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  重庆邮电大学学报(自然科学版)  2020, Vol. 32 Issue (3): 426-433  DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2020.03.012
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引用本文 

范宇清, 程二威, 魏明, 陈亚洲, 杜宝舟. 北斗接收机强电磁脉冲前门耦合仿真研究[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2020, 32(3): 426-433.   DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2020.03.012.
FAN Yuqing, CHEN Erwei, WEI Ming, CHEN Yazhou, DU Baozhou. Simulation research on front door coupling of strong electromagnetic pulse for Beidou receiver[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (Natural Science Edition), 2020, 32(3): 426-433.   DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2020.03.012.

基金项目

国家自然科学基金(51677191)

Foundation item

The National Natural Science Foundation of China(51677191)

作者简介

范宇清(1995-),男,江苏扬州人,硕士研究生,研究方向为电磁环境模拟与电磁防护。E-mail:120705947@qq.com; 程二威(1983-),河南商水人,副教授,博士,主要研究方向为电磁环境模拟与测试技术。E-mail:erweichen1983@163.com; 陈亚洲(1975-),男,江苏盐城人,教授,博士,主要研究方向为强电磁场环境模拟,电磁环境效应与防护研究。E-mail:chen_yazhou@sina.com.cn

通讯作者

陈亚洲 chen_yazhou@sina.com.cn.

文章历史

收稿日期: 2019-01-14
修订日期: 2020-05-06
北斗接收机强电磁脉冲前门耦合仿真研究
范宇清1, 程二威1, 魏明1, 陈亚洲1, 杜宝舟2     
1. 陆军工程大学石家庄校区 强电磁场环境模拟与防护技术国防科技重点实验室,石家庄 050005;
2. 中国人民解放军63850部队,吉林 白城 137001
摘要: 针对北斗接收机易受高功率微波干扰问题,采用圆极化贴片天线为辐照对象,基于CST(computer simulation technology)微波工作室和ADS(advanced design system)2种软件的联合仿真方法,将天线辐照产生的感应电动势注入接收机射频前端电路,并设置节点监测电路参数。仿真实验分析了窄带和超宽带高功率微波对导航接收机辐照的前门耦合过程,结果表明,超宽带电磁脉冲可以引起北斗接收机二级低噪声放大器晶体管烧毁,窄带电磁脉冲会造成前端限幅二极管击穿,造成导航系统无法工作。研究确定了接收机电路的易损部件,为北斗导航接收机的电磁防护设计提供了依据,研究方法也可为其他电磁脉冲前门耦合效应仿真实验提供参考。
关键词: 导航接收机    贴片天线    高功率微波    前门耦合    干扰    
Simulation research on front door coupling of strong electromagnetic pulse for Beidou receiver
FAN Yuqing1 , CHEN Erwei1 , WEI Ming1 , CHEN Yazhou1 , DU Baozhou2     
1. National Key Laboratory of Defense Science and Technology on EM Environment Simulation & Protection, Army Engineering University (Shijiazhuang Campus), Shijiazhuang 050005, P.R. China;
2. No.63850 troop of PLA, Baicheng 137001, P.R. China
Abstract: Aiming at the problem that BeiDou receiver is vulnerable to interference caused by high power microwave, the circularly polarized patch antenna is used as the irradiation target, and the induced electromotive force generated by the antenna irradiation is injected into the RF front-end of the receiver based on the co-simulation of CST and ADS, the monitoring nodes are set to record circuit parameters. The front-door coupling process of narrow-band and ultra-wideband high-power microwave irradiation to the navigation receiver is analyzed through the simulation. The results show that the ultra-wideband electromagnetic pulse can cause the secondary low-noise amplifier transistor of the Beidou receiver to burn out, and the narrow-band electromagnetic pulse will cause the front-end limiting diode to break down, resulting the navigation system being unable to work. The vulnerable parts of the receiver circuit were determined and the basis for the electromagnetic protection design of the Beidou navigation receiver was provided by the study, the research method can also be used as the reference for other electromagnetic pulse front door coupling effect simulation experiments.
Keywords: navigation receiver    patch antenna    high power microwave    front door coupling    interference    
0 引言

高功率微波(high-power microwave,HPM)武器是一种比较成熟的定向能武器。它利用超高频微波发射机和高增益定向天线发射定向高强度的窄波束,汇聚的波束能在极短的时间内产生极高的微波功率,烧毁敌方电子设备,永久损坏电子系统[1]。高功率微波的主要攻击目标是雷达,导航,计算机等军用电子设备,以及武器控制及制导系统,具有很强的软硬杀伤性能。国际电工委员会(IEC)77分会(SC77)定义当入射电场超过100 V/m即为高功率电磁环境[2]。高功率微波被表述为:微波源峰值功率在100 MW以上,工作频率为1~300 GHz的电磁脉冲。

