小型电磁脉冲武器概论
陶乐
科创高压局,四川成都
Ma3.02的守望2022/07/24原创 EMP和强微波 IP:四川
中文摘要
本文介绍了当前电磁脉冲武器的毁伤方式、毁伤性能,指出电磁波峰值功率、频率特性、重复周期是电磁脉冲武器毁伤性能的主要影响因素。给出了电磁脉冲武器系统的一般组成,主要包括高功率脉冲电源、高功率射频发生器、天线三个部分。介绍了各类高功率脉冲电源和各类高功率射频发生器的特性、原理、改进措施及当前性能。立足开发小型电磁脉冲武器的需求与工程可行性,给出了两条技术路线:脉冲成型网络复合型马克思发生器(PFN-Marx)+相对论波返振荡器(RBWO)方案,马克思发生器(Marx)+Blumlein双极性脉冲发生器方案。前者适用于车载平台;后者适用于手持安防设备。
关键词
电磁脉冲武器电磁脉冲发生器磁通压缩发生器电磁脉冲防护高功率微波超宽带发生器传输线开关振荡器
EMPMFCGHPMUWBSWO

一、概述

上世纪五六十年代,美国在开展高空核试验时,意外引起了上千公里外的供电和通信系统故障。后来证实爆炸引发的电磁脉冲(Electromagnetic Pulse,EMP)是“罪魁祸首”,它的军事用途立即受到关注。

美苏等国投入了大量人力物力,期望找到产EMP的更好方法。通过研究逐渐明白,造EMP之“矛”的难度较大,造“盾”却比较容易。于是人们抛弃幻想,更加务实的关注小尺度战术应用。

EMP武器是利用瞬间爆发的强电磁场,对电子、电气系统进行打击的非致命武器。大多数情况下,可以认为它是利用强无线电波实现破坏作用的。

       关于无线电波的强弱,一般使用场强、功率通量密度等指标来表示。EMP武器主要追求高场强(e.g.,>10kV/m)或高功率通量密度(e.g.,>$20W/cm^2$),比手机信号强约十亿倍。

在狭窄空间(比如微波炉里面)不难营造这么强的无线电波。但在较广的空间就需要极大的功率,只有采用脉冲方式才比较可行。

可以根据能量来源将EMP武器粗分为三种主要形式:核能、炸药能源、非爆炸能源。在进攻方面更多考虑炸药能源,其影响范围预期可达几平方公里。防御方面则以非爆炸、可重复使用的装置为主,一般依靠电容储能,作用距离几十米到数百米。

本文从毁伤能力开始,综合已经公开的资料文献、设计经验和相关科技爱好者的测试结果,较为系统的介绍小型非核EMP武器的技术路线及其发展状况,供读者参考。


二、电磁脉冲武器的毁伤能力

强烈的电磁波作用于电子设备,将在天线、导线、电路板、机壳等导电组件上产生高电压脉冲,从而干扰、损伤、烧毁电路。

2.1 毁伤能力的分级

EMP武器对电子设备的影响可按其程度分为三级:

干扰——阻碍电子设备发挥功能。如雷达难以辨别目标、电台无法清晰通话,遥控指令无法识别。

复位——令电子设备暂时失灵,但重启、重设或陈放后可以恢复。如电台设置错乱,电脑死机,电喷车熄火。

损坏——电子设备永久损坏,必须进行维修。

距离发射源越近,EMP越强,越远则越弱。不同目标的耐受能力也有显著区别。描述EMP武器的性能时,要同时指明目标类型、作用距离和相应的毁伤级别。

2.2 毁伤能力的主要影响因素

描述电磁脉冲,有场强、频率、持续时间和重复周期等指标。一般首先考虑场强和频率。受能源限制,持续时间与场强是矛盾的,通常提高场强的收效更好。电磁脉冲的频率可能是窄带的,也可能是广谱的。频率与毁伤效果的关系,基本取决于目标对什么频率敏感。如果敏感的频率正好是电磁脉冲的中心频率,毁伤效果就会好一些。

持续时间不同,毁伤机理也有所不同。当脉宽处于1ns-1μs量级时,主要以电击穿形式损坏元件,当脉宽处于ms量级时,较小的功率也能依靠热效应烧毁元件。但由于毫秒级脉冲所需的总能量大,实践中几无可行性,因此实用的EMP武器均为短脉冲。对于需要维持一定时间的场景,可以用周期性重复的脉冲来满足。

