加載能量選擇表面的導(dǎo)航天線強(qiáng)電磁輻照響應(yīng)研究

易 波，李麗英，陳紫琪

(解放軍78118部隊(duì)，四川 成都 610000)

0 引 言

高功率微波武器以其攻擊速度快、命中率高、殺傷區(qū)域大、全天候作戰(zhàn)等優(yōu)勢(shì)，得到各軍事強(qiáng)國(guó)的青睞[1-3]。美俄作為世界軍事強(qiáng)國(guó)，其電磁武器已經(jīng)被實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)[4-5]。電磁防護(hù)相關(guān)理論、技術(shù)以及評(píng)估方法研究已成為當(dāng)今世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)[6-7]?！扒伴T”是強(qiáng)電磁能量耦合的主要途徑，針對(duì)“前門”的防護(hù)手段主要有能量選擇表面(ESS)、等離子體防護(hù)、限幅器、有源對(duì)消電磁防護(hù)技術(shù)、電磁防護(hù)仿生技術(shù)等[8-10]。ESS可以在不影響設(shè)備正常工作的前提下有效防護(hù)強(qiáng)電磁脈沖攻擊，實(shí)現(xiàn)工作信號(hào)收發(fā)與強(qiáng)電磁防護(hù)兼容[11]。

本文利用電磁仿真軟件，結(jié)合導(dǎo)航天線，仿真分析在高空核爆(HEMP)、超寬帶(UWB)以及高功率微波(HPM)3種典型強(qiáng)場(chǎng)輻照下，能量選擇表面的響應(yīng)特性，為ESS應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 基于能量選擇表面的天線罩

導(dǎo)航接收機(jī)強(qiáng)電磁防護(hù)是ESS的一個(gè)典型應(yīng)用方向[12]。本文所采用的導(dǎo)航天線與ESS天線罩結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。圖1中導(dǎo)航天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 導(dǎo)航天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 加載ESS天線罩結(jié)構(gòu)

表1 導(dǎo)航天線結(jié)構(gòu)參數(shù)(mm)

利用電磁仿真軟件，建立加載ESS后的導(dǎo)航天線仿真結(jié)構(gòu)，仿真得到天線參數(shù)S11、增益以及軸比分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 加載ESS后的導(dǎo)航天線S11參數(shù)

圖4 加載ESS后的導(dǎo)航天線軸比

圖5 加載ESS后的導(dǎo)航天線增益

從圖3～圖5可以看出，在導(dǎo)航頻點(diǎn)1.561 GHz和1.571 GHz，加載ESS后的導(dǎo)航天線S11參數(shù)均小于-15 dB，軸比在100°以內(nèi)均小于3 dB，而增益最大超過(guò)7 dB，滿足導(dǎo)航天線性能要求[13]。

2 強(qiáng)電磁輻射波形特性

強(qiáng)電磁輻射波形包括UWB、HEMP以及HPM 3種波形[14-15]。

UWB是峰值功率大于100 MW、上升沿為10-1ns或ps量級(jí)、相對(duì)帶寬超過(guò)25%的電磁脈沖，其時(shí)域表達(dá)式如下：

(1)

式中：t0為時(shí)間延遲；τ為時(shí)間衰減常數(shù)，影響脈沖寬度。

令t0=2.5 ns，τ=0.085 ns，其時(shí)域和頻域波形分別如圖6和圖7所示。從圖7可以看出，UWB能量分布在較寬的頻段范圍內(nèi)。

圖6 UWB時(shí)域波形

圖7 UWB波形頻譜圖

世界各國(guó)都對(duì)HEMP進(jìn)行了深入的研究，本文采用IEC 61000-2-9所發(fā)布的波形標(biāo)準(zhǔn)，其時(shí)域表達(dá)式如下：

E(t)=E0k(e-αt-e-βt)

(2)

式中：E0為峰值場(chǎng)強(qiáng)；k為峰值修正系數(shù)；α、β分別為核爆雙指數(shù)脈沖下降沿和上升沿參數(shù)。

典型時(shí)域與頻域如圖8和圖9所示。

圖8 高空核爆電磁脈沖時(shí)域波形

圖9 高空核爆電磁脈沖頻率頻譜圖

HPM輸出功率在100 MW以上，足以使未加防護(hù)的軍用電子電氣設(shè)備損耗甚至燒毀，其時(shí)域表達(dá)式如下：

(3)

