蔣廷勇,王曉嘉,周 恒,劉 真,張守龍,孫一飛

(中國人民解放軍63660部隊(duì),河南 洛陽 471000)

瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖的典型特征是無載頻時(shí)域脈沖,是當(dāng)前強(qiáng)電磁脈沖技術(shù)領(lǐng)域研究的重要方向之一,既包含有上升時(shí)間數(shù)納秒、脈寬數(shù)十納秒的高空核電磁脈沖輻射場,又包括脈寬數(shù)百皮秒至數(shù)納秒的雙極或多極超寬譜高功率微波輻射場,頻譜覆蓋范圍為千赫至數(shù)吉赫,峰值電場強(qiáng)度為數(shù)百伏每秒至數(shù)百千伏每秒[1]。為實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖電場參數(shù)的準(zhǔn)確測量,通常要求測量系統(tǒng)在頻域性能上,帶寬覆蓋待測脈沖主頻范圍;在時(shí)域性能上,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于待測脈沖前沿時(shí)間的1/3,這對測量系統(tǒng)提出很高要求。

對于瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)校準(zhǔn),參照目前國軍標(biāo)《GJB 8218-2014高功率超寬譜脈沖輻射場測量方法》要求,短脈沖電場計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具備比測量系統(tǒng)本身更快的響應(yīng)時(shí)間及更寬的工作帶寬等[2]。當(dāng)前,國內(nèi)對瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)校準(zhǔn)主要采用橫電磁波(transverse electromagnetic ,TEM)小室、吉赫茲橫電磁波(GHz transverse electromagnetic,GTEM)室和單錐TEM室,TEM小室最高工作頻率僅為200 MHz,對應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)時(shí)間在納秒量級。GTEM室工作頻率雖能達(dá)到吉赫量級,但受內(nèi)部電場高次模及場分布均勻性等影響,目前在IEEE Std 1309-2013中明確不推薦其作為電磁脈沖電場計(jì)量裝置。單錐TEM室是錐形傳輸線的具體實(shí)現(xiàn)形式,響應(yīng)時(shí)間達(dá)數(shù)十皮秒,理論工作頻率覆蓋范圍至20 GHz,是當(dāng)前IEEE等國際標(biāo)準(zhǔn)組織推薦的超快短脈沖標(biāo)準(zhǔn)電場產(chǎn)生裝置[3]。

國外,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(National Institute of Standards and Technology, NIST)采用單錐TEM室作為瞬態(tài)電磁脈沖電場探頭計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,開展了D-dot和B-dot等系列電磁脈沖傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。全俄光學(xué)物理計(jì)量研究院(National Institute of Optical and Physical Measurement Technology, VNIIOFI)基于鏡面單錐TEM室構(gòu)建了俄羅斯國家基準(zhǔn)GET 178-2016,該設(shè)備采用黃銅制造,錐體母線長為0.68 m、錐角為94.8°,特征阻抗為50 Ω,其內(nèi)部電場強(qiáng)度為100 V·m-1量級,電場強(qiáng)度擴(kuò)展不確定度小于3%。2008年,韓國國家計(jì)量科學(xué)研究院(Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS)建立了母線長為2.7 m的長單錐TEM室,該裝置半錐角為4°,特征阻抗為200 Ω,鏡面板為5 m×5 m的方形機(jī)構(gòu),適用傳感器標(biāo)定的頻率范圍為100 MHz～18 GHz[4-6]。

國內(nèi)基于單錐TEM室開展電場測量探頭校準(zhǔn)技術(shù)的研究單位包括清華大學(xué)、國家計(jì)量院、中國信息通信研究院等[7-9]。2015年,清華大學(xué)建成了母線長為1.2 m鏡面單錐TEM室,2018年清華大學(xué)和本單位共同參與完成了與俄羅斯全俄光學(xué)物理計(jì)量研究院單錐TEM室的聯(lián)合比對試驗(yàn)。2022年,中國信息通信研究院初步開展了母線長為0.7 m的電阻陣列加載單錐TEM室,并將其用于瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)校準(zhǔn)和設(shè)備電磁兼容性測試等。本單位是國內(nèi)最早開展單錐TEM室技術(shù)研究的單位,目前已建成包括母線長為1.5 m的單錐TEM室和母線長為0.9 m的電阻陣列加載單錐TEM室,先后用于多類瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖電場測量系統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)[10-12],并在2015年和2018年先后完成與俄羅斯全俄光學(xué)物理與測量研究所(VNFFOI)國家基準(zhǔn)裝置的實(shí)驗(yàn)室比對工作[13]。

