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1、E M P 混合型模拟器双锥天线辐射特性的理论研究 毛从光用辉蒯斌 日n # 技术研究所，日安，7 1 0 0 2 4 摘要国外近几年出现前沿较快的电磁脉冲模拟嚣，井有高空桩电磁脉冲( H E M P ) 新标准 推出双雏天线是模拟嚣申决定脉冲电磁场波形与分布的重要部件本文采用时域有限差分 ( F D T D ) 方法，模拟T 鼠锥天线辐射过程，详细讨论了不同双雒结构对辐射电场泣彤前沿、 半宽、幅度等参数的影响结果可为E M P 模拟嚣天线优化设计提供参考同时有助于加深对 谊类型模拟嚣下的试验数据的分析与处理 关踺词桩技术及应用；E M P ；混合型模拟器：F D T D 引言 高空核电磁脉冲
2、( H E M P ) 是由高空核爆炸产生的强电磁渡，能够对电子电气系统造成极大的破坏。 自2 0 世纪7 0 年代以来世界上已建立了多台E M P 模拟器，模拟真实的高空核电磁脉冲环境，用于对电 子系统进行E M P 效应试验研究。9 0 年代末，德、法等国建立了快前沿模拟器f J2 12 0 0 1 年国际电工委员 会( I E C ) 发布的关十H E M P 标准”1 ，推荐的早期H E M P 波形为：前沿2 3 0 5 n s ，半宽2 3 - + 5 n s 。由于该 模拟器产生的电磁波的时域波形有明确的规定所阱本文根据这一趋势采用时域有限差分( F D T D ) 方 法模拟井
3、分析双锥天线对时域电场波形的影响。一方面可为快前沿E M P 混合型模拟器的研制提供参考； 另一方面深入理解模拟器的场特性和分布，对于理解模拟器下电子系统的效应试验数据也是至关重要的。 1 混合型E M P 模拟器物理模型 图I 给出了美国A E S O P 混台型模拟器的示意图，该模拟器主要由脉冲发生器和辐射天线两部分组 成。天线总长度为3 0 0 r a ，左右对称，高度为2 0 m ，中间为7 M V 脉冲激励源。通过双锥天线和直径为9 m 的笼型天线相连接。双锥无线和脉冲激励源的连接是通过同轴峰化电容器，因此，E M P 模拟器中职锥天线 一方面作为脉冲激励源的终端负载，同时又是无线的
4、初始端，所以是决定模拟器屯磁场波形与分布的最关 键部件。另外，H E M P 辐射场模拟器无论是水平极化还是垂直极化均包含脉冲激励振和双锥天线部分而 笼型天线部分可以是直线型也可以是椭圆弯曲型。因此考察双锥天线辐射双指数脉冲的特性具有更广泛 的意义。 圉1 美国A E S O P 模拟器示意图 1 3 5 7 中国科协第四届优秀博士生学术年会论文集 2 数值计算模型 在E M P 模拟器下进行电子系统E M P 效应试验时，电子系统受到辐射场的攻击。从频谱角度看，对于 高频成分，电子系统所在的位置为远区场；而对于低频成分，该位置为近区场或者感应场。和矩量法( M o M ) 等频域方法相比，时
5、域有限差分( F D T D ) 方法的计算仿真过程和模拟器实际工作过程相一致，所以结果 直观，概念明确，这样可以通过仿真直接对时域波形进行优化，找到天线结构与辐射场时域特性的关系。 为了突出双锥天线的辐射特性，暂不考虑天线终端结构及地面反射，从而天线是圆柱对称的，所以程序中 采用二维圆柱坐标系的F D T D 差分离散格式。为节省计算空间，利用了镜像原理，如图2 所示，图中谚为 双锥天线的半锥角，Z 为双锥母线长度，L 为锥柱连接处到观察点的距离，为天线半径，纽为天线高度， D 为天线馈电端到观察点的距离。天线的激励源采用同轴线模型5 1 ，该模型和同轴峰化电容器的馈电结构 一致，而且算法上
