复杂电大开口腔体的高功率微波防护分析

黄 隽 胡云安 张浩然 金 焱

(海军航空工程学院控制工程系,山东 烟台 264001)

1.引 言

国外非常重视复杂电大开口腔体的高功率微波(HPM)防护分析,但缺乏针对具体防护手段的定量分析。美国国防部确定了适用于飞行器的HPM辐射效应评估流程,探讨了加固措施,给出了防护指标,并建立了相应的Matlab模型[1-3]。国内直接针对复杂电大开口腔体的HPM防护研究较少。文献[4]-[6]开展了用于减少飞行器座舱雷达散射截面(RCS)的透明导电膜的性能分析;文献[7]提出用等离子体对传感器和飞行器进行微波防护。因为国内外复杂电大开口腔体的HPM防护领域鲜有考虑传输衰减的高功率微波模型,防护手段匮乏,缺乏防护效果的综合因素指标和分析方法,所以开展相关研究工作具有较高的学术价值。

2.考虑传输衰减的HPM模型

研究低频电磁脉冲可以忽略传输衰减,但随着激励频率提高,传输衰减的影响越来越大。目前国内外尚无HPM激励模型的标准,借鉴文献[2][8]的传输衰减(包括大气和降雨等)规律,基于高斯脉冲平面波模型,综合考虑以下因素：传输的衰减、载频(根据文献[2],考虑1～20 GHz范围)、辐射峰值功率、天线的最大辐射方向增益和传输距离等,提出一种正弦调制的高斯脉冲型HPM(文献[3]分析了其原型的杀伤机理)时域模型为

如图1所示,f为多参数函数,入射方向为Z轴方向(入射迎角θ0为0°,入射方位角φ0为90°,假设在天线最大辐射方向上),电场平行极化方向eφ轴方向。通过仿真优化模型参数,其中：脉冲峰值时间t0=64.9 ns,脉冲持续时间τ=64.7 ns,f0为入射脉冲的载频。按照MIL-STD-461E的指标概念,相应的脉冲上升时间为 21.8 ns,半峰宽度为30.3 ns.E0=104V/m是辐射观察点的峰值电场强度,A为大气衰减(海平面温度15℃,水气密度7.5 g/m3,1个大气压)和降水衰减(降雨量4 mm/h),A根据文献[2]的经验数据插值拟合而成,m是传输距离(以20 GW的辐射峰值功率和14.77 dB的辐射增益从天线沿最大辐射增益方向到观察点的距离)。f0、A和m的关系如表1所示,A随着f0的增大而增大,m随着f0的增大而减小。

图1 HPM和复杂电大开口腔体模型

表1 不同频率下传输距离

3.镀膜介质结构设计

文献[7]所提出的等离子体防护方法采用50 mm厚的等离子层,实际上难以在飞行器上应用。文献[4]指出降低RCS的导电镀膜材料要求,透光率不低于70%、电磁反射率不低于80%。文献[5]对镀膜玻璃的透光度、雾度、电阻率和电磁波反射率进行试验研究,并应用分层媒质理论给出复合玻璃的电磁波反射率、透射率和吸收率计算公式;文献[6]研究了平面分层系统的电磁波功率反射率和透射率公式;文献[9]研究了多层介质膜的反射率和透射率公式;但文献[5][6][9]的计算公式都有不准确的地方。设计电磁防护的透明镀膜介质,电磁反射率和透光率指标是不够的,提出电磁透射率和反射率相结合的设计性能指标,并给出两者的理论计算方法。

国内没有电磁反射率和透射率的明确定义,参考文献[5][6],给出电磁反射率R定义[9]：在给定波长和极化的条件下,电磁波入射到电磁材料平面,该电磁材料平面镜面反射功率Pr与入射功率Pi之比。对图2所示镀膜透明介质结构,平行极化波入射的电磁反射率R可计算如下

