2015年 第10卷 第2期
[1]高功率微波电磁脉冲辐射防护专刊前言…吴晓光（1）[2]强电磁防护技术研究进展…刘培国，刘晨曦，谭剑锋，董雁飞，易波（2）[3]电子设备和系统射频通道高功率微波电磁脉冲场—路综合防护方法综述… 郑生全，邓峰，王冬冬，侯冬云，刘培国（7）[4]基于高频算法的舰船电磁环境研究…历园园，翟助群，李思，李宇佳，李文兴（15）[5]舰船系统间电磁兼容性的层次化优化方法…刘雷，金佳佳，孙照清，姜弢（22）[6]共形FDTD网格剖分方法及其在舰船电磁环境效应仿真中的应用…郭旸，王向华，胡骏（29）[7]基于函数语言的并行FDTD算法新实现及其在航空母舰甲板表面电磁场分布问题仿真中的应用… 郭旸，王向华，胡骏（35）[8]基于设备性能曲线的通信系统电磁兼容性评估方法…金佳佳，刘雷，姜弢（40）[9]应用于舰载天线电磁兼容性分析的改进多层快速多极子算法…潘龙，朱志宇（47）[10]雷电先导放电通道内电场和电荷的分布特征…万浩江，魏光辉，陈亚洲，王琳（55）[11]基于随机桥理论的海面微波信道建模方法…曹小东，汪小君，姜弢（60）[12]PIN二极管限幅器的电磁脉冲损伤特性试验…王冬冬，邓峰，郑生全，侯冬云（65）[13]通信设备机箱强电磁脉冲耦合预测方法…邓峰，丁凡，郑生全（70）[14]一种加载集总器件的可调三维周期结构…董雁飞，王为，刘培国，易波，刘晨曦（74）[15]能量—频率选择表面级联复合设计与仿真…谭剑锋，杨成，刘培国，刘继斌（79）[16]基于非谐振单元的小型化带通频率选择表面设计…陈亮，陈夏萌，陈强，白佳俊，付云起（84）[17]无偏置网络场控有源频率选择表面设计…邓峰，郑生全，王冬冬（89）[18]电磁能量选择表面结构设计与仿真分析…刘晨曦，刘培国，王为，易波，董雁飞（93）[19]差模电流注入等效电磁脉冲辐射技术仿真研究…卢新福，魏光辉，潘晓东，范丽思，万浩江，张勇强（99）[20]玻璃气体放电管与陶瓷气体放电管的纳秒脉冲响应特性比较… 李红岩，祁国成，梁涛，李亚峰，吕峰，谢彦召（104）[21]开孔金属腔体场强增强效应分析…李新峰，魏光辉，潘晓东（109）[22]一种用于电磁脉冲定向辐射的TEM天线设计…范丽思，潘晓东，王赟（116）[23]基于改进TRL校准算法的二极管参数测量…易波，王为，刘培国，杨成，董雁飞，刘晨曦，李岩（121）
国际上对高功率微波电磁辐射造成的危害效应已经开展了数十年研究，而随着高功率微波电磁脉冲发生技术的发展，高功率微波电磁脉冲源技术已经逐渐成熟，成为了一种新型的进攻性武器。这些武器的使用，将对敌对国家的交通、电力、通信和医疗系统等重要基础设施，以及岸基指挥所、作战群指挥中心和海上作战平台等敏感电子设备集中的军事设施构成严重威胁。近年来电子设备的微电子化，使其对高功率电磁脉冲的敏感性和易损性进一步增加，导致这种威胁变得更为严重。因此，必须要认真考虑高功率微波电磁脉冲辐射的防护问题，充分了解高功率微波电磁脉冲辐射的危害效应机理，及其在民用和军用设施中的耦合途径，分析设施受到危害的类型和程度，研究相应的防护方法，研制对应的防护材料和器件，以及防护效果试验技术等。世界各国对此已经给予高度重视，不断推出新的研究成果。国内近几年在高功率微波电磁脉冲源和危害防护方面的相关研究也已经取得了一系列进展。《中国舰船研究》特别甄选相关单位近期在高功率微波电磁脉冲辐射防护及其相关领域的最新成果，推出《高功率微波电磁脉冲辐射防护专刊》，以飨读者。专刊涵盖数值模拟算法和应用的改进、电磁防护结构和材料的设计，以及试验模拟和测量等技术的发展。希望本期专刊能够在业界引起讨论，让更多的设计者对电子器件、设备和系统等的高功率微波电磁辐射防护问题引起足够的重视，并在技术上相互借鉴，共同提升重要设施和装备对更加复杂的、人为的高功率电磁环境的适应能力。
