螺旋天線電磁脈沖響應特性研究*

段澤民， 朱 博， 仇善良， 司曉亮， 姚志成

(1.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省飛機雷電防護省級實驗室，安徽 合肥 230031；3.強電磁環境防護技術航空科技重點實驗室，安徽 合肥 230031)

0 引 言

電磁脈沖(electromagnetic pulse,EMP)主要產生于高空核爆、電磁脈沖彈、雷電及導管效應等，其產生機理、破壞效應及防護技術在國內外已得到廣泛研究[1,2]，其中以美國、俄羅斯的技術較為領先。而國內起步較晚，主要集中在對孔縫、線纜及天線耦合的研究[3～5]。隨著通信技術的飛速發展和電磁環境的日益復雜，天線作為電子系統中信號的收發裝置，除了工作頻帶內的性能要滿足要求外，還應該考慮外界電磁場對天線的耦合效應。外界強電磁脈沖能夠通過天線或線纜耦合進入接收機[6]，并以能量的形式作用到敏感的半導體器件上，如金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor,MOS)電路的柵擊穿、保護電路的燒毀、雙極型器件的PN結擊穿等[7～9]。從而影響系統正常工作或者損壞設備。因此,研究天線在電磁脈沖環境下的耦合特性，對系統的防護設計具有十分重要的意義，并對其他天線的研究具有一定的參考意義[5,10～13]。

因螺旋天線具有寬波束、圓極化等特性，并且螺旋線天線能提高天線的定向性和增益。這些優點使得螺旋天線在天文探測、軍事對抗、衛星系統中得到了廣泛的應用，同時被衛星和地面站所采用[14]。

本文研究了螺旋天線在雙指數電磁脈沖不同入射角照射下的響應特性，研究了幾何尺寸變化時，螺旋天線對電磁脈沖的響應特性，總結了一些規律性的認識，并結合試驗加以驗證，對天線接收系統的電磁脈沖防護具有非常重要的現實意義。

1 基本理論

1.1 高空核爆電磁脈沖的數學模型[15]

其時域表達式為

(1)

與之對應的頻域表達式為

(2)

式中E0為脈沖峰值；k為峰值修正系數；β,α分別為脈沖前，后沿參數。其波形參數k=1.3，E0=5×104V/m，α=4×107/s，β=6×108/s。其時域、頻域波形如圖1所示。

圖1 電磁脈沖時域和頻域波形

圖1中電磁脈沖為電磁脈沖時域波形，其電場峰值為5×104V/m，上升時間(10%～90%電場峰值)為2.5ns，峰值時間為4.8ns，脈寬(50%電場峰值)為23ns。頻譜帶寬較大，96%的能流分布范圍在100kHz～100MHz，輻射能量密度為0.114J/m2。

1.2 天線計算模型

采用廣泛應用的螺旋天線作為電磁脈沖耦合特性規律的研究對象。螺旋天線是將導電性能良好的金屬導線(或管、帶)繞制成圓柱螺旋彈簧形狀，一端用同軸線饋電，同軸線內導體接螺旋線，外導體與反射板相連。天線的結構及其幾何參數如圖2所示。

圖2 螺旋天線結構

圖2中e為電磁脈沖入射方向；E為電場方向；θ為電磁脈沖與天線軸向的夾角，(即入射角)；a為繞制螺旋天線所用金屬導線的橫截面半徑；R0為螺旋半徑；d為螺距；n為螺旋圈數；D為反射板邊長；h為螺旋起點與反射板之間的高度；C為螺旋天線每一圈的周長；H為螺旋天線的軸向高度；L為繞制螺旋天線所用導線的實際長度。螺旋天線幾何參數之間的關系為

C2=(2πR0)2+d2

(3)

H=nd+h

(4)

L=nC+h

(5)

2 仿真結果與分析

本文選取H=37.5cm，D=10cm，d=5cm，n=6，螺旋線采用半徑為0.4cm的銅線，反射板采用鋁板。采用CST MWS對螺旋天線的電磁脈沖響應特性進行建模仿真。激勵信號為IEC61000—2—9標準中的雙指數脈沖，頻率范圍為0～1GHz，采用六面體網格對仿真模型進行劃分。為模擬真實試驗現場，采用較大金屬平板作為地面，邊界條件設置為open邊界，計算至能量衰減完全。

2.1 天線電磁脈沖響應特性

當螺旋天線結構保持不變時，對不同電磁脈沖入射方向(入射角為30°，60°，90°)下的螺旋天線進行仿真，其50Ω負載電阻器的耦合電壓時域波形和頻域波形如圖3所示。由圖3中的天線響應曲線可得如下結論：

圖3 50 Ω負載電阻的耦合電壓波形

1)螺旋天線在電磁脈沖輻照下的耦合電壓波形為衰減的正弦波，其耦合電壓峰值隨入射角的增大而增大，當入射角為90°時，即當電場方向與天線軸向平行時，其耦合電壓達到最大值。但入射角的變化對電壓上升率影響較小。因電磁脈沖激勵源與天線具有近1m的距離，故響應時間延遲3ns。