北斗卫星导航系统由空间段,地面段和用户段3部分构成,北斗导航接收机是实现导航定位的用户端,已陆续应用在各类武器装备和设施上。由于北斗卫星运行高度高,星上空间有限,传播至地球表面的工作信号的强度相对较低,约为-130 dBm[3]。这就要求导航接收机必须有较高的灵敏度,由此导致其抗瞬时高功率干扰的能力较差。

高功率微波容易通过前门耦合进入接收机内部,极易造成前端电路发生不可逆的硬损伤[4]。本文通过CST-MWS软件模拟窄带和超宽带电磁脉冲信号,对设计的圆极化贴片天线进行辐照,将得到的天线辐照感应电动势导入ADS(advanced design system)软件进行联合仿真,通过分析电磁脉冲耦合到接收机内部电磁薄弱元器件前的节点电压时域波形,评价器件工作状态与损伤功率阈值,为下一步开展导航接收机高功率微波毁伤试验提供参考。

1 HPM前门耦合理论与系统建模

前门耦合是指能量主要通过目标上的天线,传输线等媒质线性耦合到接受和发射系统内,以破坏其前端电子设备[5]。高功率微波对北斗接收机的耦合过程,实际上就是接收天线接收射频电磁信号并在接收机内的传播过程。在天线增益已知的情况下,根据Friis传输公式可推导出微波源功率与有效干扰距离的关系[6]。由此可得耦合到接收天线内的电磁能量的功率,将耦合至各电路节点的瞬时功率与电子器件能承受的最大功率比较,初步判断强电磁脉冲是否会对电子元器件造成损伤。

根据理论分析结果预判接收机射频前端电路工作状态与受损情况。由计算确定的参数,建立辐照系统仿真模型,理论计算值可作为仿真结果的验证。

1.1 干扰效能理论分析

对于北斗接收机,当输入信号峰值功率大于或等于15 dBm,干扰信号将压制真实目标信号,接收机处于饱和状态,导致定位、解码功能失效,且会自行关机,此时内部电路具体状态未知[7]。当输入峰值功率达到10 W时,射频前端电路Pin限幅器将被烧坏,丧失保护作用,电路将发生硬损伤使接收机无法继续工作。以前门耦合为例,一部北斗接收机造成损坏需要的功率Pi

$ {P_i} = \frac{{EI \times {G_{\rm{t}}} \times {A_{{\rm{er}}}}}}{{4\pi {R^2}}} $ (1)

接收天线有效面积为

$ {A_{{\rm{er}}}} = {G_{\rm{r}}}\frac{{{\lambda ^2}}}{{4\pi }} $ (2)

Aer代入Pi表达式,考虑到带宽对接收信号的影响,以及传输过程中的综合损耗,耦合到接收天线内的功率为

$ {P_i} = \frac{{EI \cdot {G_{\rm{r}}} \cdot {G_{\rm{t}}} \cdot {W_{\rm{r}}} \cdot {\lambda ^2}}}{{{{(4\pi R)}^2}{W_{\rm{t}}} \cdot \mu }} $ (3)

(3) 式中:EI为高功率微波源功率;Gt为高功率微波发射天线增益;Gr为北斗接收机天线在干扰源方向上的增益;Wt为发射天线带宽;Wr为接收天线带宽;λ为北斗信号波长(m);R为干扰源到北斗接收机的距离;μ为综合损耗因子。

由(3)式可知,在接收机阻塞(输入=15 dBm)和前端限幅器烧坏(输入为10 W)2种情况下,干扰距离与微波源功率的关系如图 1。由图 1可知,不同的微波功率量级对接收机的损伤程度也不同,且远距离主要以干扰造成的阻塞、关机为主,近距离强电磁脉冲会直接烧毁电路前端保护器件造成不可逆的硬损伤。

图 1 微波源功率与干扰距离关系 Fig.1 Relationship between microwave source power and interference distance
1.2 HPM前门耦合系统建模

建立北斗接收机辐照系统模型。与超宽带HPM采用高斯脉冲调制的平面波近似,窄带HPM使用单脉冲正弦信号调制的平面波模拟。在CST—MWS中对矩形贴片天线采取切角的方式引入微扰量,激发简并模实现圆极化。对设计的圆极化贴片天线进行辐照,天线末端依次连接天线的输入电阻模块、射频同轴线模块、带通滤波器电路,将输出电压注入ADS软件搭建的接收机射频前端电路,对其混频与下变频实施瞬态仿真,在搭建的射频前端电路中设置监测节点,得到接收机各功能模块处的时域信号模型。系统总体设计框图如图 2