高功率微波武器是现代战场上极具杀伤性的攻击手段。针对现代武器装备的强电磁防护问题，通过介绍高功率微波武器及防护研究发展进程，结合传统电磁防护方法，分析电磁自适应防护、微波加固和硬件演化等前沿技术手段，从电路防护和空间防护的角度出发，论述射频电磁防护单元、皮秒级电磁脉冲抑制器件、频率选择表面等强电磁防护器件和装置的研究成果以及强电磁防护的新材料 ，并从系统综合防护、设备潜在失效性、强电磁防护标准3个方面对强电磁防护技术的发展给出相应的建议。
高功率微波电磁脉冲辐射可以通过多种耦合途径进入敏感电子设备和系统，导致严重的干扰、扰乱甚至损坏，特别是通过天线耦合进入射频通道的电磁脉冲会破坏敏感器件。给出几种针对天线耦合的空间电磁脉冲场防护以及电路中敏感器件的电磁脉冲路防护新方法，探讨敏感系统的电磁脉冲场—路综合防护设计方法。利用专门设计的防护表面和防护模块，分别在天线前端对空间的电磁脉冲场和天线后端电路中的电磁脉冲电压或电流进行抑制，保护电路中的敏感模块免遭损坏，增加的场—路综合防护对工作信号的衰减控制在允许的范围之内。通过原理样件的测试表明，防护方法对带内和带外的高功率微波电磁脉冲具有良好的防护效果。
现代化舰船上装备有大量的电子系统和设备，研究舰船电磁环境对舰船电磁兼容性及其防御力的提高具有重要意义。首先用简单模型验证物理绕射理论（PTD）在计算目标的散射场时能够计算目标阴影区及边缘绕射场。进而采用物理光学法（PO）与PTD相结合的方法计算舰船周围电场强度，并结合美军标MIL-STD-461C，针对电磁辐射对舰船的危害进行初步预估，得出电磁辐射对舰船的危害区域以及对人员的危害区域，且舰船上层建筑所受电磁辐射危害较大。结合几何绕射理论（GTD）， 计算出从源点到达桅杆处观察点的射线路径，得到引起舰船上层建筑电磁辐射危害较大的原因是电磁波从源点辐射到舰船结构时，在舰船表面发生了多次反射及绕射。结合3种算法研究舰船电磁环境，对于研究舰船电磁兼容具有重要的参考价值。
为优化多通信设备系统间的电磁兼容性，提出同频干扰抑制和乱真响应抑制两个层级相分离的层次化优化方法。同频干扰抑制采用多目标遗传算法，以设备安装位置为决策变量，调整设备安装位置和天线方向性来降低干扰影响；在设备布局优化的基础上分析进一步降低同频干扰和潜在乱真响应影响的技术方法，提出针对性的电磁兼容指标优化方案。通过层次化的预测和优化，实现了对通信系统总体电磁兼容性的量化控制，使得电磁兼容指标变动方案与系统总体电磁兼容性优化结果的内在关联更明晰。
对于时域有限差分（FDTD）数值仿真方法，网格生成是其重要前处理过程。大部分商业模型都使用三角形面片描述其结构，而FDTD必须使用六面体网格，因此必须使用合适的剖分算法将模型结构对齐到FDTD的计算区域。而目前基于原点探测的传统网格生成算法存在效率和精度等若干问题。基于射线追踪原理，通过检测网格射线族和三角形面片模型间的交点位置，求解模型结构和FDTD元胞之间的位置关系，从而可高效、精确生成FDTD仿真算法必须的网格信息，并通过进一步应用多方向射线追踪方法，解决特殊模型结构可能导致部分模型的剖分信息不完整的问题。最后，通过将该剖分方法应用于带有战斗机的航母飞行甲板模型，并结合高阶共形FDTD方法，成功预测其在高功率电磁脉冲下的表面电流分布问题。
