毫米波探測(cè)器的超寬帶耦合特性

陳凱柏, 高 敏,*, 周曉東, 畢軍建, 王 毅

(1. 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)導(dǎo)彈工程系, 河北 石家莊 050003; 2. 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)彈藥工程系, 河北 石家莊 050003; 3. 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050003)

0 引 言

毫米波探測(cè)器通過(guò)調(diào)制電磁波感知距離信息,由于其測(cè)距精度高、抗干擾能力強(qiáng)、距離選擇能力強(qiáng)、器件體積輕巧等特點(diǎn),已成為近程探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一[1-3]。但是,毫米波探測(cè)器由大量電子器件構(gòu)成,容易受到電磁干擾,而超寬帶(ultra-wideband,UWB)作為電磁干擾的典型代表,具有上升前沿窄、峰值功率高、頻譜范圍廣的特征,能夠通過(guò)“前門(mén)耦合”或者“后門(mén)耦合”干擾探測(cè)器工作,導(dǎo)致探測(cè)器出現(xiàn)誤動(dòng)作,對(duì)近程探測(cè)器系統(tǒng)的生存環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[4-6]。

毫米波探測(cè)器應(yīng)用廣泛,是近程探測(cè)系統(tǒng)的核心裝置,因此對(duì)探測(cè)器開(kāi)展UWB效應(yīng)研究有重要意義。UWB效應(yīng)與腔體幾何形狀、干擾信號(hào)、入射方向等諸多因素緊密相關(guān),其研究方法一般可分為數(shù)值分析和試驗(yàn)研究?jī)深?lèi)[7-8]。文獻(xiàn)[9-13]利用BLT(Baum-Liu-Tesche)方程對(duì)復(fù)雜腔體及腔內(nèi)傳輸線的耦合效應(yīng)進(jìn)行了分析,但是其結(jié)論較難拓展到任意腔體的耦合效應(yīng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,部分學(xué)者利用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)腔體散射參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,利用隨機(jī)耦合模型(random coupling model, RCM)建立入射波與端口響應(yīng)間的傳遞函數(shù),得到腔體內(nèi)電場(chǎng)分布的概率密度函數(shù),可實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)耦合效應(yīng)的預(yù)測(cè)[14-18]。該方法理論上可以應(yīng)用于任何腔體模型,但是在小尺寸探測(cè)器上的應(yīng)用還存在很多問(wèn)題需要解決。在試驗(yàn)研究方面,文獻(xiàn)[19-20]對(duì)腔內(nèi)印刷電路板的電磁脈沖耦合效應(yīng)進(jìn)行仿真和試驗(yàn),其結(jié)論可作為探測(cè)器UWB效應(yīng)研究的參考。文獻(xiàn)[21]針對(duì)炮彈用近程探測(cè)器進(jìn)行UWB試驗(yàn),得出了該型探測(cè)器的效應(yīng)閾值,但是對(duì)能量耦合機(jī)理未做進(jìn)一步研究。除以上方法外,數(shù)值仿真軟件在建模和精確計(jì)算上都具有一定優(yōu)勢(shì),在復(fù)雜電子系統(tǒng)效應(yīng)分析中的應(yīng)用越來(lái)越普遍,文獻(xiàn)[22-23]使用有限積分算法 (finite integration technology,FIT)研究了毫米波探測(cè)器的UWB前門(mén)耦合效應(yīng),但是缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。此外,一些學(xué)者對(duì)北斗導(dǎo)航接收機(jī)[24-26]、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[27-29]、高空輸電線纜[30]等常見(jiàn)電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了研究,相關(guān)結(jié)論對(duì)毫米波探測(cè)器的UWB效應(yīng)分析有一定參考意義。

結(jié)合以上研究成果可知,電子系統(tǒng)的UWB效應(yīng)研究屬于系統(tǒng)性工程,單純通過(guò)仿真或試驗(yàn)較難有效對(duì)其電磁敏感性進(jìn)行評(píng)估。因此,本文結(jié)合仿真結(jié)論和試驗(yàn),首先對(duì)探測(cè)器模型的UWB耦合規(guī)律進(jìn)行研究,然后通過(guò)UWB試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)某型毫米波探測(cè)器進(jìn)行輻照試驗(yàn),對(duì)能量耦合路徑做出初步判斷,研究結(jié)論對(duì)近程探測(cè)系統(tǒng)抗電磁干擾能力評(píng)估和防護(hù)加固有指導(dǎo)意義。

