螺旋天線電磁脈沖響應(yīng)特性研究*

段澤民， 朱 博， 仇善良， 司曉亮， 姚志成

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省飛機(jī)雷電防護(hù)省級實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；3.強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

0 引 言

電磁脈沖(electromagnetic pulse,EMP)主要產(chǎn)生于高空核爆、電磁脈沖彈、雷電及導(dǎo)管效應(yīng)等，其產(chǎn)生機(jī)理、破壞效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)在國內(nèi)外已得到廣泛研究[1,2]，其中以美國、俄羅斯的技術(shù)較為領(lǐng)先。而國內(nèi)起步較晚，主要集中在對孔縫、線纜及天線耦合的研究[3～5]。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展和電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，天線作為電子系統(tǒng)中信號的收發(fā)裝置，除了工作頻帶內(nèi)的性能要滿足要求外，還應(yīng)該考慮外界電磁場對天線的耦合效應(yīng)。外界強(qiáng)電磁脈沖能夠通過天線或線纜耦合進(jìn)入接收機(jī)[6]，并以能量的形式作用到敏感的半導(dǎo)體器件上，如金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)電路的柵擊穿、保護(hù)電路的燒毀、雙極型器件的PN結(jié)擊穿等[7～9]。從而影響系統(tǒng)正常工作或者損壞設(shè)備。因此,研究天線在電磁脈沖環(huán)境下的耦合特性，對系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義，并對其他天線的研究具有一定的參考意義[5,10～13]。

因螺旋天線具有寬波束、圓極化等特性，并且螺旋線天線能提高天線的定向性和增益。這些優(yōu)點(diǎn)使得螺旋天線在天文探測、軍事對抗、衛(wèi)星系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)被衛(wèi)星和地面站所采用[14]。

本文研究了螺旋天線在雙指數(shù)電磁脈沖不同入射角照射下的響應(yīng)特性，研究了幾何尺寸變化時(shí)，螺旋天線對電磁脈沖的響應(yīng)特性，總結(jié)了一些規(guī)律性的認(rèn)識，并結(jié)合試驗(yàn)加以驗(yàn)證，對天線接收系統(tǒng)的電磁脈沖防護(hù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基本理論

1.1 高空核爆電磁脈沖的數(shù)學(xué)模型[15]

其時(shí)域表達(dá)式為

(1)

與之對應(yīng)的頻域表達(dá)式為

(2)

式中E0為脈沖峰值；k為峰值修正系數(shù)；β,α分別為脈沖前，后沿參數(shù)。其波形參數(shù)k=1.3，E0=5×104V/m，α=4×107/s，β=6×108/s。其時(shí)域、頻域波形如圖1所示。

圖1 電磁脈沖時(shí)域和頻域波形

圖1中電磁脈沖為電磁脈沖時(shí)域波形，其電場峰值為5×104V/m，上升時(shí)間(10%～90%電場峰值)為2.5ns，峰值時(shí)間為4.8ns，脈寬(50%電場峰值)為23ns。頻譜帶寬較大，96%的能流分布范圍在100kHz～100MHz，輻射能量密度為0.114J/m2。

1.2 天線計(jì)算模型

采用廣泛應(yīng)用的螺旋天線作為電磁脈沖耦合特性規(guī)律的研究對象。螺旋天線是將導(dǎo)電性能良好的金屬導(dǎo)線(或管、帶)繞制成圓柱螺旋彈簧形狀，一端用同軸線饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體接螺旋線，外導(dǎo)體與反射板相連。天線的結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)如圖2所示。

圖2 螺旋天線結(jié)構(gòu)

圖2中e為電磁脈沖入射方向；E為電場方向；θ為電磁脈沖與天線軸向的夾角，(即入射角)；a為繞制螺旋天線所用金屬導(dǎo)線的橫截面半徑；R0為螺旋半徑；d為螺距；n為螺旋圈數(shù)；D為反射板邊長；h為螺旋起點(diǎn)與反射板之間的高度；C為螺旋天線每一圈的周長；H為螺旋天線的軸向高度；L為繞制螺旋天線所用導(dǎo)線的實(shí)際長度。螺旋天線幾何參數(shù)之間的關(guān)系為

C2=(2πR0)2+d2

(3)

H=nd+h

(4)

L=nC+h

(5)

2 仿真結(jié)果與分析

本文選取H=37.5cm，D=10cm，d=5cm，n=6，螺旋線采用半徑為0.4cm的銅線，反射板采用鋁板。采用CST MWS對螺旋天線的電磁脈沖響應(yīng)特性進(jìn)行建模仿真。激勵(lì)信號為IEC61000—2—9標(biāo)準(zhǔn)中的雙指數(shù)脈沖，頻率范圍為0～1GHz，采用六面體網(wǎng)格對仿真模型進(jìn)行劃分。為模擬真實(shí)試驗(yàn)現(xiàn)場，采用較大金屬平板作為地面，邊界條件設(shè)置為open邊界，計(jì)算至能量衰減完全。

