線纜耦合對地雷WB-HPM輻照效應(yīng)試驗影響分析

馬世川 蔣 丹 張 帆 金兆鑫

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

高功率微波是強電磁脈沖的一種，其頻率范圍為300 MHz～300 GHz，峰值功率高于100 MW。高功率微波具有功率高、脈寬短、頻率高、易于與目標耦合等特點，因此受到軍事領(lǐng)域的重視[1]。地雷作為一種傳統(tǒng)的防御性武器，在歷次戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用，尤其是第二次世界大戰(zhàn)期間，地雷的使用達到了頂峰，但也因此在世界各地遺留下數(shù)億地雷，給人民的生命安全帶來了巨大的威脅，使得掃雷的必要性大增[2]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，地雷也逐漸電子化與智能化，傳統(tǒng)的掃雷設(shè)備已不能滿足高效、快速、大面積的掃雷需求，而高功率微波掃雷是最有希望實現(xiàn)上述掃雷需求的新技術(shù)之一。高功率微波可通過“前門”或“后門”耦合到地雷內(nèi)部的電子線路上，造成電路中器件狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)、閉鎖或者使器件性能下降，從而使地雷失效或引爆[2]。

由于地雷屬于危險性物品，出于安全考慮，試驗所用地雷經(jīng)過改裝后不含炸藥。為方便測量地雷引信作用時的信號，改裝后的地雷通過引入外接線纜將引信置于地雷外，暴露在地雷外的線纜在高功率微波輻照下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流會直接作用到地雷引信上，從而影響高功率微波對地雷輻照效應(yīng)試驗的作用閾值，因此需對外接線纜屏蔽防護。本文通過電磁仿真軟件CST分析了不同場強、入射角等寬譜高功率微波(WB-HPM)輻照下線纜耦合情況，與地雷內(nèi)部線纜耦合情況進行比較，并使用接地完好的屏蔽盒減小場線耦合的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓，為后續(xù)高功率微波作用下地雷輻照效應(yīng)試驗的進行奠定了基礎(chǔ)。

1 場線耦合理論分析

高功率微波對電子系統(tǒng)的耦合作用有“前門耦合”和“后門耦合”兩種，其中，前門耦合是指能量通過目標上的天線、傳輸線等媒質(zhì)耦合到其接收或發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)，破壞其電子設(shè)備；后門耦合是指通過目標上的縫隙或孔洞等耦合進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成干擾或損傷[7-9]。對于前門耦合而言，當高功率微波頻率等于或接近天線的接收頻率時，耦合到天線的能量最大，而當微波頻率與天線的接收頻率相差很大時，耦合到系統(tǒng)內(nèi)部的能量將很小。對于地雷而言，其外殼在加工時難免會存在孔縫，高功率微波很容易通過孔縫進入地雷，直接輻射在地雷內(nèi)部的電子電路上，通過電子器件的非線性耦合，對引信電路造成效應(yīng)。另外現(xiàn)如今非金屬外殼地雷大量涌現(xiàn)，高功率微波很容易穿透外殼直接作用到引信電路上，當場強足夠大時，耦合到引信電路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流會使引信電路產(chǎn)生誤觸發(fā)信號，使電子開關(guān)導通，進而使點火頭點燃，引爆地雷；當場強過大時，將會導致電子引信元器件損傷，使地雷失效。其作用過程如圖1所示。

圖1 高功率微波對地雷引信電路的作用過程

為確保掃雷試驗的安全，試驗用地雷不含炸藥，但在地雷改裝時，不可避免地引入了線纜，引入的線纜暴露在高功率微波環(huán)境下，在線纜上感應(yīng)出電壓、電流，感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流會隨著線纜進入到引信電路內(nèi)部，對正常情況下的測試結(jié)果造成影響，因此需要分析高功率微波與線纜的耦合影響。

