毫米波引信高功率微波前門耦合效應(yīng)研究

陳凱柏，周曉東，高 敏

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) a.導(dǎo)彈工程系; b.彈藥工程系，石家莊 050003)

高功率微波(High-power Microwave,HPM)是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，一般指頻率在1～300 GHz、峰值功率在100 MW以上的強(qiáng)電磁輻射，是一個(gè)結(jié)合了電真空技術(shù)、脈沖功率技術(shù)、等離子體物理學(xué)而產(chǎn)生的新興學(xué)科領(lǐng)域[1]。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)定義當(dāng)入射場(chǎng)強(qiáng)超過100 V/m即為高功率電磁環(huán)境[2]。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件集成度越來越高，電子系統(tǒng)遭受HPM毀傷的概率也日趨增長(zhǎng)。無線電引信猶如一部小型雷達(dá)，近年來，各國(guó)學(xué)者致力于研究不同頻段電磁波在無線電引信上的應(yīng)用，而毫米波由于探測(cè)精度高，識(shí)別目標(biāo)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)一直被視為發(fā)展的重點(diǎn)。

毫米波引信體積小，集成度高，但其主要缺點(diǎn)之一就是易受電磁干擾[3]。在彈道飛行末段，引信暴露于HPM條件下很可能出現(xiàn)功能毀傷。功能毀傷，指引信系統(tǒng)在HPM電磁環(huán)境下，射頻前端元器件或系統(tǒng)整體被破壞，發(fā)生不可逆故障。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)典型分米波引信的電磁脈沖效應(yīng)進(jìn)行了分析，確定了引信輻照試驗(yàn)的一般方法和規(guī)律；文獻(xiàn)[6]研究了典型米波無線電引信的后門耦合效應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證；上述研究成果為無線電引信的HPM效應(yīng)研究提供了很好的方法，但其研究對(duì)象頻段較低，其普適性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。目前，針對(duì)毫米波引信進(jìn)行的電磁輻照試驗(yàn)相關(guān)研究很少，對(duì)引信前門耦合效應(yīng)研究并不充分，本文基于CST-MWS和CST-DS聯(lián)合仿真，在CST-MWS中對(duì)毫米波引信天線進(jìn)行HPM輻照試驗(yàn)，將產(chǎn)生的感應(yīng)電壓導(dǎo)入CST-DS獲得節(jié)點(diǎn)電壓波形，從而判斷元器件工作狀態(tài)。研究結(jié)論不僅有利于進(jìn)一步完善無線電引信的HPM效應(yīng)機(jī)理分析，也為毫米波引信前端加固防護(hù)提供了思路。

1 引信前門耦合理論分析

前門耦合是指強(qiáng)電磁脈沖能量通過接收天線等耦合途徑進(jìn)入射頻前端，由于接收天線存在一定增益，當(dāng)耦合能量過大時(shí)，會(huì)造成前端電路飽和、致盲甚至燒毀。毫米波引信工作波長(zhǎng)短，系統(tǒng)集成化程度很高，受空間所限其射頻前端PIN二極管限幅能力相對(duì)較差，在HPM強(qiáng)電磁環(huán)境下耦合能量很可能超過二極管限幅容限，引信工作性能會(huì)受到極大影響。

對(duì)于HPM前門耦合功率，一般使用Friis公式進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定HPM發(fā)射源功率為Pt，其發(fā)射天線增益為Gt，源與引信間距離為R，接收天線有效面積為Aer，則接收天線耦合功率Pr可表示為

(1)

式(1)中：Sr為毫米波引信接收天線處功率密度；Aer可用下式表示：

(2)

式(2)中：λ為毫米波引信工作波長(zhǎng)。

考慮引信工作帶寬以及耦合過程中的損耗因素[7]，將損耗因子引入式(1),可以得到：

(3)