1 FIT算法原理

FIT算法由Weiland于1977年首次提出,該方法通過(guò)離散麥克斯韋積分方程進(jìn)行數(shù)值求解,適用于從靜態(tài)場(chǎng)計(jì)算到時(shí)域或頻域高頻應(yīng)用的各種電磁問(wèn)題,其空間離散由兩組正交網(wǎng)格(主網(wǎng)格和雙網(wǎng)格)完成,如圖1所示。

圖1 FIT中的網(wǎng)格離散化

在兩個(gè)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上,通過(guò)在網(wǎng)格邊緣分配電壓和在雙網(wǎng)格邊緣分配磁電壓,可以將麥克斯韋方程組從連續(xù)空間轉(zhuǎn)換為離散空間。電壓和磁通分量的分配如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格中電壓和磁通分量的分配

在有限時(shí)域積分法下,麥克斯韋網(wǎng)格方程組的完整離散集可以用一種新的形式表示為

(1)

(2)

Sb=0

(3)

(4)

相比于解析形式的麥克斯韋方程組,FIT在離散化過(guò)程中并未引入任何近似條件。得益于解析形式下的梯度、旋度和散度算子之間的特性,即旋度散度恒等于零,梯度的旋度恒等于零,在網(wǎng)格空間中完全保持不變,如下所示:

(5)

(6)

相比較于矩量法和有限元法,FIT法不需要進(jìn)行矩陣求逆運(yùn)算,所需內(nèi)存小,求解速度更快,因此被廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)特性研究。

2 仿真模型建立

2.1 探測(cè)器仿真模型

以某型K波段毫米波探測(cè)器為對(duì)象建立簡(jiǎn)化仿真模型,如圖3所示。該模型由屏蔽腔體、射頻電路板和數(shù)字電路板3部分組成,頂部開(kāi)有天線窗,底部留有直徑2 mm的接線通孔,模型尺寸約為28 mm×28 mm×14 mm,壁厚為1 mm。射頻電路板表貼有微帶天線,中間安裝有收發(fā)隔離器;數(shù)字電路板置于屏蔽腔體底座,裝有數(shù)字信號(hào)處理芯片;此外,在印刷電路板側(cè)面豎直放置一條細(xì)導(dǎo)線,模擬內(nèi)部連線在UWB輻照下的線纜耦合響應(yīng),如圖4所示。

圖3 探測(cè)器整體模型

圖4 探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 超寬帶仿真模型

工程上常用的UWB信號(hào)有高斯脈沖、埃爾米特脈沖和一些實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)脈沖等,其中以高斯脈沖應(yīng)用最為廣泛,一階微分高斯脈沖可表示為

(7)

式中:E0為脈沖峰值因子;t0為脈寬常數(shù);tw為時(shí)間延遲。對(duì)其做傅里葉變換,可得脈沖頻域表達(dá)式:

(8)

2.3 仿真試驗(yàn)設(shè)置

將模型中的微帶天線、金屬管腳材料設(shè)置為純銅,細(xì)導(dǎo)線使用單芯銅線,將屏蔽殼和底座材料設(shè)置為理想導(dǎo)體,介質(zhì)基板厚度設(shè)置為1.2 mm,材料設(shè)置為聚四氟乙烯。設(shè)置UWB為峰值50 kV/m、脈寬常數(shù)為0.5 ns的平面波,傳播方式為垂直極化、水平傳播,能量耗散閾值為-30 dB。為了觀察模型內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng),在模型中心線處設(shè)置監(jiān)測(cè)探針,定義屏蔽效能為

(9)

式中:v為腔體內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)電壓;v0為不存在腔體時(shí)的觀測(cè)點(diǎn)電壓。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 探測(cè)器腔內(nèi)耦合效應(yīng)

