舒 楠,张 厚,李圭源

(空军工程大学导弹学院,陕西三原713800)

0 引言

高功率微波武器通过前门耦合和后门耦合严重危害电子设备的安全。等离子体是一种奇特的媒质,对高功率微波的传播有很大的影响。高功率微波与等离子体相互作用时,体现出不同于一般导体或介质的特性。在一定条件下,等离子体能够反射高功率微波,使微波能量反射出去;在一定条件下,又能吸收高功率微波,使透射进入电子设备的微波功率低于干扰或破坏阈值;当高功率微波入射角度变化时等离子体可以改变高功率微波的传播方向,避免电子设备受到损伤。以上因素使等离子体成为电子设备防护高功率微波的新型材料。这里用FDTD的方法仿真计算了双层屏蔽体加载等离子体使其高频内的屏蔽效能大大增加。

1 等离子体的特性分析

1.1 等离子体的滤波特性

对于某一频段的高功率微波,存在一个等离子体截止电子数密度Ne0(即临界电子数密度,对应于等离子体频率fp0),临界数密度Ne0是等离子体中单粒子效应和集约作用的分水岭。当等离子体电子数密度高于Ne0(等离子体频率fp0高于入射电磁波频率),入射的高功率微波将在等离子体表面产生全反射;而当等离子体电子数密度低于Ne0(等离子体频率fp0低于入射电磁波频率)时,高功率微波可以无损耗地通过等离子体(不考虑碰撞)。显然在这种情况下,等离子体具有滤波特性。高功率微波同等离子体截止电子数密度之间的关系可用下面公式表示:

式中,f为高功率微波的入射频率。

1.2 等离子衰减系数α的计算

在部分电离等离子体中,由于中性气体的密度远大于等离子体密度,因此可以忽略电子与离子的碰撞,另外由于离子的质量远大于电子的质量,所以电子振荡频率也远大于离子振荡频率。若忽略离子的影响,非磁化等离子体的相对介电常数 εr可写为[1]:

式中,ω为电磁波频率;ωp为等离子频率;ν为电子与中性粒子的碰撞频率。求解麦克斯韦方程组可得衰减系数[1]:

1.3 等离子体的折射效应

等离子体是频率色散媒质,当高频电磁波在不均匀等离子体传播时,等离子体密度梯度及等离子体与空气分界处将对高功率微波产生折射,从而改变入射电磁波的方向,间接地减少了高功率微波对电子设备的破坏。

2 模型的建立与计算结果分析

2.1 物理模型

设屏蔽腔体为理想导体,其几何尺寸为300 mm×300mm×120 mm,壁厚1 mm,2层间距d=10mm。选取瞬态场波形为平面高斯脉冲波,时域形式为其中 t=τ=0.125 ns,

图1 高斯脉冲时域波形

0幅度为1 000 V/m,其时域波形如图1所示。分别对未加载等离子体和加载等离子体的屏蔽腔进行计算,等离子体加载在双层屏蔽腔中,厚度为10 mm,其截止频率为2GHz。在计算中,激励方式采用总场-散射场体系[3],即把计算区域利用连接边界划分成总场区和散射场区,并通过对连接边界的设置引入平面脉冲波。计算的物理模型如图2所示。

图2 计算的物理模型

2.2 计算过程

空间电磁场遵循麦克斯韦方程,利用时域有限差分法对电磁场的旋度方程进行差分离散,得到时域差分方程可以得到 Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz六个差分方程。用这6个差分方程进行迭代就可以模拟空间电磁场的分布情况。吸收边界采用的是Mur二阶吸收边界[3]。式中ε为介电常数(F/m);i、j和k均为整数,分别表示x、y和z坐标方向的网格标号;时间步长用Δt表示,用n表示时间步长个数;Δy、Δz分别为y和z方向的空间网格步长。在仿真过程中,网格空间截断边界的实现用的是完全匹配层技术[4]。平面波激励源由连接边界处加入。设置空间网格步长为Δy=Δz=Δs=3 mm,则屏蔽腔的网格空间为100Δs×100Δs×40Δs,时间步长 Δt=2e-3 ns。

首先通过计算得到观察点的时域波形,再通过傅里叶变换得到频域波形,计算结果为随频率变化的电场耦合系数[5],其定义如下:

式中,Ei(f)和Ec(f)分别为入射电场强度和耦合电场强度。在此采用耦合系数作为计算结果可以更方便地考察电磁脉冲对有无加载等离子体腔体的耦合性能,观察点选择腔体中心处和距中心处前方60 mm的位置,来对比有无加载等离子体的屏蔽效能差异,如图3和图4所示。

图3 中心处的耦合系数

图4 距中心前方处60 mm的耦合系数

2.3 结果分析

从图中可以明显地看出在2～14 GHz中,强电磁脉冲耦合进入腔体的能量大大减少,不管是在腔体中心处还是距中心60 mm距离处,耦合系数都大大降低。在整个频率区间上未加载等离子体的屏蔽腔比加载等离子体的耦合系数大了将近30 dB,从而可计算出加载等离子体的屏蔽腔的屏蔽效能可提高将近30 dB,因此比通过普通的双层屏蔽更能起到防护高功率微波的作用。

通过对比等离子体防护和常规手段防护高功率微波,等离子体优点如下:

①等离子体的触发源是微波,在受到高功率微波照射时可以直接吸收和反射微波,避免了其他辅助手段,缩短了反应时间;

②等离子体防护尤其在宽频带内的防护效果比较明显,比常规的防护手段更能达到实际的需求;

③产生等离子体的装置比较简单,更能适应复杂多变的战场电磁环境。

3 结束语

随着高功率微波武器的发展,加之战场环境的复杂性,常规的屏蔽手段难以达到防护的要求。分析了在屏蔽腔中引入等离子体的理论基础,用时域有限差分法主要对强电磁脉冲耦合进入双层屏蔽体的耦合系数进行了计算。计算结果表明在常规的双层屏蔽体中添加等离子体可使强电磁脉冲耦合进入腔体的大大降低,在2～14 GHz内耦合系数降低了近30 dB,从而使屏蔽效能也提高了近30 dB。加载等离子体为新的屏蔽腔的设计提供了依据,为适应未来战争复杂多变的电磁环境提供了一些理论基础。

[1]庄钊文,袁乃昌,刘少斌,等.等离子体隐身技术[M].北京:科学出版社,2005.

[2]孙爱萍,李丽琼,邱孝明,等.电磁波与非磁化等离子体的相互作用[J].核聚变与等离子体物理,2002,22(3):135-140

[3]葛德彪,闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2002.

[4]BERENGER J P.A Perfectly Matched Layer for the Absorption of Electromagnetic Waves[J].J.Compute.Phys,1994,114(2):185-200.

[5]王建国,刘国治,陈雨生.微波脉冲孔缝线性耦合的数值与实验研究[J].微波学报,1995,11(4):244-251.