式(3)中：Gr為毫米波引信接收天線增益；Bt為HPM源發(fā)射天線的帶寬；Br為毫米波引信接收天線帶寬；Le為耦合過程中的損耗因子。

工程上為了計(jì)算方便，式(3)通常用分貝值進(jìn)行表示：

Pr=Pt+Gt+Gr+Br-32.45-

20lgRkm-20lgfMHz-Bt-Le

(4)

距離為R的目標(biāo)點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)可表示為[8]

(5)

以Herotek公司的LP1-40A型PIN限幅器為例，在1 W連續(xù)波輸入下其最大泄露功率可達(dá)20 dBm，當(dāng)輸入功率峰值足夠大時(shí)，即使限幅器未被擊穿，泄露功率過高也會(huì)導(dǎo)致后級(jí)電路受損或者信號(hào)失真。根據(jù)文獻(xiàn)[9]中實(shí)驗(yàn)結(jié)論，合理設(shè)定當(dāng)耦合峰值功率超過5 W時(shí)，限幅器被擊穿，喪失保護(hù)作用。

2 HPM效應(yīng)聯(lián)合仿真方案設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的毫米波引信射頻前端前門耦合效應(yīng)圖。首先采用單脈沖正弦信號(hào)調(diào)制的平面波模擬HPM信號(hào)[10]，在CST-MWS中對(duì)接收天線進(jìn)行輻照試驗(yàn)仿真，在CST-DS軟件中對(duì)天線進(jìn)行匹配、濾波、衰減、放大電路的設(shè)計(jì)，而后將CST-MWS中所得端口電壓導(dǎo)入CST-DS軟件進(jìn)行瞬態(tài)仿真，通過設(shè)置電路節(jié)點(diǎn)獲得電壓時(shí)域波形，據(jù)此數(shù)據(jù)以及元器件參數(shù)判斷電路工作狀態(tài)。

圖1 毫米波引信射頻前端前門耦合效應(yīng)圖

2.1 彈載天線設(shè)計(jì)

由于毫米波引信受到嚴(yán)格空氣動(dòng)力學(xué)的限制，其彈載天線要求必須與飛行器表面共形。微帶天線由于其易于表貼和安裝的獨(dú)特性能，成為了毫米波引信天線的首選。設(shè)計(jì)微帶天線，首先需要考慮其介質(zhì)基片的選取[11]，設(shè)介電常數(shù)為εr，天線中心頻率為f0，單元寬度W由下式確定：

(6)

式(6)中：c為光速。

貼片長(zhǎng)度一般取λe/2，λe為介質(zhì)內(nèi)導(dǎo)波波長(zhǎng)：

(7)

(8)

其中：εe是有效介電常數(shù)；ΔL是等效輻射縫隙長(zhǎng)度。這兩個(gè)參數(shù)可按照下式計(jì)算：

(9)

(10)

介質(zhì)基板尺寸按照下式確定：

LG=L+0.2λe

WG=W+0.2λe

(11)

根據(jù)式(6)～式(11)計(jì)算天線尺寸，在CST-MWS中設(shè)計(jì)微帶天線，天線模型如圖2所示。天線介質(zhì)基板材料采用Rogers RT5880 lossy(εr=2.2，tanδ=0.000 9)，基板大小為12 mm×8.9 mm×0.254 mm，貼片材料選用聚四氟乙烯雙面敷銅板，厚度為35 μm，采用側(cè)饋方式饋電，波導(dǎo)端口輸出，使用頻域求解器求解，配合軟件內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化，最終所得天線遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)圖如圖3，E面方向圖如圖4，天線最大增益達(dá)到8.24 dBi，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 天線模型

圖3 天線遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)圖

圖4 天線E面方向圖

2.2 HPM電磁脈沖信號(hào)模擬

HPM信號(hào)一般可用下式表示[12]：

(12)