2.2.1 场强的影响

谈到场强,一般是指作用于目标的电场强度,单位是V/m。不论目标是否采取抗EMP加固措施,提高场强都会显著提升毁伤能力。

有人测试了某军用电台在UWB波(1ns跳变沿双极性脉冲)照射下的表现,见下表。

表1.png

根据上述数据,适当留有攻击裕量,可以假设15kV/m是比较可靠的毁伤阈值。

EMP装置有多强,通常用发射功率(瓦特,W)来描述。根据发射功率、发射天线增益和目标距离,可以推算目标处的场强。反过来也可以推算需要的功率。

电磁脉冲作用于目标时,单位面积内的峰值功率称为功率通量密度(简称功率密度),国际单位是瓦/平方米(W/m2),习惯上也用W/cm2表示。

功率密度可按下式预测。

$$S\approx10LogP_T+G-20Logr-10.99$$

其中:

       $S$——功率密度($dBW/m^2$)

       $G$——EMP发射天线增益($dB$)

       $P_T$——EMP发射功率($W$)

       $r$——作用距离($m$)

在距离发射源较远时,场强和功率通量密度可以互相换算,换算公式如下:

$$S=\frac{E^2}{Z_{air}}$$

其中:

       $S$——功率密度($W/m^2$)

       $E$——电场强度($V/m$)

       $Z_{air}$——空气特征阻抗=377Ω

由于功率密度比场强直观,有时谈到场强,也用功率密度表示。

如果天线增益是20dB,为了在100m距离达到15kV/m的场强,大约需要十亿瓦(1GW)功率。如果想把作战距离加大到400m,就需要一百亿瓦(10GW)。

10GW是很大的量。三峡电站满负荷发电时,功率也“仅有”22.5GW。目前非核EMP的极限差不多在这个水平。

2.2.2 频率的影响

无防护时,频率升高,杀伤效果显著提升。但是对高频率,尤其是窄带EMP的防护也比较容易。

下图给出了几种常见电磁脉冲源的频谱特性。其中HPM(高功率微波)、UWB(超宽带)是非核EMP的主要形式,两者频率都比较高。HEMP此处特指核脉冲,主要由核爆炸产生的γ射线轰击高空稀薄大气,驱动电荷运动而产生,高空核爆(例如30km以上高度)时比较明显。

核EMP频率较低,对电力线路、有线电通信、中短波电台等尺寸较大的东西比较有效,对便携设备影响略小,但防护难度比非核EMP大。

图2.1 常见电磁脉冲源的频域特征.png

图2.1 常见电磁脉冲源的频域特征

       可以将功率和频率结合起来,采用发射功率×频率,或发射功率×频率的平方来表示EMP装置的性能,称为$pf$值或  $pf^2$值。

 

三、电磁脉冲发生器的一般组成及其特性

除工作电源(电池)外,电磁脉冲系统主要由三个部分构成:

图3.1 电磁脉冲系统的一般组成.png

图 3.1 电磁脉冲系统的一般组成

a.高功率脉冲电源 将电池的持续小功率转化为瞬时大功率。本质是对电能进行时间上的压缩、幅度上的放大,产生ns级、GW水平的输出。

b.高功率射频发生器 将高功率电能转换为射频。不同种类的效率差异大(5%-40%),输出频率特性不同。主要分为HPM器件、UWB发生器、开关振荡器三类。

c.天线 将高功率射频发射到空间中。相较于通信天线,EMP武器的天线必须能承受高功率,或在自己被高功率烧坏(通常是放电打火)之前完成发射,同时体积又不能太大。

以某种EMP弹为例,先由电池经升压电路给电容充电,随后接通电感线圈,电容向电感放电形成励磁,然后起爆炸药。随着炸药的爆炸,磁通被压缩,炸药的能量转变为电能,推动虚阴极振荡器,产生射频送往天线。整个过程必须严丝合缝,让尽可能多的能量转化为EMP。

