等离子体对高功率微波的防护

第28卷 第1期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 V ol.28, No.1
2 0 0 8年
3 月
Nuclear Fusion and Plasma Physics
March 2008
文章编号：0254−6086(2008)01−0090−04
收稿日期：2007−03−15；修订日期：2007−08−23 基金项目：武器装备预研基金资助项目(51421-KG0152)
作者简介：杨耿(1984−)，男，湖北省人，硕士，主要从事高功率微波防护方面的研究。

等离子体对高功率微波的防护
杨 耿，谭吉春，盛定仪，杨雨川
(国防科技大学理学院，长沙 410073)
摘 要：提出了用等离子体防护高功率微波破坏电子设备的方法。

建立了“介质层-等离子体层-介质层-等离子体层”的反射/吸收模型，其中两层均匀非磁化等离子体厚度各为50mm ，等离子体频率为30GHz ，等离子碰撞频率为70GHz 。

计算了微波的透射功率、防护结构的最小防护距离。

计算结果表明：对功率10GW 、脉冲宽度100ns 、
天线100m 2
(效率50%)的微波源产生的微波，频率小于30GHz 时，将被防护装置反射；频率为31～80GHz 时，防护结构的最小防护距离约为5km 。

关键词：高功率微波；等离子体；透射功率；防护
中图分类号：O539 文献标识码：A
1 引言
高功率微波武器已经严重威胁到电子设备的安全[1]，前门耦合和后门耦合是高功率微波能量进入电子设备的两种途径。

所谓前门耦合就是微波通过发射或接收系统的天线进入；后门耦合就是通过一些缝隙、引线、电缆、窗口等进入工作设备[2]。

根据微波耦合的途径和特点，人们提出过很多防护方法，比如采取屏蔽措施、采用限幅开关等。

但是
设备的壳体上不可避免有孔缝(例如侦察拍照窗口)存在；且当电磁波的半波长小于孔洞或缝隙的尺寸时，普通屏蔽手段难以奏效[3]。

另外，由于工作环境的特殊性，对于导弹等武器装备和卫星等航天器来说，上述防护手段往往难以达到要求，这就迫切需要一种新的方法来对此类设备进行保护。

本文根据等离子体对电磁波的反射和吸收特性，采用分层的等离子结构来防护高功率微波的破坏，并对不同频率电磁波透过防护模型后的剩余功率进行了计算，估算了防护结构的防护距离。

2 防护模型及基本理论
2.1 等离子体防护层的结构
图1为多层等离子体结构的防护装置示意图。

防护装置分四层，第一层和第三层是介质层，其中
介质折射率n =1.7，第二层和第四层是均匀非磁化等离子体层，厚度d =50mm 。

图1 防护结构示意图
当一定频率微波从真空入射到达介质层1前表面时，由菲涅耳公式可以看出[4]，由于折射率的突变，一部分在介质层与真空交界面被反射，一部分在介质层1与等离子体层1的交界面处被反射；另外一部分透射进入等离子体层1，而这部分电磁
第1期 杨耿等：等离子体对高功率微波的防护
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波会由于等离子体的吸收而衰减。

微波继续传播，在介质层2前、后表面被反射后进入等离子体层2内，同样被吸收衰减。

电磁波经过图1多层结构的反射和吸收以后，剩余能量P t 将大大减小，从而达到防护的目的。

2.2 等离子体对电磁波的反射和吸收
当电磁波的频率小于或等于等离子体频率时，电磁波将被全反射[5]，不能在等离子体中传播。

对频率大于朗谬尔频率的电磁波，设平面电磁波沿z 方向传播，则有：
0exp j()E E t kz ω=− (1) 式中，ω为电磁波的频率；k 为波的传播常数，k=β−j α，其中，实部β为相位常数，虚部α为衰减常数。

设垂直入射到真空-介质、介质-等离子体交界面的电磁波的传播功率分别为P 1、P 2，电磁波在交界面被反射的功率分别为P r1、P r2，则电磁波在交界面的反射功率满足下式[4, 6]:
2
r11
11P n
P n −=+, r22P P =
(2)
式中，εr 为非磁化等离子体的相对介电常数。

