范麗思 王赟 周星 萬(wàn)浩江

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所, 石家莊 050003)

定向輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器的研制

范麗思 王赟 周星 萬(wàn)浩江

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所, 石家莊 050003)

針對(duì)大型受試設(shè)備核電磁脈沖抗擾度試驗(yàn)評(píng)估要求,研制了基于Marx發(fā)生器脈沖源和橫電磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)喇叭天線的可移動(dòng)、極化方向可調(diào)的定向輻射式核電磁脈沖模擬器. 實(shí)驗(yàn)分析了不同極化方向和終端負(fù)載對(duì)脈沖波形的影響,確定了定向輻射式核電磁脈沖模擬器的均勻區(qū)域. 結(jié)果表明:輻射電磁脈沖場(chǎng)可用區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)區(qū)域,隨著與口徑面距離的增大,峰值場(chǎng)強(qiáng)近似按1/d2衰減,脈沖寬度顯著減小;與傳輸式模擬器相比，輻射式核電磁脈沖模擬器具有更大的均勻區(qū)域,更適合大型設(shè)備電磁脈沖抗擾度試驗(yàn).

高空核電磁脈沖;電磁脈沖模擬器;TEM天線;雙指數(shù)脈沖;匹配負(fù)載;輻射場(chǎng)

DOI 10.13443/j.cjors.2016112102

引 言

核電磁脈沖場(chǎng)模擬器通常由脈沖源和電磁場(chǎng)形成裝置兩大部分組成,根據(jù)使用的場(chǎng)形成裝置不同可以分為傳輸式和輻射式兩種[1-3].傳輸式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器通常采用平行板、吉赫橫電磁波(Gigahertz Transverse Electro Magnetic,GTEM)和橫電磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)室等傳輸線作為電磁脈沖場(chǎng)形成裝置,在傳輸線中形成與脈沖源波形一致的電磁脈沖場(chǎng)[4-5].傳輸式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器產(chǎn)生的電磁脈沖波形上升沿受傳輸線長(zhǎng)度的限制,脈沖上升沿不可能太陡[6-7].此外,傳輸式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器測(cè)試空間有限,極化方向不可調(diào),限制了大型設(shè)備抗擾度試驗(yàn)研究[8].輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器通常采用雙錐天線、籠形天線或圓錐天線等作為場(chǎng)形成裝置,通過(guò)輻射的方式產(chǎn)生電磁脈沖場(chǎng)[9-11].此類(lèi)模擬器能輻射具有快上升沿的脈沖,通常體積龐大,可對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行輻照試驗(yàn),但架設(shè)困難、造價(jià)高昂、輻射方向性較差、脈沖功率利用率較低[12].

目前,國(guó)內(nèi)外傳輸式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器技術(shù)已經(jīng)日臻成熟,在建或在用的大多為傳輸式模擬器,但對(duì)輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器的研究相對(duì)較少[13].為此,研制低成本、小型化、輕重量、可移動(dòng)、極化方向可調(diào)、方向性較好的輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器更具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值.

本文研制的輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器要求輻射場(chǎng)波形上升時(shí)間為1.8～2.8 ns,半波寬度大于100 ns.未采用IEC61000-2-9最新RS105波形主要是考慮到TEM天線低頻輻射能力有限,擬用增大脈沖寬度的方法來(lái)增加輻射脈沖的低頻成分.

1 定向輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器結(jié)構(gòu)與原理

定向輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器主要由快沿脈沖源、TEM天線和升降裝置構(gòu)成,如圖1所示.脈沖源放置在移動(dòng)脈沖源升降平臺(tái)上.TEM天線安裝在移動(dòng)天線升降平臺(tái)上.兩個(gè)升降臺(tái)相互配合可以方便地改變天線的張角大小,從而改變天線測(cè)試區(qū)域的大小.通過(guò)改變天線的布設(shè)方向可以方便地改變天線的極化方式,從而可用一套模擬器產(chǎn)生垂直和水平兩種極化的脈沖電磁場(chǎng).