式中：τ為HPM脈沖寬度;t1為脈沖上升和衰落時(shí)間;f0為載波頻率，其時(shí)域波形如圖10所示。

圖10 HPM波形圖

從HEMP、UWB、HPM波形來(lái)看，HEMP能量主要集中在1 GHz以下；UWB能量分布較寬，能量譜密度低；HPM能量在頻率集中，但帶寬窄，適合瞄準(zhǔn)攻擊。

為增加對(duì)比性，仿真中HEMP采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，HPM與UWB峰值電場(chǎng)采用6 000 V/m。

3 ESS在強(qiáng)電磁輻照下的響應(yīng)

3.1 ESS在UWB輻照下的響應(yīng)

采用平面波垂直于ESS輻照方式，ESS在防護(hù)狀態(tài)開啟前后，天線端口輸出波形如圖11所示。

圖11 ESS開啟前后天線端口輸出波形

從圖11仿真結(jié)果可以看出，UWB輻照條件下，僅有較小的信號(hào)能量從天線端口輸出，對(duì)天線后端射頻鏈路影響較小。圖12為ESS開啟后，表面最大電流波形。從圖中可以看出，最大電流為0.4 A，但是持續(xù)時(shí)間非常短，在ESS可承受范圍內(nèi)。

圖12 ESS表面最大電流波形

3.2 ESS在HEMP輻照下的響應(yīng)

采用平面波垂直于ESS輻照方式，ESS防護(hù)狀態(tài)開啟前后，天線端口輸出波形如圖13所示。

圖13 HEMP輻照下ESS防護(hù)狀態(tài)開啟前后天線端口輸出波形

從圖13可以看出，HEMP輻照條件下，由天線端口輸出波形能量較小，對(duì)天線后端電路影響較小。由天線耦合進(jìn)入后端能量較小,原因在于HEMP波形能量主要集中在幾百兆范圍內(nèi)，而導(dǎo)航天線工作頻率在1.56 GHz左右，因此HEMP能量難以從天線進(jìn)入射頻前端。

圖14為HEMP輻照下，ESS表面最大電流波形圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最大電流幅度約為0.83 A，超過(guò)PIN二極管最大允許電流值。但由于持續(xù)時(shí)間短，不會(huì)造成PIN二極管損傷。

圖14 HEMP輻照下ESS表面最大電流

圖13和圖14仿真結(jié)果表明，HEMP輻照下，從導(dǎo)航天線流入的能量較小，ESS表面感應(yīng)電流不足以使其損傷。

3.3 ESS在HPM輻照下的響應(yīng)

采用平面波垂直ESS輻照方式，ESS防護(hù)狀態(tài)開啟前后，天線端口輸出波形如圖15所示。

圖15 HPM輻照下ESS防護(hù)狀態(tài)開啟前后天線端口輸出波形

從圖15可以看出，在HPM輻照下，當(dāng)ESS未開啟時(shí)，天線端口輸出波形電壓峰值為21.1 V；當(dāng)ESS開啟時(shí)，天線端口輸出波形電壓峰值為1.5 V，ESS屏蔽效能達(dá)到22.9 dB。從仿真結(jié)果可以看出，HPM輻照下，未加載ESS導(dǎo)航天線將可能受到損傷。

圖16展示了在平面波輻照下，ESS表面集總元件處的最大感應(yīng)電流，其值可達(dá)240 mA，現(xiàn)市面上有較多的PIN二極管(如SKYWORKS公司的CLA4601-000二極管)均能承受此電流。

圖16 HPM輻照下ESS表面最大電流

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用電磁仿真方式分析了加載ESS前后，導(dǎo)航天線在強(qiáng)電磁輻照下的端口輸出電壓波形。HEMP頻率范圍主要在幾百兆以下，UWB頻率分布較廣，無(wú)論加載ESS與否，導(dǎo)航天線端口輸出電壓均較小，難以對(duì)天線后端電路造成損傷。HPM能量集中在較小頻率范圍內(nèi)，當(dāng)瞄準(zhǔn)導(dǎo)航天線工作頻率時(shí)，加載ESS導(dǎo)航天線能夠有效降低天線端口耦合能量，保證后端電路安全。同時(shí)從仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HEMP、UWB以及HPM均不會(huì)對(duì)ESS造成不可逆的損傷。