【《高功率微波耦合基本理论基础概述》5400字】

高功率微波耦合基本理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u2069高功率微波耦合基本理论基础概述 1219511.1高功率微波简介 125661.1.1高功率微波环境 1263181.1.2高功率微波效应 5121041.2微波耦合基本理论 657151.1.1高功率微波作用于地雷的耦合通道 6186801.1.2孔缝耦合 7159111.1.3场线耦合 81.1高功率微波简介1.1.1高功率微波环境高功率微波(highpowermicrowave，HPM)是强电磁脉冲的一种，其频率一般为300MHz~300GHz、峰值功率大于100MW[7]。高功率微波可分为超宽谱高功率微波(Ultra-widebandHPM)、宽谱高功率微波(MesobandHPM)和窄谱高功率微波(NarrowbandHPM)。由于高功率微波是通过天线定向辐射的，因此其低空辐射特性与天线相关，典型高功率微波源输出电场强度与距离之间的关系如图1.1所示。图1.1高功率微波辐射场强与距离之间的关系由图1.1可知，在远场区间，高功率微波辐射电场强度与距离成反比，这可以通过雷达方程得到： (1.1)则有： (1.2)超宽谱高功率微波辐射电场波形与激励电压的关系为： (1.3)式中，ha表示天线有效高度，单位为m；r表示测试点到天线的距离，单位为m；c表示光速，；fg表示相对阻抗，；表示激励电压上升率。典型高功率微波波形如图1.2所示，从图中可以看出，中心频率为f0的微波信号被一个脉冲群调制，单个调制脉冲的宽度为τ，调制脉冲的重复周期为T，脉冲群的持续时间为Td。图1.2典型高功率微波波形相比较于窄谱、宽谱高功率微波，超宽谱高功率微波有以下几个特点：（1）峰值功率高，上升时间短超宽谱高功率微波的峰值功率一般大于1GW，其上升时间一般在亚纳秒量级或者皮秒量级。第一代超宽谱高功率微波源是于20世纪80年代制造出来的，是一种Bournlea脉冲发生器，该超宽谱高功率微波源具有脉冲重复频率高、快上升沿等特点[21]，产生的高电压脉冲峰值可达到5kV，脉冲重复频率可达到1kHz，上升时间为3ns。后来对该超宽谱高功率微波源进行了改进，使用铁氧体脉冲锐化电路对产生的脉冲进行了压缩处理，将上升时间由3ns压缩到500ps，大大锐化了上升沿。目前超宽谱高功率微波源峰值功率可达到100GW，脉重复频率由原来的1kHz提高到现在的1MHz，上升时间小于1ns，脉冲整个脉宽小于10ns。（2）覆盖频率宽若高功率微波频率范围的上、下限分别为fH和fL，那么，相对带宽或带宽指数Bf、百分比带宽Bp和带比Br分别为： (1.4) (1.5) (1.6)窄谱、宽谱、超宽谱高功率微波百分比带宽如表1.1所示[22]。表1.1高功率微波不同带宽的分类高功率微波分类百分比带宽窄谱<1%宽谱1%~25%超宽谱>25%从表1.1可以看出，超宽谱高功率微波百分比带宽大于窄谱和宽谱高功率微波百分比带宽，其频率范围最广。超宽谱高功率微波波形为高斯脉冲，其时域和频域表达式为： (1.7) (1.8)式中，A是脉冲峰值，t0是脉冲中心，τ是脉冲宽度。取A=30kV/m，t0=1ns，τ=0.5ns，带入式（1.7）和（1.8）可得超宽谱高功率微波时频域波形。(a)时域波形(b)频域波形图1.3超宽谱高功率微波时频域波形从图1.3(b)可以看出，超宽谱高功率微波频谱在f=0即直流时达到峰值，且频谱较宽，在0~1GHz内频谱能量约占总能量97%，故可认为该超宽谱高功率微波频率范围为0~1GHz。1.1.2高功率微波效应电磁环境效应是一个广泛的概念，几乎包含了所有的电磁类学科，高功率微波效应就是其中一种。电磁环境效应是电磁环境对目标物的影响能力，包括武器装备、电子系统以及人员等。它既可以描述设备、系统等在复杂电磁环境下的运行能力，也可以指电磁环境对其造成的干扰或毁伤[23]。高功率微波效应主要分为三种：电效应、热效应和生物效应。对于电子系统而言，我们最关心的是电效应，电效应就是指当高功率微波作用于电子系统中的金属表面或金属线缆时，在其上将会有感应电压、感应电流的产生，感应电压、感应电流会作用到电子系统内部的电子电路上，对其造成毁伤[24]。高功率微波对电子系统的耦合主要有两种：“前门”耦合和“后门”耦合[25]。“前门”耦合是通过天线、传输线等将能量传输到电子系统内部的电子电路中，对电子设备造成毁伤。