王鵬飛，劉恩博，李賢靈，王海星，張宗兵，田清文

（廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司電磁兼容研究所，廣東 廣州 510656）

0 引 言

在當(dāng)前電子信息科技飛速發(fā)展的時(shí)代，強(qiáng)電磁脈沖因其具備能量強(qiáng)度大、峰值強(qiáng)度高、作用范圍極廣、破壞力強(qiáng)大等特點(diǎn)，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-6]。為了進(jìn)行電氣電子產(chǎn)品、武器裝備等抗電磁脈沖干擾能力的檢驗(yàn)、考核和驗(yàn)收，美國率先在美軍標(biāo)MIL-STD-461E 中提出了輻射敏感度實(shí)驗(yàn)方法。我國現(xiàn)有最新標(biāo)準(zhǔn)GJB 151B—2013 中的RS105 測試項(xiàng)也詳細(xì)規(guī)定了電磁脈沖測試的方法和等級[7]。國內(nèi)近些年來在強(qiáng)電磁脈沖領(lǐng)域，特別是關(guān)于強(qiáng)電磁脈沖模擬器的課題有很多的研究成果?？祵幍热死秒姶欧抡孳浖﨏ST 仿真了錐形結(jié)構(gòu)電磁脈沖模擬器試驗(yàn)裝置中場的分布，通過仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了模擬器的有效性[8]；黃劉宏等人利用CST 設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種由有界波模擬器和磁場線圈構(gòu)成的復(fù)合模擬器，并分析了有界波模擬器、線圈及屏蔽室殼體對空間電場及磁場的影響[9]；朱湘琴等人對大型水平極化電磁脈沖有界波模擬器的時(shí)域輻射場進(jìn)行了并行時(shí)域有限差分模擬[10]；謝霖?zé)龅热藢⒒贛PI 平臺的并行時(shí)域有限差分（FDTD）方法與基于完全磁導(dǎo)體（PMC）鏡像法相結(jié)合，并結(jié)合CST 模擬軟件，模擬給出分布式負(fù)載垂直極化有界波電磁脈沖（EMP）的外泄場的分布規(guī)律[11]。

上述研究已經(jīng)對一些類型的電磁脈沖模擬器進(jìn)行了仿真研究，但對平面金屬板有界波模擬器的仿真研究報(bào)道很少。該模擬器的過渡段上下對稱，能保證產(chǎn)生快前沿脈沖，并使得測試系統(tǒng)所占空間相對較??；而且該模擬器中的平行板段會使得有效測試空間相對較大。

鑒于平面金屬板有界波模擬器具有較大優(yōu)勢，本文以GJB 151B—2013 為依據(jù)，研究出一種用于RS105 測試項(xiàng)結(jié)果獲取的仿真方法。本文研究不僅能夠滿足用戶對RS105 測試項(xiàng)結(jié)果的需求，還可以利用該仿真方法獲取除RS105 測試項(xiàng)以外的更多電磁參數(shù)。因此，本文的研究結(jié)果對于電磁脈沖相關(guān)課題的研究有很大幫助。

1 RS105 項(xiàng)目測試場景

仿真設(shè)計(jì)的電磁脈沖模擬器的基本組成包括：激勵(lì)端、前后過渡段、平行板段、負(fù)載電阻等部分。模擬器總長5.20 m，激勵(lì)端上下平板的垂直距離為0.15 m，前后過渡段上下對稱，分別長1.927 m 和1.753 m，平行板上下之間高1.52 m，測試空間長0.8 m、寬0.7 m、高0.5 m，負(fù)載阻值為170（1±10%）Ω。RS105 項(xiàng)目試驗(yàn)場景見圖1。

圖1 RS105 項(xiàng)目試驗(yàn)場景

2 RS105 試驗(yàn)裝置及激勵(lì)源建模

2.1 RS105 試驗(yàn)設(shè)備仿真建模

基于CST 仿真軟件，將圖1 中的試驗(yàn)裝置進(jìn)行1∶1仿真建模，在模型激勵(lì)端的橫截面上添加偶極子天線，如圖2 所示。同時(shí)設(shè)置電壓激勵(lì)源，其波形為雙指數(shù)函數(shù)，波形如圖3 所示。脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)仿真模型如圖4所示。

圖2 仿真模型中的天線設(shè)置

按照GJB 151B—2013 的要求，仿真時(shí)仿真模型工作空間中的電場波形如圖5所示，場強(qiáng)限值為50 kV/m，允差為高于限值0～6 dB，電場為垂直極化，脈沖上升時(shí)間為1.8～2.8 ns；半峰值脈沖寬度為23 ns±5 ns。