传统的基于过程语言的算法实现很难应用于大规模并行计算，OpenMP和MPI等现有并行框架存在着并行实现困难、开发成本大和灵活度差等诸多问题。通过应用基于函数语言的并行新方法，有效简化并行代码的设计，提升并行算法的开发自由度，并可支持动态分区等复杂并行需求。通过将其应用于具有天然并行属性的FDTD剖分及仿真算法，发现可实现高达50%加速比的高效并行，并在26 h内成功求解高达6.9亿未知量的电大尺寸航空母舰甲板模型电磁全波仿真问题。
针对传统AHP-模糊综合评估方法在多级评判中隶属函数应用的不足，提出一种基于设备性能降级曲线特性的隶属函数确定方法，依据设备性能在受到干扰时的实际下降过程，划分评估等级，确定不同等级之间的过渡范围，以及过渡范围内的隶属函数形式，从而得到适用于评估具体设备的隶属函数模型。与传统的隶属函数相比，克服了其依靠专家经验确定所带来的不准确问题，以及将设备性能下降曲线线性化而带来的误差问题，可以更准确地得出设备隶属于不同等级的隶属函数；分析设备权重时，在专家打分确定权重系数的基础上，引入置信因子来分析由专家给出的权重系数的可信程度，最终建立一种基于设备性能下降曲线的通信系统电磁兼容性评估模型。
为解决舰载天线间互相干扰的问题，准确预测舰载天线在装舰前的电磁兼容性，在矩量法（MoM）的基础上，引入一种改进的新型算法，该算法应用多层快速多极子（MLFMA）技术， 并构造谱域两步预处理器结合广义最小留数法（GMRES）来加速矩阵矢量乘的求解。应用FEKO软件对某驱逐舰进行电磁建模，使用该算法对天线方向图及天线间的耦合度进行数值仿真。仿真结果表明：这种新的算法相比于原算法计算速度更快、内存占用更低、准确性更高，可显著减少方程组的迭代次数，改善矩阵方程的收敛性。
针对自然雷电观测数据在先导放电通道内部电特性方面存在的欠缺，基于雷电先导放电与长间隙电弧放电之间的类似性，对雷电先导放电通道内轴向电场和电荷密度的分布情况进行了理论研究。结果表明：先导通道内任意一点的轴向电场均会在其形成后随着时间按近似指数规律衰减，直至达到一个稳态值。对于稳定的先导段，可近似认为其内部的轴向电场是一个恒定量。先导通道内的电荷密度基本上由先导的起始端至头部逐渐增大，在先导的头部附近达到最大值。注入到先导通道内的电荷总量则会随着先导长度的增加而不断增大，且增长的速度也会逐渐加快。
针对典型海况下的海面无线电波传播及微波信道建模问题，基于陆地多径传播环境下的随机桥过程建模理论，提出一种二维海面微波无线随机信道建模方法。首先，基于P-M海浪谱理论建立典型海况下的海浪电磁仿真模型；然后，采用不同的海况模型进行计算，得到随机电波射线样本数据，分析样本数据并确定随机信道模型参量的数字特征，建立海面微波波段随机多径信道模型；最后，将仿真数据、实验室测试数据和外场测试数据进行对比。结果显示， 所建立的随机信道模型有效，可为复杂电磁环境中船用电子设备接收波形的建模与仿真提供有效的理论手段和技术方案。
电磁脉冲作用下，位于射频前端的限幅器能对接收机起基本保护作用。通过试验研究基于多级PIN二极管的限幅器在方波脉冲和超宽带脉冲注入时的电磁脉冲损伤阈值以及损伤效应，发现当入射电磁脉冲幅度超过损伤阈值时，限幅器存在不可逆转的损伤累积效应。此外，利用时域反射技术对限幅模块的内部损伤部位进行了定位，发现相对于前级PIN二极管，后级PIN二极管更易发生损伤，损伤原因判断为前级二极管I层较厚，因此其对陡前沿脉冲的响应时间较慢、尖峰电压泄漏高达上百伏，导致后级I层较薄、耐压等级较低的PIN二极管受到过电压击穿。