2)電磁脈沖照射下，天線的頻率響應曲線在61MHz處發生諧振，電磁脈沖入射角的改變不影響耦合電壓的頻率成分，但對其響應幅值產生一定影響。

3)當入射角為90°時，螺旋天線的耦合電壓峰值接近1.5kV，電壓上升率可達0.3kV/ns以上，上升沿時間(0.1～0.9Vmax)為3.573ns，略大于入射脈沖的上升沿時間2.5ns。

對天線接收系統內部的電子元器件的影響除了耦合電壓外，還有瞬時功率和沉積能量，這些均會導致電子元器件的損壞，從而影響系統的正常工作。電磁脈沖下螺旋天線端接負載上的瞬時功率表達式為

(6)

端口負載沉積的耦合能量時域積分表達式為

(7)

式中RL為負載電阻值；UL(t)為隨時間變化的電壓函數；“*”為共軛符號。

根據式(6)、式(7)可得出電磁脈沖入射角為30°，60°及90°條件下，螺旋天線端口50Ω負載上的瞬時功率與沉積能量如圖4所示。由圖4中功率和能量曲線可得結論：

圖4 50 Ω負載上的功率及沉積能量波形

1)螺旋天線上產生的耦合電壓可在50Ω負載端口上產生數十千瓦的瞬時功率，當入射角為90°時，瞬時功率可達48kW以上。

2)其沉積的能量最大可達0.7mJ，遠高于典型電子元器件損傷閾值，這將嚴重影響后繼電子系統的正常工作狀態，對不同系統的具體損傷量級需作進一步的評估。

3)天線耦合能量分布主要集中在400MHz以內，而100MHz內沉積耦合能量占總耦合能量的98%以上，這與入射電磁脈沖的頻譜特性關系很大。

2.2 天線不同結構的響應規律

為了得到電磁脈沖下螺旋天線結構變化對其耦合電壓的影響，采用控制變量法對天線進行仿真研究，即保持仿真模型其他參數不變，通過該變天線的螺距或螺旋圈數總結其響應規律并進行分析。

保持電磁脈沖入射角為90°不變，即螺旋天線在電磁脈沖最嚴酷的照射方向下，只改變螺旋天線的螺距，對天線響應特性進行規律性的總結。其電磁脈沖響應規律曲線如圖5所示。

圖5 螺距變化時的電磁脈沖響應規律

由圖5曲線可得出結論：

1)螺旋天線的端口耦合電壓峰值、電壓上升率隨著螺距的增大線性增加，可知天線端口的耦合電壓與天線的方向性有效耦合長度成正比，電壓上升時間基本保持不變。

2)隨著天線螺距的增加，耦合電壓衰減速度越來越快，但其衰減時間的下降趨勢越來越弱。由圖5(d)可知，螺旋天線螺距的改變對耦合電壓的諧振頻率影響很小。

3)天線的瞬時功率隨著螺距的增大而增加，結合式(6)中功率與電壓的關系，可知功率與天線方向性有效耦合長度的平方成正比；根據式(7)，雖電壓衰減時間下降，但電壓上升幅度較大，所以其沉積能量增加較為明顯。

保持電磁脈沖入射角為90°不變，即螺旋天線在電磁脈沖最嚴酷的照射方向下，對于螺旋天線的結構，只改變其螺旋圈數，對天線響應特性進行規律性的總結。電磁脈沖響應規律如圖6所示。

圖6 圈數變化時的電磁脈沖響應規律

由圖6的曲線可得出如下結論：

1)隨著螺旋天線圈數增加，其端口耦合電壓峰值線性增長，圈數的增加也會改變天線的方向性有效耦合長度，從而增大耦合電壓峰值。而電壓上升率卻略有下降。

2)耦合電壓衰減時間隨天線圈數的增加而增大，表明其衰減速度越來越慢。螺旋天線圈數的增加對耦合電壓的諧振頻率影響很大，即天線圈數的增加導致耦合電壓諧振頻率減小。

3)天線的瞬時功率隨著螺距的增大而增加，結合式(6)中功率與電壓的關系，可知功率與天線方向性有效耦合長度的平方成正比；根據式(7)，耦合電壓、衰減時間均增大，繼而導致耦合能量大幅增大。

綜上所述，結合仿真規律，預期螺旋天線電磁脈沖效應的一般變化規律，指導螺旋天線的電磁脈沖防護設計可從以下幾個方面考慮：1)根據電磁脈沖的入射方向來調整天線的位置，盡量減小電磁脈沖與天線軸長的夾角；2)在不影響天線輻射性能的前提下，通過減小螺距或圈數降低電磁脈沖對天線的耦合影響；3)在天線端口選擇合適的限幅器件。

