电磁环境

环境电磁学是环境物理学中新形成的一个分支学科，它主要研究各种电磁污染的来源及其对人类生活环境的影响。电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射。环境电磁学是以电磁学各分支学科为基础发展起来的。它的一个重要研究内容是研究和提高电子仪器和电气设备在强烈电磁波干扰的环境中工作的稳定性和可靠性。1943年成立的国际无线电干扰特别委员会，早就在测定方法、干扰标准和抑制技术等方面开展了研究工作。此后，随着电工、无线电技术的飞跃发展，抗干扰的研究不断取得成果。目前人们从环境科学的角度对这一问题也有了新的认识。环境电磁学的另一重要研究内容是高强度电磁辐射的物理、化学和生物效应，特别是它对人体的作用和危害。由于无线电广播、电视以及微波技术等事业迅速普及，射频设备的功率成倍提高，地面上的电磁辐射大幅度增加，目前已达到可以直接威胁人身健康的程度。通常射频电磁辐射按频率划分为不同的频段。在50年代美国、日本、苏联等国开始研究射频电磁辐射对机体的作用机理、危害程度和防护技术。60年代以来已有十多个国家先后制定了电磁辐射安全卫生标准。近年来就静磁场以及一般电磁场对人体的作用等问题做了进一步的研究。影响人类生活环境的电磁污染源可分天然的和人为的两大类。天然的电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外，而且会在广大地区从几千赫到几百兆赫以上的极宽频率范围内产生严重电磁干扰。火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等都会产生电磁干扰。天然的电磁污染对短波通信的干扰特别严重。人为的电磁污染主要有：脉冲放电，例如切断大电流电路时产生的火花放电，其瞬时电流变率很大，会产生很强的电磁干扰。它在本质上与雷电相同，只是影响区域较小；工频交变电磁场，例如在大功率电机、变压器以及输电线等附近的电磁场，它并不以电磁波形式向外辐射，但在近场区会产生严重电磁干扰；射频电磁辐射，例如无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备的辐射，频率范围宽广，影响区域也较大，能危害近场区的工作人员。目前，射频电磁辐射已经成为电磁污染环境的主要因素。电磁污染传递途径有二：一是通过空间直接辐射；二是借助电磁耦合由线路传导。电磁辐射的防护手段是在电磁场传递的途径中安设电磁屏蔽装置，使有害的电磁场强度降低至容许范围以内。电磁屏蔽装置一般为金属材料制成的封闭壳体。当交变的电磁场传向金属壳体时，一部分被 金属壳体表面所反射，一部分在壳体内部被吸收，这样透过壳体的电磁场强度便大幅度衰减。电磁屏蔽的效果与电磁波频率、壳体厚度和屏蔽材料特性等有关。一般地说，频率越高，壳体越厚，材料导电性能越好，屏蔽效果也就越大。电磁屏蔽可分有源场屏蔽和无源场屏蔽两类。前者是把电磁污染源用良好接地的屏蔽壳体包围起来，以防止它对壳体外部环境的影响；后者则是用屏蔽壳体包围需要保护的区域，以防止外部的电磁污染源对壳体内部环境产生干扰。对于不同的屏蔽对象和要求，应采用不同的电磁屏蔽装置或措施。主要有屏蔽罩、屏蔽室、屏蔽衣、屏蔽头盔和屏蔽眼罩等。屏蔽衣和屏蔽头盔内夹有铜丝网或微波吸收材料。屏蔽眼罩通常为三层结构，中间一层为铜丝网。控制电磁污染，除采用上述电磁屏蔽措施外，还应积极采取其他综合性的防治对策。例如工业合理布局，使电磁污染源远离稠密居民区；改进电气设备，以减少对周围环境的电磁污染；在近场区采用电磁辐射吸收材料或装置；实行遥控和遥测，提高自动化程度，以减少工作人员接触高强度电磁辐射的机会等。

