開(kāi)口金屬腔體對(duì)強(qiáng)電磁脈沖的耦合效應(yīng)*

陳宗勝，李志剛

(國(guó)防科技大學(xué) 脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 合肥 230037)

電子設(shè)備在各種武器系統(tǒng)中的作用越來(lái)越重要，而強(qiáng)電磁脈沖武器的出現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。一般來(lái)說(shuō)，電子設(shè)備外部通常會(huì)加有金屬腔體進(jìn)行保護(hù)，但是在實(shí)際工作中，為便于散熱和傳輸信號(hào)等，金屬腔體表面不可避免地留有開(kāi)口和孔縫，這為電磁脈沖信號(hào)進(jìn)入金屬腔體內(nèi)部提供了有效途徑[3-4]。當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖照射在金屬腔體表面時(shí)，入射波一方面在金屬腔體表面形成次級(jí)輻射源，持續(xù)向腔內(nèi)輻射電磁能量，另一方面，通過(guò)腔體表面的開(kāi)口直接耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部，從而在腔體內(nèi)部疊加形成復(fù)雜的電磁分布。當(dāng)耦合進(jìn)入腔體內(nèi)的能量達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)干擾甚至破壞腔體內(nèi)電子設(shè)備的正常工作。

目前，電磁脈沖武器主要有核電磁脈沖(High-amplitude ElectroMagnetic Pulse, HEMP)和高功率微波(High Power Microwave, HPM)兩種輻射類(lèi)型[5]，研究這兩種強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入開(kāi)口金屬腔體內(nèi)的電磁特性，不論是對(duì)于己方電磁脈沖武器的效能評(píng)估還是對(duì)于敵方電磁脈沖武器的防護(hù)都具有重要的意義。當(dāng)前，關(guān)于強(qiáng)電磁脈沖的孔縫耦合效應(yīng)的探討，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作。王建國(guó)等采用時(shí)域有限差分(Finite Different Time Domain, FDTD)模擬法計(jì)算分析了強(qiáng)電磁脈沖通過(guò)孔縫的耦合效應(yīng)，研究表明屏蔽體內(nèi)孔縫附近的耦合場(chǎng)強(qiáng)最大[6]；鮑永波等分析了電磁脈沖對(duì)正方形孔洞和長(zhǎng)方形孔洞的耦合效應(yīng)，研究表明耦合效應(yīng)會(huì)受到極化方向的影響[7]。在前人的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究分析了腔體開(kāi)口因素對(duì)強(qiáng)電磁脈沖破壞效能的影響，利用CST電磁仿真軟件建立了強(qiáng)電磁脈沖的孔縫耦合模型，利用該模型，通過(guò)考察不同情形下腔體內(nèi)耦合能量的改變，研究了腔體上孔縫的位置、大小以及長(zhǎng)寬比等因素對(duì)HEMP和HPM耦合效應(yīng)的影響。

1 仿真模型

圖1為利用CST軟件建立的電磁脈沖孔縫耦合模型，電磁脈沖采用平面波激勵(lì)，傳播方向?yàn)?z方向，入射波電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向分別為+x和-y方向。腔體大小為1000×1000×1000(若無(wú)特殊說(shuō)明，模型中尺寸單位均采用mm)，腔體材質(zhì)設(shè)置為完美電導(dǎo)體，腔壁厚度為5，在z=1000、xy平面中心處設(shè)置正方形開(kāi)口，開(kāi)口大小為200×200，背景設(shè)為空氣。

圖1 電磁脈沖孔縫耦合模型Fig.1 Coupling model induced by powerful electromagnetic pulse

為了便于后續(xù)仿真結(jié)果分析，在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置電場(chǎng)強(qiáng)度探針用于記錄強(qiáng)電磁脈沖在腔體不同位置處的耦合信號(hào)特征。將電場(chǎng)探針?lè)謩e設(shè)置在目標(biāo)腔體內(nèi)部中軸線(xiàn)不同位置(yz平面，x=500)，如圖2所示，分別為Middle probe(500,500,1000)、A0 probe(500,500,900)、B0 probe(500,500,500)、C0 probe(500,500,100)。

圖2 電場(chǎng)強(qiáng)度探針設(shè)置示意Fig.2 Schematic diagram of electric field probes inside the cavity