核电磁脉冲可以从通信设备机箱孔缝、键盘、接头等开口进入机箱内部并对电子设备的正常工作时序产生影响，因此，在设备机箱设计中需要对强电磁脉冲辐射下机箱内部的强电磁脉冲环境进行预测。然而，由于通信设备机箱体积小，而强电磁脉冲的带宽过宽，常规的小探头难以对电磁脉冲波形进行测量。基于此，给出一种通信设备机箱强电磁脉冲耦合仿真新方法。首先，利用机箱频域屏蔽效能测试结果对通信机箱仿真模型的正确性进行验证；然后，利用上述仿真模型对强电磁脉冲的耦合特性进行仿真。研究表明，上述方法可以运用于小腔体强电磁脉冲耦合特征的预测。
结合实际周期结构单元的特点，从三维周期结构出发，推导三维周期结构电磁波传输原理。运用商业软件数值仿真计算方法，研究三维周期结构单元尺寸、介质层厚度对其频响特性的影响；从电磁波入射角度和集总器件电抗值出发，对不同参数进行仿真计算，并比较不同参数对谐振特性的影响。实现第1谐振点稳定，第2谐振点可调谐的谐振特性。此外，将三维周期结构加入到天线设计中，研究该结构对天线辐射特性的影响，发现该三维结构可有效改善天线的方向性。
针对空间场强电磁防护中带外滤波—带内限幅的需求，研究了能量—频率选择表面级联复合的防护方法，设计出一种典型的防护结构，通过时域有限差分对防护结构进行了稳态和瞬态分析，尤其是不同情况下频率选择表面与能量选择表面的相互耦合。计算结果表明：该防护结构对通带内正常信号的传输衰减小于1.55 dB，强电磁脉冲传输衰减大于20 dB，因而其既能阻止强电磁脉冲进入系统，又可有效抑制带外电磁干扰。
提出一种从等效电路角度出发设计基于非谐振单元频率选择表面（FSS）的方法。该方法所用的FSS单元尺寸仅为自由空间中电磁波波长的1/10左右，其采用最简单的金属贴片和十字栅格作为多层FSS单元交错层叠，实现类比集总带通滤波网络的特性；利用成熟的集总滤波网络理论并借助高频电路仿真软件ADS设计相应的等效电路模型，并在电磁场全波仿真软件HFSS中进一步小范围优化FSS单元的参数以达到设计目标。该方法可简化传统方法中繁琐的解析计算，有效缩短FSS的设计周期。根据设计和仿真的结果制作样品，并在搭建的测试环境中测试样品的透过率，发现结果与预期相符，其性能满足作为隐身雷达天线罩的要求，可以有效降低带外的雷达散射截面。
普通有源频率选择表面（AFSS）均存在直流偏置网络，用于在有源元件两端加直流偏置。提出一种新的有源频率选择表面设计方法，利用电磁波在频率选择表面加载元件两端产生的感应电压作为偏置信号，对频率选择表面的传输特性进行控制。仿真结果表明：频率选择表面在小场强辐照下，其在3.5 GHz存在通带；当电场强度大于70 V/m时，电磁波在3.5 GHz处的插入损耗逐渐增大；当入射微波场强达到5 000 V/m时，插入损耗达20 dB左右。实验结果与仿真结果基本吻合。
近几年来高功率微波（HPM）武器技术发展迅猛，其产生的强电磁脉冲环境能够对武器装备构成严重威胁，因此，研究武器装备的强电磁防护具有重要的意义。针对强电磁防护与信号收发兼容的“前门”防护难题进行研究，对能量选择强电磁防护机制进行分析。设计并仿真典型压控导电的单层能量选择表面和双层非对称的能量选择表面结构及其工作性能，对影响插入损耗和防护效能的参数进行研究。仿真结果表明：设计出的能量选择表面（ESS）结构在L波段具有很好的防护性能，透波模式传输损耗小于0.5 dB，防护模式屏蔽效能大于20 dB，具有能量低通特性，基本满足电子设备的“前门”防护需求，同时，双层非对称结构可以带来防护性能的改善。