图 2 HPM前门耦合系统总体设计框图 Fig.2 Overall design block diagram of the HPM front door coupling system
2 仿真实验方法 2.1 贴片天线设计

北斗接收机天线极化方式通常设计为圆极化,一般双馈点圆极化微带天线需要外加3 dB/90°相移网络,这种天线结构复杂,不利于微波集成设计[8]。本文针对导航接收机的天线,在腔模理论的基础上通过微扰变分的方法,设计了一种单馈点圆极化贴片微带天线。对于传统矩形微带天线模型,采用同轴线背馈方式予以激励。接地板与贴片之间建立起激励电场,上下底面视为电壁。其特征函数满足齐次波动方程及腔边界条件[9]

$ ({\nabla ^2} + k_{mn}^2){\psi _{mn}} = 0 $ (4)
$ \frac{{\partial {\psi _{mn}}}}{{\partial n}} = 0 $ (5)

由格林变换求出矩形微带天线的波数

$ {k_{mn}} = \sqrt {{{\left( {\frac{{m\pi }}{a}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{n\pi }}{b}} \right)}^2}} $ (6)

(6) 式中,ab为矩形贴片的长和宽,对于正方形贴片a=b=λ。以贴片中心为坐标原点建立坐标轴,由腔模理论在$ \pm \frac{a}{2}$坐标处存在磁流,相应的Ez标量基模特征函数为

$ {{\psi _{01}} = {E_0}{\rm{sin}}{k_x} \cdot x,{V_0} = \frac{{\sqrt 2 }}{\lambda }} $ (7)
$ {{\psi _{10}} = {E_0}{\rm{sin}}{k_y} \cdot y} $ (8)
$ {{k_x} = {k_y} = \frac{\pi }{\lambda }} $ (9)

对于正方形贴片天线,由单点馈电可以产生2个在空间上幅值相等的正交简并模。当切掉正方形贴片的2个相等角时会引入微扰,使简并模分离。调节分离单元ΔS的大小即可实现天线的圆极化。天线引入微扰后,将新模的特征函数写为原来特征函数的线性叠加为

$ {\psi _t} = \mu {\psi _{10}} = \nu {\psi _{01}} $ (10)

再由变分理论,得到新波数k′的表达式为

$ {k^{{\prime ^2}}} = \frac{{\int_{{S^\prime }} {{{(\mu {\kern 1pt} \nabla {\psi _{10}} + \nu {\kern 1pt} \nabla {\psi _{01}})}^2}} {\rm{d}}{s^\prime }}}{{\int_{{S^\prime }} {{{(\mu {\psi _{10}} + \nu {\psi _{01}})}^2}} {\rm{d}}{s^\prime }}} $ (11)

(11) 式中,S′=S+2ΔS1S为未微扰贴片面积,ΔS1为引入的微扰。

求解关于μν的齐次方程,得到关于新波数k′的一次近似解,再利用特征函数正交性,解出切角后的新特征函数及特征模。得到贴片切角后的特征函数为

$ {\psi _{t1}} = \frac{{({\psi _{10}} \cdot {\psi _{01}})}}{{\sqrt 2 }} = {E_0}\frac{{({\rm{sin}}{k_{10}} \cdot x \cdot {\rm{sin}}{k_{01}} \cdot y)}}{{\sqrt 2 }} $ (12)
$ {\psi _{t2}} = \frac{{({\psi _{10}} \cdot {\psi _{01}})}}{{\sqrt 2 }} = {E_0}\frac{{({\rm{sin}}{k_{10}} \cdot x \cdot {\rm{sin}}{k_{01}} \cdot y)}}{{\sqrt 2 }} $ (13)

选取适当的切角面积ΔS1与馈电点位置,使分离单元满足(14)式时,天线将处于圆极化工作状态。

$ \left| {\Delta {S_1}} \right| \cdot 2Q = S $ (14)

(14) 式中:Q为天线的品质因数;S为天线面积。

在CST微波工作室中,天线介质基板选用有耗材料Rogers RT5880 lossy(εr=2.2, tanδ=0.001),基板大小为50 mm×50 mm×1 mm。贴片采用聚四氟乙烯双面敷铜板,大小为36 mm×36 mm×0.015 mm。馈电使用国产SMA同轴插座。工作频率与北斗B1频段(1 561.098±10 MHz)一致。建立的天线模型如图 3