上述各部分在原理上是独立的,但在结构上可能是复合的,比如若干传输线组合成的同轴结构,可能同时产生储能、升压、脉冲整形、模式转换的作用,还可延伸为天线。

3.1 高功率脉冲电源

为了提高脉冲功率,人们进行了艰辛的创造。常见方案有磁通压缩发生器(MFCG)、非爆炸电源两类。他们可以级联和混用。

3.1.1 MFCG

MFCG是利用炸药压缩磁场,产生高功率电脉冲的装置。

给电感线圈通电,线圈就具有了初始磁通,类似于发电机的励磁。瞬间将电感变小(压缩),由于线圈内磁通守恒,压缩后的电感将会有更大的电流。在线圈被压缩变小的过程中,炸药推动磁场做功,炸药的能量转换为电能。炸药的爆速远低于电的传播速度,因此在结构被炸坏之前,电能已经输出完毕。理想情况下,电流的“放大”倍率与初末状态的电感量之比相关。

(1)经典MFCG

常见MFCG有螺旋式、同轴式,如下图。中心的电枢作为线圈回路的一部分。炸药起爆前用电容给线圈励磁。当电流接近或达到峰值时,立即起爆炸药,电枢被爆炸扩张,接触到定子线圈(外筒),并将其逐渐短路,造成电感量下降。

图3.2 MFCG典型结构.png

图3.2 MFCG典型结构

螺旋式的优点是电流增益大,但匝间容易击穿。如果电枢扩张不均匀,会造成“跳匝”现象,使得线圈被提前短路,部分磁通量被浪费,严重时能量损失可达一半。这对炸药及装药质量提出了严格要求。

同轴型的优缺点与螺旋式相反。由于增益小,通常只应用于最后一级放大。

若需要较大的功率增益,例如将1MW初始功率放大至10GW,就需要将多个MFCG级联。这会急剧提高对时间配合精度和炸药品质的要求。为了降低难度,应尽量提升初始(电容)放电功率,力求仅采用1~2级放大。

MFCG较为简单粗暴,但存在如下缺点:

a.输出电压低,负载(后续的射频发生器)电阻必须尽可能小,至多只有1-2欧姆。但常见的负载电阻比较大,不匹配。

b.电流呈现指数上升,末端绕组发热损耗大。

c.炸药爆速有极限,因此MFCG工作时间太长,达几十μs水平。

(2)改良型MFCG

工程上期望得到较高的输出阻抗(几十欧姆)、接近平顶的电流波形、较短的脉宽(ns水平)。可以用以下方法对MFCG进行改良。

a. MFCG的匹配变换

断路开关、脉冲变压器是常用的匹配变化方法。

断路开关的一个应用如下图所示。MFCG输出能量首先通过电感与熔丝,能量储存于电感中。熔丝在电感储能最大时熔断,电感产生高压击穿火花隙,此时MFCG与电感一同向负载放电,实现高输出阻抗。

图3.3 短路开关-火花隙用于MFCG阻抗变换.png

图3.3 短路开关-火花隙用于MFCG阻抗变换

脉冲变压器的原理与常规变压器相似,可通过调节匝比实现阻抗变换。由于变压器初级绕组是MFCG电感的一部分,这部分电感无法被压缩,因此造成增益损失。由于次级绕组电压高,绝缘比较困难。

b. 使MFCG电流波形平缓

通过合理设计机械结构和定子绕组,使末端绕组具有小的电感量分布,可改善波形。下图中的MFCG定子线圈采用了四段设计,末端绕组使用粗线、大缠距,从而具有较低的电感量分布,也具有较强的电流耐受能力。

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图3.4 多段绕组MFCG

c. 缩短MFCG的工作时间

从炸药一端起爆的话,对于8km/s的典型爆速,MFCG的工作时间可达100μs。改为轴线同步起爆、锥形线圈的结构,能降低工作时间至10μs水平,但更容易跳匝,对爆轰波面的一致性提出了更高要求。

图3.5 使用轴线起爆、锥面绕组MFCG结构.png

图3.5 使用轴线起爆、锥面绕组MFCG结构

另一种方法是在定子线圈外逐步加一系列电容,构成延迟线。使得早先的电流脉冲与后面的电流脉冲同时到达末端,能进一步压缩至ns水平。

还有一种比较另类的MFCG变种——爆炸磁频率发生器,又称普利申科型磁累积发生器、射频爆磁压缩发生器。结构如下图所示,在典型MFCG的基础上,于回路中串入电容,工作时线圈电感与电容构成振荡电路并自行起振。随着定子线圈不断被短路,回路电感减小,频率增高、电流增大,同时通过线圈直接将交变电流辐射出去。此方案体积小成本低,可制成榴弹。由于峰值功率低,频率成分低,性能不佳。

