医疗卫生装备抗高功率微波技术分析.doc

1、医疗卫生装备抗高功率微波技术分析【摘要】随着高功率微波研究不断深入，高功率微波武器在战场上的应用日益广泛，未来战场复杂的电磁环境对我军医疗卫生装备提出了严峻的考验。本文列举了高功率微波的常用阈值，探讨了医疗卫生装备的HPM 防护措施，以保证在未来复杂电磁环境下我军医疗装备能够正常工作，发挥其野外急救和生命体参数监测的作用，为未来战争提供可靠的卫勤保障。 【关键词】高功率微波 医疗卫生装备 电磁干扰 HPM 防护 1 引言 高功率微波（High Power Microwave，简称 HPM）是指微波脉冲峰值功率大于 100MW 以上的微波，由于 HPM 本身具备的优点，其应用越来越受到各个领域的

2、重视。HPM 武器是利用高功率微波的射束能量干扰和摧毁敌方电子设备、破坏敌方武器系统或杀伤作战人员的定向能武器，自海湾战争以来，其作为一种潜在的新概念武器，已经在集“陆、海、空、天、电磁”五维一体的空间立体式信息化战争中发挥了重要的作用1。在未来战场上，它必将得到更为广泛的应用，这对我军雷达、通信、计算机、各种战术导弹、预警飞机、隐形飞机、车辆点火系统等武器装备构成了极大的威胁，同时，对我军后勤保障系统中的医疗卫生装备也提出了严峻的挑战2。 随着现代电子和工程技术的发展，医疗卫生装备对电磁信号的敏感度也越来越高，尤其是检测人体生物电生理信号的仪器，其检测结果会受到干扰，严重时会产生强电击危及生

3、命；如果是带有计算机系统的医疗装备，大幅度的共模干扰，还会引起计算机逻辑错误、信息丢失等。比如，在战场上常用气动式电控呼吸机急救设备，其工作原理是依靠中心供氧或气泵为气源，通过微机控制对患者进行控制呼吸与辅助呼吸及自主呼吸，一旦电子控制线路受到 HPM 攻击和破坏，泵送气源频率将紊乱，仪器将无法正常工作，对患者生命带来极大危险3。在未来信息化战争环境下，高功率微波对我军医疗装备的影响已经不可避免，因此，加强医疗装备的 HPM 防护势在必行。 2 HPM 对医疗卫生装备的作用机制 随着科学技术的发展，现代医学仪器逐渐向微型化、智能化方向发展，其核心部件基本都由微处理器控制。高功率微波主要通过微波

4、的热效应对医疗装备中的元器件如单片机、电阻、电容、半导体器件等产生破坏。典型的 HPM 失效效应是电子元器件的烧毁，其次是使电气子系统的性能受到影响，以及使其工作状态改变。 2.1 HPM 破坏机制 HPM 对医疗卫生装备等电子设备的作用机制，概括起来主要有以下两方面4： （1）电效应，是指在高功率微波下金属表面或金属导线上产生感应电流或电压并对此电子元器件产生的效应，如造成电子元器件状态的翻转、器件性能的下降和半导体器件的击穿等。 （2）热效应，是指微波照射电介质材料时，该材料会吸热升温的现象。材料单位体积吸收的功率值与电场强度平方成正比，随着材料导电率的升高而增加，此外，还与介电常数和微波

5、频率有关。这种热效应会使目标瞬间被加热。轻者，医疗装备的电子系统受到干扰而失效；重者，整个系统将被摧毁。 2.2 HPM 破坏阈值 HPM 的攻击目标主要是各种武器系统和作战平台中最关键而又最脆弱的电子设备以及卫勤系统中的急救仪器，同时，在其作战区域内所有电子或电气设备都会受到威胁5。根据国内外的研究成果，列举一些高功率微波对电子元器件、医疗卫生装备的计算机系统、一些军用设备的破坏阈值。表 1 给出了电磁脉冲对各种电子元器件干扰和破坏的阈值。表 2 给出了高功率微波对医疗卫生装备的计算机系统的破坏阈值。 由此看出，HPM 对不同类型的电子元器件产生干扰和破坏的能量不同，对医疗卫生装备的计算机系

