高功率微波作用下单极天线瞬态响应特性研究

裴蕾　张冰　朱志宇

摘 要： 运用时域有限差分法（FDTD）结合同轴等效馈电模型计算了高功率微波（HPM）电磁脉冲作用下单极天线的感应电流的频域和时域响应，分析了单根单极天线感应电流频谱和时域响应与入射HPM间的关系，同时分析了两根天线间的距离对第一根天线末端感应电流的影响。计算结果表明，单根单极天线对HPM的感应电流频谱主要由入射HPM载波频率决定，感应电流波形与入射HPM波形相似；有其他天线存在时，对第一根天线会造成影响，且随距离增加影响减小。

关键词： 时域有限差分法； 同轴等效馈电模型； 高功率微波； 单极天线； 感应电流

中图分类号： TN821+.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0044?04

Abstract：The finite?difference time?domain method （FDTD） combined with the coaxial equivalent feed model is adopted to calculate the frequency domain and time domain response of induced current of monopole antenna under action of HPM EMP. The interaction of the incident HPM to the frequency domain and time domain of induced current of monopole antenna is analyzed. The impact of the distance between two monopole antennas on the induced current of the first monopole antenna is investigated. The numerical calculation result shows that the induced current spectrum of a single monopole is determined by the incident HPM carrier frequency， and the induced current waveform is similar to HPM waveform. It is also demonstrated if other antennas exist， the first monopole antenna will be affected by the second one， and the more distant of these two monopole antennas， the less influence that the second one makes.

Keywords： FDTD； coaxial equivalent feed model； HPM； monopole antenna； induced current

0 引 言

高功率微波脉冲一般是指脉冲峰值功率在100 MW以上，频率在0.5～300 GHz之间的电磁脉冲[1]，其对电子设备和系统会造成严重的干扰和破坏。高功率微波脉冲的耦合途径分为前门耦合和后门耦合。前门耦合指高功率脉冲能量经天线耦合进入，后门耦合是指脉冲能量通过孔缝或电缆耦合等进入电子设备和系统[2]。天线是前门耦合的主要通道，如果入射电磁脉冲能量耦合到天线，能量便会通过多个路径传输到敏感的电子元件，从而造成对电子设备和系统的干扰和破坏。单极天线广泛应用于机载，舰载等通信系统中，因此，研究单极天线在高功率微波作用下的瞬态响应特性，对于电子设备和系统的电磁脉冲防护具有重要意义。

时域有限差分法（FDTD）是一种时域算法，通过一次计算就能获取宽频带内的解，因此，FDTD方法越来越多地被用于求解天线问题。同轴线馈电方式在天线馈电方面得到广泛应用，应用同轴线的传输线模型来模拟同轴线内的电磁场，并在馈电处和天线场实现耦合[3] 。对于同轴线的建模一般采用阶梯近似法和一维传输线模型法[4?5]。阶梯近似法将同轴线分解成内、外导体及中间的介质三部分，然后对各个部件分别建立几何外形及尺寸的描述文件并进行FDTD剖分[6]，这种方法虽然计算精度高，但是对计算机资源和时间要求高。一维传输线模型虽然只需对同轴线部分进行一维FDTD计算，简化了计算，但仍需对同轴线进行建模。而文献[7]提出了一种新的等效同轴线馈电模型，通过准静态近似，同轴线口径可以简单地表示为等效magnetic?frill电流和包含传输线效应的等效负载电路。该模型不需要像传统同轴传输线模型一样对同轴线进行建模，仅需对同轴线口径处的磁场进行修正，不仅节省了内存，也减少了运算时间。本文运用时域有限差分法（FDTD）结合同轴等效馈电模型计算和分析了在高功率微波（HPM）作用下单极天线的电流响应特性以及有其他天线存在时造成的影响。

1 计算方法

1.1 天线计算模型和FDTD法分析

2 数值计算结果和分析

2.1 同轴等效馈电模型验证

设有一根置于无限大金属平板上的单极天线采用同轴线馈电，同轴线外导体与接地平板相连接，同轴线内外半径分别为[a，][b，]且[ba=2.3，]天线高度[h，]且[ha=]32.8，天线特性阻抗为50[Ω]，使用高斯脉冲激励，分别运用传输线馈电模型[11]和等效馈电模型计算。同轴线内参考面处的反射电压计算结果如图3所示，可见等效馈电模型计算结果与传输线馈电模型计算结果具有很好的一致性，因此等效馈电模型的正确性得到了保证；同时，由于等效馈电模型反射电压参考面只能选取在馈电处，而传输线馈电模型反射电压参考面可选取在同轴线底端与激励源接入处之间的任意位置，所以两个计算结果间产生了时延。

2.2 单极天线对HPM的响应

设图4中金属平板上的单极天线采用同轴馈电。天线长度均为0.25 m，同轴线内外半径分别为5 mm，11.5 mm，金属平板尺寸为1 m×1 m，天线1置于平板正中央，天线2末端与天线1末端连线同[y]轴平行，天线间距为[d。]入射波为HPM，[θ]极化，入射仰角[θ]=45°，入射方向角[?]=0°，设高功率微波的载波频率为[f0]=1 GHz，脉冲宽度[τ] =20 ns，上升时间和下降时间均为[t1]=5 ns。

首先考虑天线1存在、天线2不存在的情况，计算得到天线1末端在高功率微波作用下的感应电流的频域和时域波形，如图5（a），5（b）所示。从图5（a）可以看出单极天线对HPM的感应电流频谱主要集中在1 GHz处，与入射HPM的载波频率接近；从图5（b）中可以看出感应电流峰值达到140 A，一旦单极天线耦合到的能量传输至相关联的电子设备和系统，造成的物理损伤将会十分严重，因此做好单极天线的电磁防护工作很有必要。同时还可以看出感应电流时域波形与入射HPM波形相似，但存在振荡，这是由于天线上存在反射波造成的。

圆点表示只存在天线1的情况，实线、虚线、点划线、点线分别表示两天线的距离为50 mm，150 mm，250 mm，300 mm时的情况。从图6可以看出天线2的存在对天线1的感应电流造成了影响，距离近时影响较大，随着距离的增加影响减小。

3 结 论

从本文的计算结果和分析可以看出金属平板上单根单极天线对HPM的感应电流频谱与入射HPM载波频率相关，由于天线上反射波的存在，感应电流时域波形产生了振荡，同时场强为50 kV/m的HPM可使单极天线感应电流达到百安级，这会对电子设备和系统造成严重物理损伤，因此防护工作很有必要。另外还可以看出金属板上有第二根天线存在时，对第一根天线的电流响应会造成影响，这种影响随着两天线距离的增加而减小。

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