謝霖?zé)?，石躍武，張國偉，王 偉，朱志臻，陳維青

(西北核技術(shù)研究所,西安710024；強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024)

“春雷”號模擬裝置新傳輸線的傳輸特性

謝霖?zé)觯S武，張國偉，王 偉，朱志臻，陳維青

(西北核技術(shù)研究所,西安710024；強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024)

對“春雷”號有界波電磁脈沖模擬裝置的傳輸線進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，新傳輸線長27 m, 寬10 m，高6 m， 采用錐板接分布式負(fù)載結(jié)構(gòu)。對模擬裝置新傳輸線的傳輸性能進(jìn)行了實(shí)測與仿真計(jì)算。結(jié)果表明：新傳輸線負(fù)載電阻鏈形成的反射波疊加在波形后延，引起寬脈寬HEMP波形的畸變。同時(shí)，新傳輸線工作空間的電場分布不均勻，與仿真結(jié)果相差較大，最大偏差可達(dá)18%。

“春雷”號；高空核電磁脈沖；電磁脈沖模擬器；有界波；傳輸線

近幾十年來，隨著對高空核爆電磁脈沖(high-altitude electromagnetic pulse，HEMP)的深入認(rèn)識和標(biāo)準(zhǔn)的逐步修訂[1-3]，新的IEC 61000-2-10高空核爆電磁脈沖環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛認(rèn)可，由此引起模擬、測量等試驗(yàn)手段的變化。有界波模擬器是模擬HEMP早期輻射環(huán)境的裝置，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和分系統(tǒng)電磁脈沖(electromagnetics pulse，EMP)輻射敏感度測試，屏蔽室電磁脈沖屏蔽效能測試等。“春雷”號電磁脈沖模擬裝置是國內(nèi)僅有的幾臺(tái)有界波模擬器之一[4-5]。該模擬器指標(biāo)為前沿10 ns，半寬為500 ns。對“春雷”號進(jìn)行了升級改造，使其輸出波形符合新標(biāo)準(zhǔn),前沿2.5 ns，半寬23 ns及前沿5 ns，半寬80 ns，拆除了原有的錐板加平行段結(jié)構(gòu)傳輸線，采用錐板段直接接分布式負(fù)載的結(jié)構(gòu)，以錐板段作為工作空間，充分利用了空間，降低了工程造價(jià)。但這種結(jié)構(gòu)的傳輸線整個(gè)工作空間的高度是變化的，因而場強(qiáng)也是變化的；并且分布式負(fù)載的吸收特性會(huì)影響工作空間的場波形。因此，本文對新傳輸線的傳輸特性進(jìn)行試驗(yàn)測量和仿真計(jì)算，研究結(jié)果對模擬器傳輸線設(shè)計(jì)和效應(yīng)研究具有重要的參考價(jià)值。

1 新傳輸線結(jié)構(gòu)

為充分利用空間，傳輸線采用錐板加分布式負(fù)載結(jié)構(gòu)，新傳輸線模擬裝置結(jié)構(gòu)，如圖1所示。傳輸線總長27 m，前錐長20 m，后錐長7 m，最寬處傳輸線寬10 m，高6 m。傳輸線采用玻璃鋼作為支撐柱材料，上極板采用100根鋼絲繩，鋼絲繩間最大間隙100 mm，地極板由不銹鋼拉板網(wǎng)制成，并由不銹鋼板封邊。在錐板段傳輸線的寬高比保持一致，傳輸線張角約為18.2°。“春雷”號模擬裝置新傳輸線實(shí)物，如圖2所示。

圖1 模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of the EMP simulator

圖2 “春雷”號模擬裝置新傳輸線實(shí)物圖Fig.2Photo of the new “Spring-Thunder” EMP simulator transmission line

根據(jù)以下傳輸線阻抗計(jì)算公式[4,6]，可得傳輸線的特征阻抗約為138 Ω。

式中，Zg為傳輸線特征阻抗，Ω；h為傳輸線高度， m；w為傳輸線寬度，m。

傳輸線采用分布式負(fù)載，分布式負(fù)載的匹配吸收效果較好，能有效改善電磁脈沖波形；而且分布式負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電阻鏈之間存在空隙，有利于高頻波直接透射[7-8]。通過分析傳輸線上電流分布均勻性，可計(jì)算得到各負(fù)載分別對應(yīng)的錐板寬度[9]，如表1所列。

表1 接負(fù)載的錐板寬度Tab.1Width of subulate plank for terminal load connection

根據(jù)表1確定了12條電阻鏈對應(yīng)的錐板寬度和位置，每條電阻鏈由17個(gè)100 Ω電阻串聯(lián)而成，電阻之間采用銅線連接，電阻均勻分布在電阻鏈上，負(fù)載電阻鏈實(shí)物，如圖3所示。