6、统产生干扰和破坏的功率密度也不同。军用医疗设备多为传感器电子产品，比如用于战场急救的监护仪，主要用于检测人体生理参数指标，包括脉搏、呼吸、血压等，而这些电生理信号是十分微弱的，极易受到干扰，若外界电磁波能量过大，就会对军用电子设备产生直接破坏，使其无法正常工作。 2.3 HPM 破坏途径和过程 高功率微波进入医疗电子设备的途径是多种的，主要是通过前门耦合和后门耦合两种途径。所谓前门耦合，是指 HPM 能量通过天线或传感器等媒介耦合到其接收和发射系统内，以破坏其前端电子设备。如果入射的 HPM 能量的主要频谱分量在前门通道的通频带内，会有很强的HPM 能量耦合到内部系统的界面上。例如，弱微波能量

7、通过前门耦合，冲击和触发电子系统产生假的干扰信号，干扰雷达、通信、导航等设备的正常工作，或使其过载而失效。能量稍大，即可能烧毁微波检波二极管、混频器等。后门耦合，是指 HPM 能量通过机盒的缝隙或小孔渗透到系统中。若耦合进入电子系统的微波能量较少时，可干扰其电子设备，使电路功能产生混乱，出现误码，信息传输中断，抹掉记忆信息等；当耦合进入电子系统的微波能量较大时，会造成电路系统和电子器件、计算机芯片等永久损伤或烧毁。 HPM 对电子设备或电气装置的破坏过程主要包括渗透、传输和破坏三个环节。 首先电磁波由天线、电缆、各种端口部分或者表面的媒介向内部渗透，其能量变成随时间、空间变化的大电流、大电压，

8、然后以电磁脉冲渗透的上述部分作为能量中转站传输到内部脆弱的部位（电子元器件、集成电路等） ，最后进入空间结构的电磁脉冲作用于非常小的高密度的脆弱部位（电子元件、集成电路芯片及连接点等） ，由于能量密度极高而造成破坏。 3 医疗卫生装备的 HPM 防护 医疗卫生装备是军事装备中极其重要的一部分，且绝大多数装备都属于电子产品，如监护仪、呼吸机、麻醉机、输液泵等，其内部元器件及集成电路在高功率微波环境下都会受到不同程度的破坏，生理信号的监测、传输和处理也会受到电磁波的干扰，甚至失效或损坏而不能正常工作。因此，加强医疗卫生装备的 HPM 防护研究已经成为军事医学领域亟待解决的问题，具有重要的意义。HP

9、M 武器从不同途径对电子设备构成杀伤，为了有效防护 HPM 武器，需要根据其对目标杀伤的途径和破坏效应采取相应的防护措施。目前，通常的防护措施主要有电磁防护、HPM 耦合通道防护、HPM 加固等。 3.1 电磁防护 电磁防护是目前电子设备普遍采用的方法，主要包括电磁屏蔽、接地处理、滤波等。(1)屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减少电磁能的传输，达到电磁防护的一种重要手段。有效的加固方法是使所用医疗设备完全置于一种不让电磁场到达被保护的设备的箱体，但是，所有的设备都需要获得电力，并且与外界通信，虽然现在很多医疗设备的设计采用蓝牙无线通信，但难以避免检测人体生理参数的测试探头多数为有线连接，这些进入点为高

10、功率微波的电气瞬态进入提供了机会。若改用光纤通信，在满足传送数据要求的同时，必须对所有进入箱体的导电通路加装电磁抑制器件。同样，如果选择合适的吸波材料可以将反射未完全的部分吸收掉，而不至于进入系统内部造成破坏。(2)接地处理是最基本的电磁防护措施，通过适当的方法与大地连接，以提高电子设备电路系统工作的稳定性。机壳接地，可以有效的抑制外界电磁场的影响，避免机壳电荷累积过多导致放电而造成的干扰和破坏。(3)滤波方法指设计适当的滤波器来去除电磁干扰的方法。滤波器可以由电阻、电感、电容一类无源或有源器件组成选择性网络，以阻止有用频带之外的其它成分通过，完成滤波作用；也可以由铁氧体一类有损耗材料组成，由