环境电磁学是环境物理学中新形成的一个分支学科，它主要研究各种电磁污染的来源及其对人类生活环境的影响。电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射。环境电磁学是以电磁学各分支学科为基础发展起来的。它的一个重要研究内容是研究和提高电子仪器和电气设备在强烈电磁波干扰的环境中工作的稳定性和可靠性。1943年成立的国际无线电干扰特别委员会，早就在测定方法、干扰标准和抑制技术等方面开展了研究工作。此后，随着电工、无线电技术的飞跃发展，抗干扰的研究不断取得成果。目前人们从环境科学的角度对这一问题也有了新的认识。环境电磁学的另一重要研究内容是高强度电磁辐射的物理、化学和生物效应，特别是它对人体的作用和危害。由于无线电广播、电视以及微波技术等事业迅速普及，射频设备的功率成倍提高，地面上的电磁辐射大幅度增加，目前已达到可以直接威胁人身健康的程度。通常射频电磁辐射按频率划分为不同的频段。在50年代美国、日本、苏联等国开始研究射频电磁辐射对机体的作用机理、危害程度和防护技术。60年代以来已有十多个国家先后制定了电磁辐射安全卫生标准。近年来就静磁场以及一般电磁场对人体的作用等问题做了进一步的研究。影响人类生活环境的电磁污染源可分天然的和人为的两大类。天然的电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外，而且会在广大地区从几千赫到几百兆赫以上的极宽频率范围内产生严重电磁干扰。火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等都会产生电磁干扰。天然的电磁污染对短波通信的干扰特别严重。人为的电磁污染主要有：脉冲放电，例如切断大电流电路时产生的火花放电，其瞬时电流变率很大，会产生很强的电磁干扰。它在本质上与雷电相同，只是影响区域较小；工频交变电磁场，例如在大功率电机、变压器以及输电线等附近的电磁场，它并不以电磁波形式向外辐射，但在近场区会产生严重电磁干扰；射频电磁辐射，例如无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备的辐射，频率范围宽广，影响区域也较大，能危害近场区的工作人员。目前，射频电磁辐射已经成为电磁污染环境的主要因素。电磁污染传递途径有二：一是通过空间直接辐射；二是借助电磁耦合由线路传导。电磁辐射的防护手段是在电磁场传递的途径中安设电磁屏蔽装置，使有害的电磁场强度降低至容许范围以内。电磁屏蔽装置一般为金属材料制成的封闭壳体。当交变的电磁场传向金属壳体时，一部分被 金属壳体表面所反射，一部分在壳体内部被吸收，这样透过壳体的电磁场强度便大幅度衰减。电磁屏蔽的效果与电磁波频率、壳体厚度和屏蔽材料特性等有关。一般地说，频率越高，壳体越厚，材料导电性能越好，屏蔽效果也就越大。电磁屏蔽可分有源场屏蔽和无源场屏蔽两类。前者是把电磁污染源用良好接地的屏蔽壳体包围起来，以防止它对壳体外部环境的影响；后者则是用屏蔽壳体包围需要保护的区域，以防止外部的电磁污染源对壳体内部环境产生干扰。对于不同的屏蔽对象和要求，应采用不同的电磁屏蔽装置或措施。主要有屏蔽罩、屏蔽室、屏蔽衣、屏蔽头盔和屏蔽眼罩等。屏蔽衣和屏蔽头盔内夹有铜丝网或微波吸收材料。屏蔽眼罩通常为三层结构，中间一层为铜丝网。控制电磁污染，除采用上述电磁屏蔽措施外，还应积极采取其他综合性的防治对策。例如工业合理布局，使电磁污染源远离稠密居民区；改进电气设备，以减少对周围环境的电磁污染；在近场区采用电磁辐射吸收材料或装置；实行遥控和遥测，提高自动化程度，以减少工作人员接触高强度电磁辐射的机会等。

