CN104470188A - 一种波导等离子体限幅器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供给了一种波导等离子体限幅器及其设计方法，涉及电磁脉冲防护领域，可以有效对抗高功率微波武器。所述设计方法包括：根据正常传输信号的频率f确定矩形波导的截止频率f_c和截面尺寸a、b，其中，f_c＝0.9f，b＝0.3a～0.5a；确定等离子体频率f_p小于截止频率f_c大于高功率微波频率f_HPM，以及t＜t_r情况下的填充气体和填充气体的气体压强；计算得到填充气体厚度。

Description

一种波导等离子体限幅器及其设计方法

技术领域

本发明涉及电磁脉冲防护领域，尤其涉及一种波导等离子体限幅器及其设计方法。

背景技术

高功率微波武器(HPMW)可通过电效应、热效应以及生物效应对电子设备造成干扰，致使半导体器件的PN结击穿甚至器件烧毁。微波武器由于波束宽，作用距离远，受气候影响小，无需精确跟踪瞄准目标，使得现代军事电子设备对HPMW的防护成为难点。虽然针对HPM的藕合途径和特点，人们提出了一些防护手段，但这些防护手段多是借鉴以往的电磁兼容技术。面对快速发展的微波技术，上百GW的高峰值功率、高重复频率和快上升沿是HPM的发展趋势，传统防护手段往往难以奏效。

发明内容

本发明的实施例提供一种波导等离子体限幅器及其设计方法，可以有效对抗高功率微波武器。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种波导等离子体限幅器的设计方法，包括：

S1、根据正常传输信号的频率f确定矩形波导的截止频率f_c和截面尺寸a、b，其中，f_c＝0.9f，b＝0.3a～0.5a；c为光速；

S2、根据前门耦合场强值和后门耐受门限值确定击穿场强E_B；

S3、选择填充气体以及所述填充气体对应的气体压强P，使得选择的填充气体在对应的气体压强P下的击穿场强等于E_B；其中，所述填充气体为以下的一种：He、Ne、Ar、Xe；气体压强P为0.01-1000torr；

S4、选定填充的电子密度N₀，使得等离子体频率f_p小于截止频率f_c，大于高功率微波频率f_HPM；其中，N₀＝N_e0+γN，N_e0＝10¹⁶/m³为初始电子密度，γ＝0.0001为气体的电离度，为气体密度，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度；

S5、计算等离子体形成时间其中，为气体击穿时间，φ_i为气体原子的电势能，m_e为电子的质量，E为传播至天线端口的高功率微波场强值，υ_m为碰撞频率，f为正常传输频率；

S6、判断所述等离子体形成时间t是否小于高功率微波的上升时间t_r；

若否，则重新进行步骤S2-S6，直至t＜t_r；

若是，则获得t＜t_r时对应的填充气体及气体压强P，进行步骤S7；

S7、计算获得填充气体的厚度d。

$d=\sqrt{\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\Λ}}^2{\mathrm{\π}}^2}-\frac{1}{a^2}-\frac{1}{b^2}}},$ 其中， $\mathrm{\Λ}=\sqrt{\frac{m_e{\mathrm{\φ}}_i}{3}}\frac{\mathrm{KTf}}{{\mathrm{es}}_0{\mathrm{PE}}_B},$ 式中，φ_i为气体原子的电离势能，m_e电子的质量，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度，f为正常传输频率，s₀为碰撞截面，P为气体压强。

一种波导等离子体限幅器，所述等离子限幅器中填充的填充气体以及气体压强和填充气体的厚度d是根据上述的设计方法计算出来的。

本发明实施例提供的波导等离子体限幅器及其设计方法，从频段特性、响应速度等角度提出了等离子体频率f_p小于截止频率f_c大于高功率微波频率f_HPM，以及等离子体形成时间t小于高功率微波的上升时间t_r的设计原则，进而设计出了波导等离子体限幅器内的填充气体、气体压强和厚度参数；这样设计出来的波导等离子体限幅器可以有效对抗高功率微波武器。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种波导等离子体限幅器的设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

