隨著微波技術(shù)的不斷發(fā)展, 各種高功率微波武器相繼產(chǎn)生, 這些武器不但能起到電磁干擾的作用, 而且還能夠把電磁能量集中在很窄的脈沖內(nèi), 直接摧毀電子設(shè)備。另一方面, 近年來(lái), 微帶電路以其體積小, 重量輕, 耗能少, 可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在微波領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的生命力, 但是高度集成化的微波電路易受小量微波能量的影響。微波能量能夠通過(guò)各種渠道耦合進(jìn)入系統(tǒng)殼體, 對(duì)電子器件產(chǎn)生破壞性的效應(yīng), 使其失效或功能下降。利用FDTD 方法分析了高功率脈沖照射下的微波集總元件電壓變化的情況, 并比較了在有無(wú)屏蔽盒保護(hù)作用下的影響結(jié)果, 為下一步研究高功率微波脈沖對(duì)復(fù)雜微波電路的影響奠定了理論基礎(chǔ)。

引言所謂“高功率微波脈沖” 是指微波的脈沖峰值率大于100 MW 以上, 頻率在0 .5 ～ 300 GHz 之間的電磁脈沖。高功率微波[ 1] (High Pow er Microw ave , HPM)是隨著脈沖功率技術(shù)的實(shí)用化而迅速發(fā)展起來(lái)的, 而通信和電子戰(zhàn)的應(yīng)用需求以及近代微波理論的迅速發(fā)展也對(duì)它起到了推動(dòng)作用。高功率微波主要應(yīng)用在電子戰(zhàn)中。眾所周知, 傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)是利用電子干擾和電子欺騙來(lái)阻止或削弱敵人對(duì)電磁頻譜的有效使用, 而在新定義的電子戰(zhàn)概念中, 還包括使用定向能等摧毀性武器,即從以電磁信息為基礎(chǔ)的“軟殺傷”階段到以電磁能量為基礎(chǔ)的“硬殺傷”階段[ 2 , 3] , 電子戰(zhàn)的作戰(zhàn)目標(biāo)已不限于攻擊敵方用于發(fā)射和接收輻射電磁波的電子裝備和系統(tǒng), 而是通過(guò)直接攻擊敵方人員、設(shè)施和裝備, 達(dá)到削弱、瓦解和摧毀敵方總體戰(zhàn)斗力的目的。高功率微波武器是三大定向能武器之一, 它與其他定向能武器相比有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn), 不僅可以與雷達(dá)兼容構(gòu)成一體化系統(tǒng),實(shí)施低功率探測(cè), 跟蹤目標(biāo), 對(duì)目標(biāo)進(jìn)行干擾, 還可以迅速提高功率, 對(duì)目標(biāo)實(shí)施硬殺傷摧毀, 或者對(duì)敵目標(biāo)的電子設(shè)備實(shí)施破壞, 具有軟硬殺傷兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn), 因此高功率微波武器在目前和未來(lái)電子戰(zhàn)應(yīng)用中是對(duì)付電子設(shè)備和武器系統(tǒng)的新一代電子戰(zhàn)武器裝備, 它的出現(xiàn)是電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展的一次質(zhì)的飛躍。根據(jù)高功率微波的應(yīng)用特點(diǎn), 研究高功率微波脈沖對(duì)電子設(shè)備的影響[ 4 , 5]具有重要意義。