式(12)中：E0為峰值脈沖;f0為中心頻率；t為激勵(lì)時(shí)間；t1為延遲時(shí)間；τ為脈沖寬度。

以SADARM末敏彈為例，當(dāng)母彈拋灑出子彈后(約500～800 m)，其彈上毫米波探測(cè)器即開始工作，此時(shí)探測(cè)天線暴露于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，易受HPM脈沖影響[13]。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略引信與HPM源之間的角度問題，設(shè)定源目距離為500 m，微波源功率為10 GW，發(fā)射天線增益為20 dB，根據(jù)式(5)計(jì)算結(jié)果，設(shè)置E0=15.5 kV/m；f0=30 GHz；t1=10 ns；τ=50 ns。在CST-MWS中通過內(nèi)置VBA編輯器設(shè)置HPM信號(hào)，其時(shí)域波形及功率譜波形如圖5HPM信號(hào)圖所示。

圖5 HPM信號(hào)圖

2.3 HPM輻照方案設(shè)計(jì)

在CST-MWS中對(duì)貼片天線設(shè)置輻照仿真試驗(yàn)，模擬引信天線在HPM磁場(chǎng)環(huán)境下的前門耦合效應(yīng)。在輻照?qǐng)鰪?qiáng)設(shè)置中已考慮過HPM信號(hào)的大氣傳輸損耗，故在仿真輻照方案中不再考慮大氣衰減因素。設(shè)置前門耦合過程中的損耗因子Le為6 dB，在天線末端設(shè)置離散端口為時(shí)域信號(hào)輸出端口，設(shè)置平面波位置矢量為(0，0，-1)，電場(chǎng)矢量為(1，0，0)，暫不考慮元器件間的寄生效應(yīng)，使用時(shí)域求解器對(duì)耦合過程進(jìn)行求解。

為了更加真實(shí)的模擬引信的HPM效應(yīng)，在CST-DS中建立射頻前端部分電路進(jìn)行注入仿真試驗(yàn)，對(duì)前門耦合中的場(chǎng)——路耦合效應(yīng)做進(jìn)一步探究。根據(jù)頻域仿真數(shù)據(jù)在端口1中設(shè)置天線輸入阻抗，將離散端口感應(yīng)電壓導(dǎo)入端口1，后級(jí)電路依次連接匹配、濾波、衰減、放大電路，衰減器設(shè)置為6 dB，前級(jí)放大器增益設(shè)置為14 dB，第二級(jí)放大器增益設(shè)置為20 dB，端口2阻抗設(shè)置為50 Ω，設(shè)置仿真時(shí)間為100 ns，在電路上設(shè)置探針觀察電壓信號(hào)變化情況。連接完畢后前端電路如圖6所示。

圖6 引信前端電路圖

3 HPM輻照仿真結(jié)果分析

經(jīng)過CST-MWS仿真后，可得天線耦合電壓信號(hào)，將其導(dǎo)出為ASCII格式，再導(dǎo)入端口1，在CST-DS中進(jìn)行瞬態(tài)仿真，各節(jié)點(diǎn)電壓波形如圖7～圖10所示。由波形圖可以看出，耦合電壓波形在經(jīng)過匹配、濾波電路后，波形到達(dá)峰值的時(shí)間延遲了約0.5 ns，且峰值衰減程度較大，但電壓信號(hào)整體波形基本保持不變；探針P3輸入功率在34.8 ns時(shí)達(dá)到峰值1.16 W，根據(jù)前文分析，此時(shí)最大泄露功率可達(dá)20 dBm以上，足以干擾后級(jí)放大器的正常工作；經(jīng)過第一級(jí)低噪聲放大器后，探針P4電壓幅值有明顯增大，峰值輸入功率達(dá)44.6 dBm，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第二級(jí)低噪聲放大器的承受能力，可能導(dǎo)致引信輸出錯(cuò)誤起爆信號(hào)，大大減弱了彈藥的殺傷效能。