圖1 定向輻射式核電磁脈沖模擬器原理圖

1.1 Marx發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研制

利用Marx發(fā)生器可以產(chǎn)生比較理想的雙指數(shù)脈沖,再通過(guò)脈沖前沿銳化裝置,可以實(shí)現(xiàn)快沿電磁脈沖的模擬.所以定向輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器采用了Marx發(fā)生器提供高壓脈沖.

Marx發(fā)生器采用了六級(jí)雙邊充電的設(shè)計(jì),其原理如圖2所示.試驗(yàn)變壓器輸出工頻高壓,經(jīng)高壓硅堆整流后為Marx發(fā)生器提供充電電壓.Marx發(fā)生器采用氣體火花間隙開(kāi)關(guān),其中S1為觸發(fā)開(kāi)關(guān).為增大觸發(fā)范圍S1采用軌道滑動(dòng)結(jié)構(gòu),觸發(fā)過(guò)程中活動(dòng)電極在外力推動(dòng)下沿軌道滑動(dòng),間隙減小,當(dāng)開(kāi)關(guān)間隙場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)觸發(fā)放電過(guò)程.

本脈沖源采用同軸銳化結(jié)構(gòu),同軸結(jié)構(gòu)的分布電容作為銳化電容.S7在高壓過(guò)壓下?lián)舸?對(duì)銳化電容Cp充電,當(dāng)銳化電容上的電壓上升到一定值后,銳化開(kāi)關(guān)擊穿,達(dá)到銳化脈沖前沿的作用.

脈沖源實(shí)物如圖3所示,整個(gè)Marx發(fā)生器放置在油箱內(nèi).油箱和同軸銳化電容充滿(mǎn)高純度變壓器油.

圖2 輻射式核電磁脈沖模擬器結(jié)構(gòu)圖

圖3 Marx發(fā)生器實(shí)物照片

脈沖的上升時(shí)間由銳化開(kāi)關(guān)和銳化電容構(gòu)成的放電回路電感決定,上升時(shí)間tr≈2.2L/R,L為回路的電感,R為負(fù)載.脈沖的半峰值時(shí)間由Marx發(fā)生器的等效總電容和負(fù)載電阻決定,半峰值時(shí)間tW≈0.7RCm,Cm為Marx發(fā)生器的總放電電容,Cm=C/n,C為每級(jí)電容的電容值,n為電容的數(shù)目.

只要整個(gè)放電回路的電感足夠小,合理選用銳化電容和主放電電容,就可以在Marx發(fā)生器的輸出端得到比較理想的雙指數(shù)脈沖.而正、負(fù)雙極性充電的Marx線路,縮短了Marx發(fā)生器的充電時(shí)間,火花隙開(kāi)關(guān)數(shù)目可以減少一半,且體積也有較大減小,因此回路電感大大減小.

下面分別對(duì)Marx發(fā)生器各個(gè)部件進(jìn)行分析.

1.2 觸發(fā)開(kāi)關(guān)

觸發(fā)開(kāi)關(guān)作為Marx發(fā)生器電路的第一級(jí)開(kāi)關(guān),主要用于觸發(fā)沖擊電壓發(fā)生器的放電過(guò)程.為拓寬觸發(fā)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)范圍,脈沖源采用軌道滑動(dòng)的氣體火花間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān).

本文研制的軌道滑動(dòng)氣體火花間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)采用氣缸驅(qū)動(dòng),如圖4所示.觸發(fā)開(kāi)關(guān)主要由開(kāi)關(guān)外殼、固定電極、滑動(dòng)電極、滑動(dòng)導(dǎo)軌和微型氣缸組成.開(kāi)關(guān)的固定電極固定在基座上,滑動(dòng)電極安裝在滑動(dòng)導(dǎo)軌上,在氣缸的推動(dòng)下滑動(dòng)電極沿導(dǎo)軌滑動(dòng).觸發(fā)開(kāi)關(guān)安裝在Marx發(fā)生器的第一級(jí),如圖5所示.利用電磁閥控制氣缸運(yùn)動(dòng),電磁閥加電后氣缸驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)電極沿滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng),固定電極和滑動(dòng)電極之間的距離減小,從而觸發(fā)放電過(guò)程.該氣體火花間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作電壓范圍大,解決了目前氣體火花間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)工作電壓范圍小的問(wèn)題.

