開口金屬腔體對強(qiáng)電磁脈沖的耦合效應(yīng)*

陳宗勝，李志剛

(國防科技大學(xué) 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 合肥 230037)

電子設(shè)備在各種武器系統(tǒng)中的作用越來越重要，而強(qiáng)電磁脈沖武器的出現(xiàn)對電子設(shè)備構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。一般來說，電子設(shè)備外部通常會加有金屬腔體進(jìn)行保護(hù)，但是在實(shí)際工作中，為便于散熱和傳輸信號等，金屬腔體表面不可避免地留有開口和孔縫，這為電磁脈沖信號進(jìn)入金屬腔體內(nèi)部提供了有效途徑[3-4]。當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖照射在金屬腔體表面時，入射波一方面在金屬腔體表面形成次級輻射源，持續(xù)向腔內(nèi)輻射電磁能量，另一方面，通過腔體表面的開口直接耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部，從而在腔體內(nèi)部疊加形成復(fù)雜的電磁分布。當(dāng)耦合進(jìn)入腔體內(nèi)的能量達(dá)到一定程度時，將會干擾甚至破壞腔體內(nèi)電子設(shè)備的正常工作。

目前，電磁脈沖武器主要有核電磁脈沖(High-amplitude ElectroMagnetic Pulse, HEMP)和高功率微波(High Power Microwave, HPM)兩種輻射類型[5]，研究這兩種強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入開口金屬腔體內(nèi)的電磁特性，不論是對于己方電磁脈沖武器的效能評估還是對于敵方電磁脈沖武器的防護(hù)都具有重要的意義。當(dāng)前，關(guān)于強(qiáng)電磁脈沖的孔縫耦合效應(yīng)的探討，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作。王建國等采用時域有限差分(Finite Different Time Domain, FDTD)模擬法計(jì)算分析了強(qiáng)電磁脈沖通過孔縫的耦合效應(yīng)，研究表明屏蔽體內(nèi)孔縫附近的耦合場強(qiáng)最大[6]；鮑永波等分析了電磁脈沖對正方形孔洞和長方形孔洞的耦合效應(yīng)，研究表明耦合效應(yīng)會受到極化方向的影響[7]。在前人的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究分析了腔體開口因素對強(qiáng)電磁脈沖破壞效能的影響，利用CST電磁仿真軟件建立了強(qiáng)電磁脈沖的孔縫耦合模型，利用該模型，通過考察不同情形下腔體內(nèi)耦合能量的改變，研究了腔體上孔縫的位置、大小以及長寬比等因素對HEMP和HPM耦合效應(yīng)的影響。

1 仿真模型

圖1為利用CST軟件建立的電磁脈沖孔縫耦合模型，電磁脈沖采用平面波激勵，傳播方向?yàn)?z方向，入射波電場和磁場方向分別為+x和-y方向。腔體大小為1000×1000×1000(若無特殊說明，模型中尺寸單位均采用mm)，腔體材質(zhì)設(shè)置為完美電導(dǎo)體，腔壁厚度為5，在z=1000、xy平面中心處設(shè)置正方形開口，開口大小為200×200，背景設(shè)為空氣。

圖1 電磁脈沖孔縫耦合模型Fig.1 Coupling model induced by powerful electromagnetic pulse

為了便于后續(xù)仿真結(jié)果分析，在計(jì)算過程中，設(shè)置電場強(qiáng)度探針用于記錄強(qiáng)電磁脈沖在腔體不同位置處的耦合信號特征。將電場探針分別設(shè)置在目標(biāo)腔體內(nèi)部中軸線不同位置(yz平面，x=500)，如圖2所示，分別為Middle probe(500,500,1000)、A0 probe(500,500,900)、B0 probe(500,500,500)、C0 probe(500,500,100)。

圖2 電場強(qiáng)度探針設(shè)置示意Fig.2 Schematic diagram of electric field probes inside the cavity

2 強(qiáng)電磁脈沖設(shè)置

2.1 HEMP的設(shè)置

目前，電磁脈沖彈是典型電磁脈沖武器之一，其輻射的HEMP時域波形可采用雙指數(shù)函數(shù)來表達(dá)[8-9]，具體為：

E(t)=E0·k·[exp(-αt)-exp(-βt)]

其中，E0為脈沖峰值場強(qiáng)，α、β的值影響波形脈寬、上升時間等參數(shù)。

選取文獻(xiàn)[8]所述的典型電磁脈沖彈輻射的電磁脈沖作為參考，假設(shè)E0=5×105V/m，k=1.214，α=3.5×106，β=1.5×109，波形上升時間為2.645 ns，脈沖寬度為100 ns，峰值功率為1×109W/m2，在100 ns的時間內(nèi)輻射的總能量密度為1.3×10-3J/cm2。

