強(qiáng)電磁脈沖對(duì)相控陣?yán)走_(dá)損傷的仿真計(jì)算研究

樊儒靖,李紀(jì)三

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電磁對(duì)抗愈演愈烈,以高功率微波武器應(yīng)用為主的強(qiáng)電磁脈沖技術(shù)也得到飛速發(fā)展,雷達(dá)在戰(zhàn)場(chǎng)中的生存環(huán)境急劇惡化。由電磁脈沖彈、雷電、核爆炸等產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖通過(guò)其輻射的強(qiáng)電磁場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)可對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)的電子器件造成不同程度的毀傷。強(qiáng)電磁脈沖對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的損傷和防護(hù)等相關(guān)技術(shù)逐漸成為新研究熱點(diǎn)[1]。

電磁脈沖能夠通過(guò)對(duì)雷達(dá)天線、電纜的耦合以及孔縫、窗口的穿透,干擾雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作,對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)造成破壞,從而對(duì)設(shè)備性能帶來(lái)巨大影響[2]。本文分析研究和仿真計(jì)算雷達(dá)系統(tǒng)在受到強(qiáng)電磁脈沖沖擊時(shí)所產(chǎn)生的效應(yīng)及采取的防護(hù)措施。

1 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)電磁脈沖防護(hù)

強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)主要有兩種途徑,如圖1所示:一是通過(guò)雷達(dá)天線等進(jìn)行耦合的“前門(mén)耦合”方式,可以通過(guò)配置濾波器等保護(hù)器件進(jìn)行電磁阻隔;二是“后門(mén)耦合”,即通過(guò)系統(tǒng)機(jī)柜的孔洞、縫隙等途徑進(jìn)行的耦合,能毀傷甚至徹底燒毀內(nèi)部電路,相較前門(mén)耦合更加難以防護(hù)。

圖1 相控陣?yán)走_(dá)電磁脈沖耦合示意圖

視頻信號(hào)從天線進(jìn)入環(huán)形器,然后經(jīng)過(guò)限幅器。限幅器為電磁脈沖防護(hù)裝置,一般用在接收機(jī)的前端,用于保護(hù)接收機(jī)。限幅器應(yīng)滿足以下特性:小信號(hào)輸入時(shí)插損小,大信號(hào)輸入時(shí)插損大;限幅速度快,達(dá)到納秒級(jí);大信號(hào)消失后,快速恢復(fù)到低插損。但是,限幅器通過(guò)反射功率達(dá)到限幅目的,所以在使用過(guò)程中應(yīng)保證被反射的功率不會(huì)損壞源端。

強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入雷達(dá)接收系統(tǒng)的功率和能量決定了其對(duì)全相干雷達(dá)接收機(jī)的干擾程度。強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入雷達(dá)內(nèi)部系統(tǒng)的能量表達(dá)式為

(1)

式中,Pt為發(fā)射功率;Gt為發(fā)射增益;Gr為接收增益;Br為接收帶寬;λ為波長(zhǎng);R為距離;Bt為發(fā)射帶寬;Le為損耗因子。

2 雷電電磁脈沖建模仿真

2.1 雷電回?fù)籼炀€模型

準(zhǔn)確計(jì)算雷擊通道周?chē)碾姶艌?chǎng),對(duì)分析雷電輻射場(chǎng)作用雷達(dá)天線的電磁耦合特性至關(guān)重要。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多應(yīng)用C-R(Cooray-Rubinstein)公式計(jì)算有耗大地上雷擊通道周?chē)姶艌?chǎng),其核心思想是將雷擊通道電流分解成多個(gè)電流元,如圖2所示,應(yīng)用鏡像原理和偶極子輻射理論,得出不同屬性大地雷電輻射場(chǎng)的分布特性[3-5]。

圖2 雷電回?fù)魩缀文Ｐ?/p>

本文采用雙指數(shù)函數(shù)模型進(jìn)行分析和比較。1941年Bruce和Golde提出的雷電流波形的雙指數(shù)函數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中,α、β分別為雷電流波頭和尾衰減系數(shù);η=e-αtp-e-βtp為峰值修正因子,tp=ln(β/α)/(β-α)為峰值時(shí)間。

通常嚴(yán)酷雷擊、普通雷電再擊的α、β和I0參數(shù)分別取值為I0=218 810A、α=11 354/s、β=647 265/s以及I0=109 405A、α=22 708/s、β=1 294 530/s。