波导等离子体限幅器是充有易电离气体的密封腔体，利用入射的高功率微波使气体电离，产生频率高于入射微波频率的等离子体，该等离子体反射微波能量，起到保护敏感电子设备的作用。

本发明实施例提供了一种波导等离子体限幅器的设计方法，如图1所示，所述方法包括：

S1、根据正常传输信号的频率f确定矩形波导的截止频率f_c和截面尺寸a、b。

其中，f_c＝0.9f，b＝0.3a～0.5a。

所述正常传输信号的频率f是工作频率，一般为几GHz～十几GHz，这里所述的工作频率指传输信号的设备的工作频率，如卫星通讯设备的接收天线工作频率一般为8-12GHz。

波导等离子体限幅器，一般采用矩形波导，波导即为一个高通滤波器，存在通带和阻带，而通带和阻带间存在过渡带。信号在传输过程中，至少需保证50％的能量通过，据此可确定正常传输频率f与波导截止频率f_c间的关系

$\frac{f_c}{f}=0.9---\left(1\right)$

矩形波导中传输主模是TE10模，要保证波导中单模传输，波导的截面尺寸需满足：b＝0.3a～0.5a，a由截止频率确定，公式为其中c为光速，f_c截止频率。

S2、根据前门耦合场强值和后门耐受门限值确定击穿场强E_B。

波导等离子体限幅器主要防护通过前门耦合进入天线端口的高功率微波能量，高功率微波可通过天线辐射产生，在空间以场的形式进行传播。高功率微波产生的强电场可使得限幅器中初始的电子被加速而获得能量，当气体获得足够的能量时，就会被击穿形成等离子体。气体是在一定的击穿场强下被击穿的，故至天线端口的高功率微波场强需要大于该击穿场强才会产生等离子体，即传播至天线端口的高功率微波场强值E需大于限幅器中填充气体所需的击穿场强E_B。

设计限幅器时，击穿场强E_B是由设计人员进行确定，无论前门或后门耦合进来的高功率微波，只要大于该击穿场强E_B的高功率微波场强值E就会被防住，小于该击穿场强的会通过去但由于量值小，对设备影响不大可以忽略。击穿场强E_B是由设计人员根据上述的条件进行设定，并在后续进行判断是否适合，若不适合，就根据上述的条件将E_B的值调小。

S3、选择填充气体以及所述填充气体对应的气体压强P。

其中，所述填充气体为以下的一种：He、Ne、Ar、Xe；气体压强P为0.01-1000torr。

设计波导等离子体限幅器时，需要考虑气体的击穿电压场强。根据非磁化气体微波击穿条件以及气体运动论的相关知识，得到低气压(0.01-ltorr)以及高气压(10-1000torr)条件下气体击穿场强的表达式分别为

$E_{\mathrm{BL}}=\sqrt{\frac{m_e{\mathrm{\φ}}_i}{3}}\frac{\mathrm{KTf}}{{\mathrm{es}}_0\mathrm{P\Λ}}---\left(2\right)$

$E_{\mathrm{BH}}=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\φ}}_i}{M}}\frac{m_e{\mathrm{\υ}}_m}{e}---\left(3\right)$

式中，φ_i为气体原子的电离势能，m_e电子的质量，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度，s₀为碰撞截面，υ_m为碰撞频率，碰撞频率υ_m＝αP，，其中α为碰撞系数。

M为气体原子的质量，P为气体压强，f为正常传输频率。Λ为填充气体的特征扩散长度，矩形波导内气体的特征扩散长度Λ有如下关系式：

$\frac{1}{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\Λ}}^2}=\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}+\frac{1}{d^2}$

