高功率微波脉冲对微带电路的影响

随着微波技术的不断发展, 各种高功率微波武器相继产生, 这些武器不但能起到电磁干扰的作用, 而且还能够把电磁能量集中在很窄的脉冲内, 直接摧毁电子设备。另一方面, 近年来, 微带电路以其体积小, 重量轻, 耗能少, 可靠性高等优点在微波领域显示出强大的生命力, 但是高度集成化的微波电路易受小量微波能量的影响。微波能量能够通过各种渠道耦合进入系统壳体, 对电子器件产生破坏性的效应, 使其失效或功能下降。利用FDTD 方法分析了高功率脉冲照射下的微波集总元件电压变化的情况, 并比较了在有无屏蔽盒保护作用下的影响结果, 为下一步研究高功率微波脉冲对复杂微波电路的影响奠定了理论基础。

引言所谓“高功率微波脉冲” 是指微波的脉冲峰值率大于100 MW 以上, 频率在0 .5 ～ 300 GHz 之间的电磁脉冲。高功率微波[ 1] (High Pow er Microw ave , HPM)是随着脉冲功率技术的实用化而迅速发展起来的, 而通信和电子战的应用需求以及近代微波理论的迅速发展也对它起到了推动作用。高功率微波主要应用在电子战中。众所周知, 传统的电子战是利用电子干扰和电子欺骗来阻止或削弱敌人对电磁频谱的有效使用, 而在新定义的电子战概念中, 还包括使用定向能等摧毁性武器,即从以电磁信息为基础的“软杀伤”阶段到以电磁能量为基础的“硬杀伤”阶段[ 2 , 3] , 电子战的作战目标已不限于攻击敌方用于发射和接收辐射电磁波的电子装备和系统, 而是通过直接攻击敌方人员、设施和装备, 达到削弱、瓦解和摧毁敌方总体战斗力的目的。高功率微波武器是三大定向能武器之一, 它与其他定向能武器相比有其独有的优点, 不仅可以与雷达兼容构成一体化系统,实施低功率探测, 跟踪目标, 对目标进行干扰, 还可以迅速提高功率, 对目标实施硬杀伤摧毁, 或者对敌目标的电子设备实施破坏, 具有软硬杀伤兼备的特点, 因此高功率微波武器在目前和未来电子战应用中是对付电子设备和武器系统的新一代电子战武器装备, 它的出现是电子战技术发展的一次质的飞跃。根据高功率微波的应用特点, 研究高功率微波脉冲对电子设备的影响[ 4 , 5]具有重要意义。

Krasukha-2系统是一款集成度很高的车载高功率微波干扰系统，可以在上百千米外对预警机实施干扰，尤其针对美国E-3预警机和其他使用S波段的系统。Krasukha-2系统的研制始于1996年，在2011年完成系统设计，并于2014年提前交付俄罗斯军队使用。2015年，KRET在第12届莫斯科航空航天展览会上，正式展示了Krasukha-2系统。Krasukha-2发射系统采用反射面天线，反射面为直径约2.7米的抛物面，馈源由1个主馈源喇叭和2个次级馈源组成。整个反射面天线安装于一个可360°旋转的平台上，最大俯仰角可达5°，在天线主瓣45°范围内都可通过旁瓣实施有效干扰，对预警机的作用距离可达150-300千米。Krasukha-2装有100千瓦的发电机和功率调节系统。

2014年11月，美国空军公布了定向能武器路线图之高功率微波（HPM）武器部分。美国空军计划在2016年实现配装AGM-86C/D常规空射巡航导弹（CALCM）第二代高功率微波武器，可多次打击和多目标打击；在2024年之后实现可配装AGM-158B增程型联合空对地防区外导弹（JASSM-ER）的高功率微波武器，优化波形以增强效力，提高能源效率，降低尺寸、重量和功耗；在2029年之后实现可配装第五代战斗机和无人机的高功率微波武器。这一技术子领域的整体目标则是“增加高功率微波武器家族的能力，这一武器家族可配装各类空中平台”。