2.2 雷電電流在空間中產(chǎn)生的場(chǎng)分布

設(shè)觀察點(diǎn)在(z,r)處,R0為電偶極子的距離,R1為鏡像偶極子的距離。假定大地為理想導(dǎo)體,則當(dāng)Fresnel反射系數(shù)為-1時(shí),有耗半空間上垂直電偶極子的電矢位Az0為

(3)

垂直偶極子在有耗半空間的輻射場(chǎng)可表示為

(4)

(5)

(6)

利用上式求和,然后通過(guò)傅里葉逆變換,就可得到周?chē)碾姶艌?chǎng)。根據(jù)電磁脈沖防護(hù)要求提供的參數(shù),計(jì)算可得水平距離上雷電產(chǎn)生的電磁波場(chǎng)強(qiáng)分布,如表1所示。

表1 雷電場(chǎng)強(qiáng)峰值與距離的關(guān)系

2.3 雷電電流的功率譜

根據(jù)雷電防護(hù)要求,在頻域內(nèi)利用傅里葉變換對(duì)雷電流波進(jìn)行分解[6]。對(duì)式(2)進(jìn)行傅里葉變換得到:

(7)

(8)

則雙指數(shù)模型雷電流波的頻譜分布為

(9)

式中,ω為角頻率。

代入嚴(yán)酷雷擊的參數(shù),利用Matlab仿真計(jì)算水平距離上的波形和功率譜密度,如圖3所示?？梢钥闯?電磁脈沖的能量主要分布在低頻段,高于1 MHz的頻段上基本沒(méi)有能量分布。

(a)距離50 m處

3 核電磁脈沖

高空核電磁脈沖(High altitude nuclear Electro-magnetic Pulse,HEMP)是在高空核爆炸過(guò)程中由瞬發(fā)射線引起的瞬態(tài)電磁波傳播。HEMP能在一定程度上反映核爆炸的物理特性,具有作用范圍廣、頻譜寬、場(chǎng)強(qiáng)大的特點(diǎn),對(duì)工作在HEMP環(huán)境中的電力電子系統(tǒng)構(gòu)成很大的威脅,因此一直受到密切關(guān)注[5]。

利用雙指數(shù)函數(shù)擬合HEMP波形:

E(t)=kEp(e-αt-e-βt)

(10)

式中,k為峰值修正系數(shù);Ep為脈沖峰值;α、β值影響脈沖峰值、前沿、半寬等參數(shù)。

顯然雙指數(shù)函數(shù)也可以看作是對(duì)HEMP的數(shù)學(xué)描述,式(10)中k、Ep、α、β統(tǒng)稱(chēng)為雙指數(shù)函數(shù)的特征參數(shù)。

由文獻(xiàn)[2]可知核電脈沖的脈沖波形如圖4所示,并仿真計(jì)算其功率譜,結(jié)果如圖5所示。

圖4 核電脈沖的時(shí)域波型

圖5 核電脈沖的頻譜密度

可以看出,核電脈沖的上升沿很快,通常為十幾納秒,能量覆蓋了從超長(zhǎng)波直至微波底端的整個(gè)頻帶,其中大部分能量分布在低頻段,在超過(guò)200 MHz后能量分布很小。核電電磁脈沖的主要參數(shù)如表2所示。

表2 核電電磁脈沖的主要參數(shù)

4 非核電磁脈沖參數(shù)

高功率微波武器的使用使常規(guī)的電子戰(zhàn)由電子干擾戰(zhàn)拓展到電子毀損戰(zhàn),由軟殺傷武器發(fā)展到軟、硬兼?zhèn)湮淦鱗7]。高功率微波武器是一種能直接殺傷、破壞或使目標(biāo)喪失作戰(zhàn)能力的新概念武器,其主要作戰(zhàn)對(duì)象是雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、敵我識(shí)別系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軍用電子設(shè)備以及武器控制制導(dǎo)系統(tǒng),能夠擊穿電子元件,燒毀敵方電子設(shè)備,甚至實(shí)現(xiàn)永久損壞[8]。由于高功率微波武器幾乎可以威脅所有現(xiàn)代最先進(jìn)的武器,具備極高的應(yīng)用價(jià)值。各種高功率微波電磁脈沖參數(shù)如表3所示。

表3 各種電磁脈沖的主要參數(shù)