图 3 圆极化贴片天线模型 Fig.3 Model of circularly polarized patch antenna
2.2 高功率微波信号模拟

在CST工作室中,通过VBA编辑器自定义功率源,分别采用正弦信号和高斯脉冲调制的平面波对接收天线照射来模拟窄带和超宽带HPM。窄带HPM信号的时域表达式见表 1

表 1 窄带高功率微波信号的时域表达式 Tab.1 Time domain expression of narrow-band high-power microwave signals

HPM信号时域表达式中:E0为脉冲峰值;f0为中心频率;t为激励时间;t1为时间延迟;τ为脉冲宽度。激励信号参数设置为E0=150 kV/m;f0=1 561.098 MHz;t1=10 ns;τ=50 ns。信号时域波形与功率谱密度如图 4

图 4 窄带HPM信号时域波形与功率谱密度 Fig.4 Time domain waveform and power spectral density of narrowband HPM signal

高斯脉冲时域表达式为

$ H(t) = \lambda {{\rm{e}}^{ - {{\left( {\frac{{t - {t_1}}}{\tau }} \right)}^2}}} $ (15)

(15) 式中:λ为脉冲峰值;t1为时间延迟;τ为脉冲宽度。激励信号参数设置为λ=140 kV/m, t1=2.5 ns, τ=0.4 ns,信号时域波形与功率谱密度如图 5

图 5 超宽带HPM信号时域波形与功率谱密度 Fig.5 Time domain waveform and power spectral density of ultra-wideband HPM signal
2.3 辐照实验方案设计

在CST工作室中对贴片天线使用波导网络馈电,只能模拟天线周围的电磁场分布,无法仿真高功率微波源经空间传输辐射贴片天线的全过程。对因辐照距离产生的能量衰减与辐照过程中的耦合损耗,通过给激励信号设置衰减因子θ来近似。θ由2部分构成:第1部分为微波源天线辐照过程中的综合损耗,包括天馈线、同轴线缆传输过程中的损耗;第2部分为传输距离引起的能量耗散。

发射天线增益取20 dB,辐照距离根据微波源功率量级设置为1 000 m,由(3)式计算得到距离引起的衰减为60 dB,综合损耗取5 dB,θ设置为65 dB。

选取天线底面馈电网络端口为波导端口, 仿真频率设置为1~2 GHz, 远场监视器中心频率设置为1 561.098 MHz,利用时域求解器进行求解。

2.4 接收机射频前端电路建模与注入式仿真

为了更真实模拟前门耦合过程,体现强电磁脉冲对导航接收机的场线耦合规律,对接收机前端滤波与混频电路进行注入式仿真。在CST中建立北斗接收机前端滤波电路,如图 6。天线末端依次连接天线的输入电阻模块、射频同轴线模块、带通滤波器电路,辐照产生的天线末端感应电压V1由端口1读取,Touchstone模块作为其输入电阻串联入电路,输出端口2负载设置为50 Ω,该分离器件在1.5 GHz下忽略寄生效应,对其进行瞬态仿真。

图 6 北斗接收机前端滤波电路 Fig.6 Front-end filter circuit of Beidou receiver

在ADS软件中建立接收机射频前端电路。如图 7,电路总体采用超外差结构,注入信号为图 6中端口2的ASCII格式电压数据,这一数据不能直接被ADS的“VtDataset”读取,需按照“tim”格式处理后再利用ADS数据转换工具生成“.ds”文件。注入信号依次经过三级混频器与本振信号混合实现下变频,在电路前端采用前置低噪声放大器(low noise amplifier,LNA)降低噪声提高增益,后端利用自动增益控制(auto gain control,AGC)元件调整输出信号,实现大动态范围。设置探针node1~9来监测时域电路参数信号。

图 7 北斗接收机射频前端电路 Fig.7 RF front-end circuit of Beidou receiver
3 仿真结果与分析 3.1 天线性能仿真结果

根据天线参数的仿真结果,得到接收机贴片天线的反射系数S11如图 8,轴比如图 9。可知天线最优工作频点为1 561 MHz,在辐射最强的方向的角度phi=90°,Theta=0°时轴比小于3 dB,天线工作在圆极化状态,性能满足设计指标。

图 8 天线S11仿真图 Fig.8 S11 simulation diagram of the antenna
图 9 天线轴比(phi=90°)仿真图 Fig.9 Axial ratio simulation diagram of the antenna
3.2 HPM辐照响应仿真结果

