馬世川 蔣 丹 張 帆 金兆鑫

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

高功率微波是強(qiáng)電磁脈沖的一種，其頻率范圍為300 MHz～300 GHz，峰值功率高于100 MW。高功率微波具有功率高、脈寬短、頻率高、易于與目標(biāo)耦合等特點，因此受到軍事領(lǐng)域的重視[1]。地雷作為一種傳統(tǒng)的防御性武器，在歷次戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用，尤其是第二次世界大戰(zhàn)期間，地雷的使用達(dá)到了頂峰，但也因此在世界各地遺留下數(shù)億地雷，給人民的生命安全帶來了巨大的威脅，使得掃雷的必要性大增[2]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，地雷也逐漸電子化與智能化，傳統(tǒng)的掃雷設(shè)備已不能滿足高效、快速、大面積的掃雷需求，而高功率微波掃雷是最有希望實現(xiàn)上述掃雷需求的新技術(shù)之一。高功率微波可通過“前門”或“后門”耦合到地雷內(nèi)部的電子線路上，造成電路中器件狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)、閉鎖或者使器件性能下降，從而使地雷失效或引爆[2]。

由于地雷屬于危險性物品，出于安全考慮，試驗所用地雷經(jīng)過改裝后不含炸藥。為方便測量地雷引信作用時的信號，改裝后的地雷通過引入外接線纜將引信置于地雷外，暴露在地雷外的線纜在高功率微波輻照下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流會直接作用到地雷引信上，從而影響高功率微波對地雷輻照效應(yīng)試驗的作用閾值，因此需對外接線纜屏蔽防護(hù)。本文通過電磁仿真軟件CST分析了不同場強(qiáng)、入射角等寬譜高功率微波(WB-HPM)輻照下線纜耦合情況，與地雷內(nèi)部線纜耦合情況進(jìn)行比較，并使用接地完好的屏蔽盒減小場線耦合的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓，為后續(xù)高功率微波作用下地雷輻照效應(yīng)試驗的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

1 場線耦合理論分析

高功率微波對電子系統(tǒng)的耦合作用有“前門耦合”和“后門耦合”兩種，其中，前門耦合是指能量通過目標(biāo)上的天線、傳輸線等媒質(zhì)耦合到其接收或發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)，破壞其電子設(shè)備；后門耦合是指通過目標(biāo)上的縫隙或孔洞等耦合進(jìn)入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成干擾或損傷[7-9]。對于前門耦合而言，當(dāng)高功率微波頻率等于或接近天線的接收頻率時，耦合到天線的能量最大，而當(dāng)微波頻率與天線的接收頻率相差很大時，耦合到系統(tǒng)內(nèi)部的能量將很小。對于地雷而言，其外殼在加工時難免會存在孔縫，高功率微波很容易通過孔縫進(jìn)入地雷，直接輻射在地雷內(nèi)部的電子電路上，通過電子器件的非線性耦合，對引信電路造成效應(yīng)。另外現(xiàn)如今非金屬外殼地雷大量涌現(xiàn)，高功率微波很容易穿透外殼直接作用到引信電路上，當(dāng)場強(qiáng)足夠大時，耦合到引信電路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流會使引信電路產(chǎn)生誤觸發(fā)信號，使電子開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)而使點火頭點燃，引爆地雷；當(dāng)場強(qiáng)過大時，將會導(dǎo)致電子引信元器件損傷，使地雷失效。其作用過程如圖1所示。

圖1 高功率微波對地雷引信電路的作用過程

為確保掃雷試驗的安全，試驗用地雷不含炸藥，但在地雷改裝時，不可避免地引入了線纜，引入的線纜暴露在高功率微波環(huán)境下，在線纜上感應(yīng)出電壓、電流，感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流會隨著線纜進(jìn)入到引信電路內(nèi)部，對正常情況下的測試結(jié)果造成影響，因此需要分析高功率微波與線纜的耦合影響。