5 屏蔽設(shè)備屏蔽效能分析

5.1 機(jī)柜、屏蔽柜對(duì)電磁屏蔽性能

(1)金屬板對(duì)電磁波的損耗和衰減

當(dāng)平面波垂直入射到一塊無(wú)限大金屬板,若金屬板的厚度遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng),由Schelkunoff的屏蔽理論可以得到金屬板的近似吸收損耗(dB):

(11)

式中,t為屏蔽金屬板厚度,cm;f為入射波頻率,Hz;σ、μ分別為金屬的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。

對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波,金屬表面的反射損耗近似為

R=168+10lg(σ/μf)

(12)

由以上分析可以估算出電磁波穿過(guò)金屬板后的衰減,如表4所示。

表4 電磁波穿透合金板后峰值的衰減

(2)機(jī)柜孔縫對(duì)電磁脈沖屏蔽性能

機(jī)柜上細(xì)縫的屏蔽效能可以用下式近似表示:

(13)

式中,t為細(xì)縫深度;I為細(xì)縫長(zhǎng)度;N為細(xì)縫開(kāi)口處波阻抗與自由空間入射波阻抗之比。

在電磁脈沖頻帶(0.01～30)MHz中,各種細(xì)縫和孔的屏蔽效能如表5所示。

表5 各種細(xì)縫對(duì)電磁脈沖場(chǎng)的屏蔽效能

綜合孔縫的耦合以及金屬板的損耗,機(jī)柜和屏蔽盒的屏蔽效能如表6所示。

表6 各屏蔽體的屏蔽效能

5.2 電纜屏蔽層對(duì)內(nèi)芯信號(hào)的干擾

電磁脈沖產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)損傷電子元器件和干擾系統(tǒng)信號(hào),甚至燒毀脆弱的電子元器件,造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷[9]。

實(shí)驗(yàn)分析電磁脈沖在屏蔽層產(chǎn)生的電流對(duì)傳輸信號(hào)的影響,試驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)與前文一致,結(jié)果如表7所示。通常電纜屏蔽層對(duì)電磁脈沖的衰減約為50 dB。

表7 屏蔽電纜平行電場(chǎng)放置時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.3 線路板抗電磁脈沖峰值場(chǎng)強(qiáng)

由文獻(xiàn)[10]可知,微型計(jì)算機(jī)在高壓環(huán)境下具有金屬外殼。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 微型計(jì)算機(jī)PC386抗電磁脈沖性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于含有金屬屏蔽外殼的微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng),上升時(shí)間為10 ns的電磁脈沖的干擾閾值為1 kV,損傷閾值為45 kV。

5.4 天線對(duì)電磁脈沖的耦合特性分析

利用CST軟件仿真陣列天線的增益特性,在100 MHz、200 MHz、300 MHz時(shí)的增益分別為-64 dB、-45 dB、-32 dB,由此可預(yù)計(jì)天線對(duì)1 MHz以?xún)?nèi)的電磁波衰減超過(guò)70 dB。

6 雷達(dá)易損傷模塊響應(yīng)特性和損傷效應(yīng)分析

6.1 雷電電磁脈沖影響

6.1.1 對(duì)天線設(shè)備的影響

(1)天線耦合到回路的功率

雷電的電磁脈沖上升沿較長(zhǎng),由圖3可以計(jì)算出雷電99%的能量集中在1 MHz以?xún)?nèi),電磁波在此頻段的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線的發(fā)射頻率。雷電的峰值場(chǎng)強(qiáng)為543 kV,估算其功率為6 000 W,通過(guò)天線耦合到電路的功率為38-70=-32 dBW。

(2)電纜耦合到回路的功率

屏蔽良好的電纜的屏蔽效能約為50 dB,則進(jìn)入回路的功率為38-50=-12 dBW。

(3)對(duì)天線設(shè)備的損害

雷電脈沖在空間中產(chǎn)生一個(gè)瞬間高壓,對(duì)電路板的電容電感器件造成擊穿損傷等[11]。由前文分析可知,當(dāng)空間壓強(qiáng)達(dá)到2 kV/m時(shí),印制板損壞。距離雷電50 m左右的電場(chǎng)峰值為543 kV/m(天線與雷電的安全距離為5.43*50/2.4=113 m),對(duì)有源天線中的電路,通過(guò)屏蔽效能為10 dB的機(jī)柜和30 dB的屏蔽盒衰減后,加在線路板上的電壓為543/100=5.43 kV/m。

