射频前端强电磁脉冲前门耦合研究*

李名杰，谭志良，耿利飞

(军械工程学院 静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003)

0 引言

现代军队离不开C4ISR、电子对抗、火力打击等系统，自然也离不开各类天线，以及收发天线信号的射频前端，它们功能各异，工作频带不同。出于抗电磁干扰考虑，电子装备往往工作在密封性好的金属舱内。但天线功能决定其始终暴露在电磁环境中，当遭受电磁脉冲武器攻击时，由于天线对电磁场敏感，部分强能将通过前门耦合至射频前端，造成内部器件及电子系统的损伤或干扰，继而影响军队作战进程［1－3］。为提高武器系统抗电磁摧毁能力，亟需解决电磁加固问题。对射频前端进行强电磁脉冲前门耦合研究，是电磁加固研究的基础，具有重要的理论指导意义。

1 战场强电磁脉冲环境

全文提及的强电磁脉冲不仅是指核电磁脉冲，对它的环境评估就是对攻击手段及效能的评估。为了便于量化计算，假定攻击武器是高功率微波武器(HPMW):高功率微波源采用相对论微波管，产生20 GW峰值功率、主要覆盖频带 500 MHz～10 GHz［4］，其归一化波形和频谱如图1所示。高功率定向发射天线采用角锥喇叭天线，其口面尺寸为d1d2≈505 cm2。

已知角锥喇叭天线增益系数［5］为

式中:λ为波长，频率越高，增益越大。忽略媒质衰减，离天线距离为R处，主瓣功率密度、场强振幅分别为

式中:Pin为角锥喇叭天线输入功率。

当Pin取峰值功率20 GW，Gt取其频带内最大值时，距离1 km处峰值功率流、场强振幅值为

一般强电磁脉冲能量在其频带内是不均匀分布的，以及实际增益小于其带内最大值，所以战场真实功率流、场强将不大于式(3)，(4)之值。

真实战场电磁环境，敌人所投武器功率量级Pin、辐射天线类型及天线增益Gt、离我方距离R及方向均为未知，因此考虑最恶劣环境。该方法评估了一定条件下，峰值功率密度、场强振幅的数量级，可作为划分防护等级、设定冗余防护指标的初步依据。

2 脉冲耦合能量理论计算

2.1 天线与射频前端概述

图1 HPM电磁脉冲信号归一化波形和频谱Fig.1 Normalized waveform and frequency spectrum of HPM EMP

射频前端主要包括发射机、接收机、天线和馈线以及一些辅助电路等。在讨论强电磁脉冲对射频前端的耦合、损伤效应时，主要针对天线—接收机链路。以典型超外差式收发系统为例，如图2所示，天线以频率决定接收面积形式收集空中微弱射频信号，前端电路则进行复杂的频率变换，过滤带宽信号，抑制干扰和内部噪声，尽可能地提高接收效率和信号信噪比。

图2 典型超外差式收发系统结构Fig.2 Typical super heterodyne transceiver’s structure

根据互易定理对收发天线的推广，得出任意接收天线如图3所示的等效电路。eA为天线感应电动势，Zg为天线输入阻抗，ZL为天线后接负载。军用无线电设备为突出电子反对抗，天线波束设计有空域指标，前端电路也有时频域指标。可认为天线和前端各电路都具有滤波功能，其对应的天线方向图和前端各电路频率特性等效为该滤波器的系统响应函数。同时天线、天馈线(含收发开关)、接收机三者的阻抗匹配程度也与频率有关。

图3 接收天线等效电路Fig.3 Equivalent circuit of a receiving antenna

2.2 脉冲耦合能量理论计算公式

强电磁脉冲对无线电设备的前门耦合过程，就是接收天线接收功率信号在接收机内的传播。该功率信号小则形成电子干扰，大则沿路依次摧毁功率容量低的器件，如低噪声放大器的砷化镓场效应晶体管［6－10］。图4为接收通道等效电路，把天馈线—终端匹配网络之后的整体作为负载Z0，接收天线输入阻抗为Zg，以流过天馈线系统D端的信号功率来衡量强电磁脉冲的耦合程度。

