无人机宽带高功率电磁脉冲易损性分析*

张江南，何 勇，潘绪超，乔治军,2，陈 鸿，沈 杰，杨紫淇

(1 南京理工大学智能弹药技术国防重点实验室，南京 210094；2 空军装备研究院，北京 100085)

0 引言

自从进入21世纪，科学技术的快速发展，尤其在控制芯片、锂电池、传感器以及通讯模块等产业链的快速发展，电子元器件成本持续下降，使得无人机(UAV)行业迅猛发展。而无人机在战争中的应用也极大地推动了相关技术的发展，美国国防高级研究计划局(DARPA)的“拒止环境中协同作战”(CODE)项目和低成本无人机“蜂群”技术(LOCUST)项目的顺利进展以及英国2016年公布无人机系统战略增加了该技术实战应用的可能性，而在发展无人机技术的同时，许多国家已经开始研究和开发对抗无人机作战的技术和手段，例如，法国开展了“全球反无人机系统技术和方法的分析与评估”等。在无人机对抗方面，由于宽带高功率电磁脉冲兼顾了超宽谱强电磁脉冲频谱覆盖范围宽和窄带高功率微波功率密度高的特点[1-2]，并且对典型电子设备具有较高的后门耦合效率，可在相应频段范围内对无人机目标产生显著电磁辐射效应，因此在高功率宽带电磁脉冲效应、无人机干扰、毁伤等领域具有一定的应用潜力[3-4]。

对于无人机电磁脉冲易损性研究，国外Butin等[5]通过FEKO模拟的屏蔽效能数据与测量结果对比，提出了具有有限使用寿命的无人机系统的抗扰度测试研究方法，可为易损性试验提供借鉴。Torrero等[6]在高EM场强下进行的RF抗扰度测试来评估通用低成本无人机平台的可靠性。国内学者在该方面也做了一定的研究，邓潘等[7]针对反辐射无人机的系统级电磁毁伤评估的困难，提出综合运用理论分析、系统仿真和电磁毁伤效应试验方法。赵妍卉等[8]对电磁脉冲易损性试验分别采用成败型和Weibull型单元进行了分析及验证。孙蓓云等[9]采用信息子空间方法概括介绍了系统级电磁脉冲评估过程。综上所述，国内外学者在电磁毁伤评估方法等相关方面已做了一定程度的研究，为无人机宽带高功率电磁脉冲易损性的分析奠定了良好的研究基础，但仍缺少系统化无人机电磁脉冲易损性方面研究，而目前无人机面临着复杂的电磁环境[10]，针对宽带高功率电磁脉冲对无人机电磁易损性[11]问题，进行无人机目标分析，宽带高功率电磁脉冲分析，无人机目标易损性分析以及易损性试验研究。

1 目标分析

1.1 无人机结构分析

以四旋翼无人机为研究对象，无人机各旋翼轴分别装配电机和螺旋桨，电机均装配电子调速器。飞行控制系统主要包括：陀螺仪，进行飞行姿态感知；加速度计，地磁感应飞控；气压传感器，悬停高度粗略控制；超声波传感器，低空高度精确控制或避障；光流传感器，悬停水平位置精确确定；GPS模块，水平位置高度定位。分电板将供电线路分为4路，包括LED控制、追踪器、低电压报警、电机供电等。接收机作为无人机上行数据链系统，主要用来接收遥控器的控制信号，并将控制信号传递给飞行控制系统。图传、数传系统作为无人机下行数据链系统，主要用来无人机图像数据、飞行参数等数据传输。根据无人机结构组成，将无人机划分为飞控、GPS、接收机、电调、图传等系统模块。