2 強(qiáng)電磁脈沖設(shè)置

2.1 HEMP的設(shè)置

目前，電磁脈沖彈是典型電磁脈沖武器之一，其輻射的HEMP時(shí)域波形可采用雙指數(shù)函數(shù)來(lái)表達(dá)[8-9]，具體為：

E(t)=E0·k·[exp(-αt)-exp(-βt)]

其中，E0為脈沖峰值場(chǎng)強(qiáng)，α、β的值影響波形脈寬、上升時(shí)間等參數(shù)。

選取文獻(xiàn)[8]所述的典型電磁脈沖彈輻射的電磁脈沖作為參考，假設(shè)E0=5×105V/m，k=1.214，α=3.5×106，β=1.5×109，波形上升時(shí)間為2.645 ns，脈沖寬度為100 ns，峰值功率為1×109W/m2，在100 ns的時(shí)間內(nèi)輻射的總能量密度為1.3×10-3J/cm2。

2.2 HPM的設(shè)置

HPM輻射電場(chǎng)通常近似表示[10-11]為：

其中，E0為場(chǎng)強(qiáng)峰值，τ為脈寬，t1為脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間，f0為載波頻率。

選用6 GHz作為HPM的載波頻率，根據(jù)文獻(xiàn)[11]給出的高功率微波武器參數(shù)，假設(shè)有效功率密度為5×109W/m2，場(chǎng)強(qiáng)峰值E0=2×106V/m，在100 ns的輻射時(shí)間內(nèi)釋放的總能量密度為5×10-2J/cm2。

3 結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

利用前面的模型即可計(jì)算得到不同時(shí)刻強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)入開(kāi)口金屬腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)。圖3和圖4分別給出了t=3.3 ns時(shí)刻HEMP以及t=19.25 ns時(shí)刻HPM在yz(x=500)平面上耦合電場(chǎng)的分布。從圖中可以看出，兩種強(qiáng)電磁脈沖可通過(guò)腔體開(kāi)口向腔內(nèi)輻射能量，入射波會(huì)在腔內(nèi)振蕩傳播，形成獨(dú)特的空間電磁分布。

通過(guò)對(duì)所設(shè)置的電場(chǎng)探針測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行提取，可以得到不同位置處耦合信號(hào)的時(shí)域波形，如圖5所示。對(duì)于HEMP，Middle probe和A0 probe測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度峰值較大，B0 probe和C0 probe處電場(chǎng)強(qiáng)度峰值較小，并且均小于入射場(chǎng)強(qiáng)峰值，這說(shuō)明只有少部分HEMP能量能耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部。對(duì)于HPM，B0 probe和C0 probe處測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度大于Middle probe和A0 probe處，并且峰值大于入射場(chǎng)強(qiáng)峰值2×106V/m，這一現(xiàn)象與HEMP孔縫耦合效應(yīng)有所不同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：入射HPM頻率較高，耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部受到孔縫的限制較小，同時(shí)，耦合過(guò)程中進(jìn)入腔體內(nèi)部的電磁能量不斷疊加積累，從而導(dǎo)致腔體內(nèi)部分區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)峰值會(huì)大于入射場(chǎng)強(qiáng)峰值。

(a) HEMP

(b) HPM圖5 電場(chǎng)強(qiáng)度探針測(cè)得的耦合信號(hào)Fig.5 Coupled signals measured by the electric field probes

對(duì)不同條件下探針測(cè)得的電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行處理，得到的功率密度和能量密度值如表1所示。從表中可以看出，HEMP和HPM耦合到腔體內(nèi)的能量已達(dá)多種電子元器件破壞閾值級(jí)別[12-14]。若進(jìn)一步增加輻射功率和輻射時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致更多的電子元器件被破壞。此外，對(duì)比兩種強(qiáng)電磁脈沖釋放的總能量以及腔體內(nèi)的耦合能量可以看出，在上述仿真條件下，HPM進(jìn)入腔體內(nèi)的耦合效率要明顯高于HEMP。

考慮強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入金屬腔體內(nèi)部的耦合效應(yīng)還會(huì)與腔體開(kāi)口的大小與分布等因素有關(guān)，為此，下面從腔體開(kāi)口因素展開(kāi)研究，分析開(kāi)口位置、大小以及開(kāi)口長(zhǎng)寬比對(duì)耦合效應(yīng)的影響，考察不同情形下耦合能量的改變。