中国兵器工业新技术推广所电磁兼容技术研究室 李子森 1. 复杂电磁环境提出的背景　 复杂电磁环境可以综合定义为：在某一空间内由时域、频域、空域和能量域分布复杂的多种电磁信号叠加，它对电子装备、火工品、燃油和人员等有不同程度的危害。复杂电磁环境是综合性名词，主要用于顶层策划和宏观分析。实质上电磁环境都是复杂的、动态的，在技术设计层面都应进行分解和分类，成为可描述的技术参数。1.1 按电磁能量的来源划分有：（1）自然电磁现象和人为电磁现象（2）我方电子装备辐射和敌方电子装备辐射（3）无意电磁辐射（电磁兼容范畴）和有意电磁辐射（电子对抗范畴）1.2 按电磁场信号特性划分有：（1）随机或无规则波形（2）无调制波形（脉冲，连续正弦波）（3）调制波形（脉冲调制，模拟量调制）在电子装备使用过程中，使用方常常应用“复杂”这个词来形容装备附近的电磁环境，其原因是多方面的。（1） 电磁环境集成的不确定性电子装备在不同空间电磁信号的叠加是不确定的，电磁信号的组合受多种因素限制。（2） 电磁环境测量的不确定性电磁环境测量数据受时间，方向及频谱等因素影响。测试结果具有统计特性，另外，在特定条件下，电磁干扰信号电平是很低的，例如雷达接收机极限灵敏度-110dBm，天线增益40dB。其干扰信号用一般干扰测量仪或频谱仪是测不到的。（3）未来战场上广泛使用电子对抗技术和强电磁脉冲技术，这些技术参数是不可预知的，并且攻防双方都应用可变参数。　为了进行电磁防护，提高电子装备的电磁生存能力，电子装备设计时需要对可能造成电磁干扰的电磁环境进行分类分析。2.复杂电磁环境的分析　2.1 电子对抗（电子战）和电磁环境效应内容的区别电磁环境效应是在能量域研究电磁能量对电子装备、军械等的影响。主要涉及电子装备（含接收器通道外）对电磁能量敏感程度，并且要求对接收器通道内器件不损坏、不烧毁。电子对抗是在信息域研究接收器通道内的电子对抗。主要通过信号处理剔除干扰，当然也应用了信道捷变频，天线旁瓣对消等措施。电磁环境效应包含了一些电子对抗的内容，但电子对抗有其独特的技术内容，两者有较大区别。2.2 有关外部射频电磁环境GJB1389A《系统电磁兼容性要求》所提供的外部射频电磁环境包含人为和无意的电磁辐射，主要是由雷达和通信系统通过发射天线向特定空间或在近区所形成的电磁场，这些电磁场的统计特征值用峰值和平均值表示，平均值是模拟量调制的通信设备所产生的，而峰值主要是雷达设备产生的脉冲调制波，从标准中多个表格所提供的数值明显看出300 MHz以下频段电磁场的平均值与峰值相等，这是通信使用电磁波的特征，而在300 MHz以上频段电磁波平均值与峰值不相等。它们的比值就是占空比（占空比小于1）。标准中外部射频电磁场典型平均值为200V/m，峰值为2~3kv/m。2.3 有关强电磁场环境由于受平均功率的限制，在一般情况下的强电磁场是指电磁脉冲波，电磁脉冲波的峰值功率可以很大。电磁脉冲波主要有高功率微波（HPM）、超带宽电磁脉冲（UWB）、核电磁脉冲（NEMP）和雷电波（LEMP），其中雷电波为自然电磁现象，其它均是人为电磁现象。电磁脉冲波的电磁效应大部分不是电热效应，电磁脉冲的破坏作用远大于连续波，所以在未来战场上使用的软杀伤武器一般指的是电磁脉冲武器。2.4 其它电磁现象其它电磁现象包括太阳磁爆对无线电设备影响，大气无线电噪声的影响，地磁对阴极射线器件、陀螺仪的影响，以及地磁（磁性矿物）对电磁波传输的影响等。此外，由于沉积静电出现在高速飞行器表面，引起飞行器不等电位和电弧放电，对飞行器通信和导航造成很大影响。综上所述，电磁现象种类很多，其影响是多方面的，只有对其机理进行深入研究，才能找到合适的防护方法。　3. 强电磁环境条件下，装备及设备的防护装备及设备在强电磁环境条件下要求能正常工作，必须对装备及设备进行防护设计，使其在上述条件下不损坏且不出现电磁敏感。3.1 装备在强电磁环境条件工作的风险评估武器装备包含大量的电子信息系统，在强电磁环境条件下存在风险，因此需要对装备的防护风险进行评估，并采取综合性防护设计措施。正如其它灾害，例如地震、雷电等只能实现减灾，不可能达到避灾。因为防护所投入的人力、物力和财力随着防护能力的提高而增加，防护能力的提高与经济性需要综合权衡的。