1.2 无人机功能分析

无人机所承担的任务主要包括充当军队训练目标、战术侦察与监视、战场通讯中继、对敌诱骗、火炮校准、反辐射武器、电子干扰、对地目标作战、民用特种任务或其他任务等。根据无人机所能承担的任务，无人机基本功能包括飞行功能、通讯功能、数据传输功能等。此外，根据无人机需完成的特定任务还会具备特定的作战功能或特种功能，而其功能的完成与其系统结构的组成密不可分。任何子系统的毁伤都将导致其不能完成相应的功能，从而使无人机无法准确完成作战任务。

1.3 无人机毁伤等级划分及毁伤模式分析

根据无人机不同毁伤现象，将无人机毁伤等级划分为干扰级、失控级以及毁伤级。针对无人机不同毁伤等级对其毁伤模式进行分析。干扰级：无人机在电磁脉冲干扰作用下出现飞行极其不稳定，无人机可接收到遥控信号，但在飞行中无法自稳，出现持续性剧烈抖动。电磁脉冲对无人机的姿态检测或姿态解算模块受到严重干扰，其中易受干扰的关键部件有飞控主芯片、PPM解码芯片、GPS、三轴磁力计、空速计以及AD芯片等。失控级：无人机接收机受到严重干扰，信号码解析错误，遥控信号无法控制无人机飞行，导致无人机失控飞行。在2.4 GHz通讯技术中，PPM信号受到干扰后其信号占空比改变，解析指令信号发生错误，扰乱控制信号，导致无人机失控。毁伤级：由于电机提供升力扭矩不平衡、扭矩不足或电机停转导致无人机无法维持自身姿态稳定而发生倾覆坠毁。电子调速器受到电磁脉冲干扰后，其中三相控制电路的场效应管损坏或无法驱动电机转动，导致无人机倾覆坠毁。

2 宽带高功率电磁脉冲分析

2.1 宽带高功率电磁脉冲分析

宽带高功率电磁脉冲辐射特性参数主要包括带宽、中心频率、远场辐射因子等。带宽是描述宽带高功率电磁脉冲频谱特征的一项重要指标，百分比带宽描述频谱的3 dB宽度与中心频率的相对比值，宽带高功率电磁脉冲百分比带宽大于1%且小于100%[12]，宽带高功率电磁脉冲的频谱呈近似高斯分布，辐射因子表示在电磁脉冲源的辐射天线远场区，辐射场电场强度E与距离r成反比关系，两者乘积为常数，常用辐射因子来描述宽带辐射系统的辐射性能，目前已研制的宽带高功率电磁脉冲辐射系统中，绝大部分系统的中心频率范围为200 MHz～1 GHz，辐射因子范围为0～300 kV[13]。

2.2 电子元器件毁伤分析

宽带高功率电磁脉冲对电子元器件的毁伤模式主要包括：1)瞬间干扰：主要是指耦合功率较低，等同于系统增加了噪声或干扰信号，影响电子元器件的正常工作；2)高压击穿：主要是指耦合进入电子元器件的电磁能转化成高电压、大电流引起电子元器件发生电击穿；3)器件烧毁：主要是指半导体器件的烧蚀或连线熔断等；4)微波加温：由于电子元器件均有一定的工作温度，若电磁脉冲通过加热方式使器件温度超过正常工作的温度极限，使器件无法正常工作。

通过大量器件阈值试验可得到阈值数据，易损电子元器件电磁脉冲功率毁伤阈值如图1所示。在易损电子元器件中，微波二极管、CMOSRAM、运算放大器、开关晶体管的功率阈值较低，依次为4×104～1×106W/m2、1×105～1×106W/m2、3×105～3×106W/m2、3×105～3×106W/m2。

图1 易损电子元器件功率阈值[14]

3 无人机目标易损性分析

3.1 无人机电磁脉冲敏感度分析

无人机接收机作为通讯系统前端，也是电磁脉冲“前门耦合”的主要途径，其电磁脉冲易损性可采用带内敏感度指标来度量，电磁脉冲敏感度越高，其易损性也越高，以无人机接收机的灵敏度和带宽作为相应指标参数。无人机接收机的敏感度Sr用下式表示：