6、具有受网格变化影响小的优点。H E M P 模拟器中脉冲激励源输出电压波形为双指数函数 形式【6 l ，如图3 所示。 V ( t ) = 七y 。( 已一一已一犀) ( 1 ) 式中，k 为峰值修正系数，U 为脉冲峰值，口、的值影响脉冲峰值、前沿、半宽等参数。计算区域边 界采用一种基于线性插值的算子吸收边界条件截断7 1 ，同轴线中间设置激励源，顶端激励天线，末端用一 阶M u r 吸收边界条件截断。 1O 基 毛o8 斋0 6 S 要0 名0 2 8 击0 0 2 002 04 08 08 01 0 0t 2 01 4 01 8 01 8 02 0 0 t ( n s ) 图2自由空间双锥
7、笼型混合天线计算模型图3 天线激励电压波形 3 数值模拟结果及分析 3 1 相同锥角，相同半径，不同激励源半宽 首先，将天线半锥角设定为3 2 0 ，半径设定为3 m ，激励电压前沿设定为1 7 n s ，峰值设定为1 M V ( 相 当于偶极激励的2 M V ) ，变动激励源的半宽，考察激励天线D = 2 0 m 处，镜像平面上的典型辐射电场波形 的半宽随之变化的趋势，如图4 ( b ) 所示，电场的半宽随激励电压源半宽的增加而增加，但不是完全呈线 性关系。电场波形结果如图4 ( a ) 所示，从图中可见，波形前沿和峰值基本不变，后沿先是有一段也保持 不变，待场值降到接近峰值一半的时候，不同
8、半宽的激励源所激励的电场才出现较大的差别。分析其原因 是双锥天线和圆柱天线的连接处的边界突变造成的。工程上对这一问题采用第一清晰时间的概念来描趔引： f ；I + L - D ( 2 ) C l f 式中各参数的物理意义如图2 所示，c 为光速。从天线末端激励的原电磁波一方面沿直线D 到观察点， 1 3 5 8 国防科学 另一方面沿锥面r 到达拐角，激励起反相的次级电磁渡沿L 到观察点，两条路径之间的波程差就是屯磁波 在清晰时间内传播的近似距离。由( 2 ) 式计算得到的清晰时问为1 2 n s ，而从图4 ( a ) 得到的清晰时间为 1 3 n s 左右。从清晰时间的比较可以证明数值计算结
9、_ | 5 是可信的。图4 ( b ) 显示电场波形半宽随激励源半宽 的增加而增加。 慷 目4 ( a ) 小同半宽的搬励源撒励的电场波形 3 2 相同锥角，相同半径，不同激励源前沿 。 j 。1 。 ” 电场波形半宽随激励舔芈宽的变化 仍然将天线半锥角设定为3 2 。，半径设定为3 m ，而激励电压半宽设定为5 0 n s ，峰值设定为I M V ，变 动撤励源的前沿，考察辐射电场波形的前描随之变化的趋势辐射电场波形如图5 ( a ) 所示，随着撤励源 前沿的变缓，辐射场前沿也变缓，同时脉冲峰值有所下降，从大约4 0k v ，m 降到3 5 k V m 。电场波形前沿 随激励源前沿的变化曲线
10、如图5 ( b ) 所示图中圆点线为激励源的前沿，方点曲线为辐射电场的前沿，曲 线显示辐射电场前沿并不总是大于激励源前沿，在前沿大干5 n s 以后，辐射电场前沿反而小于激励源前沿 分析原因是由于前沿变缓脉冲i 哒峰值的时问也越来越滞后，当接近清晰时间时，由于反相次级脉冲的 抵消作用，总电场波形还投有达到预期的峰值就开始下降所以出现电场前拈反而比激励源前沿快的现象。 fc ) 图5 ( a ) 不同前沿的激励谭激励的电场波影 P u I r O u t p u t n t i m e ( I t M n s ) 圈5 ( b ) 屯场被形前沿融激励源前沿的变化 3 3 相同锥角，不同半径相同激
11、励源半宽 设定双锥天线的半锥角为3 2 。，然后改变双锥天线的半径，考察辐射波形的变化趋势。而激励脉冲波 形如图3 所示，前沿= 1 7 n s ，半宽t w = 5 0 n s ，脉冲峰值I M V 。激励天线D = 2 0 m 处，镜像平面上的典型 辐射电场波形如图6 ( a ) 所示，天线半径从2 m 增到45 m 波形前沿和峰值基本不变，而半宽从1 57 n s 增 到2 8 4 n s - 半径与半宽对应关系曲线如图6 ( b ) 所示可见天线半径对波形彤响较大，增大天线半径有利 于展宽辐射电场波形的半宽。 兰里彗兰至呈量些耋堡圭圭茎耋当耋耋耋兰 幢 田6 ( a ) 不同天缱半径的