首先對(duì)腔體耦合效應(yīng)進(jìn)行仿真分析,得到2.5 ns時(shí)腔體電場(chǎng)分布如圖5和圖6所示。從圖5可以看出,UWB能量主要分布在腔體頂部天線窗開(kāi)孔,由外殼向腔內(nèi)逐漸衰減,能量密度最高可達(dá)0.084 J/m3;從圖6可以看出,能量在腔體上下表面邊緣處較為集中,而腔內(nèi)電場(chǎng)能量密度低于腔體表面,說(shuō)明探測(cè)器腔體對(duì)UWB電磁脈沖有一定的屏蔽作用。

圖5 探測(cè)器表面電場(chǎng)分布

圖6 探測(cè)器內(nèi)部電場(chǎng)分布

為進(jìn)一步明確腔體屏蔽效能,計(jì)算腔體中心線不同觀測(cè)點(diǎn)的峰值感應(yīng)電場(chǎng),并根據(jù)式(9)對(duì)腔體屏蔽效能量化表示,如圖7所示。從圖7可以看出,探測(cè)器腔體內(nèi)部屏蔽效能最大差值可達(dá)65 dB,隨著觀測(cè)位置從腔體底部通孔逐漸移至頂部開(kāi)孔,腔體屏蔽效能逐漸降低。從仿真結(jié)果還可以看出,在探測(cè)器電路板布局設(shè)計(jì)時(shí),敏感元件應(yīng)盡量放置于腔體底部,以獲取最佳屏蔽效果。

圖7 探測(cè)器腔體屏蔽效能

3.2 入射角對(duì)耦合效應(yīng)的影響

探測(cè)器的耦合效應(yīng)與其姿態(tài)密切相關(guān),因此對(duì)不同入射角下的腔體屏蔽效能進(jìn)行研究。分別以X軸、Y軸和Z軸為軸,在芯片上表面中心點(diǎn)處設(shè)置電場(chǎng)探針,分析該點(diǎn)在探測(cè)器繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的屏蔽效能。從圖8可以看出,沿Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí),腔體屏蔽效能基本不變,沿Y軸旋轉(zhuǎn)和沿Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)腔體屏蔽效能變化趨勢(shì)一致,最大值為107.98 dB,最小值為20.40 dB,二者差值為87.58 dB,因此在面臨UWB威脅時(shí),及時(shí)改變探測(cè)器與UWB之間的相對(duì)姿態(tài)能夠有效避免探測(cè)器被干擾。

圖8 改變?nèi)肷浣菍?duì)屏蔽效能的影響

此外,從圖8中還可以看出,探測(cè)器在0位置處即豎直向上時(shí)屏蔽效能最差,因此在考核探測(cè)器抗UWB干擾能力時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮該姿態(tài)下的抗干擾閾值。當(dāng)探測(cè)器處于0位置時(shí),其歸一化頻譜分布如圖9所示。可以看出,感應(yīng)電場(chǎng)和入射UWB在能量幅值分布上較為一致,由于腔體較為封閉,脈沖能量在腔內(nèi)反射形成諧振效應(yīng),因此在4～6 GHz頻段附近出現(xiàn)波動(dòng),但是波動(dòng)幅度不明顯,對(duì)能量分布影響微弱。

圖9 感應(yīng)電場(chǎng)和輻照電場(chǎng)頻譜

3.3 探測(cè)器內(nèi)敏感部位耦合效應(yīng)分析

由以上分析基本可以明確探測(cè)器在UWB輻照下的敏感姿態(tài)以及能量耦合入口,但是在防護(hù)加固方面僅能提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的建議,要對(duì)探測(cè)器進(jìn)行全方位加固,還需要對(duì)其腔內(nèi)敏感部位進(jìn)行分析。

從電磁場(chǎng)理論出發(fā),腔體內(nèi)任何導(dǎo)體均可被視為廣義天線,成為能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)耐ǖ?包括微帶天線、細(xì)導(dǎo)線、芯片管腳等,其能量耦合一般可用Friis傳輸公式計(jì)算,設(shè)Sr為接收天線處功率密度,則有：

(10)

若接收天線有效面積為Aer,可得天線耦合功率Pr為

(11)

(12)