圖3 負(fù)載電阻鏈實(shí)物圖Fig.3Photo of the terminal load chain

2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果

2.1負(fù)載電阻鏈的反射

模擬裝置可產(chǎn)生2種HEMP標(biāo)準(zhǔn)波形，在距離負(fù)載電阻鏈7 m的位置所測波形，如圖4所示。2種波形在波形后延相同位置存在反射峰，反射峰出現(xiàn)的時(shí)間與峰值時(shí)刻相差約45 ns。根據(jù)電磁波傳輸時(shí)間計(jì)算反射位置，可確定是負(fù)載電阻鏈造成的反射。對于寬脈寬的HEMP波形，負(fù)載造成的反射峰疊加到波形后延，使得所測波形脈寬展寬，并且在工作空間不同位置所測波形的脈寬都不相同。

圖4 模擬裝置產(chǎn)生的2種HEMP標(biāo)準(zhǔn)波形實(shí)測結(jié)果Fig.4The measured results of two HEMP standards waveform

利用電磁場仿真計(jì)算軟件，建立了“春雷”號模擬裝置新傳輸線的仿真模型，如圖5所示，模型尺寸與實(shí)際尺寸相同。

圖5 “春雷”號模擬裝置新傳輸線仿真模型Fig.5The model of new transmission line of “Spring-Thunder” bounded-wave simulator

用電阻與電感串聯(lián)等效負(fù)載鏈，并考慮電阻的空間尺寸，同一位置條件下，仿真計(jì)算得到的波形與實(shí)測波形，如圖6所示，二者基本相同。而當(dāng)電阻鏈等效為純電阻，并且電阻鏈個(gè)數(shù)減小到6個(gè)時(shí)，仿真計(jì)算得到理想波形，如圖7所示，后延的反射峰基本可忽略。因此，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)電阻鏈結(jié)構(gòu)和所用電阻，減小負(fù)載電阻鏈的電感以及空間尺寸的影響造成的反射。而在現(xiàn)有負(fù)載條件下，在模擬裝置上采用寬脈寬的HEMP標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，負(fù)載反射對場波形的影響不可忽略。

圖6 新傳輸線仿真結(jié)果與實(shí)測波形比較(歸一化處理)Fig.6Comparison of measured and simulation waveforms of new transmission line

圖7 新傳輸線仿真計(jì)算的理想波形Fig.7Ideal simulation waveform of new transmission line

2.2工作空間場分布

工作空間場分布是表征傳輸線傳輸特性的重要參數(shù)，也是進(jìn)行效應(yīng)試驗(yàn)前應(yīng)獲取的重要數(shù)據(jù)。圖8(a)為模擬裝置新傳輸線工作空間場分布的實(shí)測結(jié)果。圖8(b)為利用仿真軟件計(jì)算的新傳輸線工作空間的場分布。兩個(gè)結(jié)果歸一化的參考點(diǎn)都是位于傳輸線11 m中心處。實(shí)測的場分布結(jié)果表明，場強(qiáng)幅值隨傳輸線高度的增加而線性衰減，這與仿真結(jié)果基本相同。但是中軸線兩邊±3 m的工作空間內(nèi)，仿真結(jié)果可視作均勻場。而實(shí)測結(jié)果表明，場強(qiáng)幅值最大偏差可達(dá)18%。因此，在進(jìn)行效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，必須考慮試件尺寸和放置位置對選取作用在試件上的等效場強(qiáng)幅值的影響。

(a)Practical result

(b)Simulation result

3 結(jié)論

“春雷”號電磁脈沖模擬裝置改造后的新傳輸線采用錐板加分布式負(fù)載的結(jié)構(gòu)。新傳輸線前錐長20 m，后錐長7 m，最寬處10 m，最高處6 m，此結(jié)構(gòu)充分利用了場地空間，但負(fù)載電阻鏈形成的反射波疊加在波形后延，引起寬脈寬的HEMP波形的畸變，造成傳輸線不同位置所測得波形的脈寬不一致。在進(jìn)行效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，該影響不可忽略。新傳輸線場分布實(shí)測結(jié)果表明，工作空間內(nèi)場強(qiáng)幅值最大偏差可達(dá)18%，因此，在進(jìn)行效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，必須考慮試件尺寸和放置位置對選取作用在試件上的等效場強(qiáng)幅值的影響。下一步，將繼續(xù)改進(jìn)負(fù)載鏈結(jié)構(gòu)形式和負(fù)載電阻，減小負(fù)載電阻鏈電感對波形反射的影響。

[1]謝彥召, 王贊基, 王群書, 等. 高空核爆電磁脈沖波形標(biāo)準(zhǔn)及特征分析[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2003, 15(8): 781-787. ( XIE Yan-zhao, WANG Zan-ji, WANG Qun-shu, et al. High altitude nuclear electromagnetic pulse waveform standards: a review[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2003, 15(8): 781-787.)

