环境考虑更加详细等。

目前我军武器装备的强电磁防护标准体系较为零散，标准体系的系统性不高，大部分仍是以电磁兼容为主要目的的标准。虽然这些标准提供了不同条件下、不同范围内电磁环境及电磁兼容性管理的要求和方法，但在系统强电磁防护指标体系、针对不同平台的电磁环境耐受要求，对于强电磁攻击防护，尤其是对高功率微波的防护尚不完善。

•  加强各界对强电磁防护重要性的认识

结合强电磁环境生成（攻击）技术的发展趋势和实际案例，强化对电磁防护重要性的理解。在军事领域，军事人员应加强对新概念武器、新技术新战法运用情况的深入研究，充分认识装备未来将面临的强电磁对抗环境，强化认识强电磁防护在军事装备的设计、研制、生产、检验和使用维护等全寿命期间的重要性。在全军范围内，尽早将强电磁的防护能力确立为军事装备全寿命周期必须考核的重要指标，强制执行。

•  标准体系化发展，保持适时更新和及时补充

规划强电磁防护标准体系的研发路线图，根据国内现状分析、装备发展需求、外部形势和环境，深化研究强电磁防护标准体系，填补内容空白，形成强电磁防护的系列标准和规范，不断修订更新。标准体系应覆盖系统指标要求、防护设计规范、工艺实施要求、检验验收方法、使用维护要求等，维持装备全寿命期的技术指标，提升装备在复杂对抗环境下的适应能力。根据需填补空白、需修订更新的标准集，分优先级进行递进式发展。对于新研发的重大系统，尤其是电磁防护需求必要性强且防护等级要求高的，若可遵循的标准或规范已过时，建议先暂停系统的研制计划，而首要解决标准或规范的问题。

•  完善基础条件建设和标准体系配套建设

作为国家基础建设和国防建设的重要支撑，工业界应当重视强电磁防护的基础研究工作，为强电磁防护标准体系做好技术能力配套和基础条件配套角色。在技术能力方面，应加大开展强电磁环境对系统、电子设备、元器件及电路的辐照效应研究，形成针对本单位所研制的关键基础设施或军事装备的防护设计要求和防护细则等。在基础条件方面，应统筹规划布局，由重点工业单位牵头建设大型开阔场电磁环境效应验证环境，对大型关键基础设施、武器平台系统等进行抗强电磁毁伤的模拟试验，通过试验搜集整理试验数据，研究重要系统和平台的强电磁防护安全阈值，建立完善的系统强电磁效应数据库和防护数据库，并为装备建设中的强电磁脉冲防护设计和试验验证工作提供支撑。同时，基于对试验数据的整理分析基础上，与相关部门共同探讨强电磁防护相关标准规范的起草和修订，基于我国实际情况和需求，逐步形成完善的军民一体的强电磁防护标准体系。

 

   

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