場線耦合分析方法有兩種：場的方法和路的方法。場的方法是基于Maxwell方程的天線理論，通常假定導線的截面積比最小有意義波長要小很多。但是，當線纜的電學尺寸相對較長時，天線理論方法需要非常長的計算時間和很高的計算資源。路的方法是基于傳輸線方程，將線纜用沿著軸向的分布式參數(shù)結(jié)構(gòu)來表征，對于具有電小截面尺寸的均勻傳輸線，采用傳輸線理論得到的結(jié)果與基于Maxwell方程和試驗的結(jié)果都吻合得非常好，并且物理模型易于理解，是現(xiàn)在常用的場線耦合分析方法[3]。

場線耦合的傳輸線模型最早由Taylor等提出，此后又經(jīng)Agrawal、Rachidi等提出了另外兩種等效模型，它們廣泛應(yīng)用到電磁傳播、耦合和相互作用的分析計算中，并不斷被發(fā)展完善，但要求線纜對地的橫向尺寸遠小于線纜長度[3]。用傳輸線模型計算的線纜負載端的電流、電壓響應(yīng)，可以得到與采用場的方法基本一致的計算精度，且三種模型的結(jié)果是一致的。下面以Taylor模型為例進行簡要介紹。

Taylor模型的等效電路如圖2所示，有兩個激勵源，分別為垂直電場形成的分布電流源和水平磁場形成的分布電壓源，微分變量為線纜電壓U(x)和電流I(x)。

圖2 Taylor模型等效電路

圖2中，h為線纜距地面高度，Zω為線纜與大地之間的阻抗，Zg為大地回路內(nèi)部阻抗，Yg為大地導納。

對于Taylor、Agrawal、Rachidi三種不同的耦合模型，激勵電磁場的某一給定分量對總的感應(yīng)電壓和電流的貢獻不同，但對于線纜感應(yīng)的總電壓和總電流，雖然三種模型考慮電磁耦合的方式不同，但其完全等效，都能得到相同的計算結(jié)果，這里便不再多加敘述。

2 基于CST的高功率微波作用下線纜耦合仿真分析

CST軟件套裝包含8個工作室，其中CST電纜工作室基于傳輸線理論，將用戶自定義的線纜線束模型生成等效電路模型，可用于分析各種復(fù)雜線纜結(jié)構(gòu)。CST電纜工作室與CST微波工作室及CST設(shè)計工作室結(jié)合使用，可用來計算外界電磁場耦合到線纜上的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流等結(jié)果，也可以計算線纜線束對外空間的輻射場。

2.1 建立線纜模型

因為外接線纜是直接暴露在高功率微波環(huán)境下的，只需要分析線纜上的感應(yīng)電流，因此只要對線纜進行仿真分析即可。在CST電纜工作室中建立線纜模型，用有限大理想導體模擬大地[6]，如圖3所示。在CST微波工作室中設(shè)置激勵源，激勵源設(shè)為平面波，采用寬譜高功率微波激勵，波形如圖4所示。

圖3 線纜模型

圖4 寬帶高功率微波波形

由圖4可知，該寬譜高功率微波峰值場強為35 kV/m，中心頻率為300 MHz，經(jīng)FFT變換后如圖5所示。

圖5 FFT變換波形

為保證安全，在試驗時地雷不含點火頭，為模擬地雷觸發(fā)時點火頭的狀態(tài)，用10Ω電阻代替點火頭，通過測量通過電阻的電壓、電流來判斷點火頭的狀態(tài)。因此在仿真時，我們只需測量電阻處的感應(yīng)電流即可，在CST設(shè)計工作室中連接電路，模擬實際電路工作時的負載，如圖6所示。圖6中，P1是測量電阻感應(yīng)電流的探頭。

圖6 線纜電路模型

2.2 線纜半徑、場強、入射角對耦合電流的影響

因外接線纜的長度是固定的，因此不再討論線纜長度對耦合電流的影響。設(shè)定寬譜高功率微波入射方向為-Z，以2 m×1 m的無厚度理想導體模擬大地，改變?nèi)肷鋱鰪?，分別選取場強峰值為30 kV/m，35 kV/m和40 kV/m，觀測探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖7所示。