“后门”耦合是通过外壳上的孔缝、窗口等耦合进入系统内部，对系统内设备造成干扰或损伤[26]。对于“前门”耦合而言，当高功率微波频率等于或接近天线的接收频率时，耦合到天线的能量最大，而当微波频率与天线的接收频率相差很大时，耦合到系统内部的能量将很小。对于“后门”耦合而言，耦合到系统内的能量主要与孔缝形状、面积、入射波类型、入射角、计划方式等因素有关，例如，当入射场的电场方向与矩形孔缝短边平行时，耦合能量最大，当入射波波长约等于矩形孔缝周长时，耦合到系统内部的能量明显增强。高功率微波对电子系统的作用过程一般分为以下几个步骤：（1）高功率微波通过天线辐射到空间，传输至目标系统；（2）经“前门”或“后门”耦合到系统内部；（3）感应电流、感应电压作用于系统内部电子线路上，造成干扰或毁伤。高功率微波对电子系统作用过程的物理模型如图1.4所示。图1.4高功率微波对电子系统作用过程物理模型在微波耦合中，最主要的是耦合系数，耦合系数与入射波波长及目标电尺寸等因素有关，当入射场的波长与系统电尺寸相近或是呈倍数关系时，在一定条件下将会发生共振现象，使耦合场强增强、耦合系数增大。当电子系统的工作频率处于高功率微波频率范围内时，高功率微波将直接作用到电子系统中；而当电子系统的工作频率不处于高功率微波频率范围内时，将通过感应电压、感应电流等沿传输线对电子器件进行作用[18]。高功率微波对电子系统的作用从破坏程度上看可分为四个等级：干扰，高功率微波作用时对电子系统的正常工作造成影响，但作用过后电子系统能恢复正常[27]。（2）扰乱，高功率微波对电子系统造成工作混乱、工作中断或闭锁，须经人工复位或重新启动后才能恢复正常。（3）降级，高功率微波作用后使关键器件性能下降，导致整个电子系统性能下降[28]。（4）毁伤，高功率微波使电子系统内部器件失效或烧毁，导致电子系统瘫痪，需全面替换整个系统、设备及硬件才能恢复正常。1.2微波耦合基本理论1.1.1高功率微波作用于地雷的耦合通道高功率微波对地雷的作用主要研究的是地雷系统中有哪些环节易受到高功率微波的干扰，从而使地雷失效或引爆。因此，需对地雷结构进行分析研究，进而得出高功率微波作用于地雷的耦合通道。地雷一般是由壳体、引信、炸药、火工品等组成，出于安全考虑，所研究地雷经过改装，不含炸药，故主要分析地雷壳体及引信结构。地雷壳体有金属和非金属两种材料，对于金属壳体而言，其对外界电磁场的屏蔽良好，高功率微波很难穿透金属外壳作用到地雷内部，另外，由于对金属的探测目前技术相对成熟，地雷的隐蔽性较差，故现代地雷极少使用金属壳体，一般多为塑料或复合材料作为地雷外壳。考虑地雷的使用环境及战技性能，大多数地雷都进行了封装，但由于地雷自身保险结构及封装工艺的问题，地雷外壳难免会有孔缝的存在，高功率微波很容易穿过孔缝进入地雷内部，在地雷内部经过多次反射叠加，使地雷电子电路暴露在强电磁环境下。高功率微波能量较大且覆盖频率广，很容易与地雷电子电路的固有频率重合，从而产生高压峰值脉冲，对电路造成毁伤。因此有必要进行高功率微波对地雷壳体的孔缝耦合研究。引信是能够感知目标信息，并按照目标信息或预订的指令起爆地雷的装置，是地雷结构中比较关键的部分。引信按作用方式一般可分为触发式引信和非触发式引信，触发式引信是目标直接接触引信发生作用，非触发式引信是通过感知目标物的物理场而作用，现代地雷多采用非触发式引信。本文所研究地雷引信为非触发式引信，通过感知目标物靠近产生的振动和磁场信号作用，引信结构如图1.5所示。图1.5非触发式引信结构由于地雷内部空间较小，无法测量高功率微波作用于引信电路上的感应电压、感应电流，因此，通过引入外接线缆将电路放置于地雷外，因线缆在高功率微波辐照下会有感应电压、感应电流的产生，故需对场线耦合进行研究。1.1.2孔缝耦合高功率微波可以穿透非金属地雷外壳直接作用到电子引信电路上，也可以通过地雷外壳上的孔缝对电子引信电路作用。地雷在生产加工过程中难免会有孔缝存在，另外为保证效应试验安全，对地雷进行了改装，使其不含炸药，改装时又引入了新的孔缝，因此有必要对孔缝耦合进行研究。假设圆柱形腔体表面有一圆形孔缝，孔缝半径为r，厚度为d，圆柱形腔体长度为L，半径为R，如图1.6所示。图1.6圆柱形腔体及孔缝示意图当高功率微波传输到带有孔缝一面的目标物体表面时，在孔缝处或者在腔体表面附近，就会发生电磁散射和电磁穿透现象。上述两种现象可以用Maxwell方程组来表示： (1.9) (1.10)式中，，，。其中ε、μ、σ分别表示媒质的介电常数、磁导率和电导率。由此可知，微波孔缝耦合问题就变成了边界问题，可以通过求解在腔体表面和孔缝处的边界问题来解决孔缝耦合问题。