一种波导等离子体限幅器及其设计方法

摘要

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

说明书

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。

$d=\sqrt{\frac{1}{\frac{1}{{\Lambda }^2{\pi }^2}-\frac{1}{a^2}-\frac{1}{b^2}}},$其中，$\Lambda =\sqrt{\frac{m_e{\phi }_i}{3}}\frac{\mathrm{KTf}}{{\mathrm{es}}_0{\mathrm{PE}}_B},$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

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

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

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：

$\frac{1}{{\pi }^2{\Lambda }^2}=\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}+\frac{1}{d^2}$

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。

$d=\sqrt{\frac{1}{\frac{1}{{\Lambda }^2{\pi }^2}-\frac{1}{a^2}-\frac{1}{b^2}}},$其中，$\Lambda =\sqrt{\frac{m_e{\phi }_i}{3}}\frac{\mathrm{KTf}}{{\mathrm{es}}_0{\mathrm{PE}}_B},$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。