與其他類型標(biāo)準(zhǔn)場裝置相比,單錐TEM室具有優(yōu)異的時(shí)域響應(yīng)性能和電場均勻分布特性,在當(dāng)前瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖電場測量探頭校準(zhǔn)中極具應(yīng)用潛力。本文詳細(xì)介紹了本單位在瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖電場測量校準(zhǔn)領(lǐng)域的研究歷程及相關(guān)探頭校準(zhǔn)裝置的研究工作,給出了母線長為1.5 m的單錐TEM室、母線長為1.5 m的電阻陣列加載的單錐TEM室和母線長為0.9 m的電阻陣列加載無反射單錐TEM室技術(shù)參數(shù),討論分析了單錐TEM室用于強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)探頭校準(zhǔn)的相關(guān)結(jié)果,展望了后續(xù)電場測量探頭校準(zhǔn)技術(shù)研究方向。

1 母線長為1.5 m的單錐TEM室

目前,國內(nèi)外對電場探頭的校準(zhǔn)和標(biāo)定主要依據(jù)是IEEE Std 1309-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3種電場探頭校準(zhǔn)方法:一是通過使用可溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn);二是通過使用理論計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)電磁場對電場探頭進(jìn)行校準(zhǔn);三是通過使用參考標(biāo)準(zhǔn)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)[3]。單錐TEM室是本單位重點(diǎn)發(fā)展的瞬態(tài)電場探頭校準(zhǔn)裝置,屬于第二種校準(zhǔn)方法,即將待校準(zhǔn)電場探頭放入產(chǎn)生電磁場的裝置中,該裝置產(chǎn)生的電場強(qiáng)度可通過裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸入電壓計(jì)算得出,通過把電場強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較,以此來校準(zhǔn)電場探頭并給出準(zhǔn)確的探頭靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)。

2010年本單位研制成功了第一代單錐TEM室及集成電光式瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng),如圖1所示。TEM室主要由鏡面板、錐體、饋電結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成,單錐TEM室錐體母線長度為1.5 m,錐角為94.7°,鏡面板邊長為3 m,特征阻抗為50 Ω,饋電結(jié)構(gòu)為SMA接口,饋電端口響應(yīng)時(shí)間小于80 ps,對應(yīng)的理論最大時(shí)間窗口為10 ns;本單位自研用于單錐TEM室內(nèi)電場測量的集成電光式瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)包括:前端探頭、傳輸光纖和接收機(jī),測量系統(tǒng)工作帶寬為1 kHz～2.8 GHz,響應(yīng)時(shí)間為120 ps,前端探頭為圓盤型結(jié)構(gòu),圓盤半徑為5 cm、厚度為2 cm。

(a) TEM cell

(b) Measurement system

脈沖源產(chǎn)生短脈沖后通過同軸線和饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)入由錐體和鏡面板構(gòu)成的錐形傳輸線內(nèi),從而形成參數(shù)已知的短脈沖標(biāo)準(zhǔn)電場。與其他電場產(chǎn)生裝置相比,該標(biāo)準(zhǔn)電場參數(shù)是在給定參數(shù)下基于電磁場方程解析計(jì)算給出的,且所涉及的物理量均可溯源至國際單位制SI,電場強(qiáng)度具體可表示為

(1)

其中:Vs(t)為激勵(lì)脈沖源輸出電壓;T為脈沖源到單錐裝置的傳輸系數(shù);θ為P點(diǎn)與原點(diǎn)的連線和y軸的夾角;θh為錐體的半錐角;r·sinθ為觀察點(diǎn)與饋電點(diǎn)在鏡面的投影距離;L為單錐母線長度;c為光速。