图3.6 爆炸磁频率发生器结构.png

图3.6 爆炸磁频率发生器结构

3.1.2 非爆炸高功率脉冲电源

非爆炸电源比MFCG能量小,但可重复使用。常见的有特斯拉(Tesla)变压器、马克思(Marx)发生器、快脉冲直线变压器驱动源(LTD)三类。

(1)Tesla变压器

这是一种谐振变压器,能够将电压放大,但不能放大功率,通常作为充电电源,向传输线、脉冲成形线(PFL)、脉冲成形网络(PFN)充电。下图为Tesla变压器与PFL的复合结构,后级连接至PFN。

图3.7 特斯拉变压器结构.png

图3.7 特斯拉变压器结构

该变压器由电容组作为初始能源,具有1匝初级线圈与2500匝次级线圈,且有磁芯。变压器工作四分之一个周期,在100μs内将PFN充满电,随后PFN在200ns内将能量释放,从而产生8GW功率电脉冲。

(2)Marx发生器

这种发生器基于并联充电-串联放电原理。如图(3.9)所示,各电容并联充电后,火花隙击穿导致串联放电,得到成倍的输出电压和功率。

图3.8 Marx发生器工作原理.png

图3.8 Marx发生器工作原理

实际应用中,通过搭配每级电容的容量、布线电感,形成脉冲成形网络,从而获得接近平顶的电流波形。各级可以堆叠在一起,从而缩小体积,如下图所示。由于Marx发生器使用电容作为储能部件,能量密度比特斯拉变压器高,缺点在于需要多个火花隙,且每个火花隙都要承受全部功率,重复使用的寿命有限。

图3.9 多层堆叠的PFN-Marx发生器.png

图3.9 多层堆叠的PFN-Marx发生器

(3)快脉冲直线变压器驱动源(LTD)

LTD是近年来兴起的一种脉冲电源,通过磁通量叠加实现大功率合成。如图所示,多个电容并联充电,同时对多个初级线圈放电,在次级产生成倍功率。

图3.10 LTD原理示意.png

图3.10 LTD原理示意

下图所示的初级具有六个线圈,这样的初级还可进行堆叠。LTD能堆叠大量的初级单元,对每个单元的功率要求不高,使得固态开关的使用成为可能,从而避免让人讨厌的火花隙。

图3.11 LTD单级结构.png

图3.11 LTD单级结构

对于上述三种电源,下表整理了比较有代表性的文献数据。

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下表是对各类非爆炸脉冲电源的总结。其中,LTD的体积规模难以做小,主要用于高能物理实验。在Tesla与Marx两种方案中,Tesla绝缘需求高,功率密度略逊于Marx,但仅需一个火花隙。Marx的功率密度高,缺点是需要多个火花隙。

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对于小型EMP装置而言,小体积、小质量、高功率密度是关键需求,因此Marx发生器是较为合适的脉冲电源方案。

3.1.3 采用传输线方法对脉冲电源进行增强

通过电路方法可以对脉冲电源进行增强,比如压缩功率、获得平顶脉冲。这些增强方法在MFCG和非爆炸脉冲电源中也可使用。

(1)脉冲成型线、脉冲成型网络

脉冲成形线(PFL)是一种特殊的传输线,简要原理如下图所示。首先PFL连接到脉冲电源进行充电,此时PFL相当于一个电容,末端开路。PFL电压达到最大时,闭合开关,使其向电阻负载放电。此过程中,电压波在传输线内往复传播一次,输出电压为电源电压的1/2,脉宽为电压波在传输线内传播时间的两倍。由于电压波传播速度接近光速,因此通常在ns水平即可放电完毕。

由于PFL输出近似方波,适合于驱动HPM器件。此外PFL允许较大的充电电源阻抗,而自身阻抗为传输线特征阻抗,意味着PFL的输出功率可以远超充电电源,起到功率压缩的作用。

图3.12 脉冲成型线原理.png

3.12 脉冲成型线原理

传输线与集总元件是可以相互转化的,通常传输线的储能密度低于集总元件。如图,可以使用电容电感等集总元件按照特定组合,对传输线进行“模仿”,从而兼具传输线的特性与集总元件的高储能密度,称为脉冲成形网络(PFN)。有时多个传输线进行组合,也归类为PFN。

图3.13 脉冲成型网络.png

图3.13 脉冲成型网络

(2)Blumlein线

又称双成形线,本质上是两根PFL的串联。PFL仅能输出电源1/2的电压,Blumlein线克服了这个缺点,输出电压与充电电源相同。短路开关接地是另一个优点,有利于简化触发电路。这些优点使得Blumlein线及其变体被广泛应用于脉冲功率电源。