由于等离子体对电磁波存在吸收损耗，设透射进入等离子体内的电磁波功率为P ’，则电磁波传播到等离子体内任意位置z 的功率为[6]：
()'exp(2)P z P z α=− (3) 在图1装置中，由于采用的是均匀等离子体模型，在等离子体内部电磁波没有反射。

电磁波在传播过程中被介质层表面和等离子体层表面多次反射，被反射的功率记为P ra 。

忽略介质对电磁波的吸收作用，每经过一次等离子体层电磁波被吸收衰减，被吸收的功率分别记为P a j (j =1,2)。

经过图1装置后最终进入保护对象的电磁波剩余功率为：
t 0a ra 1,2
()j j P P P P ==−
+∑ (4)
2.3 等离子衰减系数α的计算
在部分电离等离子体中，由于中性气体的密度远大于等离子体密度，因此可以忽略电子与离子的碰撞，另外由于离子的质量远大于电子的质量，所以电子振荡频率也远大于离子振荡频率。

若忽略离子的影响，非磁化等离子体的相对介电常数[7]εr 可写为:
22p
p r 22
2
2
1j
v
v
v
ωωεωωω=−
−++ (5)
式中，ω为电磁波频率；ωp 为等离子体频率；ν为电子与中性粒子的碰撞频率。

由式(1)和式(5)，求解麦克斯韦方程组得到[7]：
22
p p 2
022222
p 21/21/2
1
{[(1)((1)2 (
))]}k v v
v
v
ωωαωωωωω=−−+−++++ (6)
式中，k 0=ω/c 。

3 计算结果及分析
在第一层等离子体的碰撞频率1v 为70GHz ，第二层等离子体的碰撞频率2v 为70GHz ，
气体放电产生的等离子体密度[8]达到1019m −3，相应的等离子体频率p ω约为30GHz [7]的条件下，计算了电磁波的反射和透射功率。

3.1 防护模型前表面电磁波的反射
当入射电磁波的频率小于或等于等离子体频率时，电磁波将被全反射。

文中防护结构所采用的
均匀非磁化等离子体频率为30GHz ，
如果高功率微波武器的频率处于30GHz 以下，则微波会被全部反射而不能在防护结构中传播，不能对防护目标造成危害。

3.2 电磁波经过防护结构后的透射功率
根据式(2)和(3)，计算了频率31～80GHz 的电磁波经图1装置反射和吸收以后，最终进入到保护对象的剩余功率P t ，计算结果如图2所示。

图2中纵坐标是透过防护结构后的电磁波剩余功率与初始入射功率比值，横坐标对应不同频率的入射电磁波。

由图2可知，入射电磁波经过等离子体的反射和吸收以后，其能量被有效地衰减。

不同频率的电磁波透射过图1装置后有不同的剩余功率，剩余功率与初始入射功率的比值在0.3%～2.7%之间。

3.3 防护结构层数对防护效果的影响
由式(3)可知，等离子体厚度越厚对电磁波吸收作用越强，电磁波的透射功率就越小。

下面讨论在等离子体厚度不变的情况下，防护结构层数对防护效果的影响。

计算选取的参数与3.2节相同，不同的是10cm 的等离子体只作为一层等离子体，即
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核聚变与等离子体物理 第28卷
防护结构为“介质层-等离子体层”型。

计算结果如图3所示，图3中纵坐标是透过防护结构后的电磁波剩余功率与初始入射功率的比值，横坐标对应不同频率的入射电磁波。

对比图2和图3，我们可以明显地看到：采用多层等离子体结构后，防护效果有了很大的改善。

图2 不同频率电磁波经过防护结构后的剩余功率
图3 电磁波经过改变层数后的防护结构的剩余功率
3.4 结构防护效果的评价
在功率为10GW 、100ns 脉冲宽度、100m 2(效率50%)的微波武器攻击下，估算了图1防护装置的防护效果。