6.1.2 對(duì)艙室內(nèi)機(jī)柜設(shè)備的影響

(1)電纜耦合到艙室回路中的功率

由于電纜和機(jī)柜在船艙內(nèi),船艙的衰減為20 dB,則進(jìn)入回路的功率為38-50-20=-32 dBW。

(2)對(duì)艙室內(nèi)設(shè)備的損害

距離雷電50 m左右的電場(chǎng)峰值為543 kV/m,對(duì)艙室內(nèi)的電路,艙室的衰減為20 dB,通過(guò)屏蔽效能為10 dB的機(jī)柜和30 dB的屏蔽盒衰減后,加在線路板上的電壓為543/1 000=0.543 kV/m。對(duì)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備,若沒(méi)有屏蔽盒,則總屏蔽為30 dB,加在回路上的電壓為543/31.6=17.18 kV/m。

距雷達(dá)50 m處的高壓會(huì)損傷機(jī)柜線路板設(shè)備,二者的安全距離為17.18*50/2=429.5 m。

6.2 核電磁脈沖影響

6.2.1 對(duì)天線設(shè)備的影響

(1)天線耦合到回路中的功率

核電脈沖的頻譜從幾千赫茲到300 MHz,絕大部分能量集中在低頻段,在10 km范圍內(nèi)產(chǎn)生的功率均為600 W,天線在(200～300)MHz內(nèi)對(duì)電磁波的衰減為(30～40)dB,通過(guò)天線耦合到電路中的能量為28-30=-2 dBW。

(2)電纜耦合到回路的功率

由前述可知進(jìn)入回路的信號(hào)功率為28-50=-22 dBW。盡管限幅器的響應(yīng)時(shí)間比核電脈沖上升沿多十幾納秒,但由于耦合到電路中的功率比較小,因此不會(huì)損傷限幅器和低功放。

(3)對(duì)天線設(shè)備的損害

核電脈沖在空間中產(chǎn)生瞬間高壓,由表2可知核電脈沖的峰值電壓為50 kV/m,通過(guò)屏蔽效能為10 dB的機(jī)柜和30 dB的屏蔽盒衰減后,加在線路板上的電壓為50/100=0.543 kV/m,因此核電脈沖電壓不會(huì)損傷線路板。

6.2.2 對(duì)艙室內(nèi)機(jī)柜設(shè)備的影響

(1)電纜耦合到艙室回路中的功率

由6.1.2節(jié)可知進(jìn)入回路的功率為28-50-20=-42 dBW。

(2)對(duì)艙室內(nèi)設(shè)備的損害

由6.1.2節(jié)可知加在線路板上的電壓為50/1 000=0.543 kV/m;若沒(méi)有屏蔽盒,則加在回路上的電壓為50/31.6=1.58 kV/m。瞬間高壓不會(huì)損壞回路。

6.3 非核電脈沖影響

超寬帶微波和高功率微波武器的工作頻段屬于高頻段,此頻帶上電纜、機(jī)柜和屏蔽盒對(duì)其衰減達(dá)到60 dB以上。由這兩種脈沖產(chǎn)生的瞬間高壓不會(huì)對(duì)設(shè)備造成擊穿等損傷,并且通過(guò)電纜耦合到回路中的功率也非常小,可以忽略,主要分析通過(guò)天線耦合到回路的功率對(duì)設(shè)備的影響[12]。

超寬帶微波(非核電脈沖)頻帶為30 MHz～50 GHz,包含了雷達(dá)的工作頻率,且在工作頻帶內(nèi),脈沖的功率密度為(2～100)W/m2。雷達(dá)單個(gè)接收單元的面積為0.06m*0.06m=0.003 6m2。

雷達(dá)的限幅器為10 W,則雷達(dá)可承受的寬帶微波的功率密度為10/0.003 6=2 777 W/m2,高于寬帶微波的最大功率密度100 W/m2,因此不會(huì)損壞雷達(dá)。

由表3可知,不同距離處高功率微波電磁脈沖的功率密度不同,安全距離為20*10/2 777=72 km。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文仿真計(jì)算了雷電電磁脈沖、核電磁脈沖、高功率微波武器電磁脈沖等在空間的場(chǎng)強(qiáng)和功率分布,計(jì)算了屏蔽設(shè)備的屏蔽效能,分析了雷達(dá)易損傷模塊對(duì)不同種類(lèi)電磁脈沖的響應(yīng)特性和損傷效應(yīng),對(duì)于設(shè)備的電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。