場線耦合分析方法有兩種：場的方法和路的方法。場的方法是基于Maxwell方程的天線理論，通常假定導(dǎo)線的截面積比最小有意義波長要小很多。但是，當(dāng)線纜的電學(xué)尺寸相對較長時，天線理論方法需要非常長的計算時間和很高的計算資源。路的方法是基于傳輸線方程，將線纜用沿著軸向的分布式參數(shù)結(jié)構(gòu)來表征，對于具有電小截面尺寸的均勻傳輸線，采用傳輸線理論得到的結(jié)果與基于Maxwell方程和試驗的結(jié)果都吻合得非常好，并且物理模型易于理解，是現(xiàn)在常用的場線耦合分析方法[3]。

場線耦合的傳輸線模型最早由Taylor等提出，此后又經(jīng)Agrawal、Rachidi等提出了另外兩種等效模型，它們廣泛應(yīng)用到電磁傳播、耦合和相互作用的分析計算中，并不斷被發(fā)展完善，但要求線纜對地的橫向尺寸遠(yuǎn)小于線纜長度[3]。用傳輸線模型計算的線纜負(fù)載端的電流、電壓響應(yīng)，可以得到與采用場的方法基本一致的計算精度，且三種模型的結(jié)果是一致的。下面以Taylor模型為例進(jìn)行簡要介紹。

Taylor模型的等效電路如圖2所示，有兩個激勵源，分別為垂直電場形成的分布電流源和水平磁場形成的分布電壓源，微分變量為線纜電壓U(x)和電流I(x)。

圖2 Taylor模型等效電路

圖2中，h為線纜距地面高度，Zω為線纜與大地之間的阻抗，Zg為大地回路內(nèi)部阻抗，Yg為大地導(dǎo)納。

對于Taylor、Agrawal、Rachidi三種不同的耦合模型，激勵電磁場的某一給定分量對總的感應(yīng)電壓和電流的貢獻(xiàn)不同，但對于線纜感應(yīng)的總電壓和總電流，雖然三種模型考慮電磁耦合的方式不同，但其完全等效，都能得到相同的計算結(jié)果，這里便不再多加敘述。

2 基于CST的高功率微波作用下線纜耦合仿真分析

CST軟件套裝包含8個工作室，其中CST電纜工作室基于傳輸線理論，將用戶自定義的線纜線束模型生成等效電路模型，可用于分析各種復(fù)雜線纜結(jié)構(gòu)。CST電纜工作室與CST微波工作室及CST設(shè)計工作室結(jié)合使用，可用來計算外界電磁場耦合到線纜上的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流等結(jié)果，也可以計算線纜線束對外空間的輻射場。

2.1 建立線纜模型

因為外接線纜是直接暴露在高功率微波環(huán)境下的，只需要分析線纜上的感應(yīng)電流，因此只要對線纜進(jìn)行仿真分析即可。在CST電纜工作室中建立線纜模型，用有限大理想導(dǎo)體模擬大地[6]，如圖3所示。在CST微波工作室中設(shè)置激勵源，激勵源設(shè)為平面波，采用寬譜高功率微波激勵，波形如圖4所示。

圖3 線纜模型

圖4 寬帶高功率微波波形

由圖4可知，該寬譜高功率微波峰值場強(qiáng)為35 kV/m，中心頻率為300 MHz，經(jīng)FFT變換后如圖5所示。

圖5 FFT變換波形

為保證安全，在試驗時地雷不含點火頭，為模擬地雷觸發(fā)時點火頭的狀態(tài)，用10Ω電阻代替點火頭，通過測量通過電阻的電壓、電流來判斷點火頭的狀態(tài)。因此在仿真時，我們只需測量電阻處的感應(yīng)電流即可，在CST設(shè)計工作室中連接電路，模擬實際電路工作時的負(fù)載，如圖6所示。圖6中，P1是測量電阻感應(yīng)電流的探頭。

圖6 線纜電路模型

2.2 線纜半徑、場強(qiáng)、入射角對耦合電流的影響

因外接線纜的長度是固定的，因此不再討論線纜長度對耦合電流的影響。設(shè)定寬譜高功率微波入射方向為-Z，以2 m×1 m的無厚度理想導(dǎo)體模擬大地，改變?nèi)肷鋱鰪?qiáng)，分別選取場強(qiáng)峰值為30 kV/m，35 kV/m和40 kV/m，觀測探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖7所示。

圖7 場強(qiáng)對線纜感應(yīng)電流的影響

由圖7可知，線纜耦合電流隨入射波場強(qiáng)的增大而增大，并且是成比例的增加。當(dāng)場強(qiáng)增大時，電磁場的電場沿X軸的切向分量也隨之增大，因此在線纜上的耦合也就增加。