2016年，美国空军还在持续推动HPM的生物效应研究，在2016年11月公布的39项计划中，有3项研究涉及到了HPM生物效应。其中，短脉冲电磁场对哺乳动物细胞的影响项目旨在研究高峰值功率微波对生物体的影响，建立HPM场分布和生物效应影响综合模型，以确保士兵在战场上的安全。利用纳秒级脉冲电磁场替代微波，以研究在高峰值功率微波影响下细胞膜结构变化、细胞形态和生理学变化、细胞基因和蛋白质表达谱的变化。HPM电刺激生理响应研究旨在研究生物组织中电脉冲和HPM的相互作用，以研究HPM对生理系统的影响机制。电磁辐射生物响应研究旨在研究电磁场与生物系统的相互作用，该项目的研究重点是理解电磁能对细胞的微妙影响。

1 高功率微波对集总元件的影响研究集总元件是电子系统的基石, 了解集总元件(尤其是半导体器件)的毁伤机理[ 2 , 3] , 进而研究高功率微波照射对整个系统的作用机理, 是一个切合实际的思路,所以研究集总元件的毁伤机理是十分必要的。

以下将通过实例说明高功率脉冲对各集总元件的影响。如图1 所示, 微带线导带宽0 .75 mm , 介质层高1 mm , 介质介电常数εr =13 .0 , 导电率σ=0 。整个计算空间区域为86Δx ×56Δy ×34Δz , 平面波区域大小为70Δx × 40Δy × 18Δz , 各方向空间步长为:Δx =0 .25 mm , Δy = Δz = 0 .125 mm , 时间步长Δt =0 .2 ps , 采用二阶Mur 吸收边界条件。微带线一端接激励源(电阻电压集总源), 另一端接负载。电压US 是幅度为1 的高斯脉冲, 脉冲宽度为1 000Δt 。图2 为平面波照射微带电路图, 图中纵坐标为电场分量, 单位为V/m ;两横坐标分别为仿真空间所占的尺寸格数。

图1 简单微带电路

图2HPM 照射微带电路

1 .1 HPM 对电阻的影响图3 显示的是不同电场强度大小的高斯脉冲照射电阻时, 电阻两端电压随时间步变化图。由图可见, 照射波电场强度越大, 在电阻上引起的电压变化幅度越大。

图3HPM 对电阻电压的影响

1 .2 HPM 对电容的影响图4 反映了高功率微波脉冲对电容电压产生的影响。由图可见, 照射波电场强度越大, 对电容两端电压的影响越大。与图3 比较可以看出, 外界照射波对电容的影响要比对电阻的影响小很多。

图4HPM 对电容电压的影响

1 .3 HPM 对电感的影响图5 反映了高功率微波脉冲对电感电压产生的影响。从图中可以看出, 照射波电场强度越大, 对电感两端电压的影响越大。且在电阻、电容、电感这三者中, 电感受外界照射波的影响最大。

图5HPM 对电感电压的影响

1 .4 HPM 对二极管的影响二极管是对高电平瞬时脉冲最为敏感的电子元器件之一。p -n 结在雪崩击穿时, 有大量的能量在结的附近耗散。热从功率耗散区的扩散并不多, 而是在器件内部形成很大的温度梯度。与器件结相接的局部区域,温度可达器件材料的熔点, 这样, 结最终会短路。这种现象称之为热二次击穿失效。半导体器件在受到外界高功率微波脉冲照射时, 只有当脉冲功率达到一定的阈值才可能使二极管等半导体器件发生二次击穿[ 6] , 如果功率低于此阈值, 虽然半导体器件会受到影响, 但是还能恢复到正常的工作状态。以下以二极管为例, 通过仿真来说明高功率微波脉冲对p -n 结的影响。如图1 所示, 微带线导带宽2 .43 mm ,长84 .66 mm , 介质层高0 .795 mm , 介质介电常数εr =2 .2 。整个计算空间区域变为256Δx ×56Δy ×30Δz , 平面波区域大小为240Δx × 40Δy × 14Δz , 各方向空间步长为:Δx =0 .423 3 mm , Δy =0 .404 6 mm , Δz =0 .265 mm , 时间步长Δt = 0 .441 ps , 采用二阶Mur 吸收边界条件。US =10sin(2πf t), f =500 MHz 。二极管反向饱和电流

