不同姿态机箱侧缝对高功率微波耦合的影响

赵 飞，程乃平，张保忠

（装备指挥技术学院，北京 101416）

不同姿态机箱侧缝对高功率微波耦合的影响

赵 飞，程乃平，张保忠

（装备指挥技术学院，北京 101416）

为研究姿态变化对高功率微波（HPM）侧缝耦合的影响，采用3维FDTD方法对不同姿态的机箱侧缝耦合电场进行建模计算。结果表明，随被照目标的姿态变化角度增大，耦合电场逐渐衰减，俯仰变化较水平旋转对侧缝耦合影响更明显，仿真数据对HPM应用和“后门”耦合防护有借鉴意义。

耦合；高功率微波；时域有限差分

到目前为止，国内外对于高功率微波（HPM）耦合带缝腔体已经进行了大量细致的理论、数值和试验研究，得出了包括共振效应［1］、场增强效应［2］和尾融现象［3－4］等等在内的一系列相关结论，对于 HPM 应用和仪器“后门”耦合防护有很大的指导意义，但是绝大多数数值模拟耦合结果都是基于入射波源的垂直孔缝照射建模计算得出，而对于HPM非垂直入射的模型及其耦合电场变化规律鲜有提及。

对于HPM作用远距离目标，尤其是空中目标，发生“后门”耦合时，入射波前往往与被照射目标缝隙间存在一定耦合角度，那么在这种情况下，HPM耦合带缝腔体有何变化规律？本文将针对工程中较常见的电子仪器小型机箱外壳，采用3维FDTD方法对上述情况进行建模仿真和计算分析。

1 机箱模型与入射脉冲

为了使耦合计算更有针对性，首先根据实际情况对现有工程中比较常见的中小型电子设备的机箱外壳进行建模，在直角坐标系中，小型机箱的示意模型如图1所示（主要表明机箱尺寸与方向）。

整个机箱为长方体，材料采用理想导体，设机箱壁的厚度为0.6 cm，其长、宽、高分别是a＝40.2 cm，b＝30 cm和c＝21 cm；在机箱的一侧开有5个尺寸和水平位置完全相同的矩形孔缝，所有孔缝位置正如图1所示，其距上下机箱边缘的距离为S＝6 cm，而距离W＝19.5 cm，每个孔缝的长度为9 cm，宽为0.9 cm，各孔缝中心间距相同且用L表示，L＝2.6 cm。

对于HPM作用远距离目标，尤其是空中飞行目标，电磁波波前到达目标可视为平面，因此，采用平面波照射进行建模更加准确。

平面波入射脉冲采用正弦调制的高斯脉冲源：

图1 机箱外壳及其侧缝模型示意

式中入射脉冲载频f＝5.0 GHz；E0为电场幅值且为0.1 MV／m；脉冲入射时间t0为2.0 ns，τ为脉冲宽度，其值等于2.5 ns。脉冲波形及其频谱如图2和图3所示，在FDTD计算区域将平面波源放置在x＝50 cm平面处。

图2 入射脉冲波形

图3 入射波形频谱

2 耦合模型

对于HPM入射平面波非垂直入射机箱侧缝，主要考虑机箱侧缝面与平面波前存在水平转角和俯仰角度两种情况，在直角坐标系中如图4和图5所示。整个计算区域中心为坐标原点，同时其也是机箱腔体中心。设机箱水平转角为θ，俯仰角为ψ，入射平面波经空间传播到达机箱，通过侧缝耦合进机箱内部，在坐标原点位置处设立耦合电场强度的观察探针，以研究耦合场随角度变化规律，计算区域边缘采用各向异性介质完全匹配层（APML）以防止发生截断边界的波反射。

图4 机箱水平旋转俯视图

图5 机箱俯仰转动侧视图

考虑到存在姿态旋转角度时，原机箱模型各点坐标将发生变化，在直角坐标系中，当水平转角为θ时，y轴坐标不变；同理，当存在俯仰角度ψ，z轴坐标不变，设转动前后的坐标分别为x，y，z和x＇，z＇，y＇，则此两种情况的坐标变换分别为