[2]喬登江. 高功率電磁脈沖、強(qiáng)電磁效應(yīng)、電磁兼容、電磁易損性及評估概論[J]. 現(xiàn)代應(yīng)用物理, 2013, 4(3): 219-224. (QIAO Deng-jiang. Introduction to HPEMP, IEME, EMC, and EM susceptibility and its assessments[J]. Modern Applied Physics, 2013, 4(3): 219-224.)

[3]周璧華, 陳彬, 石立華. 電磁脈沖及其工程防護(hù)[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社, 2003.(ZHOU Bi-hua, CHEN Bin, SHI Li-hua. EMP and EMP Protection [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003.)

[4]孫蓓云, 聶鑫, 王偉, 等.“春雷”號系列電磁脈沖模擬器[J]. 抗核加固, 2013, 30(2): 45-49(SUN Bei-yun, NIE Xin, WANG Wei, et al.“Spring-Thunder” series EMP simulators[J]. KANGHEJIAGU, 2013, 30(2): 45-49.)

[5]郭英俊, 潘虎. 符合現(xiàn)行國際HEMP標(biāo)準(zhǔn)的有界波電磁脈沖模擬器[J]. 抗核加固, 2011, 28(1): 18-22.(GUO Ying-jun, PAN Hu. A bound-wave EMP simulator in accord with the HEMP standard currently in effect[J]. KANGHEJIAGU, 2011, 28(1): 18-22.)

[6]杜雷鳴, 謝彥召, 王紹飛. 平行板傳輸線特性阻抗仿真計(jì)算及解析修正[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2015, 27(8): 083201.(DU Lei-ming, XIE Yan-zhao, WANG Shao-fei. Simulation computation and analytic modification of characteristic impedance of parallel-plate transmission line[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(8): 083201.)

[7]國海廣, 范麗思, 魏光輝, 等. 快沿電磁脈沖模擬器負(fù)載匹配仿真研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2009, 25(7): 217-218.(GUO Hai-guang, FAN Li-si, WEI Guang-hui, et al. Study in simulation of match of loads of EMP simulation with fast rise-time[J]. Microcomputer Information, 2009, 25(7): 217-218.)

[8]潘曉東, 魏光輝. 有界波模擬器終端負(fù)載設(shè)計(jì)研究[J]. 微波學(xué)報(bào), 2007, 23(2): 63-66.(PAN Xiao-dong, WEI Guang-hui. Research on terminal load design of bounded-wave simulator[J]. Journal of Microwaves, 2007, 23(2): 63-66.)

[9]羅學(xué)金, 許獻(xiàn)國, 周啟明, 等. 可變脈沖前沿和脈沖寬度的大型電磁脈沖模擬器設(shè)計(jì)[C]//第十屆全國抗輻射電子學(xué)與電磁脈沖學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 沈陽: 2009.(LUO Xue-jin，XU Xian-guo， ZHOU Qi-ming, et al. Design of a alterable rise-time and pulse-width large-scale EMP simulator[C]//The 10 th Radiation Hardening Electronics and Electromagnetism Academic Conference Collected Papers, Shenyang: 2009.)

Study of the New Transmission Line Used in “Spring-Thunder” Bounded-Wave EMP Simulator

XIE Lin-shen,SHI Yue-wu,ZHANG Guo-wei,WANG Wei,ZHU Zhi-zhen,CHEN Wei-qing

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China; State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

A new transmission line of “Spring-Thunder” bounded-wave EMP simulator is designed and constructed. The transmission line is 27 m long, 10 m wide, and 6 m high, and adopts a subulate plank and distributed terminator structure. The transmission characteristics of the transmission line are measured and simulated. The results show that the reflected wave formed by terminal load chains of transmission line is added on the falling edge of waveform which causes waveform distortion of HEMP. Meanwhile, the E-field shape is not uniformity inside the working volume of the transmission line, and the maximum deviation of E-field strength is 18%.

“Spring-Thunder”;high-altitude electromagnetics pulse (HEMP);EMP simulator;bounded-wave;transmission line

2016-02-29；

2016-08-07

謝霖?zé)?1982- )，男，福建龍巖人，助理研究員，碩士，主要從事脈沖功率和電磁脈沖模擬產(chǎn)生技術(shù)研究。

E-mail:xielinshen@nint.ac.cn

TM27

A

2095-6223(2016)040501(4)