圖2為單錐TEM室內(nèi)短脈沖電場測量結(jié)果和激勵(lì)脈沖波形的歸一化結(jié)果比較。其中,單錐TEM室激勵(lì)脈沖源采用雙極性脈沖源,脈沖源峰峰值幅度為2.3 kV,上升時(shí)間約為800 ps,峰峰值時(shí)間差為2 ns。集成電光式瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)放置于圖1中的P點(diǎn)(θ=70 °,r=0.6 m),根據(jù)式(1)分析可知,P點(diǎn)至少可提供6 ns的測量時(shí)間窗。由圖2中P點(diǎn)實(shí)際測試結(jié)果可見,在給定的雙極性脈沖源激勵(lì)下,單錐TEM室實(shí)測電場波形在圖2中的時(shí)間軸坐標(biāo)在-1～5 ns范圍內(nèi),確實(shí)提供了共計(jì)約6 ns的有效時(shí)間窗,在該時(shí)間窗范圍內(nèi)電場強(qiáng)度幅度和波形等參數(shù)精確已知,末端反射脈沖沒有對其造成影響。同時(shí),圖2中t>5 ns時(shí),能看出較為明顯的錐體末端反射疊加,從而造成測量波形與激勵(lì)波形的差異。

圖2 單錐TEM室內(nèi)短脈沖電場測量結(jié)果和激勵(lì)脈沖波形的歸一化結(jié)果比較Fig.2 Normalized comparison of short pulse electric field measurement results and excited pulse waveforms in monocone TEM cell

由上述結(jié)果可知,單錐TEM室作為短脈沖標(biāo)準(zhǔn)場具有響應(yīng)時(shí)間快、電場參數(shù)精確已知和軸對稱結(jié)構(gòu)有利于抑制高次模等優(yōu)勢,可用于瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)靈敏度和波形保真性能標(biāo)定等,但受限于單錐TEM室末端反射疊加造成的波形畸變,僅能在一定時(shí)間窗范圍內(nèi)提供參數(shù)已知的標(biāo)準(zhǔn)場,若能消除TEM室末端低頻反射,有效解決單錐的時(shí)間窗問題,其應(yīng)用范圍可得到極大拓展。

2 母線長為1.5 m的電阻陣列加載單錐

TEM室

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]中單錐TEM室饋電點(diǎn)輸入反射系數(shù)S11參數(shù)測試分析結(jié)果,造成單錐TEM室末端反射的主要原因是激勵(lì)脈沖低頻無法有效輻射,解決單錐TEM室低頻反射的有效方法是進(jìn)行末端電阻陣列加載。

第二代電阻陣列加載單錐TEM室原型裝置于2018年研制成功,以驗(yàn)證電阻陣列加載技術(shù)的可行性。圖3和圖4分別為基于等相位面電阻陣列加載單錐TEM室及其應(yīng)用于探頭校準(zhǔn)時(shí)的現(xiàn)場。

圖3 電阻陣列加載單錐TEM室Fig.3 The resistively loaded monocone TEM cell

圖4 電阻陣列加載單錐TEM室應(yīng)用于探頭校準(zhǔn)時(shí)的現(xiàn)場Fig.4 The application for resistively loaded monocone TEM cell

該裝置鏡面板采用半徑為1.5 m金屬板,錐體由母線長為0.4 m、半錐角為94.7°的實(shí)心錐及長為1.1 m的圓臺金屬拉線陣構(gòu)成,外部支撐結(jié)構(gòu)采用木質(zhì)材料。其中,錐體末端電阻陣列采用并聯(lián)8排400 Ω電阻均勻布置,每排7個(gè)57 Ω無感電阻均勻串聯(lián)在雙折型金屬細(xì)桿上,該細(xì)桿上下節(jié)分別與錐體切面和鏡面金屬板相互垂直,確保該金屬細(xì)桿能以最大效率將單錐TEM室中無法輻射的低頻信號耦合至加載電阻回路,實(shí)現(xiàn)電阻陣列對低頻信號的有效吸收。

