电磁脉冲对天线系统的耦合效应研究

论文摘要

电磁脉冲武器爆炸时所产生的强电磁脉冲,以极高的幅值瞬间辐射目标,造成目标电子系统的失效。随着微电子技术的发展,大规模和超大规模集成电路已广泛应用于各种电子设备,性能提高的同时,也增强了对电磁脉冲的敏感性和易损性。电磁环境的日益恶化的以及对电磁抗干扰环境的要求越来越高,使得电磁脉冲毁伤能力以及防护技术的研究越来越受到重视。近年来,随着太空军事化程度以及太空军备竞赛的日益激烈,卫星系统成为现代战争必不可少的重要组成部分,空间业已经成为维护国家安全的战略制高点,太空的反卫星作战成为夺取制天权最有效的作战手段。电磁环境的日益恶化的以及对电磁抗干扰环境的要求越来越高,使得强电磁脉冲对卫星系统毁伤能力以及防护技术的研究具有现实性和紧迫性。本文提出了杀伤载荷的部分设计方案,分析了杀伤载荷信号特性及电磁脉冲弹的杀伤能力。系统分析了卫星接收机系统在强电磁环境下的易损性,建立了高功率电磁脉冲杀伤载荷对其毁伤判据。设计了八木、四臂螺旋以及喇叭三种波段的典型天线,建立了强电磁脉冲能量对上述星载天线的毁伤数学模型,并据此给出了基于FDTD法的仿真算法。仿真研究了电磁脉冲的不同脉宽、入射场强以及入射角度对三种频段天线耦合电参数影响,得到了电磁脉冲对星载天线的最大毁伤距离和线缆处功率密度。仿真研究了电磁脉冲对带同轴线以及凸台结构的腔体耦合规律,仿真结果与通用的矩量法相吻合。最后基于上述仿真研究,提出了卫星接收机系统抗电磁脉冲干扰的技术措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 电磁脉冲杀伤载荷的发展现状
• 1.2.2 毁伤机理及研究方法的发展现状
• 1.2.3 防护技术的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 电磁脉冲杀伤载荷及目标的易损性分析
• 2.1 电磁脉冲的产生机理及描述方法
• 2.1.1 杀伤载荷方案设计
• 2.1.2 信号特性及表述形式
• 2.2 电磁脉冲弹对空中目标的杀伤能力分析
• 2.2.1 电磁脉冲弹杀伤区域大小
• 2.2.2 目标处的功率密度
• 2.2.3 耦合进目标的能量
• 2.3 目标的易损性分析及毁伤判据
• 2.3.1 对电子器件的作用效应的描述方法
• 2.3.2 电磁脉冲杀伤载荷对电子器件的作用效应分析
• 2.3.3 目标的毁伤判据
• 2.4 本章小结
• 3 模型的建立及仿真算法
• 3.1 几何模型的创建
• 3.1.1 UHF波段天线的设计
• 3.1.2 L波段天线的设计
• 3.1.3 X波段天线的设计
• 3.2 毁伤数学模型的建立
• 3.2.1 电磁场基本定律
• 3.2.2 天线的发射功率
• 3.2.3 同轴线中的能量损耗
• 3.3 FDTD在电磁仿真中的应用
• 3.3.1 天线的加载
• 3.3.2 天线参数的提取
• 3.3.3 吸收边界条件
• 3.4 本章小结
• 4 电磁脉冲对多种频段天线的毁伤效能研究
• 4.1 对UHF波段天线的毁伤效能研究
• 4.1.1 八木天线耦合模型的建立
• 4.1.2 脉宽对耦合电流和功率的影响
• 4.1.3 入射场强对耦合电流和功率的影响
• 4.1.4 脉宽对毁伤距离的影响
• 4.1.5 入射方向及天线增益对耦合功率的影响
• 4.2 对L波段天线的毁伤效能研究
• 4.2.1 四臂螺旋天线耦合模型的建立
• 4.2.2 脉宽对耦合电流和功率的影响
• 4.2.3 入射场强对耦合电流和功率的影响
• 4.2.4 脉宽对毁伤距离的影响
• 4.2.5 入射方向和天线增益对耦合功率的影响
• 4.3 对X波段天线的毁伤效能研究
• 4.3.1 喇叭天线耦合模型的建立
• 4.3.2 脉宽对耦合电流和功率的影响
• 4.3.3 场强对耦合电流和功率的影响
• 4.3.4 脉宽对毁伤距离的影响
• 4.3.5 入射方向和天线增益对耦合功率的影响
• 4.4 本章小结
• 5 电磁脉冲对腔体的耦合效应及防护技术研究
• 5.1 电磁脉冲与带同轴线缆的腔体耦合效应
• 5.1.1 带同轴线耦合模型的创建
• 5.1.2 脉宽对线缆耦合功率密度的影响
• 5.1.3 入射角度对线缆耦合功率密度的影响
• 5.2 同轴线缆参数对耦合效应的影响
• 5.2.1 线缆中铜导线半径对耦合功率的影响
• 5.2.2 线缆长度对耦合功率密度的影响
• 5.3 腔体结构对屏蔽效能的影响
• 5.3.1 带孔缝耦合模型的创建
• 5.3.2 凸台位置对腔体中心场强的影响
• 5.3.3 凸台形状对腔体和孔缝中心场强的影响
• 5.3.4 凸台直径对腔体中心最大场强的影响
• 5.3.5 凸台厚度对腔体中心最大场强的影响
• 5.4 算法正确性的验证
• 5.5 基于仿真结果的防护措施
• 5.5.1 对天线耦合的防护措施
• 5.5.2 对腔体耦合的防护措施
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献