摘 要: 提出了一种评估高功率微波对建筑物内计算机作用效果的方法。建立建筑物的电磁计算模型, 利用时域有限差分法对高功率微波进入建筑物的过程进行数值模拟,求出计算机所在高度面上的时域最大场 强,定义大于效应阈值区域的面积与建筑物总面积的比例为有效面积比,高功率微波对建筑物内计算机的作用 比例即等于有效面积比。并开展实验对此方法的有效性进行验证,估计的计算机效应比例和实验结果相差 20%以内。改变入射场强,得到计算机效应比例与入射场强的关系,与理论分析结果一致。
关键词: 高功率微波; 计算机; 效应评估; 时域有限差分法; 有效面积比
高功率微波通常是指频率从 3 00 MHz 到 3 00 GHz、峰值功率大于 1 00 MW 或平均功率大于 1 MW 的强 电磁辐射,具有峰值功率高、脉冲时间短、传播速度快等特点,在军事领域有着广泛的应用前景。研究表明高功 率微波能够与计算机作用,使之发生效应而无法正常工作。目前高功率微波对计算机的作用效应研究主要 包括效应机理和效应阈值。研究结果表明,高功率微波可以通过孔缝、线缆等耦合途径进入到计算机机箱中, 使计算机内部的半导体器件毁伤、降级或者扰乱,从而对计算机造成损伤、干扰。美国空军在 20 1 2 年开展 了“先进反电子设备高功率微波导弹(CHAMP)”项目的首次作战试验,其微波装置成功毁坏了多处建筑内的 计算机和其他电子设备。本文提出一种预估高功率微波对建筑物内计算机作用效果的方法,利用此方法可 以在高功率微波作用计算机大楼时,对它产生的作用效果进行提前评估。开展了高功率微波辐照计算机大楼 的实验,实验结果与预测效果的对比说明了此方法的有效性。
1 评估方法
计算机的效应阈值是一定频率和脉宽的高功率微波 能使计算机发生效应比例达到要求所对应的场强。高 功率微波在进入建筑物的过程中会发生透射、反射、叠加 等过程,形成复杂的场分布。图 1 为利用 FDTD 方法计 算得到的建筑物内某点场强在微波脉冲作用下随时间变 化的情况,其中实线为微波源的波形,虚线为建筑物内某 点处监测的波形。由图 1 可以看到,波形展宽了,并且脉 冲幅度是变化的。这给建筑物内计算机发生效应情况 的估计造成了困难。为简单起见,建筑物内每一点的场 强用它的时域最大场表示,计算机的效应阈值采用微波 源脉宽对应的效应阈值。
利用电磁场时域计算方法,计算出高功率微波在建筑物内的时域电场分布 E(x,y,z,t),对建筑物内每一 空间点的场强取时域最大值,得到建筑内最大电场分布情况
将计算机的效应阈值记为 E effect,假设:到达计算机处的微波场强高于效应阈值时,计算机才可能发生效 应,否则不发生效应。考虑三种典型情况:(1)计算机周围场强都在效应阈值以上;(2)计算机周围场强既有大 于也有小于效应阈值的部分;(3)计算机周围场强都在效应阈值以下。根据本文的设定,情况(3)发生效应的概 率为 0,情况(1)和情况(2)都可能发生效应,且情况(1)的概率比情况(2)大,因为情况(1)中大于效应阈值的部分更多,有效耦合途径也会更多。计算机在建筑物中,通常放置在离地面一定的高度上,选择计算机几何中心 所在高度面上的场分布 E max(x,y,z)作为评估依据。
定义计算机所在高度面上场强大于效应阈值 E effect 的面积与建筑物总面积的比值为有效面积比,记为 P effect。利用有效面积比来估计建筑物内的计算机发生效应的情况,评估包含如下几个步骤:
①根据实验室中得到的计算机效应实验数据,设定计算机的效应阈值 E effect。
②根据建筑物的结构,建立建筑物的几何模型。根据墙壁的透射率 T、反射率 R 和厚度 d ,计算得到墙壁 的等效介电常数ε。由电磁场在介质分界面的边界条件,可以得到墙壁透射系数α、反射系数β与等效介电常 数ε之间的关系。
2 实验验证
开展高功率微波对某计算机大楼的辐照实验对上述方法进行验证,将计算机摆放在建筑物中离地 0.3 m 和 0.9 m 的高度,水平方向上随机分布。对建筑物的尺寸、墙壁的厚度、窗户的位置等进行实际测量,得到建 筑物的几何模型。测量墙壁、窗户玻璃的透射率和反射率,根据式(2)~(4)计算得到墙壁和窗户的等效介电常 数。
利用微波脉冲辐照建筑物,对建筑物内的场强进行测量。同时利用时域有限差分法进行数值模拟,建筑物 内最大场分布归一化后的实验结果和数值模拟结果比较如图 3 所示。从图中可以看到,测量结果和数值模拟 结果基本一致,说明了上述建模和计算方法的有效性。
计算机发生效应概率与入射高功率微波的强度有 关,为简化计算,在这里设定效应阈值为计算机发生效应 概率 5 0%对应的场强。利用本文的方法估计得到入射 微波的场强(dB,相对于效应阈值)与效应比例之间的关 系,如图 4 中虚线所示。实验得到计算机发生效应的比 例如图 4 中星号所示。从图中可以看出,估算结果和实 验结果相差在 20%以内,表明此评估方法的有效性。
3 结 论
基于高功率微波作用计算机大楼这一实际场景,本 文提出了有效面积比的概念来评估高功率微波对建筑物 内计算机作用效果,并给出了有效面积比的具体计算方 法。此方法主要包括建筑物电磁模型的建立、内部电磁场数值模拟和内部电场统计分析三个步骤,通过开展实 验测试对此方法进行检验,计算结果和实验结果吻合较好。
本文所建立的建筑物模型较为简单,没有考虑到建筑物内的桌椅,以及计算机本身对微波的反射情况,下 一步工作中,可以分析建筑物模型简化对有效面积比的影响。另外还可以分析有效面积随高功率微波场强、脉 宽、频率、入射角,建筑物透射率、反射率等的变化规律,指导高功率微波在实际应用中达到最好的作用效果。
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