就防护能力而言，风险评估需要考虑如下各个因素：（1） 装备所处的环境因素装备受强电磁辐射的影响，包括辐射源的辐射强度和辐射源离装备的距离，例如某些地区是落雷区经常遭受雷电影响，某些装备是核试验设备，受很强高空核电磁辐射。（2） 装备的机动特性　装备的机动性是军用装备的重要指标，一般装备分为固定装备和移动装备，移动装备通常使用电子方舱，舱外电缆长度有限，由电磁感应引起的端口干扰电流、电压比固定装备要小一些。（3） 装备敏感程度有些装备内有大量的传感器，受强电磁场影响就较大，是防护的薄弱环节；相反，有些装备外露端口较少，电子设备耐强电磁能力较强。（4）装备的重要程度有些装备是区域中枢设备，其作用远大于其它装备，重要度很高，有些装备的功能或作用空域可以被其它设备所替代，其重要程度稍低。3.2 装备对强电磁环境的防护等级和层次　如前所述，对装备在强电磁脉冲环境条件下的风险评估以后就可以确定防护等级，电磁环境越恶劣，装备重要程度越高以及装备对电磁环境越敏感时防护等级将越高。防护等级可以分为2~3级，即硬点加固型、加固型和轻便加固型。美军标MIL-STD-188-125A中指出，硬点加固适用于固定设施核电磁脉冲防护，要求电磁场屏蔽效能达100dB，端口注入电流达8kA；加固型适应于固定地面设施高功率脉冲防护，规定电磁屏蔽效能为80dB，端口防护注入电流为5kA；轻便加固型适用于移动地面装备电磁脉冲防护，规定电磁屏蔽效能为80dB，端口防护注入电流为1~5kA。　另一方面，电磁脉冲防护设计大多采用多层逐级防护方案，也就是采用分层抗扰技术，防护设计一般分为装备（系统）级、机柜（舱段）分系统级和电路级，这三级防护的电磁环境严酷度相差很大，防护器材也有很大差别。三级防护的参数具有传递特性，例如MIL-STD-188-125-2端口注入电流为5kA，通过一级防护后，端口残余电流约为1~10A，该指标与设备级电磁兼容性指标要求相一致，即舱内（室内）机柜电缆注入电流敏感度（CS115、CS116）极限值为5~10A。三级防护具有替代性，例如飞行器没有方舱屏蔽壳体，那么屏蔽防护首先需要依靠飞行器壳体和舱段壳体，此时，部件及电路级防护设计成为防护的重要环节。3.3 装备对强电磁环境的防护设计 常用的强电磁环境防护手段主要包括屏蔽、滤波、接地和加装防护器件。其中屏蔽和接地是防护的基础。屏蔽是用高导电率和高导磁率的金属材料把电子设备屏蔽起来，并设有良好的接地线，同时在所有穿过屏蔽体的导线、门窗、通气孔等处施加防护设施。装备的电磁环境防护设计中,除了要考虑舱体结构和材料外,贯通舱体内外各种连接线的电磁防护以及端口电磁泄漏在整个设计中至关重要。端口的电磁防护包括电磁干扰屏蔽设计和防尖峰浪涌设计,电磁干扰屏蔽主要靠电源线和信号线滤波器来实现，尖峰浪涌防护需要设计尖峰浪涌吸收电路。强电磁脉冲防护的常用元件包括气体放电管、半导体放电管、压敏电阻以及半导体瞬态抑制器等。各种浪涌抑制器件的共同特点为在阈值电压以下都呈现高阻抗，一旦超过阈值电压，阻抗便急剧下降，对尖峰电压具有消峰作用。但在响应时间、通流容量方面，各种元件都有优缺点，因此，需根据具体的应用场合，采用上述器件中的一个或者几个的组合，来构成相应的保护电路。3.4 射频电磁环境的频谱十分广泛 对电子方舱而言，电磁屏蔽的频率范围是90KHz~18GHz，屏蔽效能A级为60dB，B级为40dB。而强电磁环境多指电磁脉冲环境，其频谱相对较窄，此时要求，磁场屏蔽： 100KHz信号屏蔽效能为 40dB，1MHz为60dB，电磁屏蔽：10~1000MHz范围，屏蔽效能应为80dB。综合上文分析认为，复杂电磁环境的内涵是十分广泛的，要使装备适应复杂电磁环境要求，电磁兼容性和电磁环境的防护是非常必要的。复杂电磁环境包括射频电磁环境和电磁脉冲电磁环境，对复杂电磁环境的防护至少应综合射频环境及电磁脉冲环境的防护要求。