表1给出了频率范围在31～80GHz 的高功率微波武器发出的微波脉冲经过防护装置
后可能的最大剩余功率密度和最小剩余功率密度(与入射微波的频率有关)。

表2给出了干扰和毁坏军用设备所需的微波的功率密度[1]。

对比表1和表2的估算结果，可以看到：
对于传感器电子设备和飞机、导弹等，我们设计的防护装置对于频率范围在31～80GHz 的高功率微波武器的最小防护距离约在5km 左右。

表1 高能微波经过防护装置后可能的最大
剩余功率密度和最小剩余功率密度
距离/km
功率密度/W·cm −2
最小剩余功率 密度/W·cm −2
最大剩余功率 密度/W·cm −2
0.1 56000 184 1500 1 560 1.8
15.1
5 22
0.0726 0.59
表中最大、最小剩余功率是对单频微波的估算
表2 干扰和毁坏军用设备所需的功率密度
设备和武器类型
作用方式 效应
功率密度/W·cm −2
微波雷达、 通信系统 从天线进入 干扰 10−8～10−6 传感器电子设备吸收微波能量 干扰 0.01～0.1 传感器电子设备
感应微波电流淹没原有信号 停止工作 10～100 飞机、导弹
短时间烧毁 或引爆
加热破坏
103～104
图4 等离子体对微波衰减实验装置图
4 实验
我们用图4所示的装置，进行了验证性的实验，
微波信号发生器提供峰值功率为20mW 的X 波段(8.6GHz ～9.6GHz)微波。

图4中的等离子体在两种不同直径的柱形容器中采用交流放电得到，其中25mm 直径的等离子体自由电子密度约为1018～1017m −3，50mm 直径的等离子体自由电子密度约为1017～1016m −3。

实验所得结果列于表3中。

根据表3，我们可以得出：增加等离子体厚度，不如增加等离子体层数的衰减效果明显。

因为用柱形容器增加了等离子体层数，也增加了容器壁的层数，微波在传播途中由于介质折射率突变，反射次数增加，从而衰减增大。

第1期杨耿等：等离子体对高功率微波的防护 93表3 实验结果
测量条件
接收端
信号值/μV
微波
衰减量/dB
收、发喇叭间不放置任何物质95 0 收、发喇叭间有一层25mm的等离子体32 9.5 收、发喇叭间有一层50mm的等离子体23 12.3 收、发喇叭间有两层厚度分别为25mm、
50mm的等离子体
4.5 26.5
5 结论
随着定向能武器的不断发展，高功率微波对电
子设备的破坏已经引起各国广泛地关注。

由于航天
环境的特殊性，常规的防护手段往往难以达到卫星
电子设备所需的防护要求。

本文提出的多层等离子
体防护结构对电磁波的反射和吸收效应，能使透射
进入工作设备的微波功率低于干扰或破坏阈值。

当等离子体频率为30GHz时，图1所示的防护结构
会反射频率低于30GHz的电磁波，频率小于30GHz
的高功率微波武器不能对防护设备造成危害。

对于
频率处于31～80GHz间的高功率微波武器，计算结
果表明：电磁波透射过防护结构后的透射功率和入
射功率的比值在0.3%～2.7%之间，防护结构对不
同频率的电磁波防护效果不一样。

从表1中可以看
出装置对频率在31～80GHz之间的微波武器的最
小防护距离可达5km左右。

验证性的实验表明，增加等离子体层数比增加
等离子体厚度对电磁波的衰减效果更明显。

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Protection against high power microwave using plasma
YANG Geng, TAN Ji-chun, SHENG Ding-yi, YANG Yu-chuan
(Science college, National University of Defense Technology, Changsha 410073) Abstract: Protection against high power microwave using plasma was proposed. A reflection/absorption sandwich model of “medium slab-plasma slab-medium slab-plasma slab” was established, where the thickness for the un-magnetized uniform plasma is 50mm, the plasma frequency 30GHz, and collision frequency 70GHz. Then the transmitted power of electromagnetic wave and the minimal protecting-distance of protector were calculated. The results show that for a microwave source with 10GW power, 100ns pulse width, 100m2 antenna area (with efficiency of 50%), the emitted microwave will be reflected when the frequency is less than 30GHz; or the minimal protecting-distance of protector is about 5km when the frequency is within 31～80GHz.
Key words: HPM; Plasma; Transmitted power; Protection。