强电磁脉冲前门防护技术研究
摘 要：本文针对强电磁脉冲前门防护的主要技术途径，分别分析了限幅器/抑制电路、频率选择表面、能量选择表面的作用机理、研究现状及发展趋势。强电磁脉冲前门防护需将空间防护和通道防护结合起来，在信号持续收发的同时，实现对电子设备的有效隔离和保护。
关键词：强电磁脉冲;前门防护;插入损耗;屏蔽效能
中图分类号：TN 07 文献标识码：A
随着高功率微波技术的发展以及电子设备集成化水平的不断提高，雷达等电子装备面临的强电磁脉冲威胁日益严重，强电磁脉冲可通过前、后门耦合多种途径进入设备内部，对其电子元器件造成毁伤。面对电磁脉冲的威胁，屏蔽关机是最简单有效的对抗措施，但对雷达等需要持续工作的设备而言，需要进行前门防护，使有用信号持续收发，同时能够屏蔽强电磁脉冲的攻击。
1 日益严重的强电磁脉冲威胁
经过数十年的发展，美俄等国均已研制出可用于实战的高功率微波武器，从空基的高功率微波弹到地基车载的高功率微波炮均有不同产品问世，可用于攻击雷达、导航、通信系统、无人机集群等武器装备。[1]面对其发射出的功率达几十GW、高重复频率、几十ns脉冲上升沿的强电磁脉冲，传统的电子设备防护措施显得力不从心，难以应对。从屏蔽效能看，极高功率的强电磁脉冲在经过金属屏蔽措施的衰減后仍然有较高的电平，可烧毁设备中的电子元器件;从反应速度看，传统的防护电路反应时间在us量级，来不及应对仅有几十ns上升沿的强脉冲。在复杂电磁环境中，雷达等电子装备既要能够抵御强电磁脉冲的攻击，又要有效接收和发送正常的电磁信号，这对强电磁脉冲前门防护提出了更高的要求。
2 强电磁脉冲前门防护
强电磁脉冲通过前门和后门两个耦合途径进入电子装备内部。前门耦合主要指电磁脉冲通过目标上的天线耦合到电子系统内。电磁脉冲的前门防护的技术途径主要包括以下三种：限幅器/抑制电路防护，频率选择表面（Frequency Selective Surfaces，FSS）防护，能量选择表面（Energy Selective Surfaces，ESS）防护。[2]限幅器/抑制电路防护多用作导波传播路径中，抑制瞬时高电压，属于通道防护;FSS和ESS大多为覆盖于天线罩上，用以滤除其他频段的干扰信号或者屏蔽感应出的高电压，属于空间防护。
2.1 限幅器/抑制电路
限幅器主要用途是保护接收机不被大功率信号烧毁，理想状态下，输入较低功率信号时，限幅器无衰减，当输入信号功率增大至某一固定值，限幅器产生衰减;输入信号功率进一步增大时，输出功率将维持在某一固定值附近。限幅器主要有气体放电管、固体限幅装置、等离子体限幅器等。气体放电管功率容量较大，但其响应的时间较长，固体限幅装置和等离子体限幅器的响应时间均为ns级，适用于快上升沿脉冲的防护。常见的固体限幅装置为PIN二极管，具有插入损耗小、反应迅速（ns级）等特点，但功率容量较低，遇到快上升沿的强电磁脉冲时，存在输出端尖峰泄露的问题。因此需要与TVS二极管、气体放电管等器件级联使用，构成多级保护电路，以保证防护模块输出端的脉冲抑制。
将电调衰减器和限幅器级联构成PIN二极管主动式限幅器，[3]电调衰减器能承受足够高的功率容量，其衰减量由后级PIN限幅器转换输出的电流予以控制。韩鹏伟[4]等人将PIN二极管与波导结构组成了S波段的波导PIN限幅器，主要由PIN二极管、限幅器内导体、腔体及匹配电极组成。仿真结果表明，单级限幅单元的波导PIN限幅器，对高功率微波入射基本可以达到24dB以上的衰减量。
限幅器/抑制电路未来仍将继续向大功率和小插损方向发展，除了GaAs PIN限幅器，还有BiCMOS二极管限幅等新材料的应用，以及波导式限幅器和双半有源限幅电路结构[5]等新颖的设计。
2.2 频率选择表面