Krasukha-2系統(tǒng)是一款集成度很高的車載高功率微波干擾系統(tǒng)，可以在上百千米外對(duì)預(yù)警機(jī)實(shí)施干擾，尤其針對(duì)美國(guó)E-3預(yù)警機(jī)和其他使用S波段的系統(tǒng)。Krasukha-2系統(tǒng)的研制始于1996年，在2011年完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并于2014年提前交付俄羅斯軍隊(duì)使用。2015年，KRET在第12屆莫斯科航空航天展覽會(huì)上，正式展示了Krasukha-2系統(tǒng)。Krasukha-2發(fā)射系統(tǒng)采用反射面天線，反射面為直徑約2.7米的拋物面，饋源由1個(gè)主饋源喇叭和2個(gè)次級(jí)饋源組成。整個(gè)反射面天線安裝于一個(gè)可360°旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，最大俯仰角可達(dá)5°，在天線主瓣45°范圍內(nèi)都可通過(guò)旁瓣實(shí)施有效干擾，對(duì)預(yù)警機(jī)的作用距離可達(dá)150-300千米。Krasukha-2裝有100千瓦的發(fā)電機(jī)和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2014年11月，美國(guó)空軍公布了定向能武器路線圖之高功率微波（HPM）武器部分。美國(guó)空軍計(jì)劃在2016年實(shí)現(xiàn)配裝AGM-86C/D常規(guī)空射巡航導(dǎo)彈（CALCM）第二代高功率微波武器，可多次打擊和多目標(biāo)打擊；在2024年之后實(shí)現(xiàn)可配裝AGM-158B增程型聯(lián)合空對(duì)地防區(qū)外導(dǎo)彈（JASSM-ER）的高功率微波武器，優(yōu)化波形以增強(qiáng)效力，提高能源效率，降低尺寸、重量和功耗；在2029年之后實(shí)現(xiàn)可配裝第五代戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)的高功率微波武器。這一技術(shù)子領(lǐng)域的整體目標(biāo)則是“增加高功率微波武器家族的能力，這一武器家族可配裝各類空中平臺(tái)”。

2016年，美國(guó)空軍還在持續(xù)推動(dòng)HPM的生物效應(yīng)研究，在2016年11月公布的39項(xiàng)計(jì)劃中，有3項(xiàng)研究涉及到了HPM生物效應(yīng)。其中，短脈沖電磁場(chǎng)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的影響項(xiàng)目旨在研究高峰值功率微波對(duì)生物體的影響，建立HPM場(chǎng)分布和生物效應(yīng)影響綜合模型，以確保士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上的安全。利用納秒級(jí)脈沖電磁場(chǎng)替代微波，以研究在高峰值功率微波影響下細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變化、細(xì)胞形態(tài)和生理學(xué)變化、細(xì)胞基因和蛋白質(zhì)表達(dá)譜的變化。HPM電刺激生理響應(yīng)研究旨在研究生物組織中電脈沖和HPM的相互作用，以研究HPM對(duì)生理系統(tǒng)的影響機(jī)制。電磁輻射生物響應(yīng)研究旨在研究電磁場(chǎng)與生物系統(tǒng)的相互作用，該項(xiàng)目的研究重點(diǎn)是理解電磁能對(duì)細(xì)胞的微妙影響。

1 高功率微波對(duì)集總元件的影響研究集總元件是電子系統(tǒng)的基石, 了解集總元件(尤其是半導(dǎo)體器件)的毀傷機(jī)理[ 2 , 3] , 進(jìn)而研究高功率微波照射對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的作用機(jī)理, 是一個(gè)切合實(shí)際的思路,所以研究集總元件的毀傷機(jī)理是十分必要的。

以下將通過(guò)實(shí)例說(shuō)明高功率脈沖對(duì)各集總元件的影響。如圖1 所示, 微帶線導(dǎo)帶寬0 .75 mm , 介質(zhì)層高1 mm , 介質(zhì)介電常數(shù)εr =13 .0 , 導(dǎo)電率σ=0 。整個(gè)計(jì)算空間區(qū)域?yàn)?6Δx ×56Δy ×34Δz , 平面波區(qū)域大小為70Δx × 40Δy × 18Δz , 各方向空間步長(zhǎng)為:Δx =0 .25 mm , Δy = Δz = 0 .125 mm , 時(shí)間步長(zhǎng)Δt =0 .2 ps , 采用二階Mur 吸收邊界條件。微帶線一端接激勵(lì)源(電阻電壓集總源), 另一端接負(fù)載。電壓US 是幅度為1 的高斯脈沖, 脈沖寬度為1 000Δt 。圖2 為平面波照射微帶電路圖, 圖中縱坐標(biāo)為電場(chǎng)分量, 單位為V/m ;兩橫坐標(biāo)分別為仿真空間所占的尺寸格數(shù)。