式中:λ為天線工作波長(zhǎng)；Gr為接收天線增益。將損耗因子Le引入式(12),可以得到：

(13)

式中:Bt為UWB發(fā)射源天線帶寬;Br為接收天線帶寬。分析可知,能量耦合功率與天線接收增益和損耗因子等參數(shù)有關(guān),理論上以上參數(shù)可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得,但是由于毫米波探測(cè)器體積很小,內(nèi)部電子器件密集,在實(shí)際試驗(yàn)中很難得到相關(guān)參數(shù),因此采用數(shù)值仿真方法對(duì)耦合信號(hào)進(jìn)行研究是一種經(jīng)濟(jì)高效的手段。

設(shè)置探測(cè)器姿態(tài)為最敏感姿態(tài),使用50 Ω負(fù)載端口監(jiān)測(cè)模型中微帶天線、金屬管腳和連接線的耦合電壓,結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?由于有效接收面積、材料等方面的影響,三者耦合效應(yīng)差異明顯。其中,連接線上端耦合電壓峰值為4.67 V,天線末端耦合電壓峰值為0.60 V,金屬管腳耦合電壓峰值為0.09 V,換算為功率單位分別為26.4 dBm、8.57 dBm和-7.09 dBm。由仿真結(jié)果可以看出,對(duì)探測(cè)器進(jìn)行防護(hù)時(shí)需要重點(diǎn)考慮腔內(nèi)連接線的防護(hù)。此外,連接線上端耦合效應(yīng)要強(qiáng)于下端耦合效應(yīng),因此在器件布局時(shí)應(yīng)盡量將連接線置于腔體底部,以減小耦合效應(yīng)。

圖10 敏感部位耦合電壓

4 探測(cè)器UWB輻照試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)某型探測(cè)器開(kāi)展UWB輻照試驗(yàn),圖11為UWB輻照試驗(yàn)平臺(tái)示意圖。該平臺(tái)主要由初級(jí)儲(chǔ)能電源、脈沖變壓器、脈沖形成線、火花隙開(kāi)關(guān)、共面TEM拋物反射面天線和控制系統(tǒng)等構(gòu)成,如圖12所示。當(dāng)初級(jí)儲(chǔ)能電源充電完畢后,由控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào),對(duì)脈沖變壓器放電,脈沖變壓器將電壓抬升,在脈沖形成線上形成初級(jí)脈沖,初級(jí)脈沖在經(jīng)過(guò)火花隙開(kāi)關(guān)后形成強(qiáng)電磁脈沖,繼而由共面天線輻射至外部空間。

圖11 UWB輻照試驗(yàn)平臺(tái)

圖12 UWB輻照試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

4.2 UWB脈沖參數(shù)

UWB電磁脈沖為水平傳播的垂直極化波,其工作模式分為單次觸發(fā)和重復(fù)觸發(fā)兩種。圖13為實(shí)測(cè)UWB輻照?qǐng)鰪?qiáng)與距離的變化關(guān)系,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)UWB場(chǎng)強(qiáng)-距離變化關(guān)系擬合,擬合曲線可近似表示為

圖13 UWB場(chǎng)強(qiáng)-距離關(guān)系

(14)

式中:E為電場(chǎng)強(qiáng)度;x為場(chǎng)點(diǎn)距輻照天線的距離。

從圖13可看出輻照?qǐng)鰪?qiáng)呈指數(shù)衰減變化,最大輻照?qǐng)鰪?qiáng)為436 kV/m。UWB試驗(yàn)平臺(tái)底部裝有滑輪,可靈活調(diào)整輻照試驗(yàn)距離,從而改變輻照?qǐng)鰪?qiáng)。圖14為1 m處實(shí)測(cè)UWB時(shí)域電壓波形,從圖中可以看出脈沖時(shí)域波形與微分高斯脈沖相似,由于外場(chǎng)試驗(yàn)存在反射效應(yīng),脈沖尾部存在一定波動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)時(shí)域波形做傅里葉變換,得到其歸一化頻譜如圖15所示,可以看出,UWB脈沖頻譜從低頻一直延伸至2 GHz,其能量主要集中在1 GHz內(nèi)。