選取場強(qiáng)峰值為35 kV/m，寬譜高功率微波入射方向不變，將線纜半徑改為0.05 cm，0.1 cm和0.25 cm，觀測探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖8所示。

圖8 線纜半徑對線纜感應(yīng)電流的影響

從圖8可以看出，隨著線纜半徑增大，線纜感應(yīng)電流峰值隨之增大，波形整體形狀并未發(fā)生改變。當(dāng)線纜半徑增大時，其特性阻抗會減小，兩端傳輸線的反射系數(shù)會增大，因此電流幅值將會增大。

選取場強(qiáng)峰值為35 kV/m，線纜半徑為0.05 cm，改變?nèi)肷浣?，即入射波的傳播方向與XZ平面的夾角，將入射角改為30°、45°和60°，觀測探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖9所示。

圖9 入射角對線纜感應(yīng)電流的影響

通過圖9可知，隨著入射角增大，線纜耦合電流逐漸上升，波形整體形狀不變。改變?nèi)肷浣莾H改變?nèi)肷洳ㄔ诰€纜方向的分量，入射角越大，電場沿線纜的切向分量越大，耦合電流也就越大。同時，入射角增大可使菲涅爾反射系數(shù)增大，進(jìn)而增強(qiáng)反射波的效果，使線纜兩端傳輸線負(fù)載上的電壓增大[4-5]。

3 場線耦合屏蔽分析

從圖7、圖8、圖9可以看出，直接暴露在高功率微波環(huán)境下線纜的耦合電流可達(dá)到1～4A，因為外接的線纜兩端直接相連點火頭，而點火頭的安全電流一般在mA量級，線纜上的耦合電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于點火頭的安全電流，從而導(dǎo)致點火頭工作，使地雷引爆。為保證地雷輻照效應(yīng)試驗真實可靠性，對外接的線纜采用屏蔽的防護(hù)措施，減小線纜帶來的影響。

3.1 屏蔽盒對耦合電流的影響

將外露線纜放到地雷內(nèi)部，如圖10所示，選取寬譜高功率微波場強(qiáng)峰值為35 kV，入射方向為-Z方向，線纜半徑為0.05 cm，記錄探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖11所示。

圖10 地雷模型

圖11 地雷內(nèi)部線纜感應(yīng)電流

由圖11可知，地雷內(nèi)部線纜在寬譜高功率微波環(huán)境下的耦合電流峰值為710 mA，小于直接暴露在寬譜高功率微波環(huán)境下線纜的耦合電流。為減小線纜耦合的影響，這里使用屏蔽盒對線纜進(jìn)行屏蔽。屏蔽盒模型如圖12所示，其尺寸為30 cm×20 cm×15 cm，厚0.2 cm，兩端有2 cm寬孔縫，方便線纜以及測量設(shè)備的連接。添加屏蔽盒后的線纜感應(yīng)電流如圖13所示，其峰值為1.8 mA，衰減約52 dB，遠(yuǎn)小于在地雷內(nèi)部的感應(yīng)電流值，由此可見，采用屏蔽盒可有效地減小因外接線纜而引入的感應(yīng)電流。

圖12 屏蔽盒模型

圖13 屏蔽后的感應(yīng)電流

3.2 屏蔽盒對地雷內(nèi)部場強(qiáng)的影響

屏蔽盒能減小線纜耦合電流，但屏蔽盒的引入又會對場強(qiáng)造成影響，使地雷內(nèi)部場強(qiáng)發(fā)生改變，進(jìn)而影響線纜或電子器件上的感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓。通過CST微波工作室對屏蔽盒輻照分析，如圖14所示，在屏蔽盒內(nèi)部場強(qiáng)很小，可見屏蔽盒能有效地減小線纜上的感應(yīng)電流，但在屏蔽盒周圍，尤其是屏蔽盒四角，場強(qiáng)大幅度增加。因屏蔽盒與地雷尺寸相差不大，又與地雷之間距離很小，在屏蔽盒四周增大的場強(qiáng)將通過地雷孔縫或直接穿過地雷外殼進(jìn)入內(nèi)部，進(jìn)而耦合到電子引信電路上，使原有的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流增大，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖14 屏蔽盒對場強(qiáng)的影響