Sr=24+20lgB-10lgR-N

(1)

式中：Sr为无人机接收机电磁敏感度;B为无人机中频带宽；R为输入阻抗；N为接收机灵敏度。接收机灵敏度用下式表示：

N=-114+F+10lgB+D

(2)

式中：F为无人机接收机噪声系数；D为信噪比。无人机接收机电磁脉冲敏感度计算结果见表1。

表1 接收机电磁脉冲敏感度

由表1可见，无人机通讯接收的电磁脉冲敏感度最低，导航接收机敏感度最高，电磁脉冲易损性最高。

3.2 无人机宽带高功率电磁脉冲耦合分析

无人机系统组成繁多，耦合过程复杂，难以对各分系统进行准确的电磁脉冲耦合计算，考虑到各分系统模块均由电子元器件集成于印制电路板上，故将无人机各系统模块的集成电路、传输线耦合过程等效为印制板微带线双导体模型，利用Taylor模型对各系统模块等效模型进行耦合分析。根据Taylor[15]的研究，对于长度为l的传输线，终端负载为Z1和Z2，以传输线上电压V(x)和电流I(x)为微分变量，写出相应的频域传输线偏微分方程组为：

(3)

式中：Z′=R′+jωL′，Y′=G′+jωC′，R′、L′、G′、C′分别为传输线单位长的电阻、分布电感、电导和分布电容。对于传输线激励模型，R′、G′一般可忽略，即Z′=jωL′，Y′=jωC′。V′s(x)、I′s(x)分别为传输线的分布电压源、分布电流源，可由下式表示：

(4)

(5)

式中：μ=μ0=4π×10-7N·A-2，为真空磁导率。该偏微分方程组的边界条件为:

V(0)=-Z1I(0),V(l)=Z2I(l)

(6)

设负载电压和电流响应为VL1、VL2、IL1、IL2，则IL1=-I(0) ，IL2=I(l)，VL1=V(0)，VL2=V(l)。

根据电磁拓扑理论，负载电压和电流响应的BLT[16]方程可表示为：

(7)

(8)

(9)

式中：ZC为传输线特性阻抗。

(10)

(11)

将其代入边界条件求得：

(12)

因此，微分方程组(3)解的表达式为

(13)

采用PCB I结构作为耦合计算等效模型。PCB I结构体现了两条微带线位于印制板上外表面，两条宽为w的微带线位于电路板的一侧，印制板的厚度为h，相对介电常数为εr，微带线厚度近似为零，即t=0，特性阻抗为ZC。等效场线耦合模型主要根据PCB板面积A、布线密度Wd等因素确定。微带线等效长度为

L=A×Wd

(14)

等效模型的其他参数w、d、h通过实际测量得到。各部件印制板等效模型参数见表2。

表2 各部件印制板等效模型参数

利用Taylor模型对宽带电磁脉冲辐射在微带线终端产生的干扰电压进行分析和计算[17-18]。终端响应电压可表示为:

(15)

式中：S1和S2与入射电磁波的辐射特性关系密切。采用的激励源为正弦平面波形式[19]，考虑激励场是入射平面波的情况，如图2所示。辐射场由入射角(仰角ψ和方位角φ以及电场向量相对于垂直平面的极化角α)来确定。对于垂直极化入射场，电场向量位于入射平面内，并且α=0°。对于水平极化的入射场，其电场垂直于入射平面，并且α=90°。记入射电场的幅值为E0，入射电场极化图如图3所示。

在正弦平面波激励场下，分布电流源、分布电压源可由下式表示：

(16)

(17)

(18)

(19)

图2 微带线双导体等效耦合模型

图3 入射电场极化图

以重复频率为20 Hz，入射电场幅值E0=15 kV/m宽带电磁脉冲为例，终端阻抗Z1=50 Ω，Z2=50 Ω，仰角ψ=0°，方位角φ=0～2π，极化角α=45°，对无人机进行系统级等效耦合计算，计算结果如图4所示。