圖14 時(shí)域電壓波形

圖15 歸一化頻譜

4.3 探測(cè)器工作原理

圖16為受試探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。該型探測(cè)器工作波段為K波段,探測(cè)器工作時(shí),由三角波發(fā)生器控制壓控振蕩器產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻的三角波信號(hào),一部分信號(hào)作為接收電路的本振信號(hào),另一部分信號(hào)作為天線發(fā)射信號(hào),經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射之后被接收機(jī)接收。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波變頻放大后送至信號(hào)處理芯片,經(jīng)信號(hào)處理測(cè)得探測(cè)器與目標(biāo)之間的距離,當(dāng)距離達(dá)到預(yù)設(shè)門(mén)限值時(shí),輸出觸發(fā)控制信號(hào)。

圖16 探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 探測(cè)器改裝

受試探測(cè)器需要外部電源供電才能實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能,為滿足試驗(yàn)?zāi)康?需要對(duì)受試探測(cè)器進(jìn)行改裝,如圖17所示。在探測(cè)器底部安裝金屬殼體,二者通過(guò)螺紋連接,殼體內(nèi)包含供電電源,電源開(kāi)關(guān)安裝在殼體表面,殼體底部裝有同軸轉(zhuǎn)接頭,可以將探測(cè)器輸出的觸發(fā)控制信號(hào)傳遞至示波器。

圖17 改裝探測(cè)器

5 試驗(yàn)設(shè)置與步驟

5.1 試驗(yàn)設(shè)置

為確保試驗(yàn)的科學(xué)性和合理性,試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建原則為:系統(tǒng)能夠滿足試驗(yàn)要求,試驗(yàn)設(shè)備本身盡量減少附加干擾。根據(jù)以上原則設(shè)置輻照試驗(yàn),試驗(yàn)系統(tǒng)整體如圖18所示。

圖18 輻照試驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括UWB輻照試驗(yàn)平臺(tái)、探測(cè)器及金屬殼體、供電電源、木制試驗(yàn)臺(tái)、同軸線纜、示波器、衰減器、屏蔽箱體。UWB輻照試驗(yàn)平臺(tái)可發(fā)射不同重復(fù)頻率的UWB脈沖,用以進(jìn)行輻照試驗(yàn),是整個(gè)系統(tǒng)的輸入源;金屬殼體內(nèi)有供電電源和電源開(kāi)關(guān),可控制探測(cè)器電源通斷;木質(zhì)試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)探測(cè)器在水平、俯仰、自轉(zhuǎn)3個(gè)角度的姿態(tài)調(diào)整;示波器用于監(jiān)測(cè)和記錄探測(cè)器輸出的觸發(fā)控制信號(hào),試驗(yàn)時(shí)將其置于屏蔽箱內(nèi),并使用同軸線連接探測(cè)器和示波器,以免信號(hào)傳輸受到UWB脈沖影響。為減小墻體對(duì)UWB脈沖的干擾,造成脈沖信號(hào)質(zhì)量下降,試驗(yàn)在室外開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行,圖19為試驗(yàn)外場(chǎng)環(huán)境。

圖19 外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境

5.2 試驗(yàn)步驟

輻照試驗(yàn)步驟如下。

步驟 1測(cè)試探測(cè)器的工作狀態(tài),確保探測(cè)器能夠正常工作。

步驟 2打開(kāi)電源開(kāi)關(guān),將探測(cè)器放置于試驗(yàn)臺(tái)上。采用單次觸發(fā)方式發(fā)射UWB脈沖,不斷調(diào)整探測(cè)器姿態(tài)和輻照距離,每次試驗(yàn)后測(cè)試探測(cè)器的工作狀態(tài),并觀察示波器界面,記錄探測(cè)器的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng),確定最敏感姿態(tài)。

步驟 3以最敏感姿態(tài)將探測(cè)器置于輻照?qǐng)鲋?發(fā)射不同場(chǎng)強(qiáng)、不同重復(fù)頻率的UWB脈沖進(jìn)行輻照試驗(yàn),觀察示波器窗口,確定UWB脈沖對(duì)探測(cè)器的影響規(guī)律。

