舒 楠,張 厚,李圭源

(空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院,陜西三原713800)

0 引言

高功率微波武器通過前門耦合和后門耦合嚴(yán)重危害電子設(shè)備的安全。等離子體是一種奇特的媒質(zhì),對高功率微波的傳播有很大的影響。高功率微波與等離子體相互作用時,體現(xiàn)出不同于一般導(dǎo)體或介質(zhì)的特性。在一定條件下,等離子體能夠反射高功率微波,使微波能量反射出去;在一定條件下,又能吸收高功率微波,使透射進(jìn)入電子設(shè)備的微波功率低于干擾或破壞閾值;當(dāng)高功率微波入射角度變化時等離子體可以改變高功率微波的傳播方向,避免電子設(shè)備受到損傷。以上因素使等離子體成為電子設(shè)備防護(hù)高功率微波的新型材料。這里用FDTD的方法仿真計算了雙層屏蔽體加載等離子體使其高頻內(nèi)的屏蔽效能大大增加。

1 等離子體的特性分析

1.1 等離子體的濾波特性

對于某一頻段的高功率微波,存在一個等離子體截止電子數(shù)密度Ne0(即臨界電子數(shù)密度,對應(yīng)于等離子體頻率fp0),臨界數(shù)密度Ne0是等離子體中單粒子效應(yīng)和集約作用的分水嶺。當(dāng)?shù)入x子體電子數(shù)密度高于Ne0(等離子體頻率fp0高于入射電磁波頻率),入射的高功率微波將在等離子體表面產(chǎn)生全反射;而當(dāng)?shù)入x子體電子數(shù)密度低于Ne0(等離子體頻率fp0低于入射電磁波頻率)時,高功率微波可以無損耗地通過等離子體(不考慮碰撞)。顯然在這種情況下,等離子體具有濾波特性。高功率微波同等離子體截止電子數(shù)密度之間的關(guān)系可用下面公式表示:

式中,f為高功率微波的入射頻率。

1.2 等離子衰減系數(shù)α的計算

在部分電離等離子體中,由于中性氣體的密度遠(yuǎn)大于等離子體密度,因此可以忽略電子與離子的碰撞,另外由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量,所以電子振蕩頻率也遠(yuǎn)大于離子振蕩頻率。若忽略離子的影響,非磁化等離子體的相對介電常數(shù) εr可寫為[1]:

式中,ω為電磁波頻率;ωp為等離子頻率;ν為電子與中性粒子的碰撞頻率。求解麥克斯韋方程組可得衰減系數(shù)[1]:

1.3 等離子體的折射效應(yīng)

等離子體是頻率色散媒質(zhì),當(dāng)高頻電磁波在不均勻等離子體傳播時,等離子體密度梯度及等離子體與空氣分界處將對高功率微波產(chǎn)生折射,從而改變?nèi)肷潆姶挪ǖ姆较?間接地減少了高功率微波對電子設(shè)備的破壞。

2 模型的建立與計算結(jié)果分析

2.1 物理模型

設(shè)屏蔽腔體為理想導(dǎo)體,其幾何尺寸為300 mm×300mm×120 mm,壁厚1 mm,2層間距d=10mm。選取瞬態(tài)場波形為平面高斯脈沖波,時域形式為其中 t=τ=0.125 ns,

圖1 高斯脈沖時域波形

0幅度為1 000 V/m,其時域波形如圖1所示。分別對未加載等離子體和加載等離子體的屏蔽腔進(jìn)行計算,等離子體加載在雙層屏蔽腔中,厚度為10 mm,其截止頻率為2GHz。在計算中,激勵方式采用總場-散射場體系[3],即把計算區(qū)域利用連接邊界劃分成總場區(qū)和散射場區(qū),并通過對連接邊界的設(shè)置引入平面脈沖波。計算的物理模型如圖2所示。

圖2 計算的物理模型

2.2 計算過程

空間電磁場遵循麥克斯韋方程,利用時域有限差分法對電磁場的旋度方程進(jìn)行差分離散,得到時域差分方程可以得到 Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz六個差分方程。用這6個差分方程進(jìn)行迭代就可以模擬空間電磁場的分布情況。吸收邊界采用的是Mur二階吸收邊界[3]。式中ε為介電常數(shù)(F/m);i、j和k均為整數(shù),分別表示x、y和z坐標(biāo)方向的網(wǎng)格標(biāo)號;時間步長用Δt表示,用n表示時間步長個數(shù);Δy、Δz分別為y和z方向的空間網(wǎng)格步長。在仿真過程中,網(wǎng)格空間截斷邊界的實現(xiàn)用的是完全匹配層技術(shù)[4]。平面波激勵源由連接邊界處加入。設(shè)置空間網(wǎng)格步長為Δy=Δz=Δs=3 mm,則屏蔽腔的網(wǎng)格空間為100Δs×100Δs×40Δs,時間步長 Δt=2e-3 ns。

首先通過計算得到觀察點(diǎn)的時域波形,再通過傅里葉變換得到頻域波形,計算結(jié)果為隨頻率變化的電場耦合系數(shù)[5],其定義如下:

式中,Ei(f)和Ec(f)分別為入射電場強(qiáng)度和耦合電場強(qiáng)度。在此采用耦合系數(shù)作為計算結(jié)果可以更方便地考察電磁脈沖對有無加載等離子體腔體的耦合性能,觀察點(diǎn)選擇腔體中心處和距中心處前方60 mm的位置,來對比有無加載等離子體的屏蔽效能差異,如圖3和圖4所示。

圖3 中心處的耦合系數(shù)

圖4 距中心前方處60 mm的耦合系數(shù)

2.3 結(jié)果分析

從圖中可以明顯地看出在2～14 GHz中,強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入腔體的能量大大減少,不管是在腔體中心處還是距中心60 mm距離處,耦合系數(shù)都大大降低。在整個頻率區(qū)間上未加載等離子體的屏蔽腔比加載等離子體的耦合系數(shù)大了將近30 dB,從而可計算出加載等離子體的屏蔽腔的屏蔽效能可提高將近30 dB,因此比通過普通的雙層屏蔽更能起到防護(hù)高功率微波的作用。

通過對比等離子體防護(hù)和常規(guī)手段防護(hù)高功率微波,等離子體優(yōu)點(diǎn)如下:

①等離子體的觸發(fā)源是微波,在受到高功率微波照射時可以直接吸收和反射微波,避免了其他輔助手段,縮短了反應(yīng)時間;

②等離子體防護(hù)尤其在寬頻帶內(nèi)的防護(hù)效果比較明顯,比常規(guī)的防護(hù)手段更能達(dá)到實際的需求;

③產(chǎn)生等離子體的裝置比較簡單,更能適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。

3 結(jié)束語

隨著高功率微波武器的發(fā)展,加之戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,常規(guī)的屏蔽手段難以達(dá)到防護(hù)的要求。分析了在屏蔽腔中引入等離子體的理論基礎(chǔ),用時域有限差分法主要對強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入雙層屏蔽體的耦合系數(shù)進(jìn)行了計算。計算結(jié)果表明在常規(guī)的雙層屏蔽體中添加等離子體可使強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入腔體的大大降低,在2～14 GHz內(nèi)耦合系數(shù)降低了近30 dB,從而使屏蔽效能也提高了近30 dB。加載等離子體為新的屏蔽腔的設(shè)計提供了依據(jù),為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭復(fù)雜多變的電磁環(huán)境提供了一些理論基礎(chǔ)。

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