图4 接收通道等效电路Fig.4 Equivalent circuit of receiving channel

远处传来的强电磁脉冲近似平面波，设其传播方向在接收天线(θ，φ)方向上，频谱极宽，功率流谱密度函数为S(ω)，极化失配因子为υ。接收天线所有特性指标均与频率有关，如天线输入阻抗Zg(ω)=Rg+jXg，增益Gr(ω)，归一化场强方向函数 F(θ，φ，ω)(即Fo(ω))。天馈线特性阻抗、匹配网络输入输出阻抗往往也受频率影响，在接收机带宽外出现变化。有共轭失配因子μA表示天线输出端失配时传输功率与匹配时传输功率的比值为

式中:其他参数来自 ZA(ω)=RA+jXA，ZA(ω)为天馈线系统A端的输入阻抗。

则等效接收面积为

式中:c为真空中光速。

在B端有反射失配因子:

式中:ΓB为该端反射系数。

同理 C，D端也有反射失配因子 μC(ω)，μD(ω)。则总的反射失配因子为

天馈线系统不同导波类型有不同截止特征，L0(ω)为其截止波导衰减。Le为其他综合衰减，如天线罩损耗，天线、天馈线系统欧姆损耗等。耦合功率Pr为

式中:ωmax为强电磁脉冲的上限频率。

继续第1部分对强电磁脉冲效能的评估，首先极化匹配，即υ=1;S(ω)通常采用高斯、钟形等分布，它们是对脉冲特性的逼近;常用导波及天馈线系统在10 GHz下特性阻抗受频率的影响较小，取A端输入阻抗恒为接收机中心频率时天线输入阻抗共轭值，忽略μr(ω);且可忽略 L0(ω)，Le。耦合能量值的理论计算，有助于划分电磁加固防护等级和设定冗余防护指标。而式(6)，(9)对耦合过程的分析也提示，除了在天线和接收机之间加限幅器外，也可适当改造天线、天馈线系统达到电磁加固目的。

3 典型天线－前端耦合仿真分析

3.1 中馈天线强电磁脉冲辐照仿真分析

天线对强电磁脉冲的接收分析是天线－前端前门耦合的核心，该分析，实质上仍是电磁场的边界问题，由接收与发射关系互易，从发射特性就能对接收特性有个全然了解。军用天线从移动电台用鞭状天线，车载通讯用八木天线，到雷达用抛物面天线、相控阵天线，天线依功能而结构各异，不同类型的天线，有不同的分析方法。电小尺寸辐射体常用线源分析方法，以及矩量法、有限元法、FDTD等数值分析方法，通常称为低频近似方法;电大尺寸则有几何、物理光学法和几何、物理绕射法等高频近似方法。但实际情况是，变化的战场环境和超宽的脉冲频谱，类型各异、尺寸不一的天线，以及复杂的理论及其限制条件，使理论计算复杂度、工程量和误差很大，而实验检测更是代价高昂、耗时耗力，所以计算机模拟在这方面显示出优势［11－13］。中馈天线工作频带宽，水平全向性好，其电性能受周围地理环境影响小，而被广泛用于军事用途。这里用电磁仿真软件CST微波工作室对某型短波电台中馈天线进行强电磁脉冲辐照仿真分析。

天线建模既可以采用原尺寸原结构，也可以采用等效简化模型，这里综合两者，如图5所示。假设该短波电台工作在40～65 MHz，天线在此频带内保持良好电特性，天线增益最低为2～3 dB。图6，7分别为其作为发射天线时工作在40～65 MHz的驻波比和输入阻抗。

图5 短波中馈天线建模Fig.5 Shortwave center-fed antenna model

图6 天线在40～65 MHz下的驻波比Fig.6 Antenna’s VSWR under 40 ～65 MHz

强电磁脉冲环境评估，除HPM频率改为0～1 GHz外，其余均按第1部分条件不变。则如图8所示，距离1 km处辐照平面波峰值场强为6 230 V/m，采用高斯分布激励，参考图5坐标系，能流矢量在方向，电场矢量约在方向，线性极化。

图7 天线在40～65 MHz下的输入阻抗Fig.7 Antenna’s input impedance under 40 ～ 65 MHz

中馈天线为50 Ω同轴线输出，在CST微波工作室中，其后设置波导端口与否，分别代表接50 Ω负载与开路，两者的输出电压信号a，b如图9对比所示。该现象的解释是开路造成同相全反射，入射波与反射波叠加，峰值电压增大。这现象也揭示在强电磁脉冲耦合通道中，如果某薄弱环节因毁伤造成开路，会增加毁伤口前通道的承受功率，容易构成返回式破坏。