图2 镀膜透明介质分层结构

给出电磁透射率T定义[9]：在给定波长和极化的条件下,电磁波入射到电磁材料平面,该电磁材料平面镜面透射功率Pt与入射功率Pi之比。对图2所示镀膜介质结构,平行极化波入射的电磁透射率T可计算如下

A、B、C和D见式(4),δi见式(5),ηi见式(6)。

式中：Di为厚度;λ0为入射波波长;f为入射波频率;μri为相对导磁率;为复相对介电常数;εri为相对介电常数为复相对介电常数虚部;θi为界面i上的入射角。

首先通过评价分析电磁波入射角和透明导电膜厚度对平板镀膜透明介质的电磁反射率和透射率的影响,设计出平板镀膜透明介质分层结构,然后虚拟装配镀膜介质结构(在腔体开口透明介质内表面加载透明导电膜)并经防护分析,从而设计与完善镀膜透明介质结构,流程如图3。

图3 镀膜透明介质结构设计流程

文献[6]为评价平面分层介质系统反射性能与厚度关系建立了评价函数,但未考虑入射角的影响,而入射角对电磁反射率和透射率影响较大,为了寻求所谓最恶劣入射角(使得各个频率电磁反射率之和最小,透射率之和最大),采用如下综合评价函数：

选取透明导电膜导电率σ为1.5×105S/m,相对导磁率μr为1,相对介电常数εr为1,厚度分别为0.4、0.8和 1.2μm,分别对应的方块电阻为16.67、8.33和5.56Ω,符合高于5Ω低于30Ω的经验范围[5-6],保证透射性能和透光性能同时满足使用要求。评价表明,对不同薄膜厚度,反射率的最恶劣入射角为θ=0°,透射率的最恶劣入射角为θ=86.4°。

镀膜结构的电磁反射率透射率理论计算数据经分段三次Hermite插值得到在不同频率下不同厚度镀膜的电磁透射率如图4所示。不同厚度镀膜透明介质的透射率随入射波频率变化有相似之处,有两个较为明显的波峰,这是由透明介质和透明导电膜间的干涉效应造成,其中9和18 GHz附近出现透射率极大值,对应波长约为和.采用电磁透射率和反射率指标设计的平板镀膜介质分层结构如图2所示,把1.2μm厚度膜镀在单层介质第二界面处,结构总厚度为10 mm(保持原有透明介质厚度),电磁反射率(θ=0°)高于80%,电磁透射率(θ=86.4°)低于 15%。

图4 镀膜透射率数据插值

4.仿真与防护分析

平板镀膜介质的电磁透射率和反射率仅作为镀膜透明介质结构设计的主要依据,不能直接用来评估复杂电大腔体的防护效果,因此需要开展全尺寸复杂电大腔体仿真的防护效能分析。设立直角坐标,建立复杂电大开口腔体(某型飞机)与人体(两名飞行员)几何模型：飞机采用双座、双发双垂尾、机腹进气、顶部辅助进气、带边条的中等展弦比后掠下单翼、翼身融合的正常气动布局,飞机总长21 m,停机高度6.6 m,翼展12.8 m,座舱盖包括风挡、前舱盖、后舱盖、前固定段、后固定段和口框梁等,座舱长4.29 m,宽0.85 m,深1.43 m,座舱玻璃厚度为10 mm;座舱内设置了显示器、仪表板和控制面板等装置;飞机机体电导率σ为3.82×107S/m,相对介电常数εr为1;座舱玻璃相对介电常数为3.8,相对磁导系数μr为1。两名飞行员坐高 1.34 m,肩宽0.5 m,重心在沿前座舱和后座舱的对称YZ面内。设定电磁参数与吸收边界条件,并求解耦合电磁场。计算区域的FDTD最大网格尺寸Δx=Δy=Δz=Δ设为0.0015 m,膜厚度为1.2μm,介质和透明导电膜组成结构如图2。建立的飞机模型的屏蔽效能与文献[10]测试数据基本吻合。文献[11]为处理厚度远小于网格尺寸Δ的薄金属层,对常规FDTD算法进行了修正,但并没有阐述修正的原理,且处理方式改变了电场的量纲。提出一种厚度远低于网格尺寸Δ的薄膜等效处理算法：在Δ尺寸下,曲面介质和膜组成结构可等效为如图2结构,把透明导电膜厚度D2乘以放大因子Δ/D2,而电磁参数σ、μr和εr都乘以缩小因子D2/Δ.其等效性证明如下：根据公式(5)和(6),该等效算法可以保证 ηi和 δi不变,由公式(4)可保证电磁矢量E1、H1、E2和H2不变。这样等效处理的薄膜可按照网格尺寸Δ均匀划分,便于使用并行FDTD算法[12-13],极大地节省了计算资源。

