基于UWB-EMP与卫通接收天线的耦合特性研究

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在2003年的美伊战争中,电磁脉冲(Electromagnetic Pulse, EMP)武器首次被大规模的在军事中应用,随后电磁脉冲武器受到了世界各国的高度重视。电磁脉冲武器是利用其发射的高功率电磁脉冲来破坏/干扰电子系统的。超宽带电磁脉冲(Ultra-Wide BandElectromagnetic Pulse,UWB-EMP)作为电磁脉冲武器的主要脉冲源之一,具有丰富的频谱资源,它会对大部分的电子系统造成威胁,电磁脉冲能量进入电子系统的主要路径有“前门”耦合和“后门”耦合两种方式。卫星通信作为目前主流的通信手段之一,天线作为主要的“前门”耦合通道,研究卫星通信天线的超宽带电磁脉冲耦合效应显得尤为重要。本论文针对超宽带电磁脉冲对通信系统的危害问题,研究了卫星通信天线中Ku波段环焦天线与超宽带电磁脉冲的耦合效应。首先对超宽带电磁脉冲进行了分析,选取微分高斯脉冲作为超宽带电磁脉冲源;然后设计了一个工作在2-14.5GHz的超宽带TEM喇叭天线作为超宽带电磁脉冲的发射天线;接着给出了被干扰的Ku波段卫星通信系统中使用的天线——环焦天线的性能;最后根据天线系统的传输特性,分析了超宽带电磁脉冲对环焦接收天线的时域和频域响应。研究表明:当脉冲宽度为0.2ns的单超宽带电磁脉冲信号源沿环焦天线轴线入射,此时脉冲能量较小,必须很近(<0.1m)的距离才会对系统造成损伤,当距离干扰脉冲距离环焦天线大于1,000m时,天线耦合到的能量低于干扰阈值门限,脉冲不再对通信系统产生危害;当入射脉冲与环焦天线轴线呈一定夹角入射时,这时超宽带电磁脉冲对天线的干扰将大大减小。当脉冲为重复频率10kHz的超宽带电磁脉冲沿天线轴线入射时,干扰距离小于500m就会对电子系统硬件产生损伤,而干扰距离大于80,000m时才不会对电子系统造成干扰;对于干扰电磁脉冲从其它角度入射时,损伤和干扰距离均会减小。通过实验分析计算,以最易受扰/损伤的CMOS器件作为参考,最终总结出了在该脉冲干扰下对Ku波段环焦天线产生干扰/损伤的距离门限值。
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