IS = 10-6 A , 热力学温度T =300 K 。

图6 反映了二极管两端电压受高功率脉冲照射时随时间变化的情况。

从图中可以看出, 当脉冲功率达到一定值时, 二极管的正常工作将受到很大的影响, 但当脉冲过后其功能又能恢复。当脉冲功率进一步增大时,二极管将会被二次击穿, 其正常功能不能再恢复。

2 屏蔽盒对微带电路的保护作用在现在的战场环境下, 必须对电子电路进行一定的保护, 屏蔽即是一种比较常用的保护方法。以下通过例子说明屏蔽盒对简单微带电路的保护作用。

由于屏蔽盒的引进, 整个计算空间区域变为102Δx ×76Δy ×54Δz , 平面波区域大小为86Δx ×60Δy ×38Δz ,屏蔽盒大小为70Δx ×50Δy ×28Δz 。在实际设备中, 屏蔽盒不可能完全封闭, 总会存在通风窗等孔缝, 因此本模型为更接近实际情况, 在屏蔽盒正面开有一条25Δy×4Δz 的小缝, 微带电路位于整个区域中央。照射脉冲电场强度为10 kV/m 。

图7 为平面波照射被屏蔽的微波电路时的情形, 图中纵坐标为电场分量, 单位V/m ;两横坐标分别为仿真空间所占的尺寸格数。

图7H PM 照射屏蔽盒中微带电路

2 .1 电阻由图8 可以看出, 有无屏蔽盒对仿真结果的影响是很大的, 在没有屏蔽盒的情况下, 电阻电压在外界高功率脉冲的照射下变化很大;而当有屏蔽盒时, 外界高功率脉冲的照射对电阻两端电压的影响很小, 几乎可以忽略。

图8 有屏蔽盒时H PM 对电阻电压的影响

2 .2 电容由图9 可看出, 在无屏蔽盒时, 电容电压受外界高功率照射波的影响很大;在有屏蔽盒的情况下, 电容受外界高功率照射波的影响虽不像电阻那样几乎可以忽略, 但和无屏蔽盒比起来, 这种影响确实要小得多。

图9 有屏蔽盒时H PM 对电容电压的影响

2 .3 电感由图10 可看出, 在无屏蔽盒时, 电感电压在高功率微波波照射下变化很大;而在有屏蔽盒的情况下, 电感电压在外界高功率微波的照射下虽也有波动, 但波动幅度明显要比无屏蔽盒情况下小得多。

图10 有屏蔽盒时HPM 对电感电压的影响

2 .4 二极管模型与上节中二极管模型相同, 但由于屏蔽盒的引进, 整个计算空间区域变为272Δx ×66Δy ×40Δz , 平面波区域大小为256Δx ×50Δy ×24Δz , 屏蔽盒大小为240Δx ×40Δy ×14Δz , 在屏蔽盒正面开有一条25Δy ×4Δz 的小缝, 微带电路位于整个区域中央。照射脉冲电场强度为30 kV/m 。

从图11 可以看出, 有屏蔽盒时, 外界照射波对二极管影响很小。

图11有屏蔽盒时HPM 对二极管电压的影响

3 结语本文利用FDTD 仿真了高功率微波脉冲对电阻、电容、电感、二极管等集总元件的影响, 并比较了在有屏蔽盒和无屏蔽盒保护作用下集总元件受到的影响大小。从仿真结果可以看出:在电阻、电容、电感三者中, 电感受高功率微波的影响最大, 电阻次之, 电容最小;二极管受到高功率微波脉冲照射时, 当照射脉冲的幅值不是很大的时, 二极管的正常工作将会受到很大的影响, 但脉冲过后其功能又能恢复, 但当脉冲功率幅值达到一定值时, 二极管将会被二次击穿, 其正常功能不能再恢复;在有屏蔽盒保护作用下, 高功率微波脉冲对集总元件的影响很小。