其中，a，b，d分别为矩形波导的长度、宽度和厚度。

部分填充气体参数见表1。

表1部分气体参数

当限幅器中的等离子体形成后，微波被等离子体反射，从而起到保护后端电子设备的作用。一般来说，微波在真空与等离子体的交界面处被反射的能量，随等离子体密度增大而增大。因而在微波气体击穿时，选用较高气压的气体更能产生自由电子密度较大的等离子体，从而防护效果越好。

但是，根据公式(2)和(3)对数值仿真的结果，我们可以看到，高气压条件下的气体微波击穿场强要远大于低气压条件下的击穿场强。同时考虑到，当气压过高时不容易稳定放电形成等离子体，所以限幅器中的气体压强一般是在低气压范围内选择较高的气压。

在确定了气体压强(可以是低气压0.01-ltorr，也可以是高气压10-1000torr)后，由上述4种气体计算结果相比，选择一种具有较低的击穿场强，又容易制备的气体来填充，例如，可以是Ar。

根据公式(2)和(3)的计算，使得选择的填充气体在对应的气体压强P下的击穿场强等于E_B。

S4、选定填充后的电子密度N₀，使得等离子体频率f_p小于截止频率f_c，大于高功率微波频率f_HPM。

等离子体对低于其频率的入射微波可进行反射，故可采用等离子体限幅器防护高功率微波。等离子体的特性如同一个“高通滤波器”，即高于等离子体频率的入射电磁波可通过，而低于等离子体频率的电磁波无法通过。

根据这一特性，在设计限幅器时必须满足：等离子体频率f_p需高于高功率微波频率f_HPM，低于正常传输信号频率f₀。在本发明实施例中，等离子体频率f_p应小于步骤S1中确定的截止频率f_c。即f_HPM＜f_p＜f_c。

所述波导等离子体限幅器内，不仅填充有惰性气体，还需要向波导等离子体限幅器内填充电子，填充后的电子密度N₀要保证使得等离子体频率f_p小于截止频率f_c，大于高功率微波频率f_HPM。其中， $f_p=8.98\sqrt{N_0}.$

填充后的电子密度N₀包括两部分，一部分是初始填充时的自由电子，一部分是填充气体被激发电离出来的电子。计算公式：

N₀＝N_e0+γN

其中，N_e0为初始电子密度，一般N_e0＝10¹⁶/m^e；γ为气体的电离度，一般γ＝0.0001，为气体密度，与气体的温度和压强有关，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度。

S5、计算等离子体形成时间。

计算等离子体形成时间其中，γ为气体的电离度，一般γ＝0.0001，为气体密度，N_e0为初始电子密度，一般N_e0＝10¹⁶/m³；为气体击穿时间，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度，φ_i为气体原子的电势能，m_e为电子的质量，E为传播至天线端口的高功率微波场强值，υ_m为碰撞频率，f为正常传输频率。

S6、判断所述等离子体形成时间t是否小于高功率微波的上升时间t_r。

在研究高功率微波特性时，可用余弦调制或者方波调制的高斯函数作为数学模型，通过对其波形特征进行分析，得到其上升时间t_r一般在10-20ns。波导等离子体限幅器要能够响应这种快上升沿的脉冲，由于限幅器中的气体形成等离子体需要一定的时间，在本发明实施例中限定所述等离子体形成时间t要小于高功率微波的上升时间t_r。

若否，则重新进行步骤S2-S6，直至t＜t_r；若是，则获得t＜t_r时对应的填充气体及气体压强P，进行步骤S7。

为了缩短等离子体产生时间，需要增强初始电子浓度N_e0，为达到初始电子浓度N_e0＝10¹⁶/m³，可以外加电压预先放电或在限幅器内壁涂敷放射性同位素。

S7、计算得到填充气体厚度d。

$d=\sqrt{\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\Λ}}^2{\mathrm{\π}}^2}-\frac{1}{a^2}-\frac{1}{b^2}}},$ 其中， $\mathrm{\Λ}=\sqrt{\frac{m_e{\mathrm{\φ}}_i}{3}}\frac{\mathrm{KTf}}{{\mathrm{es}}_0{\mathrm{PE}}_B},$ 式中，φ_i为气体原子的电离势能，m_e电子的质量，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度，f为正常传输频率，s₀为碰撞截面，P为气体压强，所述E_B为S2中选定的E_B。