圖7 場強對線纜感應(yīng)電流的影響

由圖7可知，線纜耦合電流隨入射波場強的增大而增大，并且是成比例的增加。當場強增大時，電磁場的電場沿X軸的切向分量也隨之增大，因此在線纜上的耦合也就增加。

選取場強峰值為35 kV/m，寬譜高功率微波入射方向不變，將線纜半徑改為0.05 cm，0.1 cm和0.25 cm，觀測探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖8所示。

圖8 線纜半徑對線纜感應(yīng)電流的影響

從圖8可以看出，隨著線纜半徑增大，線纜感應(yīng)電流峰值隨之增大，波形整體形狀并未發(fā)生改變。當線纜半徑增大時，其特性阻抗會減小，兩端傳輸線的反射系數(shù)會增大，因此電流幅值將會增大。

選取場強峰值為35 kV/m，線纜半徑為0.05 cm，改變?nèi)肷浣?，即入射波的傳播方向與XZ平面的夾角，將入射角改為30°、45°和60°，觀測探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖9所示。

圖9 入射角對線纜感應(yīng)電流的影響

通過圖9可知，隨著入射角增大，線纜耦合電流逐漸上升，波形整體形狀不變。改變?nèi)肷浣莾H改變?nèi)肷洳ㄔ诰€纜方向的分量，入射角越大，電場沿線纜的切向分量越大，耦合電流也就越大。同時，入射角增大可使菲涅爾反射系數(shù)增大，進而增強反射波的效果，使線纜兩端傳輸線負載上的電壓增大[4-5]。

3 場線耦合屏蔽分析

從圖7、圖8、圖9可以看出，直接暴露在高功率微波環(huán)境下線纜的耦合電流可達到1～4A，因為外接的線纜兩端直接相連點火頭，而點火頭的安全電流一般在mA量級，線纜上的耦合電流遠遠大于點火頭的安全電流，從而導致點火頭工作，使地雷引爆。為保證地雷輻照效應(yīng)試驗真實可靠性，對外接的線纜采用屏蔽的防護措施，減小線纜帶來的影響。

3.1 屏蔽盒對耦合電流的影響

將外露線纜放到地雷內(nèi)部，如圖10所示，選取寬譜高功率微波場強峰值為35 kV，入射方向為-Z方向，線纜半徑為0.05 cm，記錄探頭P1處的電流大小，結(jié)果如圖11所示。

圖10 地雷模型

圖11 地雷內(nèi)部線纜感應(yīng)電流

由圖11可知，地雷內(nèi)部線纜在寬譜高功率微波環(huán)境下的耦合電流峰值為710 mA，小于直接暴露在寬譜高功率微波環(huán)境下線纜的耦合電流。為減小線纜耦合的影響，這里使用屏蔽盒對線纜進行屏蔽。屏蔽盒模型如圖12所示，其尺寸為30 cm×20 cm×15 cm，厚0.2 cm，兩端有2 cm寬孔縫，方便線纜以及測量設(shè)備的連接。添加屏蔽盒后的線纜感應(yīng)電流如圖13所示，其峰值為1.8 mA，衰減約52 dB，遠小于在地雷內(nèi)部的感應(yīng)電流值，由此可見，采用屏蔽盒可有效地減小因外接線纜而引入的感應(yīng)電流。

圖12 屏蔽盒模型

圖13 屏蔽后的感應(yīng)電流

3.2 屏蔽盒對地雷內(nèi)部場強的影響

屏蔽盒能減小線纜耦合電流，但屏蔽盒的引入又會對場強造成影響，使地雷內(nèi)部場強發(fā)生改變，進而影響線纜或電子器件上的感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓。通過CST微波工作室對屏蔽盒輻照分析，如圖14所示，在屏蔽盒內(nèi)部場強很小，可見屏蔽盒能有效地減小線纜上的感應(yīng)電流，但在屏蔽盒周圍，尤其是屏蔽盒四角，場強大幅度增加。因屏蔽盒與地雷尺寸相差不大，又與地雷之間距離很小，在屏蔽盒四周增大的場強將通過地雷孔縫或直接穿過地雷外殼進入內(nèi)部，進而耦合到電子引信電路上，使原有的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流增大，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖14 屏蔽盒對場強的影響

