高功率微波脈沖對微帶電路的影響

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, 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。微波能量能夠通過各種渠道耦合進(jìn)入系統(tǒng)殼體, 對電子器件產(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)展也對它起到了推動作用。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阻止或削弱敵人對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, 跟蹤目標(biāo), 對目標(biāo)進(jìn)行干擾, 還可以迅速提高功率, 對目標(biāo)實(shí)施硬殺傷摧毀, 或者對敵目標(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電子戰(zhàn)應(yīng)用中是對付電子設(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預(yù)警機(jī)實(shí)施干擾，尤其針對美國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，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個主饋源喇叭和2個次級饋源組成。整個反射面天線安裝于一個可360°旋轉(zhuǎn)的平臺上，最大俯仰角可達(dá)5°，在天線主瓣45°范圍內(nèi)都可通過旁瓣實(shí)施有效干擾，對預(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。美國空軍計劃在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”。

2016年，美國空軍還在持續(xù)推動HPM的生物效應(yīng)研究，在2016年11月公布的39項(xiàng)計劃中，有3項(xiàng)研究涉及到了HPM生物效應(yīng)。其中，短脈沖電磁場對哺乳動物細(xì)胞的影響項(xiàng)目旨在研究高峰值功率微波對生物體的影響，建立HPM場分布和生物效應(yīng)影響綜合模型，以確保士兵在戰(zhàn)場上的安全。利用納秒級脈沖電磁場替代微波，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)是理解電磁能對細(xì)胞的微妙影響。

1 高功率微波對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整個系統(tǒng)的作用機(jī)理, 是一個切合實(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。

以下將通過實(shí)例說明高功率脈沖對各集總元件的影響。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 。整個計算空間區(qū)域?yàn)?6Δx ×56Δy ×34Δz , 平面波區(qū)域大小為70Δx × 40Δy × 18Δz , 各方向空間步長為:Δx =0 .25 mm , Δy = Δz = 0 .125 mm , 時間步長Δt =0 .2 ps , 采用二階Mur 吸收邊界條件。微帶線一端接激勵源(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 簡單微帶電路

圖2HPM 照射微帶電路

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

圖3HPM 對電阻電壓的影響

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

圖4HPM 對電容電壓的影響

1 .3 HPM 對電感的影響圖5 反映了高功率微波脈沖對電感電壓產(chǎn)生的影響。從圖中可以看出, 照射波電場強(qiáng)度越大, 對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 對電感電壓的影響

1 .4 HPM 對二極管的影響二極管是對高電平瞬時脈沖最為敏感的電子元器件之一。p -n 結(jié)在雪崩擊穿時, 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, 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, 通過仿真來說明高功率微波脈沖對p -n 結(jié)的影響。如圖1 所示, 微帶線導(dǎo)帶寬2 .43 mm ,長84 .66 mm , 介質(zhì)層高0 .795 mm , 介質(zhì)介電常數(shù)εr =2 .2 。整個計算空間區(qū)域變?yōu)?56Δx ×56Δy ×30Δz , 平面波區(qū)域大小為240Δx × 40Δy × 14Δz , 各方向空間步長為:Δx =0 .423 3 mm , Δy =0 .404 6 mm , Δz =0 .265 mm , 時間步長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隨時間變化的情況。

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

2 屏蔽盒對微帶電路的保護(hù)作用在現(xiàn)在的戰(zhàn)場環(huán)境下, 必須對電子電路進(jìn)行一定的保護(hù), 屏蔽即是一種比較常用的保護(hù)方法。以下通過例子說明屏蔽盒對簡單微帶電路的保護(hù)作用。

由于屏蔽盒的引進(jìn), 整個計算空間區(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, 在屏蔽盒正面開有一條25Δy×4Δz 的小縫, 微帶電路位于整個區(qū)域中央。照射脈沖電場強(qiáng)度為10 kV/m 。

圖7 為平面波照射被屏蔽的微波電路時的情形, 圖中縱坐標(biāo)為電場分量, 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, 有無屏蔽盒對仿真結(jié)果的影響是很大的, 在沒有屏蔽盒的情況下, 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, 外界高功率脈沖的照射對電阻兩端電壓的影響很小, 幾乎可以忽略。

圖8 有屏蔽盒時H PM 對電阻電壓的影響

2 .2 電容由圖9 可看出, 在無屏蔽盒時, 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, 但和無屏蔽盒比起來, 這種影響確實(shí)要小得多。

圖9 有屏蔽盒時H PM 對電容電壓的影響

2 .3 電感由圖10 可看出, 在無屏蔽盒時, 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, 但波動幅度明顯要比無屏蔽盒情況下小得多。

圖10 有屏蔽盒時HPM 對電感電壓的影響

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), 整個計算空間區(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 , 在屏蔽盒正面開有一條25Δy ×4Δz 的小縫, 微帶電路位于整個區(qū)域中央。照射脈沖電場強(qiáng)度為30 kV/m 。

從圖11 可以看出, 有屏蔽盒時, 外界照射波對二極管影響很小。

圖11有屏蔽盒時HPM 對二極管電壓的影響

3 結(jié)語本文利用FDTD 仿真了高功率微波脈沖對電阻、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, 當(dāng)照射脈沖的幅值不是很大的時, 二極管的正常工作將會受到很大的影響, 但脈沖過后其功能又能恢復(fù), 但當(dāng)脈沖功率幅值達(dá)到一定值時, 二極管將會被二次擊穿, 其正常功能不能再恢復(fù);在有屏蔽盒保護(hù)作用下, 高功率微波脈沖對集總元件的影響很小。