2.2 HPM的設(shè)置

HPM輻射電場通常近似表示[10-11]為：

其中，E0為場強(qiáng)峰值，τ為脈寬，t1為脈沖上升時間和下降時間，f0為載波頻率。

選用6 GHz作為HPM的載波頻率，根據(jù)文獻(xiàn)[11]給出的高功率微波武器參數(shù)，假設(shè)有效功率密度為5×109W/m2，場強(qiáng)峰值E0=2×106V/m，在100 ns的輻射時間內(nèi)釋放的總能量密度為5×10-2J/cm2。

3 結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

利用前面的模型即可計(jì)算得到不同時刻強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入開口金屬腔體內(nèi)的電磁場。圖3和圖4分別給出了t=3.3 ns時刻HEMP以及t=19.25 ns時刻HPM在yz(x=500)平面上耦合電場的分布。從圖中可以看出，兩種強(qiáng)電磁脈沖可通過腔體開口向腔內(nèi)輻射能量，入射波會在腔內(nèi)振蕩傳播，形成獨(dú)特的空間電磁分布。

通過對所設(shè)置的電場探針測得的信號進(jìn)行提取，可以得到不同位置處耦合信號的時域波形，如圖5所示。對于HEMP，Middle probe和A0 probe測得的電場強(qiáng)度峰值較大，B0 probe和C0 probe處電場強(qiáng)度峰值較小，并且均小于入射場強(qiáng)峰值，這說明只有少部分HEMP能量能耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部。對于HPM，B0 probe和C0 probe處測得的電場強(qiáng)度大于Middle probe和A0 probe處，并且峰值大于入射場強(qiáng)峰值2×106V/m，這一現(xiàn)象與HEMP孔縫耦合效應(yīng)有所不同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：入射HPM頻率較高，耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部受到孔縫的限制較小，同時，耦合過程中進(jìn)入腔體內(nèi)部的電磁能量不斷疊加積累，從而導(dǎo)致腔體內(nèi)部分區(qū)域的場強(qiáng)峰值會大于入射場強(qiáng)峰值。

(a) HEMP

(b) HPM圖5 電場強(qiáng)度探針測得的耦合信號Fig.5 Coupled signals measured by the electric field probes

對不同條件下探針測得的電場信號進(jìn)行處理，得到的功率密度和能量密度值如表1所示。從表中可以看出，HEMP和HPM耦合到腔體內(nèi)的能量已達(dá)多種電子元器件破壞閾值級別[12-14]。若進(jìn)一步增加輻射功率和輻射時間，則會導(dǎo)致更多的電子元器件被破壞。此外，對比兩種強(qiáng)電磁脈沖釋放的總能量以及腔體內(nèi)的耦合能量可以看出，在上述仿真條件下，HPM進(jìn)入腔體內(nèi)的耦合效率要明顯高于HEMP。

考慮強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入金屬腔體內(nèi)部的耦合效應(yīng)還會與腔體開口的大小與分布等因素有關(guān)，為此，下面從腔體開口因素展開研究，分析開口位置、大小以及開口長寬比對耦合效應(yīng)的影響，考察不同情形下耦合能量的改變。

3.2 開口位置對腔內(nèi)電場的影響

保持激勵波的大小和方向不變，開口大小仍設(shè)為200×200，分別將開口位置設(shè)置在x平面(x=1000，此時開口平面與激勵波入射方向平行，與電場方向相垂直)、y平面(y=1000，此時開口平面與激勵波入射方向平行，垂直于磁場方向)和z平面(z=1000，此時開口平面與激勵波入射方向相垂直)，并按照開口位置對相應(yīng)的電場探針進(jìn)行調(diào)整，其他仿真條件設(shè)置不變。

對計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，可以得到不同探針處的平均功率密度和總的能量密度值。表2為C0 probe處的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。從表中可以看出，不同開口位置下電場探針測得的電場信號值差別較大，這說明腔體開口位置對強(qiáng)電磁脈沖耦合效應(yīng)具有較大影響。不論是對于HEMP還是HPM，當(dāng)腔體開口平面與激勵波入射方向垂直(z平面)時，入射波耦合效應(yīng)最顯著，能夠耦合進(jìn)入目標(biāo)腔體的電磁能量最多；當(dāng)開口平面平行于入射波方向時，電磁脈沖耦合值相對較小。另外，值得注意的是，開口在任意位置時HPM耦合信號功率密度都比較大，達(dá)到了多種電子元器件的電磁損傷閾值級別。

3.3 開口大小對腔內(nèi)電場的影響

入射波保持不變，開口位置設(shè)置在z平面，依次設(shè)置開口的大小為50×50、100×100、200×200、300×300和400×400，其他仿真條件設(shè)置不變。