2.1 天線電磁脈沖響應(yīng)特性

當(dāng)螺旋天線結(jié)構(gòu)保持不變時(shí)，對不同電磁脈沖入射方向(入射角為30°，60°，90°)下的螺旋天線進(jìn)行仿真，其50Ω負(fù)載電阻器的耦合電壓時(shí)域波形和頻域波形如圖3所示。由圖3中的天線響應(yīng)曲線可得如下結(jié)論：

圖3 50 Ω負(fù)載電阻的耦合電壓波形

1)螺旋天線在電磁脈沖輻照下的耦合電壓波形為衰減的正弦波，其耦合電壓峰值隨入射角的增大而增大，當(dāng)入射角為90°時(shí)，即當(dāng)電場方向與天線軸向平行時(shí)，其耦合電壓達(dá)到最大值。但入射角的變化對電壓上升率影響較小。因電磁脈沖激勵(lì)源與天線具有近1m的距離，故響應(yīng)時(shí)間延遲3ns。

2)電磁脈沖照射下，天線的頻率響應(yīng)曲線在61MHz處發(fā)生諧振，電磁脈沖入射角的改變不影響耦合電壓的頻率成分，但對其響應(yīng)幅值產(chǎn)生一定影響。

3)當(dāng)入射角為90°時(shí)，螺旋天線的耦合電壓峰值接近1.5kV，電壓上升率可達(dá)0.3kV/ns以上，上升沿時(shí)間(0.1～0.9Vmax)為3.573ns，略大于入射脈沖的上升沿時(shí)間2.5ns。

對天線接收系統(tǒng)內(nèi)部的電子元器件的影響除了耦合電壓外，還有瞬時(shí)功率和沉積能量，這些均會(huì)導(dǎo)致電子元器件的損壞，從而影響系統(tǒng)的正常工作。電磁脈沖下螺旋天線端接負(fù)載上的瞬時(shí)功率表達(dá)式為

(6)

端口負(fù)載沉積的耦合能量時(shí)域積分表達(dá)式為

(7)

式中RL為負(fù)載電阻值；UL(t)為隨時(shí)間變化的電壓函數(shù)；“*”為共軛符號。

根據(jù)式(6)、式(7)可得出電磁脈沖入射角為30°，60°及90°條件下，螺旋天線端口50Ω負(fù)載上的瞬時(shí)功率與沉積能量如圖4所示。由圖4中功率和能量曲線可得結(jié)論：

圖4 50 Ω負(fù)載上的功率及沉積能量波形

1)螺旋天線上產(chǎn)生的耦合電壓可在50Ω負(fù)載端口上產(chǎn)生數(shù)十千瓦的瞬時(shí)功率，當(dāng)入射角為90°時(shí)，瞬時(shí)功率可達(dá)48kW以上。

2)其沉積的能量最大可達(dá)0.7mJ，遠(yuǎn)高于典型電子元器件損傷閾值，這將嚴(yán)重影響后繼電子系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，對不同系統(tǒng)的具體損傷量級需作進(jìn)一步的評估。

3)天線耦合能量分布主要集中在400MHz以內(nèi)，而100MHz內(nèi)沉積耦合能量占總耦合能量的98%以上，這與入射電磁脈沖的頻譜特性關(guān)系很大。

2.2 天線不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律

為了得到電磁脈沖下螺旋天線結(jié)構(gòu)變化對其耦合電壓的影響，采用控制變量法對天線進(jìn)行仿真研究，即保持仿真模型其他參數(shù)不變，通過該變天線的螺距或螺旋圈數(shù)總結(jié)其響應(yīng)規(guī)律并進(jìn)行分析。

保持電磁脈沖入射角為90°不變，即螺旋天線在電磁脈沖最嚴(yán)酷的照射方向下，只改變螺旋天線的螺距，對天線響應(yīng)特性進(jìn)行規(guī)律性的總結(jié)。其電磁脈沖響應(yīng)規(guī)律曲線如圖5所示。

圖5 螺距變化時(shí)的電磁脈沖響應(yīng)規(guī)律

由圖5曲線可得出結(jié)論：

1)螺旋天線的端口耦合電壓峰值、電壓上升率隨著螺距的增大線性增加，可知天線端口的耦合電壓與天線的方向性有效耦合長度成正比，電壓上升時(shí)間基本保持不變。

2)隨著天線螺距的增加，耦合電壓衰減速度越來越快，但其衰減時(shí)間的下降趨勢越來越弱。由圖5(d)可知，螺旋天線螺距的改變對耦合電壓的諧振頻率影響很小。

3)天線的瞬時(shí)功率隨著螺距的增大而增加，結(jié)合式(6)中功率與電壓的關(guān)系，可知功率與天線方向性有效耦合長度的平方成正比；根據(jù)式(7)，雖電壓衰減時(shí)間下降，但電壓上升幅度較大，所以其沉積能量增加較為明顯。