當(dāng)電磁場傳播到屏蔽盒時，在屏蔽盒表面會有感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，電荷密度與導(dǎo)體表面的形狀有關(guān)，在凹的部位電荷密度接近為0，而在尖端部位電荷密度最大。屏蔽盒形狀為長方體，在棱邊處電荷密度最大，因此會對電磁波有增強(qiáng)效應(yīng)。分析這一現(xiàn)象，是因為屏蔽盒接地不完整導(dǎo)致，用無厚度的理想導(dǎo)體模擬大地，并適當(dāng)增大理想導(dǎo)體的尺寸，盡可能模擬無限大大地。接地后屏蔽盒周圍場強(qiáng)如圖15所示，可見有明顯的減小。接地屏蔽后地雷內(nèi)部場強(qiáng)與未加屏蔽盒時相比較，兩者相差僅8.6%，如圖16所示，可見，良好的接地可減小屏蔽盒對場強(qiáng)的影響。另外，從圖中可以看出，屏蔽盒中心處場強(qiáng)要小于邊角處，為減少屏蔽盒內(nèi)部場線耦合以及因接地不完整帶來的誤差，線纜及測量設(shè)備放入屏蔽盒時應(yīng)盡量放在中心位置，避免與屏蔽盒接觸。

圖15 屏蔽盒接地后周圍場強(qiáng)

圖16 屏蔽盒接地后與未加屏蔽盒場強(qiáng)比較

4 場線耦合屏蔽試驗分析

為確保屏蔽盒的屏蔽效能，對上述屏蔽盒進(jìn)行了加工，并通過試驗測量了在寬譜高功率微波環(huán)境下線纜的感應(yīng)電流以及屏蔽后的感應(yīng)電流，試驗框圖如圖17所示，試驗結(jié)果如圖18所示。

圖17 場線耦合試驗示意圖

因為測量電流使用的羅氏線圈直接暴露在寬譜高功率微波環(huán)境下，在羅氏線圈上會有感應(yīng)電流的存在，另外連接羅氏線圈和示波器使用的屏蔽線也會有少量感應(yīng)電流，因此需要對測量設(shè)備在寬譜高功率微波下的感應(yīng)電流進(jìn)行測量，記為感應(yīng)電流(1)，如圖18(a)所示。使用該測量設(shè)備測量外接線纜感應(yīng)電流，記為感應(yīng)電流(2)，如圖18(b)所示，將兩者相減得到在線纜上的感應(yīng)電流，如圖18(c)所示，其峰值為914 mA，而仿真結(jié)果為1.23 A，這是因為仿真模型采用的是有限大地，另外試驗不是在微波暗室中進(jìn)行的，會有反射波的存在，都會對試驗結(jié)果造成誤差。利用上述方法對屏蔽后的線纜測量其感應(yīng)電流，如圖18(d)、圖18(e)、圖18(f)所示，其峰值為4.6 mA，而仿真得到屏蔽后的感應(yīng)電流峰值為1.8 mA，都遠(yuǎn)小于未屏蔽時的感應(yīng)電流，可見屏蔽盒可以有效地減小線纜上的感應(yīng)電流。

圖18 寬譜高功率環(huán)境下線纜感應(yīng)電流及屏蔽后線纜感應(yīng)電流

5 結(jié)束語

本文通過CST軟件仿真分析了不同條件下寬譜高功率微波對線纜的耦合影響，并使用屏蔽盒對外接線纜進(jìn)行屏蔽，屏蔽后的感應(yīng)電流峰值為1.8 mA，地雷內(nèi)部場強(qiáng)與未加屏蔽盒時相差僅8.6%，但使用屏蔽盒必須要良好的接地，否則將對場強(qiáng)造成較大影響。最后通過試驗驗證了屏蔽盒的屏蔽性能，試驗得到屏蔽后的感應(yīng)電流峰值為4.6 mA，可采用屏蔽盒對外接線纜進(jìn)行屏蔽。本文的仿真與試驗結(jié)果對后續(xù)高功率微波作用下地雷輻照效應(yīng)試驗的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)，同時也對場線耦合引起的電磁干擾問題提供了幫助。