对窄带和超宽带激励源信号设置65 dB的定量衰减以表征距离上的损耗,贴片天线选用50 Ω SMA同轴线输出,在CST中进行时域仿真。分别得到天线对窄带和超宽带电磁脉冲的开路感应电压Va, Vb,如图 10图 11,与源信号时域波形相比,窄带电磁脉冲的响应信号波形基本不变,宽带电磁脉冲响应信号电压波形与源信号反向,触发时间延迟增大,且拖尾时间变长。

图 10 天线开路感应电压Va Fig.10 Open circuit induced voltage of the antenna Va
图 11 天线开路感应电压Vb Fig.11 Open circuit induced voltage of the antenna Vb

对天线接收系统前端滤波电路进行瞬态仿真,得到2种微波源在图 6中端口2的时域电压信号UaUb,如图 12图 13。由图 12知滤波后的窄带HPM感应电压信号Ua在89 ns达到峰值,最大瞬时功率为10.41 W,超过接收机前端微波限幅器可承受最大功率,使其插入损耗超差而失效,限幅器输入端电容被击穿短路丧失保护作用,Pin二级管结受损严重表现为低阻导通状态,不再对其进行ADS注入式仿真。

图 12 滤波后电压信号Ua Fig.12 Filtered voltage signal Ua
图 13 滤波后电压信号Ub Fig.13 Filtered voltage signal Ub

图 13中,滤波后的超宽带HPM感应电压信号Ub在40 ns达到峰值,最大瞬时功率为37.5 mw(约15.74 dBm),大于阻塞阈值15 dBm,此时限幅器未被烧毁。其电磁脉冲能量主要集中在前几个周期,时域波形类似于阻尼振荡的正弦波且衰减时间变长。

3.3 前端电路ADS注入式仿真结果分析

将CST中端口2的超宽带电磁脉冲响应注入ADS中搭建的射频前端电路实现联合仿真,分析时默认器件处于理想非损伤情况下,调节接收机各模块参数并读取监测点数据,图 14~图 19分别为图 7中各节点电压仿真结果。

图 14 节点1的时域信号 Fig.14 Time domain signal of node 1
图 15 节点3的时域信号 Fig.15 Time domain signal of node 3
图 16 节点4的时域信号 Fig.16 Time domain signal of node 4
图 17 节点5的时域信号 Fig.17 Time domain signal of node 5
图 18 节点7的时域信号 Fig.18 Time domain signal of node 7
图 19 节点8的时域信号 Fig.19 Time domain signal of node 8

图 14知超宽带电磁脉冲耦合经过限幅器与第1级低噪放后电压有明显的增益,节点1峰值电压为220 V,远大于第2级低噪放最大耐压,第2级低噪放晶体管烧毁。根据晶体管数据手册中给出的栅极允许电压范围,这种烧毁主要是脉冲峰值电压达到栅极电压限值造成的热击穿。

图 15~图 19展显示了前端电路在理想非损伤情况如何将射频信号频谱搬移到低中频输出。射频输入信号的载频1 561.098 MHz依次被搬移到了175.42, 35.42, 4.309 MHz的中频。由于电路低噪放已经烧毁,这里对HPM信号的下变频仿真只在理想情况下验证联合仿真平台的有效性,也可为耦合进电路的其他电磁脉冲信号的前门耦合仿真提供参考。

4 结论

本文依托CST与ADS软件建立了针对北斗卫星导航接收机前门耦合仿真平台,以2种高功率微波信号辐照圆极化贴片天线,仿真了前门耦合的全过程,通过接收机内部耦合信号参数对敏感器件进行毁伤机理分析,同时验证了联合仿真平台的有效性。有以下几点结论。

1) 天线为导航接收机内部电路耦合高功率微波信号主要途径之一,接收机天线针对较低的卫星信号功率一般都设计了高增益,但天线的增益也使其对高强度电磁脉冲比较敏感,造成了北斗接收机在高功率电磁环境下容易阻塞与损坏。

2) 根据HPM辐照响应仿真结果,以1 000 m为辐照距离,高功率超宽带电磁脉冲源(功率90.2 dBm)主要引起接收机第2级低噪放晶体管烧毁。高功率窄带电磁脉冲源(功率117.8 dBm)直接导致接收机前端限幅管击穿短路,损伤部位与损伤阈值可为后续开展电路防护提供理论指导。

3) CST与ADS这2种软件组成的联合仿真平台通过先辐照后注入的仿真模式,通过设置衰减量有效模拟了强电磁脉冲前门耦合的全过程。也可适用于其他电磁脉冲前门耦合效应机理分析。

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