由于角度旋转会带来机箱和侧缝模型边缘的锯齿化，为了提高计算结果的精度，对机箱和侧缝建模时采用亚网格技术［5－6］进行平滑，而在其他HPM空间传播区域采用标准Yee元网格以加快计算速度。

3 仿真结果

为进一步研究HPM耦合特性，采用式（1）入射脉冲源进行平面波照射，结合本文建立的机箱模型，在FDTD仿真计算时具体参数如下：整个计算区域为126×54×84 cm3，机箱处于区域中心位置，观察频率5 GHz，标准Yee元网格尺寸为1／20波长，即Δx＝Δy＝Δz＝3 mm，亚网格剖分为标准Yee元的1／3，APML层数约为整个计算区域的1／8。

图6是机箱进行水平旋转后，中心探针处耦合电场的波形变化，图a）、b）、c）表示机箱水平转动角θ分别为15°，30°和90°的耦合电场波形。从图中可以看出，机箱中心在任何角度都没有出现场增强效应，这是由于孔缝处至腔体中心耦合电场发生了衰减，但均出现不同程度的腔体调制现象；耦合电场随着θ的增加而减小，但当θ增加到90°时，耦合电场均值仍较大，幅值仍可达到24.2 k V／m。

图6 机箱中心耦合电场随水平转角变化

图7 机箱中心耦合电场随俯仰转角变化

图7是中心探针处耦合电场的波形随机箱俯仰角度变化的情况，图a）、b）、c）表示机箱俯仰角ψ分别为15°，30°和90°的波形。与水平转动类似，机箱中心在任何俯仰角度也没有出现场增强效应，但均出现不同程度的腔体调制现象；耦合电场也随着ψ的增加而减小，当ψ增加到90°时，耦合电场幅值可达到12.8 k V／m。以上结果说明在HPM辐射范围内，无论被照射目标姿态如何，“后门”耦合将对其内部电子器件具有很大干扰和破坏作用。

图8a）和8b）分别为机箱腔体中心处耦合电场随水平和俯仰角度变化的频谱变化规律，与入射脉冲频谱相比，所有耦合电场的频谱都发生了不同程度的分离，在相邻频率出现共振效应，当水平和俯仰角度达到90°时，能量衰减幅度明显增大，但俯仰转动与水平旋转横向比较，前者耦合电场衰减量比相应水平转动的大，这说明目标姿态的俯仰变化对耦合电场的影响更为明显。

图8 机箱腔体中心耦合电场频谱

4 结 语

本文采用3维FDTD方法对姿态的HPM耦合机箱侧缝进行建模计算仿真分析。结果表明，被照目标的姿态变化对耦合电场的影响明显，俯仰变化较水平旋转对侧缝耦合影响更加明显，但HPM“后门”耦合仍能对目标内部无防护电子器件构成很大威胁，计算所得数据结果对HPM应用和仪器“后门”耦合防护有较大的借鉴意义。在建模计算过程中尚未添加HPM的大气击穿效应，更加全面精确的结果需考虑此类情况的影响。

［1］ KING R J，LUDWIGSEN A P，KUNZ K S.Phenomenology of microwave coupling：PartⅡ［R］.LL NL，CA，UCID-20215，1985.

［2］ 刘 强，朱占平，钱宝良.内孔缝位置对嵌套腔体微波耦合特性的影响［J］.强激光和粒子束，2007，19（6）：919-922.

［3］ YEE J H，ALVARES R A，MAYHALL D J，et al.Theory of intense electromagnetic pulse propagation through the atmosphere［J］.Phys Fluids，1986，29（4）：1 238-1 244.

［4］ SIEGER G E，YEE J H，MAYHALL D J.Computer simulation of nonlinear coupling of high-power microwaves with slots［J］.IEEE Trans Plasma Science，1989，17（4）：616-621.

［5］ KASHER J C，YEE K S.A numerical of a two dimensional scattering problem using a subgrid［J］.Applied Computational Electromagnetic Society Journal and Newsletter，1987，2（2）：75-102.

［6］ DENNIS M S.Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method［M］.New York：IEEE Press on RF and Microwave Technology，2000.79-89.

O415

A

1008-1542（2011）07-0193-04

2011-06-20；责任编辑:冯 民

赵 飞（1984-），男，山东寿光人，博士研究生，主要从事微波空间传输方面的研究。