保持電磁脈沖入射角為90°不變，即螺旋天線在電磁脈沖最嚴(yán)酷的照射方向下，對于螺旋天線的結(jié)構(gòu)，只改變其螺旋圈數(shù)，對天線響應(yīng)特性進(jìn)行規(guī)律性的總結(jié)。電磁脈沖響應(yīng)規(guī)律如圖6所示。

圖6 圈數(shù)變化時(shí)的電磁脈沖響應(yīng)規(guī)律

由圖6的曲線可得出如下結(jié)論：

1)隨著螺旋天線圈數(shù)增加，其端口耦合電壓峰值線性增長，圈數(shù)的增加也會(huì)改變天線的方向性有效耦合長度，從而增大耦合電壓峰值。而電壓上升率卻略有下降。

2)耦合電壓衰減時(shí)間隨天線圈數(shù)的增加而增大，表明其衰減速度越來越慢。螺旋天線圈數(shù)的增加對耦合電壓的諧振頻率影響很大，即天線圈數(shù)的增加導(dǎo)致耦合電壓諧振頻率減小。

3)天線的瞬時(shí)功率隨著螺距的增大而增加，結(jié)合式(6)中功率與電壓的關(guān)系，可知功率與天線方向性有效耦合長度的平方成正比；根據(jù)式(7)，耦合電壓、衰減時(shí)間均增大，繼而導(dǎo)致耦合能量大幅增大。

綜上所述，結(jié)合仿真規(guī)律，預(yù)期螺旋天線電磁脈沖效應(yīng)的一般變化規(guī)律，指導(dǎo)螺旋天線的電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)可從以下幾個(gè)方面考慮：1)根據(jù)電磁脈沖的入射方向來調(diào)整天線的位置，盡量減小電磁脈沖與天線軸長的夾角；2)在不影響天線輻射性能的前提下，通過減小螺距或圈數(shù)降低電磁脈沖對天線的耦合影響；3)在天線端口選擇合適的限幅器件。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

試驗(yàn)依據(jù)GJB151B中的RS105瞬態(tài)電磁場輻射敏感度測試方法，對電磁脈沖下螺旋天線的耦合電壓進(jìn)行測量，驗(yàn)證天線耦合效應(yīng)仿真結(jié)果的正確性[16～18]，其試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。試驗(yàn)所用螺旋天線尺寸、材料及脈沖激勵(lì)波形與仿真基本一致。試驗(yàn)中將螺旋天線置于測試區(qū)域，其軸向與電場方向平行，天線端口經(jīng)屏蔽電纜匹配50Ω負(fù)載，并將耦合電壓傳送至數(shù)字存儲示波器。得到試驗(yàn)耦合波形如圖8所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場

圖8 試驗(yàn)與仿真耦合電壓波形對比

從圖8中的螺旋天線耦合電壓波形對比可知，試驗(yàn)與仿真僅存在以下兩點(diǎn)差異：1)試驗(yàn)耦合電壓峰值略大于仿真耦合電壓峰值，原因是試驗(yàn)所用天線的端口結(jié)構(gòu)誤差及端接線纜導(dǎo)致其輸出阻抗略大于仿真端接負(fù)載阻抗(50Ω)。2)試驗(yàn)波形的振蕩周期略高于仿真波形，即試驗(yàn)波形諧振頻率(48MHz)略低于仿真波形諧振頻率(61MHz)，原因是試驗(yàn)天線結(jié)構(gòu)誤差及試驗(yàn)環(huán)境的差異性導(dǎo)致。除此之外，試驗(yàn)波形與仿真波形能夠基本吻合，說明了仿真具有很高的精度，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可參考性，其研究結(jié)果和結(jié)論能夠有效指導(dǎo)螺旋天線的電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 論

本文對螺旋天線的電磁脈沖響應(yīng)進(jìn)行了建模分析，并通過改變電磁脈沖的入射角、螺旋天線的螺距和圈數(shù)，仿真得到了其電磁脈沖響應(yīng)特性，總結(jié)了一些電磁脈沖響應(yīng)規(guī)律曲線，最后結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可參考性，具有很高的可靠性。同時(shí)也說明了研究結(jié)果和結(jié)論對螺旋天線的電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)具有較大的工程意義和實(shí)用價(jià)值。

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