加载能量选择表面的导航天线强电磁辐照响应研究

易 波，李丽英，陈紫琪

(解放军78118部队，四川 成都 610000)

0 引 言

高功率微波武器以其攻击速度快、命中率高、杀伤区域大、全天候作战等优势，得到各军事强国的青睐[1-3]。美俄作为世界军事强国，其电磁武器已经被实战检验[4-5]。电磁防护相关理论、技术以及评估方法研究已成为当今世界各国的研究热点[6-7]。“前门”是强电磁能量耦合的主要途径，针对“前门”的防护手段主要有能量选择表面(ESS)、等离子体防护、限幅器、有源对消电磁防护技术、电磁防护仿生技术等[8-10]。ESS可以在不影响设备正常工作的前提下有效防护强电磁脉冲攻击，实现工作信号收发与强电磁防护兼容[11]。

本文利用电磁仿真软件，结合导航天线，仿真分析在高空核爆(HEMP)、超宽带(UWB)以及高功率微波(HPM)3种典型强场辐照下，能量选择表面的响应特性，为ESS应用提供指导。

1 基于能量选择表面的天线罩

导航接收机强电磁防护是ESS的一个典型应用方向[12]。本文所采用的导航天线与ESS天线罩结构分别如图1和图2所示。图1中导航天线结构参数如表1所示。

图1 导航天线结构图

图2 加载ESS天线罩结构

表1 导航天线结构参数(mm)

利用电磁仿真软件，建立加载ESS后的导航天线仿真结构，仿真得到天线参数S11、增益以及轴比分别如图3、图4和图5所示。

图3 加载ESS后的导航天线S11参数

图4 加载ESS后的导航天线轴比

图5 加载ESS后的导航天线增益

从图3～图5可以看出，在导航频点1.561 GHz和1.571 GHz，加载ESS后的导航天线S11参数均小于-15 dB，轴比在100°以内均小于3 dB，而增益最大超过7 dB，满足导航天线性能要求[13]。

2 强电磁辐射波形特性

强电磁辐射波形包括UWB、HEMP以及HPM 3种波形[14-15]。

UWB是峰值功率大于100 MW、上升沿为10-1ns或ps量级、相对带宽超过25%的电磁脉冲，其时域表达式如下：

(1)

式中：t0为时间延迟；τ为时间衰减常数，影响脉冲宽度。

令t0=2.5 ns，τ=0.085 ns，其时域和频域波形分别如图6和图7所示。从图7可以看出，UWB能量分布在较宽的频段范围内。

图6 UWB时域波形

图7 UWB波形频谱图

世界各国都对HEMP进行了深入的研究，本文采用IEC 61000-2-9所发布的波形标准，其时域表达式如下：

E(t)=E0k(e-αt-e-βt)

(2)

式中：E0为峰值场强；k为峰值修正系数；α、β分别为核爆双指数脉冲下降沿和上升沿参数。

典型时域与频域如图8和图9所示。

图8 高空核爆电磁脉冲时域波形

图9 高空核爆电磁脉冲频率频谱图

HPM输出功率在100 MW以上，足以使未加防护的军用电子电气设备损耗甚至烧毁，其时域表达式如下：

(3)

式中：τ为HPM脉冲宽度;t1为脉冲上升和衰落时间;f0为载波频率，其时域波形如图10所示。

图10 HPM波形图

从HEMP、UWB、HPM波形来看，HEMP能量主要集中在1 GHz以下；UWB能量分布较宽，能量谱密度低；HPM能量在频率集中，但带宽窄，适合瞄准攻击。

为增加对比性，仿真中HEMP采用国际标准，HPM与UWB峰值电场采用6 000 V/m。

3 ESS在强电磁辐照下的响应

3.1 ESS在UWB辐照下的响应

采用平面波垂直于ESS辐照方式，ESS在防护状态开启前后，天线端口输出波形如图11所示。

图11 ESS开启前后天线端口输出波形

从图11仿真结果可以看出，UWB辐照条件下，仅有较小的信号能量从天线端口输出，对天线后端射频链路影响较小。图12为ESS开启后，表面最大电流波形。从图中可以看出，最大电流为0.4 A，但是持续时间非常短，在ESS可承受范围内。

图12 ESS表面最大电流波形

3.2 ESS在HEMP辐照下的响应

采用平面波垂直于ESS辐照方式，ESS防护状态开启前后，天线端口输出波形如图13所示。

图13 HEMP辐照下ESS防护状态开启前后天线端口输出波形

从图13可以看出，HEMP辐照条件下，由天线端口输出波形能量较小，对天线后端电路影响较小。由天线耦合进入后端能量较小,原因在于HEMP波形能量主要集中在几百兆范围内，而导航天线工作频率在1.56 GHz左右，因此HEMP能量难以从天线进入射频前端。

图14为HEMP辐照下，ESS表面最大电流波形图。从图中可以发现，最大电流幅度约为0.83 A，超过PIN二极管最大允许电流值。但由于持续时间短，不会造成PIN二极管损伤。

图14 HEMP辐照下ESS表面最大电流

图13和图14仿真结果表明，HEMP辐照下，从导航天线流入的能量较小，ESS表面感应电流不足以使其损伤。

3.3 ESS在HPM辐照下的响应

采用平面波垂直ESS辐照方式，ESS防护状态开启前后，天线端口输出波形如图15所示。

图15 HPM辐照下ESS防护状态开启前后天线端口输出波形

从图15可以看出，在HPM辐照下，当ESS未开启时，天线端口输出波形电压峰值为21.1 V；当ESS开启时，天线端口输出波形电压峰值为1.5 V，ESS屏蔽效能达到22.9 dB。从仿真结果可以看出，HPM辐照下，未加载ESS导航天线将可能受到损伤。

图16展示了在平面波辐照下，ESS表面集总元件处的最大感应电流，其值可达240 mA，现市面上有较多的PIN二极管(如SKYWORKS公司的CLA4601-000二极管)均能承受此电流。

图16 HPM辐照下ESS表面最大电流

4 结束语

本文利用电磁仿真方式分析了加载ESS前后，导航天线在强电磁辐照下的端口输出电压波形。HEMP频率范围主要在几百兆以下，UWB频率分布较广，无论加载ESS与否，导航天线端口输出电压均较小，难以对天线后端电路造成损伤。HPM能量集中在较小频率范围内，当瞄准导航天线工作频率时，加载ESS导航天线能够有效降低天线端口耦合能量，保证后端电路安全。同时从仿真结果发现，HEMP、UWB以及HPM均不会对ESS造成不可逆的损伤。