3 試驗驗證與分析

試驗依據GJB151B中的RS105瞬態電磁場輻射敏感度測試方法，對電磁脈沖下螺旋天線的耦合電壓進行測量，驗證天線耦合效應仿真結果的正確性[16～18]，其試驗現場如圖7所示。試驗所用螺旋天線尺寸、材料及脈沖激勵波形與仿真基本一致。試驗中將螺旋天線置于測試區域，其軸向與電場方向平行，天線端口經屏蔽電纜匹配50Ω負載，并將耦合電壓傳送至數字存儲示波器。得到試驗耦合波形如圖8所示。

圖7 試驗現場

圖8 試驗與仿真耦合電壓波形對比

從圖8中的螺旋天線耦合電壓波形對比可知，試驗與仿真僅存在以下兩點差異：1)試驗耦合電壓峰值略大于仿真耦合電壓峰值，原因是試驗所用天線的端口結構誤差及端接線纜導致其輸出阻抗略大于仿真端接負載阻抗(50Ω)。2)試驗波形的振蕩周期略高于仿真波形，即試驗波形諧振頻率(48MHz)略低于仿真波形諧振頻率(61MHz)，原因是試驗天線結構誤差及試驗環境的差異性導致。除此之外，試驗波形與仿真波形能夠基本吻合，說明了仿真具有很高的精度，驗證了仿真結果的可參考性，其研究結果和結論能夠有效指導螺旋天線的電磁脈沖防護設計。

4 結 論

本文對螺旋天線的電磁脈沖響應進行了建模分析，并通過改變電磁脈沖的入射角、螺旋天線的螺距和圈數，仿真得到了其電磁脈沖響應特性，總結了一些電磁脈沖響應規律曲線，最后結合試驗驗證仿真結果的可參考性，具有很高的可靠性。同時也說明了研究結果和結論對螺旋天線的電磁脈沖防護設計具有較大的工程意義和實用價值。

[1] 謝彥召，孫蓓云，周 輝，等.地面附近的高空核爆電磁脈沖環境[J].強激光與粒子束，2003，15(7)：680-684.

[2] Radasky W A，Baum C E.Introduction to special issue on high-power electromagnetics and intentional electromagnetic interfe-rence[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2004，40(3)：314-321.

[3] 倪 勤，魏志勇，強 鵬，等.電磁脈沖與腔體孔縫耦合多峰共振特性研究[J].核電子學與探測技術，2014，34(7)：855-860.

[4] 潘曉東，魏光輝，李新峰，等.同軸電纜強電磁脈沖輻照下的終端負載響應規律[J].高電壓技術，2012，38(11)：2828-2835.

[5] 張 昕，王 鋒.電磁脈沖與短波天線耦合特性的研究[J].現代電子技術，2011，34(5)：187-189.

[6] 甄可龍，呂善偉，張 巖.強電磁脈沖對雷達接收機的天線耦合分析[J].河北科技大學學報，2011，32(2)：147-151.

[7] 周懷安，杜正偉，龔 克.雙極型晶體管在強電磁脈沖作用下的瞬態響應[J].強激光與粒子束，2005，17(12)：1861-1864.

[8] Orvis W J.Modeling and testing for second breakdown phenomena [C]∥Proceedings of Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposiums，1983：108-117.

[9] 徐 卿，許維勝，吳啟迪.功率集成電路中過熱保護電路的設計[J].傳感器與微系統，2004，23(2) ：47-49.

[10] 劉成龍.電磁脈沖對天線系統的耦合效應研究[D].南京：南京理工大學，2012.

[11] Liu Qifeng，Zhao Xiaonan，Liu Jingwei.Transient response analysis of the monopole antenna illuminated by an external EMP source[C]∥The 5th International Symposium on MAPE，Chengdu，China： IEEE International Symposium on Microwave，2013:333-337.

[12] Jiang Zheng，Yin Wenyan，Liu Qifeng，et al．Transient responses of some antennas under the impact of an intentionally incident high-power electromagnetic pulse[J]．Progress in Electromagnetics Research，2010，105：365-381．

[13] Zhang Ka，Su Donglin，Liao Yi，et al．Fast EMP response calculation of dipole antennas based on equivalent circuit[C]∥The 10th International Symposium on Antennas，Xi＇an，China：Propagation and EM Theory,2012：1147-1149．

[14] Kraus J D,Mrahefka R J.Antenna：For all applications[M].3rd ed.New York:The McGraw-Hill Companies，Inc,2002:178-180.

[15] International Electrotechnical Commission[S].IEC 6100—2—9，Description of HEMP environment-radiated disturbance.London：Basic EMC Publication，1996.

[16] 國防科學技術工業委員會[S].GJB 151B—2013 軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量.北京：總裝備部軍標出版發行部，2013.

[17] 劉順坤，聶 鑫，陳向躍.電磁脈沖輻射場實驗技術[J].強激光與粒子束，2009，21(6):939-942．

[18] 祝 敏，賀亦成，鄭振興.新型偶極電場探測器及對空間電場的測量[J].傳感器與微系統，2000，19(4)：49-50．