12、辐射电场波形圈6 ( b ) 电场渡形半宽随无线半径的变化 3 A 不局锥角相同半径。相同激励弹半宽 将职锥天线半径设定为3 m 而半锥角分别设定为4 0 4 和3 2 6 激励源如2 节所述。计算结果如图7 所示，柏。半锥角天线的辐射波形与3 2 。相比，峰值增加而半宽减小双锥天线的半锥角决定其特性阻 抗：z c ：6 0 I n c o t ( e ：, 2 ) ，峰值的工程估计公式为：岛。笔s i n 0 ，式中为激励电压峰值计算中等效 “ = 2 M V ，R 为观察点到双锥顶点的距离计算中R = D = 2 4 ) m ，口为观察点偏离双锥轴线的角度( 公式条 件：一 ) ，计算中观
13、察点位于镜像平面上，即占d 9 0 。显然辐射电场峰值与双锥特性阻抗呈反比侧关 系4 0 寸2 阻抗增大峰值减小。而由于清晰时I 五l 的艰制，圈中脉冲被形的半宽分别为1 3 I n s 和2 l l n s ， 羞月4 较大。 3 5 平滑过渡 由上述计算结果可知- 锥柱连接处的突变对波形的影响较大，为此对该处进行平滑过渡仍以3 2 。半 谁街时为倒在半径为2 m 的地方，将双锥母线沿2 D 。的半锥角廷伸在3 m 半径。两种情形的计算结粜如图 8 所示。过渡前后脉冲半宽分别为2 02 n s 和2 A 5 n s 略有改普。 圈7 不同半雎埔天墁辐射豹电场波形田8 平精过蕞天线辐劓的电场波
14、形 3 结论 本文采用F l Y r D 方法，较详细地讨论了E M P 混台型模拟器中职锥无线的不同结构，对辐射电场波形的 影晌。结粜显示，对于快前沿电磁脉冲而言天线的基本趋势是延缓激励谭前沿，而减小脉冲半宽天线 半径增大有利于增加辐射电场波形的半宽而增大半锥角则有利于掘高幅射场峰值。但是天线的尺寸过大 不利于工程实施，因此需要在天线电性能和机摊结构之问进行折中优化。本文的计算结果蝽 揭示了模 1 3 国防科学 i i i i i i i i i i i i i i i i i i n i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 拟器辐射双指数脉冲的过程和
15、特性，可为快前沿E M P 模拟器天线的优化设计以及该类型模拟器下效应数 据的分析，提供理论参考。 参考文献 I E C6 1 0 0 0 - 4 3 2 T e s t i n ga n dM e a s u r e m e n tT e c h n i q u e s H i g h a l t i t u d ee l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ( 呱M P ) s i m u l a t o rc o m p e n d i u m , 2 0 0 2 1 0 C h a r l s eG i l m a n ，S K L a m ，J T
16、N a f f , e t c D e s i g na n dP e r f o r m a n c eo ft h eF E M P - 2 0 0 0 ：aF a s tR i s e t i m e ，2 M VE M PP u l s e r I E E E S i m p o s i u m ，1 9 9 9 ：1 4 3 7 - 1 4 4 0 I E C 6 1 0 0 0 - 4 2 5 T e s t i n ga n d M e a s u r e m e n t T e c h n i q u e s H E M P I m m u n i t y T e s t M e t h o d s f o r E q u i p m e n ta n d S y s t e m s ，2 0 0 1
