電磁脈沖與短波天線耦合特性的研究

謝斌

摘 要：近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)對(duì)電磁脈沖與短波天線耦合特性的研究進(jìn)入了白熱化階段，且在整個(gè)研究的過(guò)程當(dāng)中，研究人員還借助“電磁學(xué)矩量法”，對(duì)短波天線中存在著的一些問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的探究，并根據(jù)探究的結(jié)果，得出了許多具有較高可行性的解決辦法，以提高電磁脈沖與短波天線的耦合性。因此，該文將針對(duì)電磁脈沖與短波天線，對(duì)其的耦合特性進(jìn)行深入的分析和探究。

關(guān)鍵詞：電磁脈沖 耦合特性 短波天線 電磁學(xué)

中圖分類號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0023-01

1 簡(jiǎn)析電磁脈沖與短波天線耦合性的重要性

目前，由于各種高科技設(shè)備以及技術(shù)的出現(xiàn)，我國(guó)短波天線的類型較以前相比，已經(jīng)增多了無(wú)數(shù)倍。而設(shè)計(jì)人員在對(duì)短波天線進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，也作出了“電磁干擾給短波天線的性能造成的影響”研究，他們普遍認(rèn)為：能夠引發(fā)電磁波出現(xiàn)的因素，除了各種機(jī)械設(shè)備以及外界環(huán)境之外，還應(yīng)當(dāng)包括人類的活動(dòng)，比如：高空核電磁脈沖，它就是一種人為形成的電磁干擾。雖然，這些由不同因素引發(fā)的電磁干擾，對(duì)短波天線的影響時(shí)間比較短，且這種干擾也是能夠進(jìn)行逐漸恢復(fù)的。但是，倘若這種電磁干擾的程度比較強(qiáng)烈，那么其給短波天線造成的損害將是無(wú)法恢復(fù)的。這樣一來(lái)，不僅大大降低短波天線的運(yùn)行效率，還會(huì)給使用商帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了能夠讓短波天線實(shí)現(xiàn)安全、可靠的運(yùn)行過(guò)程，電磁脈沖與短波天線的耦合特性，就成為了當(dāng)今社會(huì)中的研究熱點(diǎn)。

2 分析矩量法

當(dāng)在借助矩量法對(duì)電磁問(wèn)題進(jìn)行分析與處理的時(shí)候，要依照研究對(duì)象子域的特點(diǎn)及其運(yùn)行的要求，科學(xué)地對(duì)基函數(shù)進(jìn)行選擇，以確保選用的基函數(shù)能夠在研究對(duì)象的各個(gè)子域中發(fā)揮出最大的作用，比如：在某一研究對(duì)象中，存在著三個(gè)子域，它們分別是：連接、導(dǎo)線以及導(dǎo)體域。其中，通過(guò)采用某種特定的方法（這里主要是指：“三角面元法”）對(duì)導(dǎo)體域進(jìn)行分析之后，可確定其基函數(shù)為“RWG”；而導(dǎo)線域的基函數(shù)則為“三角屋頂”。其次，由于連接域可被再分，所以它們的基函數(shù)較為復(fù)雜，為：

上述方程式當(dāng)中，an代表的是三角形內(nèi)角的度數(shù)和，因?qū)嶋H計(jì)算的時(shí)候，只選取導(dǎo)體中部的位置，所以它的數(shù)值為2π；Akn代表的是三角形的總面積；r與r0則代表的是三角形的各個(gè)角和連接點(diǎn)之間的平面坐標(biāo)。

3 探析HEMP

眾所周知，HEMP是一種具有較強(qiáng)電磁干擾特性的電磁波，它主要來(lái)自于核爆炸，且它一旦出現(xiàn)，就會(huì)給通信系統(tǒng)帶來(lái)巨大的影響，使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，針對(duì)這種電磁波，我國(guó)有關(guān)部門在二十一世紀(jì)初，就提出了“HEMP標(biāo)準(zhǔn)”，即：波形近似值的前沿在2～3ns的范圍之內(nèi)，電磁場(chǎng)的最大值是50kV/m，脈沖峰的寬度在18～28ns的范圍之內(nèi)，且該電磁波的數(shù)學(xué)方程式是：