11、它把不希望的频率成分吸收掉，达到滤波作用。 3.2 HPM 耦合通道防护 根据电磁波进入医疗卫生装备的方式可以分为对从前门耦合进入电子设备的 HPM 防护和对从后门耦合进入电子设备的 HPM 防护。 (1) 对从前门耦合进入电子设备的 HPM 防护,由于电子设备工作时的对外端口(如天线)是必须的，电磁干扰从前门耦合进入电子系统通常难以避免。在强微波照射下，常规电子防御措施如采用新频段、扩展信号频谱、增大有效辐射功率、提高接收机的信噪比等将全部失效，因为 HPM 武器的功率更强，频谱更宽，即使不烧毁电子设备，也会形成压制性干扰。在弱微波能量辐射下，医疗卫生装备的常规反干扰措施依然可行。 (2)

12、对从后门耦合进入电子设备的 HPM 防护,医疗卫生装备机箱上的任何小孔、缝隙的作用都非常像一个微波腔体中的槽口，能让微波辐射直接激励或进入腔体。HPM 进入装备腔体后就会对腔体内的集成电路和一些敏感器件产生干扰或破坏。所以对于后门耦合的防护来说，首先考虑的应是阻止 HPM 侵入医疗装备的腔体中。 3.3 医疗装备 HPM 加固 HPM 加固，是指在电子设备中，综合性能、成本、复杂程度，在极宽频率范围内发现电子系统中的薄弱环节，采用各种手段使系统免于HPM 的损伤的工作过程。 对于军用医疗装备，一般加固战略分为两种：(1)控制耦合，通过控制天线和后门进入点，或者通过系统设计，采用诸如吸收提、限幅

13、器、滤波器和屏蔽等措施反射或衰减入射的 HPM 场；(2)降低敏感度，设计足够坚固的子系统和组件，在遭遇 HPM 环境后仍能执行使命。 不同于一般电子设备，医疗设备是用于检测和监测人体生理弱信号，其对电磁的敏感度更高，防护和加固的要求也更加严格。从防护策略上考虑，可以采用分级防护的方法，即系统级防护、设备级防护、组件级防护、元器件防护。根据医疗设备的 HPM 电磁加固技术，开展二极管等元器件的终端保护装置研究，计算机主板等的屏蔽技术研究，敏感元器件等的应用研究。 4 结束语 随着 HPM 技术的进一步发展以及 HPM 武器的广泛适应，未来战场的电磁环境变得更加恶劣，这对我军医疗卫生装备的抗电磁

14、干扰性提出了更高的要求。如何提高医疗卫生装备的抗电磁干扰性，提高我军卫勤保障能力，是当前各级医疗卫生机构面临的严峻而又现实的问题。只有立足我军现有的卫生技术装备的发展水平，掌握 HPM 对各类医疗装备的作用规律，采取更加新颖可靠的防护措施，才能充分发挥现有医疗卫生装备的性能，提高我军卫勤保障的能力。 参 考 文 献 1吕文红，郭银景，唐富华等. 电磁兼容原理及应用教程M. 北京：清华大学出版社, 2008. 2霍元义. 电磁干扰及电磁干扰对医疗仪器设备的影响与对策J. 医疗卫生装备, 2004, 6: 172174. 3 Mats G. Backstrom, Karl Gunnar Lovstrand.Susceptibility of Electronic Systems to High-Power Microwaves: Summary of Test Experience J.IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, 2004, 3(46):396-403. 4刘勇波, 樊祥，韩涛. 高功率微波作用机理及影响条件分析J. 电子对抗技术, 2003,4(18):41-45. 5侯民胜，秦海潮.高功率微波（HPM）武器J.空间电子技术，2008，2：17-22.