圖1 簡(jiǎn)單微帶電路

圖2HPM 照射微帶電路

1 .1 HPM 對(duì)電阻的影響圖3 顯示的是不同電場(chǎng)強(qiáng)度大小的高斯脈沖照射電阻時(shí), 電阻兩端電壓隨時(shí)間步變化圖。由圖可見(jiàn), 照射波電場(chǎng)強(qiáng)度越大, 在電阻上引起的電壓變化幅度越大。

圖3HPM 對(duì)電阻電壓的影響

1 .2 HPM 對(duì)電容的影響圖4 反映了高功率微波脈沖對(duì)電容電壓產(chǎn)生的影響。由圖可見(jiàn), 照射波電場(chǎng)強(qiáng)度越大, 對(duì)電容兩端電壓的影響越大。與圖3 比較可以看出, 外界照射波對(duì)電容的影響要比對(duì)電阻的影響小很多。

圖4HPM 對(duì)電容電壓的影響

1 .3 HPM 對(duì)電感的影響圖5 反映了高功率微波脈沖對(duì)電感電壓產(chǎn)生的影響。從圖中可以看出, 照射波電場(chǎng)強(qiáng)度越大, 對(duì)電感兩端電壓的影響越大。且在電阻、電容、電感這三者中, 電感受外界照射波的影響最大。

圖5HPM 對(duì)電感電壓的影響

1 .4 HPM 對(duì)二極管的影響二極管是對(duì)高電平瞬時(shí)脈沖最為敏感的電子元器件之一。p -n 結(jié)在雪崩擊穿時(shí), 有大量的能量在結(jié)的附近耗散。熱從功率耗散區(qū)的擴(kuò)散并不多, 而是在器件內(nèi)部形成很大的溫度梯度。與器件結(jié)相接的局部區(qū)域,溫度可達(dá)器件材料的熔點(diǎn), 這樣, 結(jié)最終會(huì)短路。這種現(xiàn)象稱之為熱二次擊穿失效。半導(dǎo)體器件在受到外界高功率微波脈沖照射時(shí), 只有當(dāng)脈沖功率達(dá)到一定的閾值才可能使二極管等半導(dǎo)體器件發(fā)生二次擊穿[ 6] , 如果功率低于此閾值, 雖然半導(dǎo)體器件會(huì)受到影響, 但是還能恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。以下以二極管為例, 通過(guò)仿真來(lái)說(shuō)明高功率微波脈沖對(duì)p -n 結(jié)的影響。如圖1 所示, 微帶線導(dǎo)帶寬2 .43 mm ,長(zhǎng)84 .66 mm , 介質(zhì)層高0 .795 mm , 介質(zhì)介電常數(shù)εr =2 .2 。整個(gè)計(jì)算空間區(qū)域變?yōu)?56Δx ×56Δy ×30Δz , 平面波區(qū)域大小為240Δx × 40Δy × 14Δz , 各方向空間步長(zhǎng)為:Δx =0 .423 3 mm , Δy =0 .404 6 mm , Δz =0 .265 mm , 時(shí)間步長(zhǎng)Δt = 0 .441 ps , 采用二階Mur 吸收邊界條件。US =10sin(2πf t), f =500 MHz 。二極管反向飽和電流

IS = 10-6 A , 熱力學(xué)溫度T =300 K 。

圖6 反映了二極管兩端電壓受高功率脈沖照射時(shí)隨時(shí)間變化的情況。

從圖中可以看出, 當(dāng)脈沖功率達(dá)到一定值時(shí), 二極管的正常工作將受到很大的影響, 但當(dāng)脈沖過(guò)后其功能又能恢復(fù)。當(dāng)脈沖功率進(jìn)一步增大時(shí),二極管將會(huì)被二次擊穿, 其正常功能不能再恢復(fù)。

2 屏蔽盒對(duì)微帶電路的保護(hù)作用在現(xiàn)在的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下, 必須對(duì)電子電路進(jìn)行一定的保護(hù), 屏蔽即是一種比較常用的保護(hù)方法。以下通過(guò)例子說(shuō)明屏蔽盒對(duì)簡(jiǎn)單微帶電路的保護(hù)作用。