圖5為陣列加載前后TEM室饋電端口輸入反射系數(shù)S11實(shí)測結(jié)果。由圖5可見,加載后饋電端口的S11系數(shù)最大值由未加載前的0 降低至-23 dB,表明單錐TEM室末端低頻反射得到有效抑制。為進(jìn)一步驗(yàn)證加載后單錐TEM室性能參數(shù),采用與第1節(jié)相同的雙極性脈沖源激勵(lì)單錐TEM室,在P點(diǎn)(θ=70 °,r=0.6 m)采用集成電光式瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)實(shí)測波形與激勵(lì)波形的歸一化結(jié)果比較,如圖6所示。

圖5 電阻陣列加載前后TEM室饋電端口S11實(shí)測結(jié)果Fig.5 Comparison of S11 of TEM cell feeding port before and after resistive loading

圖6 電阻陣列加載后單錐TEM室激勵(lì)和實(shí)測波形歸一化結(jié)果比較Fig.6 Comparison of normalized results of excited and measured waveforms after resistive loading

由圖6可見,與圖2中激勵(lì)波形僅能在有效時(shí)間窗范圍內(nèi)保持一致不同,加載后的單錐TEM室內(nèi)P點(diǎn)實(shí)測波形與激勵(lì)波形在脈沖持續(xù)全過程中基本保持一致,表明單錐TEM室加載電阻陣列后,即使超出當(dāng)前單錐TEM最大時(shí)間窗10 ns范圍,測量系統(tǒng)實(shí)測波形與激勵(lì)波形依舊吻合較好,即電阻陣列加載方法改善了TEM室末端低頻響應(yīng)特性,有效解決了影響傳統(tǒng)單錐TEM室拓展應(yīng)用的最大障礙,即時(shí)間窗問題,具備從直流至數(shù)吉赫范圍內(nèi)開展電場傳感器時(shí)頻域聯(lián)合一體化高精度標(biāo)定的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 母線長為0.9 m的電阻陣列加載無反射 單錐TEM室

電阻陣列加載方法有效解決了單錐TEM室末端反射帶來的時(shí)間窗問題,極大拓展了單錐TEM室的使用范圍。但值得注意的是,利用該加載方法處理高頻信號時(shí),采用了輻射至自由空間避免反射信號造成內(nèi)部電場波形畸變的方法,在實(shí)際應(yīng)用中要求單錐TEM室周圍數(shù)十米內(nèi)不能存在明顯反射體?？紤]現(xiàn)實(shí)中標(biāo)準(zhǔn)場周邊較近距離上很有可能存在建筑物、人員及其他電磁散射體,因此很難滿足該要求。不僅如此,實(shí)際的外界電磁環(huán)境是復(fù)雜的,這種開放式結(jié)構(gòu)很難屏蔽外界干擾信號進(jìn)入單錐TEM室,從而給測試結(jié)果可能帶來不確定性。有效的解決方案是在TEM室外圍加裝無反射暗室,共同構(gòu)成電阻陣列加載無反射單錐TEM室,即通過電阻陣列吸收單錐TEM室的末端低頻信號,通過無反射暗室吸收單錐TEM室對外輻射高頻信號,無反射暗室外部金屬結(jié)構(gòu)同時(shí)還可屏蔽外界干擾信號。

2023年,本單位研制成功第三代電阻陣列加載無反射單錐TEM室,圖7為電阻陣列加載單錐TEM室加裝無反射暗室后的現(xiàn)場圖,圖8為電阻陣列加載無反射單錐TEM室探頭校準(zhǔn)應(yīng)用場景。其中,單錐TEM室母線長為0.9 m,特征阻抗為50 Ω,饋電接頭采用SMA,TEM室外側(cè)電阻陣列加載方法與第2節(jié)中母線長為1.5 m的單錐TEM室相同。無反射暗室立面為高2.3 m的十六邊形圓柱結(jié)構(gòu),吸波材料錐尖與TEM室鏡面板最短距離為0.3 m,與錐體頂部距離為0.3 m,暗室下面與鏡面板距離為0.5 m,暗室內(nèi)部敷設(shè)高為8 cm角錐型鐵氧體吸波材料,吸波材料底部為5.2 mm厚鐵氧體瓦。