图3.14 Blumlein线原理.png

图3.14 Blumlein线原理

(3)非线性传输线

若设计一种特殊的传输线,使电信号的传输速度由其即时的幅度决定,则可获得上升沿陡峭的输出信号。这便是非线性传输线(NLTL)。

图3.15 非线性传输线波形.png

图3.15 非线性传输线波形

下图展示了一种小信号NLTL的集总元件构成,核心是变容二极管,该元件在不同电压下的电容量不同。大功率时可使用锆钛酸铅(PZT)等非线性材料构建可变电容,PZT大量用于压电陶瓷,容易获取。

图3.16 非线性传输线的组成.png

图3.16 非线性传输线的组成

脉冲陡峭意味着包含高频成分,因此经改进的大功率非线性传输线也可以成为射频发生器,输出可以直接送至天线发射。

3.2 高功率射频发生器

必须把电源产生的直流转变为射频才能发射出去形成EMP。高功率射频发生器主要分为HPM器件、UWB发生器、开关振荡器三类。

3.2.1 高功率微波(HPM)器件

高功率微波一般指峰值功率大于100MW,频率1-300GHz的电磁波,产生装置称为HPM源、HPM器件。HPM器件属于真空管,基本原理与磁控管类似,都是将电子束的能量转化为微波能量。当前可用于EMP武器的HPM器件主要有三类:

(1)相对论波返振荡器RBWO

当前具有7GW水平的峰值功率,转换效率高(40%),缺点是需要外部引导磁场。早期使用的3-4T量级的引导磁场,难度大。最近有报导优化后只需0.6T磁场,难度明显减小。

当前RBWO的研究方向主要着力于弱磁环境、提高稳定性与寿命,以及多微波模式、复合结构下的效率提升。

图3.17 RBWO结构.png

图3.17 RBWO结构

(2)虚阴极振荡器Vircator

美俄两国在上世纪90年代进行了广泛研究。它的优点是结构较简单,输入阻抗小,适宜配合MFCG;缺点是效率低,大约5%水平。

图3.18 Vicator结构.jpg

图3.18 Vircator结构

当前虚阴极振荡器研究热度不高,主要集中于同轴化结构、多微波模式输出、提高效率等方面。上世纪即达到10-20GW峰值功率的水平,至今没有大的突破。

(3)磁绝缘线振荡器MILO

当前关注度较高,性能介于RBWO与Vircator之间。MILO不需要外部引导磁场,效率通常为15%水平。当前MILO的峰值功率约3-4GW,已有7GW的仿真设计。

图3.19 MILO结构.png

图3.19 MILO结构

上述三类器件没有货架产品,成本比较高。如果适当降低功率要求,例如用于无人机、车辆拒止的可重用高功率微波系统,则可以使用工业微波或雷达方面的成熟手段,其峰值功率可达100MW量级。

下表汇总了具有代表性的HPM器件参数。

表4.png

3.2.2 超宽带发生器

超宽带(UWB)波是指频谱范围很宽的电磁波。根据频域和时域的对应关系,极窄的电脉冲在频谱上就表现为UWB波。

下图a是时域波形,b是对应的频谱图。黑色波形是直流单脉冲,其频谱包含大量低频成分,不易被天线辐射;红色、绿色线所示的双极性脉冲,主要能量集中于高频段,容易被天线辐射。UWB发生器的工作便是生成具有极大振幅、极快跳变速度的双极性脉冲。

图3.20 单脉冲、双极性脉冲对比.png

图3.20 单脉冲、双极性脉冲对比

电路一般使用传输线构建,波形跳变依靠开关来实现。下图是一种使用短路-锐化开关的双极性脉冲发生器。短路开关、锐化开关的本质都是火花隙,将其与同轴传输线结合,可以形成集成化的同轴结构。图中的结构与Blumlein线类似,输出电压峰峰值为输入的两倍,电源为单极性的高压脉冲电源,如Marx。

图3.21 双极性脉冲发生器原理、结构.png

图3.21 双极性脉冲发生器原理、结构

UWB发生器的性能受传输线耐压、火花隙功率容量、开关速度的限制。火花隙是靠击穿介质产生电弧放电来接通电路的。电弧是实体粒子流,运动需要时间,在空气中可达1μs以上。通过充装高压氢气能缩短到ns水平。小型化、低成本、长寿命高压充氢火花隙成为核心技术。