其中，E0的值為50kV/m，β的值為6×108/s，脈沖的寬度暫定為23ns，波形上升階段的周期是2.5ns，電磁場(chǎng)的最大值時(shí)4×107/s。

另外，HEMP的物理密度公式為：

，該計(jì)算式中的E（w）指的是電磁波周期變化域中的傅里葉，而另一個(gè)字母則代表的是波阻抗，它的值為：377Ω。因此，依照脈沖強(qiáng)度計(jì)算式：

，

可計(jì)算出HEMP電磁波中大約有98%的能量，凝聚在≤100MHz的頻段中。

4 探析數(shù)值仿真

我們假定要在某個(gè)導(dǎo)體板內(nèi)安裝長(zhǎng)度為十米的短波天線，為了確保安裝流程的準(zhǔn)確度，我們?cè)谶M(jìn)行安裝之前，先對(duì)系統(tǒng)的電流以及阻抗等參數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)分析得出的最終結(jié)果，將其拿來(lái)與FEKO進(jìn)行仿真比較。其中，F(xiàn)EKO的全名是“電磁仿真軟件”。

4.1 短波天線參數(shù)

分別讓短波天線在頻率為15、30以及45MHz的頻段中運(yùn)行，當(dāng)頻率發(fā)生改變的時(shí)候，短波天線產(chǎn)生的電流也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，且其變化的方式是：依照正弦函數(shù)的形式呈周期性改變的。另外，通過(guò)讓短波天線在≤60MHz的頻段中輸入相應(yīng)阻抗值的方法，同時(shí)借助EFKO軟件的仿真對(duì)比特性，可以得出這樣一個(gè)結(jié)果：當(dāng)短波天線處于60MHz以下的頻段中之時(shí)，其輸入的阻抗值變化情況，都與FEKO的仿真結(jié)果一致。

4.2 短波天線的響應(yīng)研究

我們假設(shè)HEMP的入射角為45°，仰角也為45°，那么通過(guò)固定方程式計(jì)算出來(lái)的短波天線感應(yīng)電流頻率波形圖如圖1，而在利用“傅里葉逆變”原理轉(zhuǎn)換而成的時(shí)域波形圖則為圖2。

從上文的陳述以及分析中，我們可以得知：能夠影響HEMP對(duì)通信系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的因素是入射波頻譜，所以HEMP會(huì)在通信系統(tǒng)的頻率≤100的頻段中產(chǎn)生較大的電磁干擾。此時(shí)，系統(tǒng)中的感應(yīng)電流的最大值就會(huì)超過(guò)原來(lái)的預(yù)定最大值100A。而這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其造成的破壞性是極其強(qiáng)大的。因此，設(shè)計(jì)人員在對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，還必須要充分考慮到HEMP對(duì)系統(tǒng)造成的電磁干擾，并針對(duì)這種電磁干擾，采取一系列有效的防護(hù)措施，對(duì)其進(jìn)行預(yù)防以及控制，以將HEMP的電磁干擾降至最低。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通信系統(tǒng)在我國(guó)各個(gè)行業(yè)當(dāng)中，都有著較為廣泛的應(yīng)用，比如：輪船制造行業(yè)、衛(wèi)星勘測(cè)行業(yè)以及飛機(jī)科研行業(yè)等，且這些行業(yè)所處的電磁環(huán)境都非常的復(fù)雜，加上其對(duì)通信系統(tǒng)的要求比較高，往往在一個(gè)通信系統(tǒng)中，都要安裝無(wú)數(shù)個(gè)短波天線，這就使得整個(gè)通信系統(tǒng)必須要具備較高的電磁脈沖與短波天線耦合特性。唯有這樣，才能夠讓通信系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)遭受到電磁波對(duì)其造成的破壞性影響，進(jìn)而直接提高了通信系統(tǒng)的運(yùn)行效率。與此同時(shí)，也可以讓由此設(shè)計(jì)出來(lái)的通信系統(tǒng)，成為推動(dòng)各個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。

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