4.1 针对不同载频HPM的防护效能分析

文献[14]采用时域电场幅度最值衰减评估屏蔽效能,工程应用比较方便,但未综合考虑入射方向和极化方向等因素。把评估防护效能的幅度最值衰减定义为：在一定载频f0、入射方向(入射迎角θ0与入射方位角φ0)和极化方向(eφ或者eθ)下随时间变化的无屏蔽条件下耦合电场强度E1(θ0,φ0,t,f0)幅度最值和屏蔽条件下电场强度E2(θ0,φ0,t,f0)幅度最值之比,即

对入射方向为Z轴方向(θ0为 0°,φ0为 90°),平行极化方向eφ为Y轴方向,载频在1～20 GHz的谐波调制高斯脉冲HPM,间隔1 GHz选取频率点进行计算,仿真获取的相应频率的无屏蔽条件下幅度最值、屏蔽条件下幅度最值、幅度最值衰减以及评价标准(从评价方法研究角度而言,选择固定翼飞机在最恶劣电磁环境飞行的航空高强辐射场(HIRF)标准2003[3,15]容许最值)如表2所示,其中HIRF标准2003在1～4 GHz频率段的容许最值较大,在5～6 GHz频率段的容许最值最大,主要是这些频段的关键机载设备多,干扰源多、能量强的缘故;该镀膜介质对1～12 GHz载频范围的HPM防护效能较好,幅度最值低于HIRF容许最值标准;随频率增加,腔体逐渐明显促进HPM对镀膜介质的耦合,幅度最值衰减在震荡中逐渐减小,在9 GHz时达到极小值,对应波长约为13 GHz以上,镀膜开口腔体耦合共振效应更加明显,屏蔽条件下幅度最值增加,幅度最值衰减减小,防护效能减弱;18 GHz附近,对应波长约为屏蔽条件下幅度最值达到极大值,幅度最值衰减达到极小值,防护效能最弱。

表2 不同频率防护效能数据

4.2 针对不同入射迎角HPM的防护极限分析

针对HPM具有入射方向、极化方向及强度难以探测,即使能够探测也来不及做出反应的特点,提出防护极限的概念：复杂电大腔体所能防护(电场幅度最值低于一定标准)的HPM(一定入射方向和极化方向)的最大辐射峰值功率。

在不同入射迎角θ(φ0为90°),平行极化方向eφ为Y轴方向的正弦调制(载频9 GHz)的高斯脉冲型HPM 正面激励下(θ在-90°～+90°范围)的防护极限如表3所示。在非屏蔽条件下,θ在-90°～0°的范围时,防护极限较大,其中-45°时防护极限最大;θ在 0°～90°时,防护极限较小,其中 90°时防护极限最小。在屏蔽条件下,-90°～0°的范围内防护极限有所加强,最小防护极限出现在 0°;0°～90°范围内防护极限大大增强,最大防护极限出现在45°。

表3 不同入射迎角的防护极限(323 m起爆距离)

5.结 论

通过仿真计算,得到了有关复杂电大腔体HPM防护的一些结论。

1)透明导电膜对一定载频范围的HPM防护效能较理想。

2)电磁透射率和反射率相结合的镀膜透明介质结构设计性能指标工程适用性强。

3)针对一定传输距离和一定载频的电磁波,透明导电膜使最小防护极限明显增强。

[1] EDWARD P S.Progress in directed energy weapons PartⅡ ：High power microwave weapons[R].Weapons Systems Technology Information Analysis Center,2003.