为解决电磁脉冲（EMP）辐射敏感度试验中构建大范围强场的困难，在天线和线缆为干扰耦合主要途径的情况下，提出差模电流注入等效强电磁脉冲场辐射的试验方法，分析时域内辐射场强与等效注入电压幅值间的关系，研究等效注入电压波形特征的获取方法，并仿真验证试验方法的可行性。结果表明：在辅助设备响应为线性的条件下，场强与等效注入电压的幅值在时域内满足线性外推关系；当辅助设备端口匹配时，辐射时耦合装置监测端电压与等效注入电压的波形仅在幅值上存在倍数关系，其他波形特征相同；在仿真试验构成的理想条件下，高场强辐射与等效注入试验所得受试设备响应相等。
气体放电管是一种常见的浪涌防护器件。选取2种具有相同静态击穿电压的典型气体放电管（玻璃气体放电管（SPG）和陶瓷气体放电管（GDT））进行试验，研究两者在百纳秒级电磁脉冲作用下的效应特性及其影响因素，并对其电磁脉冲防护能力进行比较。结果表明：对于具有相同直流击穿电压参数的SPG和GDT，在响应时间要求一致时，SPG的动作电压更低；当施加的电压相同时，SPG的响应时间更短；在电流要求低于3 kA的场合， SPG更适用于纳秒级电磁脉冲防护，鉴于其低电容，尤其适于工作在高频段的天馈系统。
为分析开孔金属腔体的场强增强效应，以正方形金属腔体为受试对象，基于数值计算软件CST建立开孔金属腔体场强增强效应计算模型，分析开孔形状、开孔尺寸、入射波极化方向等不同参数对孔缝中心及腔体中心场强增强效应的作用规律。提出使用GTEM小室进行开孔腔体电磁耦合测试新方法，搭建实验平台，验证数值计算结果的正确性，阐释场强增强效应耦合机理。结果表明：当面积相同时，和正方形、圆形孔缝相比，长方形孔缝的场强增强效应显著，长方形孔缝的长宽比越高，场强增强效应便越大；长方形孔缝的增强效应与垂直于孔缝长边的电场分量呈正比；腔体壁厚是影响场强增强效应的关键因素之一；在孔缝中心沿中轴线附近，时域场强峰值呈指数衰减；孔缝中心和腔体中心的场强增强效应耦合机理不相同。
针对传统传输式电磁脉冲（EMP）模拟器存在测试空间受限的问题，提出一种基于线栅卷边结构的横电磁波（TEM）天线的定向辐射式快沿电磁脉冲（FREMP）模拟器设计方案。通过数值仿真，研究线栅卷边TEM喇叭天线结构参数和吸收电阻对辐射场的影响，仿真结果表明卷边TEM喇叭天线可以有效提高低频辐射能力，可为研制定向辐射式快沿电磁脉冲模拟器提供理论支撑。另通过实验，验证利用线栅卷边结构TEM喇叭天线研制辐射式快沿电磁脉冲辐射波模拟器的可行性。结果表明：利用线栅卷边结构TEM喇叭天线研制的定向辐射式快沿电磁脉冲模拟器的辐射场可达到高空核电磁脉冲（HEMP）标准的要求。
加载二极管的频率选择表面和能量选择表面（以下统称“自激励表面”）具有自适应的防护特征，能够防护强电磁攻击。二极管本身参数的测量是自激励表面设计中重要的环节，准确测得二极管特征参数对于设计出满足需求的防护表面至关重要。介绍传统去嵌入法，针对传统去嵌入法存在校准件制作精度要求高、相位延时有范围的缺点，改进了用于二极管参数测量的去嵌入算法；测量几种不同PIN型号的二极管，通过对比PIN参数手册与测试结果，验证了测试方法的有效性。