步驟 4以最敏感姿態(tài)將探測(cè)器置于輻照?qǐng)鲋?通過(guò)設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)的方法,確定UWB脈沖的能量耦合通道,分析探測(cè)器的失效機(jī)理。

5.3 最敏感姿態(tài)分析

為考核抗電磁干擾極限水平,需要確定探測(cè)器的最敏感姿態(tài)。定義(x,y,z)分別代表水平角、俯仰角和自轉(zhuǎn)角,(0,0,0)位置為初始姿態(tài),表示探測(cè)器指向UWB輻照試驗(yàn)平臺(tái),探測(cè)器軸線與UWB脈沖傳播方向平行,電源開(kāi)關(guān)孔豎直向上,如圖20所示。

圖20 探測(cè)器初始姿態(tài)

試驗(yàn)所用的UWB脈沖為水平傳播的垂直極化波,所以本文重點(diǎn)對(duì)此極化方式和入射角度下探測(cè)器的最敏感姿態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)前人研究結(jié)論,將探測(cè)器的UWB效應(yīng)等級(jí)定義為以下4類(lèi)[13-14]: 0級(jí)，無(wú)任何影響; 1級(jí)，探測(cè)器工作中斷,能夠通過(guò)電源復(fù)位恢復(fù); 2級(jí)，探測(cè)器出現(xiàn)持續(xù)虛警現(xiàn)象,無(wú)法通過(guò)電源復(fù)位恢復(fù); 3級(jí)，探測(cè)器輻照后不能輸出信號(hào),無(wú)法通過(guò)電源復(fù)位恢復(fù)。

對(duì)UWB輻照試驗(yàn)平臺(tái)供電,打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)對(duì)探測(cè)器加電,調(diào)整探測(cè)器姿態(tài)為(0,0,0)初始姿態(tài),首先使用單脈沖觸發(fā)的方式進(jìn)行輻照試驗(yàn),脈沖發(fā)射5次,每次發(fā)射后測(cè)試探測(cè)器是否正常工作,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖21和圖22分別為探測(cè)器A和探測(cè)器B的效應(yīng)數(shù)據(jù)圖,可以看出,在相同輻照?qǐng)鰪?qiáng)下,當(dāng)受試姿態(tài)為(0,90,0)和(0,90,90)時(shí),探測(cè)器出現(xiàn)工作中斷的現(xiàn)象,需進(jìn)行電源復(fù)位才能繼續(xù)工作。由于這兩種姿態(tài)下探測(cè)器的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)幾乎相同,因此認(rèn)為探測(cè)器最敏感姿態(tài)為(0,90,0),在后續(xù)試驗(yàn)中,按照該姿態(tài)放置探測(cè)器。

圖21 不同姿態(tài)下探測(cè)器A效應(yīng)數(shù)據(jù)圖

5.4 輻照效應(yīng)現(xiàn)象

為進(jìn)一步研究探測(cè)器在UWB輻照下的效應(yīng)現(xiàn)象,以最敏感姿態(tài)將探測(cè)器放置于輻照?qǐng)鲋?。分別使用單脈沖(5次)、5 Hz/1 s(5次)、25 Hz/1 s(5次)、25 Hz/5 s(5次)、25 Hz/10 s(5次)的觸發(fā)方式進(jìn)行輻照試驗(yàn),探測(cè)器只要出現(xiàn)一次效應(yīng)情況即記錄。

圖23為探測(cè)器A的效應(yīng)數(shù)據(jù)圖?？梢钥闯?當(dāng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)小于150 kV/m時(shí),無(wú)論UWB觸發(fā)方式是哪一種,都無(wú)法使探測(cè)器A出現(xiàn)效應(yīng)現(xiàn)象;當(dāng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)度在150～360 kV/m時(shí),5種UWB觸發(fā)方式都可以使探測(cè)器A在輻照后工作中斷;當(dāng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)為436 kV/m時(shí),探測(cè)器A在輻照后輸出觸發(fā)控制信號(hào)(見(jiàn)圖24),此時(shí)將電源開(kāi)關(guān)復(fù)位,發(fā)現(xiàn)探測(cè)器A在前方無(wú)目標(biāo)情況下仍能輸出觸發(fā)控制信號(hào)(見(jiàn)圖25),判斷其出現(xiàn)虛警現(xiàn)象。試驗(yàn)后將探測(cè)器A靜置1 h,而后測(cè)試其工作性能,發(fā)現(xiàn)探測(cè)器A仍然處于虛警狀態(tài)。