圖7 距離500 m時(shí)P1探針電壓波形

圖8 距離500 m時(shí)P2探針電壓波形

圖9 距離500 m時(shí)P3探針電壓波形

圖10 距離500 m時(shí)P4探針電壓波形

為了進(jìn)一步研究引信前端HPM效應(yīng)，改變?cè)茨烤嚯x，其余試驗(yàn)條件不變，對(duì)引信進(jìn)行輻照仿真試驗(yàn)。經(jīng)過多次仿真發(fā)現(xiàn)，源目距離的改變僅對(duì)耦合電壓峰值產(chǎn)生影響，對(duì)耦合電壓波形無明顯影響；當(dāng)源目距離為210 m時(shí)，耦合進(jìn)入天線末端的感應(yīng)電壓可達(dá)95.2 V，該信號(hào)在經(jīng)過衰減電路后，其輸入峰值功率約為5.25 W(圖11)，此時(shí)射頻前端PIN二極管限幅器被HPM信號(hào)擊穿發(fā)生短路現(xiàn)象，引信性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。

圖11 距離210 m時(shí)P3探針電壓波形

4 引信射頻前端防護(hù)措施

為了加強(qiáng)引信射頻前端對(duì)HPM脈沖的防護(hù)能力，本章對(duì)引信的前門加固提出具體措施。文獻(xiàn)[14]提到不少可行措施，當(dāng)功率源與目標(biāo)距離過近時(shí)，引信前端可通過限幅器的級(jí)聯(lián)來加固，在此不進(jìn)行列舉。針對(duì)前文所分析的具體情況，距離為500 m時(shí)前端電路中主要損傷部位為第二級(jí)低噪放，所以前端加固考慮在低噪聲放大器前加入RC并聯(lián)回路吸收過電壓，減小放大器的輸入功率。

吸收電路也稱緩沖電路，其本質(zhì)是利用吸收電容吸收主電路能量，一般用于改善瞬態(tài)工況以及提高電路穩(wěn)定性，抑制高過壓，從而保護(hù)電路工作。相對(duì)于限幅器，該回路簡(jiǎn)單廉價(jià)，并且可以阻止電路部分諧振能量，因此在工程中得以大量應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中公式設(shè)計(jì)RC回路，改進(jìn)電路如圖12所示。

圖12 改進(jìn)電路圖

加入改進(jìn)電路后，對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，可以得到探針P4、P6的電壓波形，如圖13、圖14所示。從圖中可以看出，加入限幅電路后第一級(jí)放大器輸入電壓峰值約為2.25 V，第二級(jí)放大器輸入電壓峰值約為6.1 V，均有所降低，說明該RC回路對(duì)電路具有較好的保護(hù)作用。

圖13 改進(jìn)電路P4探針波形(500 m)

圖14 改進(jìn)電路P6探針波形(500 m)

必須指出，高頻射頻電路對(duì)元器件尺寸以及電路工作性能要求較高，當(dāng)限幅級(jí)數(shù)過多時(shí)會(huì)對(duì)電路本身的性能產(chǎn)生影響，使電路復(fù)雜化，所以在實(shí)際情況中對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)還需要對(duì)需求指標(biāo)等因素綜合考慮。

5 結(jié)論

1)HPM電磁脈沖的末端殺傷能力極強(qiáng)，是對(duì)抗毫米波引信的有效手段。HPM脈沖可通過引信天線前門耦合進(jìn)入射頻前端，對(duì)PIN限幅器和低噪放元器件造成功能毀傷，影響射頻前端后處理電路信號(hào)輸出。

2)輻照距離不同，引信射頻前端發(fā)生損壞的元器件也不同。當(dāng)距離為500 m時(shí)，射頻前端第二級(jí)低噪放更容易損壞，距離為210 m時(shí)，引信前端限幅器更容易被擊穿。

3)通過聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)毫米波引信天線進(jìn)行輻照試驗(yàn)，對(duì)前端電路進(jìn)行注入仿真，并根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)RC并聯(lián)吸收回路保護(hù)電路，可以較好地分析毫米波引信HPM場(chǎng)路耦合效應(yīng)機(jī)理，也適用于其他脈沖耦合效應(yīng)機(jī)理研究。