圖4 氣體間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖5 氣體火花間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)連接示意圖

1.3 銳化開(kāi)關(guān)

脈沖源采用分布參數(shù)銳化電容整形方案,即利用同軸線等效的電容來(lái)對(duì)Marx發(fā)生器輸出的脈沖進(jìn)行銳化.這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于分布參數(shù)銳化電容電感可以做到很小,從而可以減小整個(gè)回路的電感和電磁脈沖的上升時(shí)間.整個(gè)銳化裝置由分布參數(shù)銳化電容器和銳化開(kāi)關(guān)構(gòu)成[14].單位長(zhǎng)度分布電容為:

(1)

式中:ε0為真空介電常數(shù),ε0=8.85×10-12F/m;a為同軸線芯線直徑;b為同軸線外筒內(nèi)直徑.在本脈沖源設(shè)計(jì)過(guò)程中,b/a=5,取變壓器油相對(duì)介電常數(shù)εr=2.3,根據(jù)式(1)可以得到單位長(zhǎng)度電容值為79.47 pF/m,取同軸線的長(zhǎng)度約為1 m,則銳化電容約為80 pF.

采用分布參數(shù)銳化電容器既起到銳化作用,又便于Marx發(fā)生器與天線之間的連接.

1.4 輻射天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

采用細(xì)鋁管架設(shè)成一定角度,構(gòu)成TEM喇叭天線,如圖6所示.為增加天線的低頻輻射能力,天線的末端采用卷邊結(jié)構(gòu),增大了電流流通路徑,從而可以有效增大天線低頻輻射能力[15].卷邊TEM喇叭天線長(zhǎng)度L為6 m,寬度W為6 m,高度H=4 m,卷邊半徑r為0.5 m.Marx發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)脈沖,并通過(guò)同軸銳化回路進(jìn)一步銳化,再激勵(lì)TEM喇叭天線輻射出相應(yīng)的電磁脈沖環(huán)境.

為減小天線終端反射,在天線的末端加載吸收電阻,電阻的選取對(duì)輻射波形有重要影響.因此,電阻的阻值應(yīng)與TEM天線的阻抗相匹配.

圖6 卷邊TEM天線示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用光纖場(chǎng)強(qiáng)計(jì)測(cè)量輻射脈沖場(chǎng)波形,光纖場(chǎng)強(qiáng)計(jì)的天線系數(shù)為106/m.光纖場(chǎng)強(qiáng)計(jì)探頭放置在輻射場(chǎng)區(qū)域,光接收機(jī)和示波器放置在屏蔽室內(nèi).整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中Marx發(fā)生器的輸出電壓為1 MV.下面分析快沿電磁脈沖輻射場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及其影響因素.

2.1 輻射波形

天線垂直架設(shè),測(cè)量距離口徑面3 m位置的電場(chǎng)波形如圖7所示.測(cè)得脈沖波形為雙指數(shù)波,上升時(shí)間大約2.4 ns,半峰值寬度為121.6 ns,脈沖峰值場(chǎng)強(qiáng)為131.4 kV/m．從測(cè)量結(jié)果來(lái)看,脈沖寬度略小于核電磁脈沖BELL波形要求,關(guān)于滿(mǎn)足IEC 61000-2-9要求的定向輻射式模擬器目前正在研究中.從測(cè)量波形可以得出,測(cè)得的波形與有界波模擬器內(nèi)的波形相似,說(shuō)明在3 m位置處測(cè)得脈沖場(chǎng)波形仍為感應(yīng)場(chǎng),與脈沖源輸出波形相似,只是在下降沿略有過(guò)零.