圖23 不同觸發(fā)方式下探測(cè)器A效應(yīng)數(shù)據(jù)圖

圖24 探測(cè)器輸出控制信號(hào)

圖25 探測(cè)器出現(xiàn)虛警

圖26為探測(cè)器B效應(yīng)數(shù)據(jù)圖?？梢钥闯?當(dāng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)小于360 kV/m時(shí),其效應(yīng)現(xiàn)象與探測(cè)器A一致。當(dāng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)為436 kV/m時(shí),探測(cè)器B在輻照后輸出觸發(fā)控制信號(hào),此時(shí)將電源開(kāi)關(guān)復(fù)位,測(cè)試探測(cè)器B的工作狀態(tài),發(fā)現(xiàn)探測(cè)器B在距離門(mén)限內(nèi)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)無(wú)法輸出觸發(fā)信號(hào),出現(xiàn)探測(cè)失效的現(xiàn)象。將探測(cè)器B靜置1小時(shí),而后測(cè)試其工作性能,發(fā)現(xiàn)探測(cè)器B仍然無(wú)法恢復(fù)工作,由此判斷探測(cè)器可能因?yàn)閁WB輻照而導(dǎo)致硬損傷。

圖26 不同觸發(fā)方式下探測(cè)器B效應(yīng)數(shù)據(jù)圖

結(jié)合效應(yīng)數(shù)據(jù)可知,該型探測(cè)器的輻照?qǐng)鰪?qiáng)敏感閾值在150 kV/m左右,輻照?qǐng)鰪?qiáng)越高,探測(cè)器的效應(yīng)越強(qiáng)。當(dāng)輻照?qǐng)鰪?qiáng)增大到436 kV/m時(shí),輻照后探測(cè)器會(huì)出現(xiàn)虛警和硬損傷這兩種不可逆效應(yīng)。

5.5 能量耦合通道分析

為確定探測(cè)器失效機(jī)理,首先需要確定UWB能量的主要耦合通道。該型探測(cè)器與外連金屬殼體共地,采用塑封技術(shù)固定射頻電路板和信號(hào)處理電路板,其微帶天線表貼于射頻電路板,觸發(fā)控制信號(hào)由信號(hào)處理芯片輸出。UWB能量的可能耦合途徑有3種:① 能量通過(guò)殼體縫隙耦合進(jìn)入內(nèi)部,作用于探測(cè)器,導(dǎo)致輸出觸發(fā)控制信號(hào);② 能量通過(guò)金屬殼體直接耦合,耦合電壓通過(guò)共地電路傳導(dǎo)至探測(cè)器內(nèi);③ 能量通過(guò)天線窗進(jìn)入內(nèi)部,在敏感部位處產(chǎn)生耦合電壓,導(dǎo)致探測(cè)器輸出觸發(fā)信號(hào)或是被損傷。

針對(duì)①中假設(shè),根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知,當(dāng)縫隙尺寸小于波長(zhǎng)的八分之一時(shí),耦合能量即可忽略不計(jì)。而試驗(yàn)用UWB脈沖波長(zhǎng)最低約為150 mm(與2 GHz頻率對(duì)應(yīng)),探測(cè)器與外連金屬殼體由螺紋套件連接,周身無(wú)明顯縫隙,因此判斷縫隙不是能量的主要耦合通道。

針對(duì)②中假設(shè),在相同條件下對(duì)同型號(hào)探測(cè)器C進(jìn)行輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)使用銅皮覆蓋探測(cè)器C的頂部,如圖27所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖27 屏蔽措施

表1 輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出,用金屬遮擋住探測(cè)器頂部后,無(wú)論輻照?qǐng)鰪?qiáng)和觸發(fā)方式如何變化,均不能觀察到效應(yīng)現(xiàn)象,這說(shuō)明外連金屬殼體不是能量的耦合途徑。結(jié)合表1、圖23和圖26中效應(yīng)數(shù)據(jù)可知,UWB能量主要通過(guò)探測(cè)器天線窗耦合進(jìn)入探測(cè)器內(nèi),并導(dǎo)致探測(cè)器出現(xiàn)效應(yīng)現(xiàn)象。