3.2.3 传输线开关振荡器——SWO

基本结构如下图所示,将一段1/4波长的传输线接入高压电源进行充电,闭合开关(火花隙)S1,由于负载(天线)阻抗远高于传输线,电路将生成欠阻尼振荡波型。

图3.22 传输线开关振荡器原理.png

图3.22 传输线开关振荡器原理

下图是典型的输出波形与频谱。由于振荡器的时间常数由传输线和负载决定,因此输出频谱稍窄,类似减幅波。


图3.23 传输线开关振荡器输出特征.png

图3.23 传输线开关振荡器输出特征

图3.24 我国EMP爱好者实测的传输线开关振荡器辐射波形.png

图3.24 我国EMP爱好者实测的传输线开关振荡器辐射波形

给振荡器充电的电源应当为Marx等单极性高压脉冲电源。最终的辐射功率也受传输线耐压、火花隙功率容量、接通速度的限制。

除典型的1/4波长传输线开关振荡器外,使用非匹配的Blumlein线、非线性传输线也可获得欠阻尼振荡波。


四、总体方案

当前小型化电磁脉冲装置主要有弹载、手持等几种形式。

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在缺少颠覆性创新的情况下,可探讨的主要是工程化问题。对于航弹来说,使用炸药驱动的MFCG比较合理,但射频发生器不适合选用MILO等复杂昂贵的结构。而小汽车作为载具的防御装备就不能用炸药,但射频发生器可以相对复杂。拉杆箱尺寸的警用产品几乎只能用SWO或UWB之类简单方案,尽管性能不佳,但可以通过尽量靠近目标来弥补。

4.1 高功率、高频率的HPM方案

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图4.1 HPM方案

该方案体积较大、成本较高,适用于车载。如图所示,使用脉冲成型网络复合型Marx供电,输出15GW,脉宽40ns,单脉冲600J的平顶电压脉冲直接供给RBWO。PFN-Marx的充电使用高压电容充电电源(CCPS)实现。励磁模块用于驱动线圈产生0.8T引导磁场。

系统做成长条形,横截面边长25-30cm,由伺服机构瞄准,有望输出5GW、10GHz微波,效率35%,脉宽30ns。该装置的主要难点是RBWO的设计、仿真和制造。

4.2 小尺寸低成本方案

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图4.2 UWB方案

这是一种小尺寸低成本方案,适用于警用手持设备或作为测试EMP防护能力之用。系统以基于Blumlein线的双极性脉冲发生器为核心,由一个常规Marx供电。

设计目标是质量<10kg以方便携带,重复频率>5Hz以确保持续压制,输出功率>1GW,跳变时间<5ns,Marx输出电压>500kV。技术难点是解决Blumlein线储能和阻抗的矛盾,以及研制充氢火花隙。

 

五、电磁脉冲的防护

电磁脉冲能够通过“前门耦合”和“后门耦合”进入设备。前者是指EMP“走正道”进入,比如通过天线漏入;后者是指通过电源线、机壳,甚至通过磁耦合“走后门”泄漏到设备中。

对EMP而言,造“盾”是比较容易的。它本质上是穷尽各种可能的办法,堵住前门后门,同时提高电路本身的耐受能力。

过去一些科普作品认为只有电子管才能抵抗EMP的攻击,这种说法不尽全面。电子管抗瞬时过载能力较强,具备一定的耐EMP能力,但并不是无极限的,并且由于尺寸较大,较低的频率也会对它产生作用,不见得比现代的手机皮实。采取加固措施的半导体设备也可以具有良好的耐受性能。

5.1 前门防护

5.1.1 前门的功率防护

“前门”一般用于处理小信号,内部的电路比较脆弱。功率防护的主要作用是将灌进设备的高压、大功率吸收、旁路或反射回去。常见手段是限幅器和放电管,同时选用抗过载能力强的电路方案。限幅器主要是高速二极管,功率容量小但动作快。放电管主要是TVS和火花隙,功率容量大但动作略慢。由于EMP的上升时间快,要尽量选用高速器件。