對計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，同樣可以得到該仿真條件下不同位置處的平均功率密度和總的能量密度值。表3為開口大小(表中d表示開口邊長)變化時C0 probe處的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。從表中可以看出，開口尺寸對電磁脈沖耦合效應(yīng)具有較大的影響。對于HEMP激勵來說，開口尺寸越大，腔體內(nèi)耦合信號越強(qiáng)，耦合的能量也就越多。對于HPM激勵來說，其變化趨勢略有不同，當(dāng)開口尺寸由50增加到200時，腔內(nèi)耦合能量顯著增加，但當(dāng)開口尺寸繼續(xù)增大時，腔內(nèi)耦合能量不但沒有增加反而略微下降。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與耦合電磁波的頻譜范圍有關(guān)。HEMP激勵波是一寬頻電磁波，頻率范圍主要分布在0～1 GHz，當(dāng)開口尺寸較小時，僅有小部分頻譜分量能夠耦合進(jìn)入目標(biāo)腔體內(nèi)部，因而耦合能量較小。隨著開口尺寸增大，越來越多的頻譜分量能夠耦合到腔體中，耦合能量顯著增加。而HPM屬于窄頻信號，能量主要集中在載波頻率f0附近，仿真時f0設(shè)置為6 GHz，波長為50 mm，當(dāng)開口尺寸較小時，隨著尺寸增加，耦合面積隨之增加，腔體內(nèi)的耦合能量也就不斷增大；但當(dāng)開口尺寸較大時，繼續(xù)增大開口尺寸，耦合信號在腔體內(nèi)的振蕩過程會更為劇烈，振蕩中從開口位置逃離的電磁能量逐漸增多，因而，此時隨著開口尺寸增大，耦合能量不但不能繼續(xù)增加，反而會略微下降。

表1 電場強(qiáng)度探針測得信號的主要參數(shù)

表2 不同開口位置條件下耦合信號的主要參數(shù)

表3 不同孔縫大小條件下耦合信號的主要參數(shù)

3.4 開口長寬比對腔內(nèi)電場的影響

保持激勵波方向和大小不變，孔縫位置設(shè)置在z平面，固定開口面積，依次調(diào)節(jié)孔縫的尺寸為50×800、100×400、200×200、400×100和800×50，其他仿真條件設(shè)置不變。

與前面類似，表4給出了開口長寬比變化時C0 probe處的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，表中Lx為腔體開口與入射電場極化方向平行的邊長。從表中可以看出，對于兩種強(qiáng)電磁脈沖，長寬比對耦合效應(yīng)的影響具有不同的變化規(guī)律。對于HEMP激勵來說，耦合功率密度隨開口x方向邊長的增加而減小，即腔體開口與入射電場極化方向垂直的邊越長，腔體中耦合能量越大，這一現(xiàn)象反映了矩形孔縫耦合的極化特性。產(chǎn)生這一特性的原因在于矩形孔縫的特征頻率發(fā)生改變，當(dāng)與入射波電場的極化方向垂直的孔縫邊長越長時，矩形孔縫的特征頻率越小，導(dǎo)致能夠進(jìn)入到腔體內(nèi)部的強(qiáng)電磁脈沖耦合能量也就越多。對于HPM，孔縫耦合的極化特性并不明顯，當(dāng)腔體開口長寬比改變時，腔內(nèi)耦合信號值變化較小。這是因?yàn)镠PM的激勵波頻率相比于孔縫特征頻率大得多，受矩形孔縫的影響較小。

4 結(jié)論

HEMP和HPM兩種強(qiáng)電磁脈沖都能夠通過孔縫耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部，從而給腔內(nèi)電子元器件造成干擾甚至破壞。對于HEMP，當(dāng)開口平面與激勵波入射方向垂直時，耦合效應(yīng)最強(qiáng)；同時，開口的尺寸越大、腔體開口與入射電場極化方向垂直的邊越長，腔體中耦合能量越大。但由于HEMP的耦合效應(yīng)受孔縫的位置、大小以及長寬比影響較大，因此合理控制孔縫的位置、大小以及長寬比可以減小耦合進(jìn)入腔體內(nèi)的能量，在一定程度上削弱HEMP的破壞效能。對于HPM，在相同條件下其耦合效應(yīng)要明顯強(qiáng)于HEMP，并且在孔縫達(dá)到一定尺寸后，耦合效應(yīng)受孔縫的大小和長寬比的影響較小，僅受孔縫位置的影響。當(dāng)開口平面與激勵波入射方向垂直時，其耦合效應(yīng)最顯著；在開口平面平行于HPM入射方向情況下，耦合效應(yīng)最弱，但此時耦合進(jìn)入腔體內(nèi)的能量還是能很容易達(dá)到多種電子元器件的電磁損傷閾值級別，因而HPM具有很強(qiáng)的破壞效能。

表4 不同孔縫長寬比條件下耦合信號的主要參數(shù)