由耦合计算可知，终端响应电压峰值情况：飞控为1.28 V，GPS为0.79 V，电调为0.40 V，接收机为1.03 V，图传为0.35 V。结合无人机系统部件电磁敏感度以及电子元器件电磁脉冲毁伤阈值分析，无人机在宽带高功率电磁脉冲作用下，最易受到干扰毁伤的部件为接收机和GPS。

图4 宽带电磁脉冲耦合情况

3.3 目标易损性计算

对于宽带高功率电磁脉冲输入参数分别为辐射因子、中心频率、带宽、重复频率，无人机输入参数包括无人机坐标矩阵、各部件印制板等效模型参数等，利用耦合计算所得负载终端响应电压以及无人机电子元器件安全电压阈值，建立电磁脉冲评估系数：

(20)

Pk=1-e-ρs

(21)

式中：Pk为无人机部件级毁伤概率。无人机系统级毁伤概率可表示为：

(22)

图5 无人机系统级毁伤概率曲线

4 试验研究

4.1 试验设计

表3 宽带电磁脉冲辐射源参数

图6 效应试验布局图

4.2 试验结果分析

根据以上试验设计进行宽带电磁脉冲辐照试验。试验测试结果如图7、表4所示。

图7 无人机测试点场强分布

表4 辐照源效应现象

编号单脉冲20Hz电磁脉冲1MHz电磁脉冲现象描述1A/B/C/FA/B/C/E无2无A/B/D/E/F无3无A/B/D/E/FA/B/D/E4A/B/D/EA/B/D/E/FA/B/C/EA:GPS定位数据紊乱;B:通讯系统失灵,遥控器操作无效;C:电机转速失调,无人机抖动;D:电机停转;E:飞控状态数据紊乱;F:图像画面出现短暂白皙

分析以上3组辐照源辐照试验结果，对于单脉冲辐照源，由于无人机处于低电量情况下，单脉冲辐照源在5 m处，场强5 kV/m，功率密度为6.63×104W/m2对无人机造成严重干扰而失控，而在电量正常情况下，造成电机停转等严重失控的50%干扰毁伤场强阈值为20 kV/m，功率密度为1.06×106W/m2，作用距离为2m，主要易损子系统模块包括：飞控、通讯以及电调，图传系统暂无明显影响；对于20 Hz重频辐照源，对无人机的失控级50%干扰毁伤对场强阈值为13 kV/m，功率密度为1.30×105W/m2，作用距离为17.2 m，主要易损子系统模块包括：飞控、通讯、电调以及图传；1 MHz重频辐照源，对无人机的失控级50%干扰毁伤场强阈值为1.67 kV/m，功率密度为7.40×103W/m2，作用距离为0.6 m，主要易损子系统模块包括：飞控、通讯以及电调，图传系统暂无明显影响。以上3种电磁脉冲辐照源对无人机作用后，对无人机重新上电，无人机均能恢复正常工作，可知3种辐照源均未造成系统模块内部电子元器件击穿、烧毁等不可逆转性毁伤。

5 结论

通过无人机宽带高功率电磁脉冲易损性分析可得到以下结论：1)无人机在宽带高功率电磁脉冲作用下，最易受到干扰毁伤的部件为接收机和GPS；2)由无人机系统级毁伤关系可知，宽带高功率电磁脉冲重复频率增加，无人机毁伤场强阈值降低，毁伤概率增大；3)相比单脉冲和1 MHz电磁脉冲，20 Hz电磁脉冲对无人机作用效果最明显，作用距离最远。

无人机宽带高功率电磁脉冲易损性一方面对宽带高功率电磁脉冲技术的应用有一定的借鉴和参考，具有很强的工程应用价值，另一方面对无人机的宽带高功率电磁脉冲防护方面也提供一定的理论支持。