以下应用一个具体实施例来说明本设计方法：以正常传输信号为X波段(8-12GHz)的电磁波为例，根据限幅器的设计流程确定波导的截止频率为7.2GHz，波导的截面尺寸a＝20.83mm，b＝8.33mm。

高功率微波随着距离的增大其电场强度不断减小，高功率微波的作用距离一般为几十km。对于功率为10GW、频率为1GHz、脉冲宽度为100ns、脉冲上升时间20ns，抛物面天线发射面积100m²(效率50％)的高功率微波武器，其发射的高功率微波在32Km处的电场强度为1400V/m。

根据等离子体频率f_p小于截止频率f_c大于高功率微波频率f_HPM，选取填充的电子密度N₀，使得等离子体频率

确定限幅器的击穿场强为1000V/m，在满足E_B小于E的基础上，选择Ar作为填充气体，填充气压为ltorr，并计算得到等离子体形成时间t约为14.5ns，脉冲上升时间t_r为20ns，满足t＜t_r。

最后，根据得到气体的填充厚度为96.5mm。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种波导等离子体限幅器的设计方法，其特征在于，包括：

S1、根据正常传输信号的频率f确定矩形波导的截止频率f_c和截面尺寸a、b，其中，f_c＝0.9f，b＝0.3a～0.5a；c为光速；

S2、根据前门耦合场强值和后门耐受门限值确定击穿场强E_B；

S3、选择填充气体以及所述填充气体对应的气体压强P，使得选择的填充气体在对应的气体压强P下的击穿场强等于E_B，其中，所述填充气体为以下的一种：He、Ne、Ar、Xe；气体压强P为0.01-1000torr；

S4、选定填充的电子密度N₀，使得等离子体频率f_p小于截止频率f_c，大于高功率微波频率f_HPM；其中，N₀＝N_e0+γN，N_e0＝10¹⁶/m³为初始电子密度，γ＝0.0001为气体的电离度，为气体密度，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度；

S5、计算等离子体形成时间 $t=\mathrm{\τ}\ln \left(\frac{\mathrm{\γN}}{N_{e0}}\right);$ 其中， $\mathrm{\τ}=\frac{m_e({\mathrm{\υ}}_m^2+f^2){\mathrm{\φ}}_i}{e^2{E}^2{\mathrm{\υ}}_m}$ 为气体击穿时间，φ_i为气体原子的电势能，m_e为电子的质量，E为传播至天线端口的高功率微波场强值，υ_m为碰撞频率，f为正常传输频率；

S6、判断所述等离子体形成时间t是否小于高功率微波的上升时间t_r；

若否，则重新进行步骤S2-S6，直至t＜t_r；

若是，则获得t＜t_r时对应的填充气体及气体压强P，进行步骤S7；

S7、计算获得填充气体的厚度d；

$d=\sqrt{\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\Λ}}^2{\mathrm{\π}}^2}-\frac{1}{a^2}-\frac{1}{b^2}}},$ 其中， $\mathrm{\Λ}=\sqrt{\frac{m_e{\mathrm{\φ}}_i}{3}}\frac{\mathrm{KTf}}{e{s}_{0}P{E}_B},$ 式中，φ_i为气体原子的电离势能，m_e电子的质量，K为玻尔兹曼常数，T为气体绝对温度，f为正常传输频率，s₀为碰撞截面，P为气体压强。

2.一种波导等离子体限幅器，其特征在于，所述等离子限幅器中填充的填充气体以及气体压强和填充气体的厚度d是根据权利要求1所述的设计方法计算出来的。