2.2 空場時(shí)的仿真計(jì)算與測試對比

按照GJB 151B—2013 的要求，在測試空間垂直面上5 個(gè)柵格點(diǎn)場強(qiáng)需同時(shí)滿足RS105 限值。首先，在實(shí)驗(yàn)室用RS105 試驗(yàn)設(shè)備校驗(yàn)空場場強(qiáng)，使其場強(qiáng)波形滿足試驗(yàn)要求，校驗(yàn)波形如圖6 所示；然后，在CST 仿真軟件中用場探頭計(jì)算RS105 仿真模型空場時(shí)測試空間中垂直面上5 個(gè)柵格點(diǎn)場強(qiáng)，仿真結(jié)果如圖7 所示。仿真空場脈沖上升時(shí)間曲線如圖8 所示，仿真空場半峰值脈沖寬度波形如圖9 所示。

圖6 試驗(yàn)校驗(yàn)脈沖波形

圖7 仿真空場5 個(gè)柵格點(diǎn)場強(qiáng)波形

圖9 仿真空場半峰值脈沖寬度

由圖5～圖9 可知，RS105 試驗(yàn)設(shè)備仿真模型測試空間中電場的限值、上升時(shí)間、半峰值脈沖寬度均達(dá)到了測試要求，即該RS105 試驗(yàn)設(shè)備仿真模型滿足實(shí)際測試需求。

3 仿真計(jì)算與測試結(jié)果對比

3.1 仿真計(jì)算與測試試驗(yàn)

用仿真分別計(jì)算出空場和有機(jī)箱時(shí)測試空間中6 個(gè)點(diǎn)的場強(qiáng)，有機(jī)箱時(shí)測試的6 個(gè)點(diǎn)的位置如圖10所示。

圖10 有機(jī)箱時(shí)測試空間中6 個(gè)點(diǎn)的位置

按照機(jī)箱模型等比例制作一個(gè)實(shí)際機(jī)箱，機(jī)箱模型如圖11 所示。

圖11 機(jī)箱模型

同時(shí)依據(jù)GJB 151B—2013 的測試步驟分別測出空場和有機(jī)箱時(shí)RS105 試驗(yàn)設(shè)備中對應(yīng)的6 個(gè)點(diǎn)的場強(qiáng)。用場強(qiáng)探頭計(jì)算測試空間中的場強(qiáng)及測量測試空間中某一點(diǎn)場強(qiáng)示意圖分別如圖12、圖13所示。

圖12 用場強(qiáng)探頭計(jì)算測試空間中的場強(qiáng)

圖13 測量測試空間中某一點(diǎn)的場強(qiáng)

3.2 仿真與測試結(jié)果對比

測試空間中的仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 測試空間中的仿真結(jié)果

測試空間中的測試結(jié)果如表2 所示。

f=30 MHz 空場和有機(jī)箱時(shí)的電場分布圖分別如圖14、圖15 所示。

圖14 f=30 MHz，空場時(shí)的電場分布

圖15 f=30 MHz，有機(jī)箱時(shí)的電場分布

由表1 和表2 可看出，RS105 試驗(yàn)設(shè)備測試空間中的電場分布基本均勻，沿傳播方向電場逐漸減小，而且電場關(guān)于測試系統(tǒng)中心的軸線呈對稱分布。而當(dāng)測試空間中有機(jī)箱時(shí)，機(jī)箱會影響測試空間的場強(qiáng)。根據(jù)表1 和表2 中仿真場強(qiáng)差值ΔE和測試場強(qiáng)差值ΔE′，再根據(jù)計(jì)算式ΔE′′=20lg()ΔEΔE′ 得到仿真與測試之間的誤差ΔE′′，如表3 所示。由表3 可看出，仿真計(jì)算與測試結(jié)果之間的誤差很小，這表明RS105 試驗(yàn)設(shè)備仿真模型的準(zhǔn)確度較高，誤差主要是由測試環(huán)境中金屬物對電磁波的反射所引起，反射波會影響測試空間中的場強(qiáng)。

表3 仿真與測試的誤差

4 結(jié) 語

本文以GJB 151B—2013 標(biāo)準(zhǔn)為前提，通過仿真與實(shí)測相結(jié)合的方法，利用電磁仿真軟件CST，對平面金屬板有界波模擬器的仿真進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，無論是空場還是有相應(yīng)物時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果都非常接近。本文給出的強(qiáng)電磁脈沖發(fā)生器的仿真方法能在很大程度上實(shí)現(xiàn)RS105 試驗(yàn)設(shè)備虛擬化，大大簡化了試驗(yàn)過程。同時(shí)，利用該仿真方法可打破RS105 測試項(xiàng)的局限，獲取設(shè)備級、系統(tǒng)級和板級更豐富的強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)電磁參數(shù)。因此，本文的仿真方法能在很大程度上滿足用戶的需求。