频率选择表面是一种将金属贴片或孔径型的谐振单元按二维方式排列在介质表面，组成无限大周期性的阵列结构，可实现对电磁波传输的有效控制，实现电磁波频率、极化以及入射角度的选择。在前门防护中，FSS能够大大提高天线的带外抑制能力，防护电子设备带外频率的强电磁脉冲。FSS多覆盖于天线口面上，以达到所需的频率、极化及入射角度的选择功能。针对不同工作频率、不同口面形状的天线，其适用的FSS也需要相应的调整其单元形状、尺寸、结构、介质种类等。
张厚[6]等设计了一种基于基片集成波导技术的新型带通FSS，仿真计算表明：将该新型 FSS加载到如图2的喇叭天线上，能够有效抑制带外干扰信号，在6～10GHz工作频带内的带外抑制度达到20dB。王超[7]等人基于人工表面等离激元设计了一种具有陡截止和高透高抑制性能的双通带频率选择结构，能够实现在3.0～4.1GHz和10.5～10.9GHz两个频带内高效透射，而在4.7～9.2GHz和12.1～18GHz频率范围内，该结构能有效抑制透射效果。其结果对SAR这种多频段雷达天线的强电磁脉冲防护具有较高的意义。
频率选择表面从传统的无源FSS发展为有源FSS，从单一频段选择到双频段甚至多频段选择，从单层结构到双层甚至立体结构发展。FSS使用的介质基板，也从传统的材料发展到超材料，利用超材料独特的电磁特性，提高FSS的入射角稳定性和极化稳定性。小型化技术[8]是拓展FSS应用范围的重要手段，利用单元卷曲、交指技术、容性表面与感性表面耦合技术以及集总无源/有源元件加载技术等，极大提高了FSS的角稳定性，并且在局部小区域、限制空间、非平面波照射等特殊情况下，其依然具有优异的滤波特性。
2.3 能量选择表面
能量选择表面是一种可根据入射电磁波场强的大小改变自身电磁特性的防护材料。当弱场电磁波入射时，空间电场强度低于ESS防护启动阈值，二极管截止，ESS处于透波模式;当强场电磁波入射ESS时，空间电场强度高于ESS防护启动阈值，二极管导通，形成导电的金属网络栅格，屏蔽外场信号，ESS变为屏蔽模式。ESS可实现工作信号收发与强电磁脉冲防护的兼容，具有传统防护技术无法比拟的优势。
杨成[9]等设计制作了基于PIN二极管的能量选择表面，在L和S波段进行测试，从原理上验证了能量选择表面的能量低通特性。结果表明，透波模式下，ESS插入损耗在1dB左右，屏蔽模式下，ESS屏蔽效能至少大于20dB。
刘晨曦[10]等设计出双层非对称结构的能量选择表面（ESS）结构，在L波段插入损耗小于0.5dB，防护模式屏蔽效能大于20dB，具有能量低通特性，基本满足电子设备的前门防护需求。
刘翰青[11]等设计出一种基于二氧化钒的新型ESS，利用在温度或强电磁场的作用下，二氧化钒会产生相变，电导率发生显著变化的特点，得到了1～3 GHz的频段上，正常工作信号透过新型ESS时的插入损耗小于3.6dB，强场电磁波入射新型ESS时的屏蔽效能大于10dB。李浩祺[12]等设计出双层Y形结构在频率0～3GHz的范围内，插入损耗最大0.8dB，屏蔽效能最高35dB。
处于透波模式的ESS要求插入损耗小，而处于屏蔽模式的ESS要求屏蔽效能高，二者难以兼得，需要对PIN二极管的I层厚度，ESS单元结构，介质基板介电常数等方面综合考虑，得到满足各项条件的设计方案。当前ESS研究的研究方向，一方面是新型半导体材料的应用，将PIN二极管替换为二氧化钒薄膜、锰氧化物、聚合物基纳米复合材料等;另一方面是ESS与FSS的结合，形成一种限幅FSS，[13]实现滤除带外干扰的同时实现强电磁防护。
3 结语
强电磁脉冲前门防护装置应当具有高功率容量、快反应时间、低插入损耗、高屏蔽效能，以解决电磁防护与收发兼容的问题。随着设计方法的进步和材料技术的发展，通道防护和空间防护的界限将逐渐模糊，二者相结合，能够有效实现收发低能量信号、隔离强电磁脉冲，实现高效率、高可靠性和强实用性的前门防护。
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