[2] SCHLEHER D C.Electronic Warfare in the Information Age[M].Norwood MA：Artech House,Inc.1996：453-469.

[3] ERTEKIN N.E-Bomb：The key element of the contemporary military-technical revolution[D].Montery：California naval postgraduate school.ADA 488877,2008,12.

[4] 张 考,马东力.军用飞机生存力与隐身设计[M].北京：国防工业出版社,2002.

[5] 李秀荣,刘 静,李长珍.高频电磁屏蔽用ITO膜结构与性能分析[J].武汉工业大学学报,2000,22(6)：21-24.LI Xiurong,LIU Jing,LI Changzhen.Properties and structureof ITO film used for electromagnetic screening[J].Journal of Wuhan University of Technology,2000,22(6)：21-24.(in Chinese)

[6] 张维佳,王天民,崔 敏,等.有ITO透明导电膜的平面分层介质系统的电磁波性能理论研究[J].物理学报,2006,55(3)：1296-1300.ZHANG Weijia,WANG Tianmin,CUIMin,et al.E-lectromagnetic performance of plane delamination media with ITO transparent conductive film[J].Acta Physic Sinica,2006,55(3)：1296-1300.(in Chinese)

[7] 杨 耿,谭吉春,盛定仪,等.等离子体对高功率微波的防护[J].核聚变与等离子体物理,2008,28(1)：90-93.YANG Geng,TAN Jichun,SHENG Dingyi,et al.Protection against high power microwave using plasma[J].Nuclear Fusion and Plasma Physics,2008,28(1)：90-93.(in Chinese)

[8] 何友文.高功率微波激励的等离子体效应的概述[J].电波科学学报,2005,20(3)：390-394.HE Youwen.The plasmaeffects induced by high power microwave[J].Chinese Journal of Radio Science,2005,20(3)：390-394.(in Chinese)

[9] 陈军编.光学电磁理论[M].北京：科学出版社,2005：87-108.

[10] BACKSTROM,MATS G,LOVSTRAND,et al.Suscepti-bility of Electronic Systems to High-power Microwaves：Summary of Test Experience[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2004,3(46)：396-403.

[11] 刘长军,黄卡玛,阎丽萍,等.电磁辐射作用于计算机主板的模拟及效应评估[J].强激光与粒子束,2006,18(5)：847-851.LIU Changjun,HUANG Kama,YAN Liping,et al.Simulation and effect evaluation of electromagnetic radiation on computer motherboard[J].High Power Laser and Particle Beams,2006,18(5)：847-851.(in Chinese)

[12] 余文华,杨小玲,刘永俊,等.并行FDTD和IBM BlueGene/L巨型计算机结合求解电大尺寸的电磁问题[J].电波科学学报,2006,21(4)：562-566.YU Wenhua,YANG Xiaoling,LIU Yongjun,et al.Solving electrically large EM problems using parallel FDTD and IBM BlueGene/L supercomputers[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(4)：562-566.(in Chinese)

[13] 刘 瑜,梁 正,杨梓强.基于映射文件的电磁并行FDTD算法实现研究[J].电波科学学报,2008,23(4)：634-639.LIU Yu,LIANG Zheng,YANG Ziqiang.Implementation of parallel FDTD algorithm based on mapped file[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(4)：634-639.(in Chinese)

[14] 李炎新,陈 彬,石立华,等.脉冲电场屏蔽效能测试系统及测试方法[J].强激光与粒子束,2006,18(6)：972-976.LI Yanxin,CHEN Bin,SHI Lihua,et al.Pulseelectric field shielding effectiveness measurement system[J].High Power Laser and Particle Beams,2006,18(6)：972-976.(in Chinese)

[15] Ae-4 Electromagnetic Environmental Effects(E3)Committee.SAE-ARP5583：Guide to Certification of Aircraf t in a High Intensity Radiated Field(HIRF)Environment[S].2003