由于屏蔽盒的引進(jìn), 整個(gè)計(jì)算空間區(qū)域變?yōu)?02Δx ×76Δy ×54Δz , 平面波區(qū)域大小為86Δx ×60Δy ×38Δz ,屏蔽盒大小為70Δx ×50Δy ×28Δz 。在實(shí)際設(shè)備中, 屏蔽盒不可能完全封閉, 總會(huì)存在通風(fēng)窗等孔縫, 因此本模型為更接近實(shí)際情況, 在屏蔽盒正面開(kāi)有一條25Δy×4Δz 的小縫, 微帶電路位于整個(gè)區(qū)域中央。照射脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度為10 kV/m 。

圖7 為平面波照射被屏蔽的微波電路時(shí)的情形, 圖中縱坐標(biāo)為電場(chǎng)分量, 單位V/m ;兩橫坐標(biāo)分別為仿真空間所占的尺寸格數(shù)。

圖7H PM 照射屏蔽盒中微帶電路

2 .1 電阻由圖8 可以看出, 有無(wú)屏蔽盒對(duì)仿真結(jié)果的影響是很大的, 在沒(méi)有屏蔽盒的情況下, 電阻電壓在外界高功率脈沖的照射下變化很大;而當(dāng)有屏蔽盒時(shí), 外界高功率脈沖的照射對(duì)電阻兩端電壓的影響很小, 幾乎可以忽略。

圖8 有屏蔽盒時(shí)H PM 對(duì)電阻電壓的影響

2 .2 電容由圖9 可看出, 在無(wú)屏蔽盒時(shí), 電容電壓受外界高功率照射波的影響很大;在有屏蔽盒的情況下, 電容受外界高功率照射波的影響雖不像電阻那樣幾乎可以忽略, 但和無(wú)屏蔽盒比起來(lái), 這種影響確實(shí)要小得多。

圖9 有屏蔽盒時(shí)H PM 對(duì)電容電壓的影響

2 .3 電感由圖10 可看出, 在無(wú)屏蔽盒時(shí), 電感電壓在高功率微波波照射下變化很大;而在有屏蔽盒的情況下, 電感電壓在外界高功率微波的照射下雖也有波動(dòng), 但波動(dòng)幅度明顯要比無(wú)屏蔽盒情況下小得多。

圖10 有屏蔽盒時(shí)HPM 對(duì)電感電壓的影響

2 .4 二極管模型與上節(jié)中二極管模型相同, 但由于屏蔽盒的引進(jìn), 整個(gè)計(jì)算空間區(qū)域變?yōu)?72Δx ×66Δy ×40Δz , 平面波區(qū)域大小為256Δx ×50Δy ×24Δz , 屏蔽盒大小為240Δx ×40Δy ×14Δz , 在屏蔽盒正面開(kāi)有一條25Δy ×4Δz 的小縫, 微帶電路位于整個(gè)區(qū)域中央。照射脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度為30 kV/m 。

從圖11 可以看出, 有屏蔽盒時(shí), 外界照射波對(duì)二極管影響很小。

圖11有屏蔽盒時(shí)HPM 對(duì)二極管電壓的影響

3 結(jié)語(yǔ)本文利用FDTD 仿真了高功率微波脈沖對(duì)電阻、電容、電感、二極管等集總元件的影響, 并比較了在有屏蔽盒和無(wú)屏蔽盒保護(hù)作用下集總元件受到的影響大小。從仿真結(jié)果可以看出:在電阻、電容、電感三者中, 電感受高功率微波的影響最大, 電阻次之, 電容最小;二極管受到高功率微波脈沖照射時(shí), 當(dāng)照射脈沖的幅值不是很大的時(shí), 二極管的正常工作將會(huì)受到很大的影響, 但脈沖過(guò)后其功能又能恢復(fù), 但當(dāng)脈沖功率幅值達(dá)到一定值時(shí), 二極管將會(huì)被二次擊穿, 其正常功能不能再恢復(fù);在有屏蔽盒保護(hù)作用下, 高功率微波脈沖對(duì)集總元件的影響很小。