3.2 開(kāi)口位置對(duì)腔內(nèi)電場(chǎng)的影響

保持激勵(lì)波的大小和方向不變，開(kāi)口大小仍設(shè)為200×200，分別將開(kāi)口位置設(shè)置在x平面(x=1000，此時(shí)開(kāi)口平面與激勵(lì)波入射方向平行，與電場(chǎng)方向相垂直)、y平面(y=1000，此時(shí)開(kāi)口平面與激勵(lì)波入射方向平行，垂直于磁場(chǎng)方向)和z平面(z=1000，此時(shí)開(kāi)口平面與激勵(lì)波入射方向相垂直)，并按照開(kāi)口位置對(duì)相應(yīng)的電場(chǎng)探針進(jìn)行調(diào)整，其他仿真條件設(shè)置不變。

對(duì)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，可以得到不同探針處的平均功率密度和總的能量密度值。表2為C0 probe處的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。從表中可以看出，不同開(kāi)口位置下電場(chǎng)探針測(cè)得的電場(chǎng)信號(hào)值差別較大，這說(shuō)明腔體開(kāi)口位置對(duì)強(qiáng)電磁脈沖耦合效應(yīng)具有較大影響。不論是對(duì)于HEMP還是HPM，當(dāng)腔體開(kāi)口平面與激勵(lì)波入射方向垂直(z平面)時(shí)，入射波耦合效應(yīng)最顯著，能夠耦合進(jìn)入目標(biāo)腔體的電磁能量最多；當(dāng)開(kāi)口平面平行于入射波方向時(shí)，電磁脈沖耦合值相對(duì)較小。另外，值得注意的是，開(kāi)口在任意位置時(shí)HPM耦合信號(hào)功率密度都比較大，達(dá)到了多種電子元器件的電磁損傷閾值級(jí)別。

3.3 開(kāi)口大小對(duì)腔內(nèi)電場(chǎng)的影響

入射波保持不變，開(kāi)口位置設(shè)置在z平面，依次設(shè)置開(kāi)口的大小為50×50、100×100、200×200、300×300和400×400，其他仿真條件設(shè)置不變。

對(duì)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，同樣可以得到該仿真條件下不同位置處的平均功率密度和總的能量密度值。表3為開(kāi)口大小(表中d表示開(kāi)口邊長(zhǎng))變化時(shí)C0 probe處的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。從表中可以看出，開(kāi)口尺寸對(duì)電磁脈沖耦合效應(yīng)具有較大的影響。對(duì)于HEMP激勵(lì)來(lái)說(shuō)，開(kāi)口尺寸越大，腔體內(nèi)耦合信號(hào)越強(qiáng)，耦合的能量也就越多。對(duì)于HPM激勵(lì)來(lái)說(shuō)，其變化趨勢(shì)略有不同，當(dāng)開(kāi)口尺寸由50增加到200時(shí)，腔內(nèi)耦合能量顯著增加，但當(dāng)開(kāi)口尺寸繼續(xù)增大時(shí)，腔內(nèi)耦合能量不但沒(méi)有增加反而略微下降。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與耦合電磁波的頻譜范圍有關(guān)。HEMP激勵(lì)波是一寬頻電磁波，頻率范圍主要分布在0～1 GHz，當(dāng)開(kāi)口尺寸較小時(shí)，僅有小部分頻譜分量能夠耦合進(jìn)入目標(biāo)腔體內(nèi)部，因而耦合能量較小。隨著開(kāi)口尺寸增大，越來(lái)越多的頻譜分量能夠耦合到腔體中，耦合能量顯著增加。而HPM屬于窄頻信號(hào)，能量主要集中在載波頻率f0附近，仿真時(shí)f0設(shè)置為6 GHz，波長(zhǎng)為50 mm，當(dāng)開(kāi)口尺寸較小時(shí)，隨著尺寸增加，耦合面積隨之增加，腔體內(nèi)的耦合能量也就不斷增大；但當(dāng)開(kāi)口尺寸較大時(shí)，繼續(xù)增大開(kāi)口尺寸，耦合信號(hào)在腔體內(nèi)的振蕩過(guò)程會(huì)更為劇烈，振蕩中從開(kāi)口位置逃離的電磁能量逐漸增多，因而，此時(shí)隨著開(kāi)口尺寸增大，耦合能量不但不能繼續(xù)增加，反而會(huì)略微下降。