为了说明微波孔缝耦合效应，令其耦合系数为[29]： (1.11)式中，θ表示入射电场方向与孔缝所在平面的夹角，f表示入射场的频率，r表示测试场位置，表示入射场的电场强度，表示耦合到腔体内部的电场强度，表示入射场的功率密度，表示耦合到腔体内部的功率密度。将入射场的电场分解为沿X方向的电场分量和沿Z方向的电场分量，那么在X方向腔体内部的耦合场为[8]： (1.12)在Z方向腔体内部的耦合场为： (1.13)将式（1.12）和式（1.13）代入式（1.11）可得： (1.14)式中，表示沿X方向的耦合系数，表示沿Z方向的耦合系数。式（1.14）适用于任意形状的腔体以及孔缝。1.1.3场线耦合地雷内部存在许多线缆，如电源线、装定线等。超宽谱高功率微波透过地雷或经由孔缝耦合进入地雷内部，与线缆作用产生感应电压、感应电流，感应电压、感应电流由电路回路作用到地雷敏感器件或点火头，使地雷失效或引爆，因此需研究超宽谱高功率微波作用下的线缆耦合。场线耦合分析方法有两种：场的方法和路的方法。场的方法是基于Maxwell方程的天线理论，通常假定导线的截面积比最小有意义波长要小很多。但是，当线缆的电尺寸相对较长时，天线理论方法需要非常长的计算时间和很高的计算资源。路的方法是基于传输线方程，将线缆用沿着轴向的分布式参数结构来表征，对于具有电小截面尺寸的均匀传输线，采用传输线理论得到的结果与基于Maxwell方程和试验的结果都吻合的非常好，并且物理模型易于理解，是现在常用的场线耦合分析方法[30]。对于传输线理论，主要有以下假定：（1）波的传播沿着线缆的轴向；（2）地平面为无限大导体；（3）线缆对耦合场的响应具有准横向电磁波(quasi-TEM)特性[30]。在这些假定条件下，线缆便可用沿轴向的分布式参数结构来表征。一般对于满足线缆截面电小尺寸（不超过入射场最小波形的十分之一）以及线距地高度小于入射场最小波形的二分之一（h<λ/2）这两个条件的，都可以用传输线理论来解决场线耦合问题。本文所采用的超宽谱高功率微波，其上限频率为1GHz，即最小波长为30cm，而引入的外接线缆截面尺寸在mm量级，其距地高度为3cm，满足传输线理论条件，故可用传输线理论分析本文超宽谱高功率微波场线耦合问题。传输线模型有三种：Taylor模型、Agrawal模型和Rachidi模型，这三种模型最终得到的结果是一样的，但Agrawal模型的求解最简单，故以Agrawal模型为例进行简要分析[31]。假设传输线为良导体，其半径为a，距地高度为h，两端负载分别为Z1和Z2，空间某一位置的总场（和）定义为入射场（和）、反射场（和）以及散射场（和）的叠加[32]，结构图如图1.7所示。图1.7传输线结构图在闭合曲线C构成的面积S内对Maxwell方程应用斯托克斯定理，可得： (1.15)其中曲线C的宽度为dx，故式（1.15）可写为： (1.16)式（1.16）除以dx，令dx趋于零并取极限，得到： (1.17)因为导线和地面均为良导体，它们表面的切向电场和均为零。在准静态条件下（h<<λ），总的横向电压V(x)可以定义为： (1.18)由Biot-Savart定律可得： (1.19)将式（1.18）和（1.19）代入式（1.17），并将式（1.17）中的总场展开可得： (1.20)其中，。在闭合曲面S内对Maxwell方程应用斯托克斯定理，可得： (1.21)将式（1.21）展开可得： (1.22)式（1.22）中令dx趋于零，并将总场展开可得; (1.23)由于r<d并且d<λ，则可认为传输线上的散射电场是均匀的，则式（1.23）中第一个积分项可简化为： (1.24)其中，q(x)是指沿传输线方向上的线电荷密度。由于闭合曲线C构成曲面S也是闭合的，因此式（1.23）中入射场积分项与反射场积分项均为零，则可得： (1.25)其中q(x)可以用单位长度电容C以及散射电压Vs表示，故式（1.25）可变为： (1.26)由式（1.20）和（1.26）可得无耗良导体的Agrawal场线耦合方程[33]： (1.27)若传输线为有耗导体，则可用单位长度的阻抗和导纳来代替上式中单位长度的感抗和容抗： (1.28)式（1.28）为一般条件下的Agrawal场线耦合方程，下面求解该微分方程组。假设式（1.28）中第一个微分方程等号右边为零，则： (1.29)式（1.29）的解为： (1.30)式中，，为传播常数。式（1.30）也是式（1.28）的通解。可由边界条件求得常数C1，C2。边界条件为： (1.31) (1.32)由