下图是二极管限幅器典型电路,单个硅二极管内建电势0.7V左右,意味着高于12dBm的信号将被“削顶”。


图5.1 二极管限幅电路.bmp

图5.1 二极管限幅电路

5.1.2 前门的频率防护

如果EMP的频率成分覆盖了天线的工作频段,能量将被非常有效的引入。天线在非额定频段、非主瓣方向也是有增益的,依然能够接收EMP,只是效果差一些而已。

但电子设备并不需要用到全部频段(除非是宽带侦察设备)。对于用不到的频率,应该尽可能加以阻挡,减少漏进的总能量。

接收机前端通常有带通滤波器,能够滤掉通带外的EMP。在通信工程中,滤波器本身的功率容量受发热制约,但在EMP防护中主要受耐压制约,因此要选择高耐压器件。

图5.2 典型接收机前端结构.png

图5.2 典型接收机前端结构

如果要同时使用较宽的频带,一般只能通过多个滤波器切换的方式动态约束通带范围,但电子切换开关也是薄弱环节。

由此可见,电磁脉冲装置的输出频率可调是有价值的特性。就防护而言,单独依赖频率防护是不可靠的,必须配合功率防护。

5.2后门防护

非核电磁脉冲的频率较高,难以穿透金属外壳,但可通过机壳的缝隙、孔洞或外部线缆进入。如果脉冲太强,足以在机壳上产生较高的感应电压,也可能因为接地设计不良而对电路造成损伤。磁场可以穿透不导磁的金属外壳,在应对低频EMP时需引起注意。后门防护首先是提高屏蔽性能,合理安排内部电路的汇流接地,避免在机壳上多点接地;其次对端口、电缆等参照前门防护进行滤波、限幅、泄放、缓冲。目前的设计手段已经可以进行全面的电磁场仿真,认真设防是可以堵住后门的。

5.3 系统综合防护

防护能力由“短板”决定,在设计时应当均衡设置防护措施。

传导路径上的短板:考虑各种可能的电磁脉冲传导路径,分别测量评估各个环节的屏蔽效能,寻找传导路径上的薄弱点。

频域上的短板:进行宽频段的评估,覆盖各种电磁脉冲装置的工作频段(如1MHz-10GHz),避免设备防护性能在某些频段出现弱点。

在系统层面还可以采用主动防护、冗余、便于快速修复的模块化设计和抗干扰的软件设计等方法增强综合防护能力。

“电磁抗扰度”有成熟的标准体系和测试方法,可以参考这些办法,通过增加高功率脉冲源等办法,扩大测试规模和强度。

 

六、结语

EMP适用于对抗如今趋于领导地位的战场数字化和智能化技术,符合人们对武器的美好想象,在俄乌战争彰显的新趋势下,不免“狠带一波流量”。

仅反无人机领域,美国咨询公司Markets&Markets认为2024年将达到22.76亿美元以上的市场规模,其中相当大的份额属于HPM。德国迪尔防务公司已推出成熟产品,我国也有院所和企业采用EMP技术路线,通过投送1.5GW高功率微波脉冲,实现1km左右的作战半径。随着全球军备竞赛的升温,EMP发生器的市场还会扩大。

坦率的讲,EMP难于产生,却相对来说易于防护,用作摧毁性武器还需要加强探索。但EMP装置是一种通用型的暴力手段,对瞄准的要求不高,能够穿透一部分障碍物,不论敌方变换什么花样,都可以“大力出奇迹”,在小尺度战术任务和防御任务中有望发挥较大作用。

现代战争日趋复杂,任何一方都有一些薄弱点,对于综合防护能力较差的目标,EMP也可以作为进攻的准备措施。保持手段的多样性,把EMP发生器的研究做到国际领先水平,方能“手中有粮、心中不慌”。

(正文完)

 

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(本文初稿成于2021年12月。本文精简版曾作为内参发行。未经作者同意,不可转载、截取或演绎)

[修改于 1年9个月前 - 2022/07/24 22:47:20]

+1  学术分    虎哥    2022/07/25 学术性公共服务。
来自:物理高能技术 / EMP和强微波严肃内容:专著/论述
5
 
17
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
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~~空空如也
lx2005
1年9个月前 IP:浙江
906107

图炸了?

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二次元的创世科技
1年9个月前 IP:山西
906123

貌似所有的图都是空白

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rb-sama
1年8个月前 IP:湖北
906232

学习了

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硝酸铀酰
1年0个月前 IP:吉林
919512

理论归理论,没有视频,所以不能完全相信,这边没有条件去验证,也没见过谁做过这实验,不妨来人实践一下? sticker


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