圖7 天線垂直極化3 m處輻射脈沖波形

圖8 天線水平極化3 m處輻射場(chǎng)

天線水平架設(shè),測(cè)得距離口徑面3 m位置的電場(chǎng)波形如圖8所示.測(cè)量波形近似為雙指數(shù)波,波形參數(shù)基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.但與垂直極化相比,天線水平架設(shè)時(shí)測(cè)得的脈沖波形相對(duì)較差,下降沿有比較大的振蕩,這可能是因?yàn)樘炀€水平架設(shè)時(shí)受到地面的反射較大造成的[16].

2.2 輻射波形與終端負(fù)載的關(guān)系

比較終端負(fù)載分別為100 Ω、200 Ω和300 Ω時(shí)距離口徑面3 m位置輻射場(chǎng)波形如圖9所示.從測(cè)量結(jié)果來(lái)看,終端負(fù)載不同輻射場(chǎng)波形不同,在終端負(fù)載為100 Ω,測(cè)得的波形為欠阻尼振蕩波.隨著終端負(fù)載的增大,脈沖場(chǎng)的脈沖寬度增大.因?yàn)樵诰嚯x口徑面3 m位置輻射場(chǎng)為感應(yīng)場(chǎng),與脈沖源輸出波形相同,因此可以根據(jù)有界波模擬器的計(jì)算方法確定天線的終端負(fù)載,參考有界波模擬器的終端負(fù)載計(jì)算方法,TEM天線的終端負(fù)載大約在100～300 Ω之間選擇.

圖9 不同天線末端電阻條件下波形比較(距口徑面3 m)

2.3 輻射波形與距離的關(guān)系

將光纖場(chǎng)強(qiáng)計(jì)放置在口徑面中心軸線位置上,沿輻射方向前后移動(dòng)探頭,分別測(cè)量口徑面及距離口徑面1 m、3 m、5 m、7 m、8 m和10 m位置的峰值場(chǎng)強(qiáng),如圖10所示.距離口徑面1 m位置的峰值場(chǎng)強(qiáng)大約為200 kV/m.假設(shè)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)距離口徑面的距離為d,峰值場(chǎng)強(qiáng)近似按1/d2衰減,在距離口徑面9 m處峰值場(chǎng)強(qiáng)衰減到50 kV/m.因此,在距離徑面 5 ～10 m內(nèi)50 kV/m輻射場(chǎng)強(qiáng)均勻性可達(dá)±3 dB.調(diào)節(jié)Marx發(fā)生器的充電電壓,也可以有效地改變各個(gè)測(cè)試位置的峰值場(chǎng)強(qiáng).

口徑面及距離口徑面1 m、3 m、5 m、7 m、8 m和10 m位置的輻射脈沖場(chǎng)半波寬度,如圖11所示.隨著距離口徑面距離的增大,脈沖寬度減小.這是因?yàn)樵诰嚯x口徑面較近時(shí),輻射場(chǎng)主要為感應(yīng)場(chǎng),隨著距離的增大,輻射場(chǎng)的感應(yīng)場(chǎng)成分減小,所以脈沖寬度減小.在距離口徑面10 m位置輻射場(chǎng)測(cè)量波形如圖12所示,從測(cè)量結(jié)果可以看出在10 m位置的脈沖波形近似為脈沖源輸出雙指數(shù)的微分波形,所以脈沖寬度大大減小,而且在尾部有較大的衰減振蕩.