5.6 敏感部位仿真分析

由于通過(guò)輻照試驗(yàn)難以獲取探測(cè)器內(nèi)敏感部位的耦合電壓,因此可借助數(shù)值分析的手段對(duì)敏感部位進(jìn)行初步判斷。將3 m處實(shí)測(cè)電壓波形數(shù)據(jù)作為輻照仿真源,對(duì)探測(cè)器進(jìn)行輻照試驗(yàn),得到探測(cè)器內(nèi)各部位耦合電壓如圖28所示,表2為敏感部位耦合峰值功率。

圖28 敏感部位耦合電壓

表2 敏感部位峰值功率

由于實(shí)測(cè)脈沖低頻能量更為豐富,因此金屬管腳耦合峰值功率提升更高,為-2.38 dBm。由于探測(cè)器天線工作在K波段,而UWB能量主要集中在1 GHz內(nèi),因此天線與UWB之間的耦合效應(yīng)較弱。結(jié)合圖28和表2數(shù)據(jù)可以看出,在實(shí)測(cè)UWB輻照下,探測(cè)器腔內(nèi)連接線纜仍是能量耦合的主要途徑,在下一步試驗(yàn)研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)某型毫米波探測(cè)器的UWB輻照效應(yīng)進(jìn)行研究。首先通過(guò)仿真計(jì)算,得到了探測(cè)器的最敏感姿態(tài)和能量耦合通道,并利用UWB輻照試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)仿真結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下:① 在垂直極化、水平傳播的UWB輻照下,探測(cè)器最敏感姿態(tài)為豎直狀態(tài),沿Z軸旋轉(zhuǎn)其耦合效應(yīng)保持不變;② UWB能量通過(guò)探測(cè)器頂部的天線窗耦合進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)部,在輻照下探測(cè)器出現(xiàn)死機(jī)、虛警和硬損傷3種效應(yīng)現(xiàn)象,其中虛警和硬損傷為不可逆現(xiàn)象。由于腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)難以測(cè)量,因此使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)探測(cè)器模型進(jìn)行輻照試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)連接線耦合效應(yīng)最強(qiáng),下一步應(yīng)重點(diǎn)對(duì)腔內(nèi)線纜耦合效應(yīng)進(jìn)行研究。

通過(guò)分析比較,可以確定本文研究方法與研究結(jié)論的有效性,值得在同類(lèi)裝備相關(guān)研究中應(yīng)用推廣。結(jié)合本文研究結(jié)論,綜合考慮運(yùn)用實(shí)際,建議:① 毫米波探測(cè)器應(yīng)加強(qiáng)UWB脈沖防護(hù)能力,首先可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手,盡量減小天線窗口,從而降低耦合能量;② 在不影響天線收發(fā)的前提下,優(yōu)化探測(cè)器整體設(shè)計(jì),使得探測(cè)部分盡量靠近腔體底部,遠(yuǎn)離天線窗;③ 重點(diǎn)加強(qiáng)探測(cè)器內(nèi)連接線抗脈沖干擾能力,在電子器件敏感端口處可以考慮連接低插損低通濾波電路,減小脈沖干擾。

本文研究是毫米波探測(cè)器開(kāi)展電磁防護(hù)能力評(píng)估的重要部分,盡管得到了初步的研究結(jié)果,但對(duì)于毫米波探測(cè)器與UWB電磁脈沖耦合效應(yīng)的研究,仍需要大量試驗(yàn)繼續(xù)分析。因此,在下一步工作中,除了對(duì)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化、提高計(jì)算精度和深入研究其他因素對(duì)耦合效應(yīng)的影響外,還應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)毫米波探測(cè)器強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)能力評(píng)價(jià)方法研究,進(jìn)而為近程探測(cè)系統(tǒng)抗電磁干擾能力和防護(hù)加固提供更系統(tǒng)更全面的理論和數(shù)據(jù)支撐。