图8 辐照平面波场强时域信号Fig.8 Time-domain electric field of the plane wave

图9 天线输出端电压时域信号Fig.9 Volt-time curves in antenna terminal

增加辐照功率，改变电场矢量使极化匹配，天线输出端电压 a，b明显增强，式(6)，(9)可以解释。然而，在相对低频条件下，如图4，A端输入阻抗恒为接收机中心频率时天线输入阻抗共轭值，天线输出电压a，b均不代表天线连接电台前端后A端的真实电压，电压b等于感应电动势eA。

3.2 短波电台射频前端耦合仿真分析

中馈天线-射频前端系统，除天线外，其余皆在金属舱内部。若排除接收设备，仅对天线进行辐照仿真，不能反映无线电设备前门耦合规律，反之亦然。为实现天线仿真与前端电路仿真有机连接，前端电路仿真中须体现天线辐照感应电动势eA、天线输入阻抗频变规律和中心频率下共轭匹配，如图4，还须甄别二维电路仿真与三维电磁仿真，并有效建模。针对以上要求，这里用CST设计工作室对其进行时域仿真。

比较图4，设天线末端依次连接共轭匹配电路、射频同轴线、带通滤波器(匹配设计)。该滤波器后就是低噪声放大器、混频器、本振等射频核心电路，鉴于射频核心电路功率容量小、成本高昂，往往从其输入强度来判断强电磁脉冲威胁程度。本短波电台的匹配电路和带通滤波器均为分离器件(1 GHz下可忽略寄生效应)，仿真从天线输出到滤波器输出为止。图10～12分别为天线末端接共轭匹配电路、SFB-50-12射频同轴线、带通(20～100 MHz)滤波器的电路模型。实际仿真时，图10～12将去掉菱形电路端口并按序号连接，进行时域仿真分析。

图10 天线末端接共轭匹配电路Fig.10 Antenna terminal connected to the conjugate matching circuit

天线感应电动势eA(即图9电压b)从外部端口1输入。TS1模块导入中馈天线S参数TOUCHSTONE模型，与其后匹配电路串联，等效于串联了天线输入阻抗Zg(ω)。外部端口2设置50 Ω端口负载。

图11 SFB－50－12射频同轴线Fig.11 SFB－50－12 RF coaxial cable

图12 带通滤波器Fig.12 Band-pass filter

在仿真电路中设置探针P1～P5，如图10～12所示。先假设器件损伤阈值无穷大，图13，14分别为此条件下P1～P5的电压、电流时域波形图。然而实际不然，若出现P1～P5某时刻的瞬态过电压、瞬态过电流、瞬时功率或积累功率首次大于其规定阈值，将判定为硬损伤，波形将于此刻停止;若无出现，则图13，14所示波形将延续成立。当波形成立时，由本例仿真结果可看出:

图13 不同监测点电压时域波形Fig.13 Volt-time curves in different monitors

图14 不同监测点电流时域波形Fig.14 Current-time curves in different monitors

(1)耦合时域信号进入接收机内部，响应变长，幅值从零增加到峰值，再振荡衰减。

(2)天线接收共轭失配对脉冲强能衰减明显，而匹配电路本身作为特殊滤波器对信号衰减较小，专门滤波器对强能衰减效果最显著。

(3)LC滤波器能强烈反射带外信号，其输入端电压由入射波与反射波叠加而较前方通道有所增加。所以射频电路中有必要对反射滤波器端口进行加强。

4 结束语

面对战场强电磁脉冲，首先量化评估其威胁程度，如算出一定距离处峰值功率密度、场强振幅。再根据天线-射频前端工作原理，认为天线和接收机各电路都具有滤波功能，其对应的天线方向图和接收机各电路频率特性等效为该滤波器的系统响应函数，继而提出全频带耦合能量理论计算公式。为反映耦合通道效应细节，设计和实现了天线仿真与前端电路仿真的有机连接，CST微波工作室能完成强电磁脉冲辐照，CST设计工作室能实现物理的纯瞬态场与路的同步协调仿真。对于更广泛辐射条件(如不同波形、峰值等)下，更多射频电路(如低噪放、混频器等)的电磁脉冲耦合干扰效应，以及前门防护技术的验证，也能在此基础上实现，此仿真方案具有良好的应用前景。

研究强电磁脉冲前门耦合效应，进而开发前门防损伤、防干扰技术是保障部队在复杂电磁环境下完成多样化信息任务的必然要求。通过上述研究，有以下几点认识:

(1)不能轻视带外信号。带外耦合能量取决于天线-接收机广义滤波性能和强电磁脉冲带外能量两方面，而后者决定权在敌方。

(2)防护技术(策略)须讲共性与个性。不同类型无线电设备，工作原理与构造不尽相同，其前门耦合效应也有不同特点。防护须立足装备，把握耦合共性、突出效应区别，围绕无线电设备正常工作，因地制宜。

(3)无线电设备在设计阶段须考虑电磁防护，加固薄弱环节，预防“水桶效应”。

［1］ 张胜涛，赵英俊，耶亚林.电磁脉冲弹对雷达“前门”损伤研究［J］.航天电子对抗，2007，23(3):18-20.ZHANG Sheng-tao，ZHAO Ying-jun，YE Ya-lin，et al.Research on Damage of Electromagnetic Pulse Bomb to Radar Through“Front Door”Couple［J］.Aerospace E-lectronic Warfare，2007，23(3):18-20.

［2］ 张昕，王锋.电磁脉冲与短波天线耦合特性的研究［J］.现代电子技术，2011，34(5):187-189.ZHANG Xin，WANG Feng.Coupling Characteristic of Electromagnetic Pulse and HF Antenna［J］.Modern Electronics Technique，2011，34(5):187-189.

［3］ 刘尚合.武器装备的电磁环境效应及其发展趋势［J］.装备指挥技术学院学报，2005，16(1):1-5.LIU Shang-he.Effect of Electromagnetic Environment to Weaponry and Its Trend of Development［J］.Journal of the Academy of Equipment Command ＆ Technology，2005，16(1):1-5.

［4］ 周壁华，陈彬，石立华.电磁脉冲及其工程防护［M］.北京:国防工业出版社，2003.ZHOU Bi-hua，CHEN Bin，SHI Li-hua.EMP and EMP Protection［M］.Beijing:National Defence Press，2003.

［5］ 李莉.天线与电波传播［M］.北京:科学出版社，2009.LI Li.Antenna and Electromagetic Wave Propagation［M］.Beijing:Science Press，2009.

［6］ JHA K K.EMP Protection of Communication Antenna— A Study［C］∥10th International Conference on Electromagnetic Interference＆Compatibility 2008:217-121.

［7］ CAMP M，GARBE H，NITSCH D.Influence of the technology on the Destruction Effects of Semiconductors by Impact of EMP and UWB Pulses［C］∥IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility，2002:87-92.

［8］ 甄可龙，吕善伟，张岩.强电磁脉冲对雷达接收机的天线耦合分析［J］.河北科技大学学报，2011，32(2):147-151.ZHEN Ke-long，LÜ Shan-wei，ZHANG Yan.Analysis of Antenna Coupling of Intense Electromagnetic Pulse to Radar Receiver［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2011，32(2):147-151.

［9］ 陈盘训.半导体器件和集成电路的辐射效应［M］.北京:国防工业出版社，2005.CHEN Pan-xun.The Radiation Effects of the Semiconductor Devices and Integrated Circuit［M］.Beijing:National Defence Press，2005.

［10］ 肖金石，刘文化，张世英，等.强电磁脉冲对导弹的电磁毁伤性分析［J］.火力与指挥控制，2010，35(8):63-65.XIAO Jin-shi，LIU Wen-hua，ZHANG Shi-ying，et al.Electromagnetic Damage Analysis of High Power Electromagnetic Pulse Attacking Missiles［J］.Fire Control＆Command Control，2010，35(8):63-65.

［11］ XUE M F.Wideband Pulse Responses of Fractal Monopole Antennas Under the Impact of an EMP［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2010，52(1):98-107.

［12］ 杨雨川，谭吉春，盛定仪，等.导体板上单极天线对电磁脉冲响应特性的矩量分析［J］.强激光与粒子束，2008，20(4):649-652.YANG Yu-chuan，TAN Ji-chun，SHENG Ding-yi，et al.Response Characteristics and Protection Techniques of Monopole on Conductive Plane Exposed to Electromagnetic Pulse［J］.High Power Laser and Particle Beams，2008，20(4):649-652.

［13］ 张春侠，周春梅，林金永.电磁脉冲对电子设备的耦合效应试验研究［J］.航天电子对抗，2010，28(5):89-92.ZHANG Chun-xia，ZHOU Chun-mei，LIN Jin-yong.Experimental Study of EMP Coupling for Electronic Equipment［J］.Aerospace Control，2010，28(5):89-92.