圖7 電阻陣列加載單錐TEM室加裝無反射暗室后的現(xiàn)場圖Fig.7 Resistively loaded monocone TEM cell in anechoic chamber

圖8 電阻陣列加載無反射單錐TEM室探頭校準(zhǔn)應(yīng)用場景Fig.8 Typical application scenario for resistively loaded monocone TEM cell in anechoic chamber

圖9為電阻陣列加載單錐TEM室加裝無反射暗室后的S11測試結(jié)果。

圖9 電阻加載單錐TEM室加裝無反射暗室后的S11測試結(jié)果Fig.9 The S11 of resistively loaded monocone TEM cell in anechoic chamber

由圖9可見,電阻陣列加載單錐TEM室置于無反射暗室后,饋電端口S11從直流至3 GHz范圍內(nèi)保持小于-19 dB的回波損耗,對應(yīng)的駐波系數(shù)小于1.25。同時(shí),為進(jìn)一步驗(yàn)證基于該新型結(jié)構(gòu)的電阻陣列加載無反射單錐TEM室的性能參數(shù),采用雙指數(shù)脈沖源作為激勵(lì)源,并利用瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖測量系統(tǒng)對單錐TEM室內(nèi)部電場進(jìn)行測量比對分析。該雙指數(shù)脈沖源用于模擬核電磁脈沖,輸出峰值為5 kV,脈沖上升時(shí)間為2.5 ns,脈沖半高寬為23 ns,遠(yuǎn)超過母線長為0.9 m的單錐TEM室6 ns的時(shí)間窗范圍。不僅如此,考慮到雙指數(shù)脈沖源中99%以上能量主要集中于直流至300 MHz頻譜范圍,而母線長為0.9 m的單錐TEM室未加載時(shí)很難將低頻信號有效輻射出去,因此采用該類寬脈沖激勵(lì)時(shí),能有效檢驗(yàn)加載后單錐TEM室的性能參數(shù)。

圖10為該單錐TEM室內(nèi)部P點(diǎn)(θ=90 °,r=0.5 m)位置處實(shí)測電場波形與激勵(lì)波形歸一化結(jié)果比較。由圖10可見,在該雙指數(shù)脈沖持續(xù)時(shí)間全過程范圍內(nèi),電場實(shí)測波形與激勵(lì)波形保持了高度一致,表明電阻陣列加載單錐TEM室配合無反射暗室后,依然可達(dá)到優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo),能有效滿足多類型脈沖電場測量探頭校準(zhǔn)的需求。

圖10 單錐TEM室實(shí)測和激勵(lì)波形歸一化結(jié)果比較Fig.10 Comparison of normalized results between measured and excited waveforms in monocone TEM cell

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)回顧了基于單錐TEM室的瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖電場測量探頭校準(zhǔn)研究歷程,給出了單錐TEM室從無加載到電阻陣列加載,再到電阻陣列和無反射暗室聯(lián)合加載的技術(shù)發(fā)展歷程。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,單錐TEM室以圓周對稱結(jié)構(gòu)、超快響應(yīng)時(shí)間和高精度電場參數(shù)等優(yōu)點(diǎn),為瞬態(tài)強(qiáng)電磁脈沖電場測量探頭校準(zhǔn)應(yīng)用提供了新的有效解決方案。不僅如此,電阻陣列加載技術(shù)和無反射暗室又使傳統(tǒng)單錐TEM室克服了末端低頻反射和高頻吸收問題,突破了傳統(tǒng)單錐TEM室時(shí)間窗限制,拓展了其在電場探頭校準(zhǔn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,為當(dāng)前直流至數(shù)吉赫范圍內(nèi)超快前沿、超寬頻帶測量系統(tǒng)時(shí)頻域參數(shù)一體化聯(lián)合精確標(biāo)定提供了有力手段。