圖10 峰值場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線

圖11 半波寬度與距離的關(guān)系曲線

圖12 10 m位置的脈沖波形

2.4 輻射場(chǎng)均勻性測(cè)試

為了獲得輻射場(chǎng)的分布情況和場(chǎng)均勻性,在平行于口徑面且距口徑面3 m遠(yuǎn)處的平面上選擇了16個(gè)位置利用寬帶電場(chǎng)脈沖測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試.探頭位置分布如圖13所示,測(cè)試區(qū)域中心位置O在TEM天線中心軸線上,測(cè)試點(diǎn)間距2 m.TEM天線垂直極化,保持Marx發(fā)生器的輸出電壓為1 MV,逐次測(cè)量16個(gè)測(cè)試點(diǎn)的峰值場(chǎng)強(qiáng),測(cè)量結(jié)果如表1所示.16個(gè)測(cè)試點(diǎn)的峰值場(chǎng)強(qiáng)分布在72.9 ～135.4 kV/m變化,16個(gè)測(cè)試點(diǎn)峰值場(chǎng)強(qiáng)的總變異系數(shù)為18.66%,因此可以認(rèn)為在距離口徑面3 m距離處在6 m×6 m的測(cè)試區(qū)域內(nèi)具有較好的場(chǎng)均勻性.可以看出,與相同尺寸的傳輸式模擬器相比,輻射式核電磁脈沖模擬器具有更大的均勻區(qū)域.

圖13 探頭放置的16個(gè)位置

表1 3 m測(cè)試平面峰值場(chǎng)強(qiáng)及變異系數(shù)

3 結(jié) 論

本文對(duì)輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1)本文研制的輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器可以實(shí)現(xiàn)水平和垂直兩種極化,利用軌道滑動(dòng)觸發(fā)氣體火花間隙開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍可靠觸發(fā)放電過(guò)程.利用同軸線分布參數(shù)作為銳化電容,與同軸銳化開(kāi)關(guān)集成一體,既起到銳化作用,又便于Marx發(fā)生器與天線連接,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用.

2)受地面影響較大,垂直極化波形優(yōu)于水平極化,水平極化脈沖波形脈沖較窄,下降沿有振蕩和過(guò)零.

3)輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器輻射場(chǎng)為近場(chǎng)波形,與激勵(lì)源波形相似.因此,可以參照有界波傳輸線匹配電阻選取原則確定天線終端匹配負(fù)載,阻值在100～300 Ω之間選取.

4)隨著距離口徑面距離的增大,峰值場(chǎng)強(qiáng)近似按1/d2衰減,脈沖寬度減小.與傳輸式模擬器相比,相同尺寸的輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器具有更大的均勻區(qū)域,更適合大型設(shè)備電磁脈沖抗擾度試驗(yàn).

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范麗思 (1975-)，河北人，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姶琶}沖模擬與仿真技術(shù).

王赟 (1985-)，河南人，男，博士，講師，研究方向?yàn)殡姶琶}沖模擬技術(shù).

周星 (1978-)，重慶人，女，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姶琶}沖防護(hù)理論與技術(shù).

萬(wàn)浩江 (1983-)，河北人，男，博士，講師，研究方向?yàn)槔纂娕c電磁防護(hù).

Research on directional radiation HEMP simulator

FAN Lisi WANG Yun ZHOU Xing WAN Haojiang

(MechanicalEngineeringCollege,ElectrostaticandElectromagneticProtectionResearchInstitute,Shijiazhuang050003,China)

In order to test the high-altitude electromagnetic pulse(HEMP) immunity for the large equipment under test(EUT), a new moveable and polarizable HEMP radiation simulator is designed based on Marx generator and TEM antenna. In this paper, the effects of antenna polarization direction and terminal load to pulse waveform are studied by experimental method, and the uniform zone of the HEMP radiating wave simulator is determined by actual measurement. The results show that the usable test zone of the HEMP radiating wave simulator is the near field zone, and in the test zone the peak field strength decreases in accordance with 1/d2, and the pulse width decreases with the distance increasing away the aperture plane of the antenna. In comparison with the transmission HEMP simulator, the HEMP radiating wave simulator has a larger uniform test zone, which is more appropriate for testing HEMP immunity for large EUT.

HEMP; EMP simulator; TEM antenna; double exponential waveform; matched load; radiation field

2016-11-21

10.13443/j.cjors.2016112102

TM836

A

1005-0388(2017)01-0058-07

聯(lián)系人： 范麗思 E-mail: fanlisi@sina.com

范麗思,王赟,周星,等.定向輻射式核電磁脈沖場(chǎng)模擬器的研制[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2017,32(1):58-64.

FAN L S, WANG Y, ZHOU X, et al. Research on directional radiation HEMP simulator [J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):58-64. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016112102