表1 電場(chǎng)強(qiáng)度探針測(cè)得信號(hào)的主要參數(shù)

表2 不同開(kāi)口位置條件下耦合信號(hào)的主要參數(shù)

表3 不同孔縫大小條件下耦合信號(hào)的主要參數(shù)

3.4 開(kāi)口長(zhǎng)寬比對(duì)腔內(nèi)電場(chǎng)的影響

保持激勵(lì)波方向和大小不變，孔縫位置設(shè)置在z平面，固定開(kāi)口面積，依次調(diào)節(jié)孔縫的尺寸為50×800、100×400、200×200、400×100和800×50，其他仿真條件設(shè)置不變。

與前面類(lèi)似，表4給出了開(kāi)口長(zhǎng)寬比變化時(shí)C0 probe處的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，表中Lx為腔體開(kāi)口與入射電場(chǎng)極化方向平行的邊長(zhǎng)。從表中可以看出，對(duì)于兩種強(qiáng)電磁脈沖，長(zhǎng)寬比對(duì)耦合效應(yīng)的影響具有不同的變化規(guī)律。對(duì)于HEMP激勵(lì)來(lái)說(shuō)，耦合功率密度隨開(kāi)口x方向邊長(zhǎng)的增加而減小，即腔體開(kāi)口與入射電場(chǎng)極化方向垂直的邊越長(zhǎng)，腔體中耦合能量越大，這一現(xiàn)象反映了矩形孔縫耦合的極化特性。產(chǎn)生這一特性的原因在于矩形孔縫的特征頻率發(fā)生改變，當(dāng)與入射波電場(chǎng)的極化方向垂直的孔縫邊長(zhǎng)越長(zhǎng)時(shí)，矩形孔縫的特征頻率越小，導(dǎo)致能夠進(jìn)入到腔體內(nèi)部的強(qiáng)電磁脈沖耦合能量也就越多。對(duì)于HPM，孔縫耦合的極化特性并不明顯，當(dāng)腔體開(kāi)口長(zhǎng)寬比改變時(shí)，腔內(nèi)耦合信號(hào)值變化較小。這是因?yàn)镠PM的激勵(lì)波頻率相比于孔縫特征頻率大得多，受矩形孔縫的影響較小。

4 結(jié)論

HEMP和HPM兩種強(qiáng)電磁脈沖都能夠通過(guò)孔縫耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部，從而給腔內(nèi)電子元器件造成干擾甚至破壞。對(duì)于HEMP，當(dāng)開(kāi)口平面與激勵(lì)波入射方向垂直時(shí)，耦合效應(yīng)最強(qiáng)；同時(shí)，開(kāi)口的尺寸越大、腔體開(kāi)口與入射電場(chǎng)極化方向垂直的邊越長(zhǎng)，腔體中耦合能量越大。但由于HEMP的耦合效應(yīng)受孔縫的位置、大小以及長(zhǎng)寬比影響較大，因此合理控制孔縫的位置、大小以及長(zhǎng)寬比可以減小耦合進(jìn)入腔體內(nèi)的能量，在一定程度上削弱HEMP的破壞效能。對(duì)于HPM，在相同條件下其耦合效應(yīng)要明顯強(qiáng)于HEMP，并且在孔縫達(dá)到一定尺寸后，耦合效應(yīng)受孔縫的大小和長(zhǎng)寬比的影響較小，僅受孔縫位置的影響。當(dāng)開(kāi)口平面與激勵(lì)波入射方向垂直時(shí)，其耦合效應(yīng)最顯著；在開(kāi)口平面平行于HPM入射方向情況下，耦合效應(yīng)最弱，但此時(shí)耦合進(jìn)入腔體內(nèi)的能量還是能很容易達(dá)到多種電子元器件的電磁損傷閾值級(jí)別，因而HPM具有很強(qiáng)的破壞效能。

表4 不同孔縫長(zhǎng)寬比條件下耦合信號(hào)的主要參數(shù)