弹载天线的电磁脉冲耦合仿真分析

胡 晓，李 平，时昊天，吴必成，史嘉昭

(西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

随着现代化电子战对导弹作战能力需求的逐渐提高,导弹系统上装的无线通信设备日益增多。在面临复杂电磁环境中具有高功率、强瞬态等电磁耦合特征的电磁脉冲干扰威胁下,导弹无线通信设备的可靠性和生存能力受到了严峻的考验[1]。电磁脉冲对导弹无线通信设备的主要耦合途径为设备的通信天线,其通过天线耦合产生的强瞬态电压或电流进入内部电子设备后很可能会造成敏感电路的电磁干扰甚至毁伤。因此,仿真计算天线的电磁脉冲耦合响应,获取天线耦合的电压和电流波形,对通信设备接收机的射频前端电磁脉冲防护具有很重要的意义。

对于天线的电磁脉冲耦合效应,已有研究大多都采用数值仿真方法来进行计算分析。例如,采用时域积分方程计算单极天线的宽带脉冲响应[2-3];采用时域有限差分法计算微带天线、超短波天线在电磁脉冲辐照下的耦合响应特性[4-5];采用基于时域有限积分算法的商业电磁仿真软件CST研究双极天线、螺旋天线以及抛物面天线在电磁脉冲辐照下的耦合特性[6-8]。但这些研究工作仅仅考虑了电磁脉冲对天线单独的耦合响应,并未考虑天线加载安装平台后电磁脉冲耦合响应的特征变化。根据天线辐射原理,天线在上装平台后,受到安装结构的影响,其电磁特征相比单独天线往往会有较大的变化。

因此,文中采用CST仿真软件建立了典型的弹载平台结构及两种弹载平台常用的微带天线模型,仿真分析了天线上装弹载平台前后的辐射电磁特征变化,并计算了天线上装弹载平台前后在几类典型电磁脉冲辐照下的电磁耦合响应特征变化。仿真所得结论进一步完善了电磁脉冲对弹载微带天线的耦合作用机理研究,从而为微带天线类型的电磁脉冲防护加固研究提供更充分的理论依据。

1 仿真模型的建立

图1为采用CST软件建立的弹载平台上装天线的局部结构模型,弹体平台结构主要由头舱、仪器舱及尾舱3部分组成,由于天线主要集中在中间的仪器舱段,在充分考虑平台结构对天线特征影响的同时,为了减少仿真计算的资源消耗,只截取了头舱和尾舱的部分舱段。弹体舱壁整体结构为铝金属材料,舱壁表面凃有隔热层,隔热层材料相对介电常数为2.84。

图1 弹载平台上装天线的局部结构Fig.1 Local structure of antenna mounted on missile-borne platform

由于导弹的气动性能要求,弹载天线通常需要与弹体环面共形,而微带天线具有低剖面、体积小、易于共形等特点,在弹载平台上应用最为广泛[9]。因此建立了两种不同结构形式的微带天线模型,如图2所示,两天线分别为GPS天线以及遥测天线。其中GPS天线的工作频率为1.575 GHz,遥测天线的工作频率为S波段。

图2 弹载天线结构模型Fig.2 Structural model of missile-borne antenna

完成天线及弹载平台结构的模型建立后,在天线同轴馈电端口建立50 Ω匹配负载,通过仿真计算求解天线端口负载在电磁脉冲辐照下的耦合电压响应。

典型的电磁脉冲类型主要包括高空核电磁脉冲(HEMP)[10],窄谱高功率微波(HPM-NS)[11]以及超宽谱高功率微波(HPM-UWS)[12],其均具有高电压、强瞬态的电磁特征,且脉冲波形的最大场强通常能达到50 kV/m。偏于电磁安全考虑,在后续仿真中也均以50 kV/m作为脉冲激励源的最大峰值。对于几类脉冲的干扰覆盖频率范围,高空核电磁脉冲主要会对工作频率在200 MHz以下的电子设备造成干扰,高功率微波干扰频率则覆盖300 MHz～300 GHz。由于弹载天线工作频率通常在GHz,处于高功率微波的干扰频段内,因此主要对弹载天线在窄谱以及超宽谱高功率微波干扰辐照下的耦合响应特性进行仿真分析。

2 仿真计算分析

2.1 弹载天线的辐射电磁特征分析

由于天线上装平台后受平台结构的影响,其辐射远场电磁特征会发生一定的变化,根据天线的互易定理,其对电磁脉冲的接收耦合响应也必然会发生变化。因此,为了分析弹载平台对天线电磁脉冲耦合响应特征的影响,首先对天线上装弹载平台前后的辐射方向图进行仿真计算。

图3为仿真计算得到的GPS单天线以及天线上装弹载平台后的辐射方向图结果。从仿真结果可以看出,由于弹载平台结构的影响,GPS天线上装平台后的方向图对比单天线发生了较大的畸变,天线主瓣波束范围变宽,最大增益方向由原来的天线正上方发生了偏移,最大增益值G增大了0.11 dB。

图3 GPS单天线及天线上装弹载平台的辐射方向图Fig.3 Radiation pattern of GPS single antenna and antenna mounted on missile-borne platform