當電磁場傳播到屏蔽盒時，在屏蔽盒表面會有感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，電荷密度與導體表面的形狀有關(guān)，在凹的部位電荷密度接近為0，而在尖端部位電荷密度最大。屏蔽盒形狀為長方體，在棱邊處電荷密度最大，因此會對電磁波有增強效應(yīng)。分析這一現(xiàn)象，是因為屏蔽盒接地不完整導致，用無厚度的理想導體模擬大地，并適當增大理想導體的尺寸，盡可能模擬無限大大地。接地后屏蔽盒周圍場強如圖15所示，可見有明顯的減小。接地屏蔽后地雷內(nèi)部場強與未加屏蔽盒時相比較，兩者相差僅8.6%，如圖16所示，可見，良好的接地可減小屏蔽盒對場強的影響。另外，從圖中可以看出，屏蔽盒中心處場強要小于邊角處，為減少屏蔽盒內(nèi)部場線耦合以及因接地不完整帶來的誤差，線纜及測量設(shè)備放入屏蔽盒時應(yīng)盡量放在中心位置，避免與屏蔽盒接觸。

圖15 屏蔽盒接地后周圍場強

圖16 屏蔽盒接地后與未加屏蔽盒場強比較

4 場線耦合屏蔽試驗分析

為確保屏蔽盒的屏蔽效能，對上述屏蔽盒進行了加工，并通過試驗測量了在寬譜高功率微波環(huán)境下線纜的感應(yīng)電流以及屏蔽后的感應(yīng)電流，試驗框圖如圖17所示，試驗結(jié)果如圖18所示。

圖17 場線耦合試驗示意圖

因為測量電流使用的羅氏線圈直接暴露在寬譜高功率微波環(huán)境下，在羅氏線圈上會有感應(yīng)電流的存在，另外連接羅氏線圈和示波器使用的屏蔽線也會有少量感應(yīng)電流，因此需要對測量設(shè)備在寬譜高功率微波下的感應(yīng)電流進行測量，記為感應(yīng)電流(1)，如圖18(a)所示。使用該測量設(shè)備測量外接線纜感應(yīng)電流，記為感應(yīng)電流(2)，如圖18(b)所示，將兩者相減得到在線纜上的感應(yīng)電流，如圖18(c)所示，其峰值為914 mA，而仿真結(jié)果為1.23 A，這是因為仿真模型采用的是有限大地，另外試驗不是在微波暗室中進行的，會有反射波的存在，都會對試驗結(jié)果造成誤差。利用上述方法對屏蔽后的線纜測量其感應(yīng)電流，如圖18(d)、圖18(e)、圖18(f)所示，其峰值為4.6 mA，而仿真得到屏蔽后的感應(yīng)電流峰值為1.8 mA，都遠小于未屏蔽時的感應(yīng)電流，可見屏蔽盒可以有效地減小線纜上的感應(yīng)電流。

圖18 寬譜高功率環(huán)境下線纜感應(yīng)電流及屏蔽后線纜感應(yīng)電流

5 結(jié)束語

本文通過CST軟件仿真分析了不同條件下寬譜高功率微波對線纜的耦合影響，并使用屏蔽盒對外接線纜進行屏蔽，屏蔽后的感應(yīng)電流峰值為1.8 mA，地雷內(nèi)部場強與未加屏蔽盒時相差僅8.6%，但使用屏蔽盒必須要良好的接地，否則將對場強造成較大影響。最后通過試驗驗證了屏蔽盒的屏蔽性能，試驗得到屏蔽后的感應(yīng)電流峰值為4.6 mA，可采用屏蔽盒對外接線纜進行屏蔽。本文的仿真與試驗結(jié)果對后續(xù)高功率微波作用下地雷輻照效應(yīng)試驗的進行奠定了基礎(chǔ)，同時也對場線耦合引起的電磁干擾問題提供了幫助。