图4为仿真计算得到的遥测单天线以及天线上装弹载平台后的辐射方向图结果。从仿真结果可以看出,遥测天线上装弹载平台后的方向图对比单天线同样发生了较大的畸变,天线主瓣最大增益方向由原来的天线正上方发生了偏移,最大增益值增大了1.43 dB。

图4 遥测单天线及天线上装弹载平台的辐射方向图Fig.4 Radiation pattern of telemetry single antenna and antenna mounted on missile-borne platform

通过上述仿真可以看出,平台结构对微带天线的主瓣增益有增强效应。为了天线系统的电磁安全,保证其正常通信工作,需要分析天线上装平台后的电磁耦合响应特性变化,从而为系统的电磁防护阈值设计提供更准确的数据支撑。

2.2 弹载天线的电磁脉冲耦合响应计算

根据天线辐射电磁特征的仿真结果,可以确定天线耦合接收能力最强的方位角度,以此仿真计算天线在电磁脉冲辐照下的最大耦合响应。天线电磁脉冲辐照耦合仿真场景如图5所示,建立电磁脉冲平面波辐照源,辐照入射方位为天线最大增益方向,激励信号加载不同的电磁脉冲信号样式,就可以求解天线馈电端口的耦合电压响应。为了求解天线的最大耦合响应,平面波电场极化方向设置为与天线极化方向一致。

图5 天线电磁脉冲耦合仿真场景Fig.5 Simulation scenario of antenna EMP coupling

首先求解GPS天线及遥测天线在HPM-NS辐照下的耦合电压响应,脉冲波形峰值场强为典型的50 kV/m,脉冲激励信号载波频率为天线的对应工作频率。为了对比天线上装平台前后耦合响应的特征差异,对单天线以及天线上装弹载平台后两种情况都进行了耦合仿真计算,仿真结果如图6所示。

图6 GPS天线及遥测天线的HPM-NS耦合电压响应Fig.6 HPM-NS coupling voltage of GPS antenna and telemetry antenna

从图6可以看出,两天线的HPM-NS耦合电压响应的时域波形特征与脉冲源波形特征相似,平顶高电压持续时间较长,对天线后端射频电路具有较大的干扰毁伤威胁。GPS单天线的耦合电压峰值达到2 kV,天线上装弹载平台后的耦合电压峰值达到2.1 kV,比上装平台前增大了5%。遥测单天线耦合电压峰值达到1.6 kV,天线上装平台后的耦合电压峰值达到1.76 kV,比上装平台前增大了10%。可以看出,天线上装弹载平台后的耦合响应有一定程度的增强。

图7为GPS天线及遥测天线在HPM-UWS辐照下的耦合电压响应,脉冲激励波形的主要参数为：峰值场强50 kV/m,脉冲时延2 ns,脉冲有效宽度1 ns。同样也对单天线以及天线上装弹载平台后两种情况都进行了耦合仿真计算。

图7 GPS天线及遥测天线的HPM-UWS耦合电压响应Fig.7 HPM-UWS coupling voltage of GPS antenna and telemetry antenna

从图7可以看出,两天线的HPM-UWS耦合电压响应的时域波形为衰减震荡波,耦合电压峰值只有百伏量级,远小于HPM-NS的耦合响应。这是由于HPM-NS在频域上能量十分集中,当其载波频率与天线完全一致时,能对微带天线造成更强的耦合干扰。因此,相比HPM-UWS,HPM-NS对弹载天线的干扰毁伤威胁更大。

需要注意的是,与图6中HPM-NS的耦合响应规律不同,两天线上装平台后的峰值电压要小于单天线的峰值电压。为了进一步分析耦合响应的特征,图8给出了两天线耦合电压响应的频谱分布。

图8 天线的HPM-UWS耦合电压的频谱Fig.8 Spectrum of HPM-UWS coupling voltage of antennas

从图8可以看出,在天线的工作谐振频率点,天线上装平台后的耦合电压更大,这一规律与前述分析相同。但是天线上装平台后的低频接收特性相比单天线变差,从而导致HPM-UWS的低频耦合量减少,因此出现了单天线的时域耦合电压峰值大于天线上装平台后的耦合电压峰值这一现象。从仿真结果可以看出,天线的HPM-UWS耦合响应不需要考虑弹载平台的影响,只需要针对单天线进行仿真计算即可。

通过上述对天线上装平台后的电磁脉冲耦合响应计算分析,可以看出两类微带天线对于电磁脉冲耦合响应的特征变化规律相同,因此仿真结果可以初步作为微带天线类型的电磁脉冲防护设计的理论依据,从而保证微带天线系统的电磁安全。

3 结论

为了研究弹载平台结构对天线电磁脉冲耦合效应的影响,采用CST仿真软件建立了典型的弹载平台模型及GPS天线、遥测天线这两类弹载微带天线模型。仿真结果表明：弹载平台结构对天线电磁特征以及电磁脉冲耦合响应均有一定的影响;两类天线的HPM-NS耦合电压响应较大,均在kV量级,且天线上装平台后的HPM-NS耦合电压峰值相对单天线分别增大了5%和10%;天线的HPM-UWS耦合响应则远小于HPM-NS,且天线上装平台后的耦合电压峰值未增大。因此,在天线射频设备的电磁脉冲防护设计中,应充分考虑弹载平台对天线HPM-NS耦合的增强效应,从而能够更好地防止射频设备受到电磁脉冲的干扰或毁伤。