“春雷”号模拟装置新传输线的传输特性

谢霖燊，石跃武，张国伟，王 伟，朱志臻，陈维青

(西北核技术研究所,西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)

“春雷”号模拟装置新传输线的传输特性

谢霖燊，石跃武，张国伟，王 伟，朱志臻，陈维青

(西北核技术研究所,西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)

对“春雷”号有界波电磁脉冲模拟装置的传输线进行了设计改造，新传输线长27 m, 宽10 m，高6 m， 采用锥板接分布式负载结构。对模拟装置新传输线的传输性能进行了实测与仿真计算。结果表明：新传输线负载电阻链形成的反射波叠加在波形后延，引起宽脉宽HEMP波形的畸变。同时，新传输线工作空间的电场分布不均匀，与仿真结果相差较大，最大偏差可达18%。

“春雷”号；高空核电磁脉冲；电磁脉冲模拟器；有界波；传输线

近几十年来，随着对高空核爆电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse，HEMP)的深入认识和标准的逐步修订[1-3]，新的IEC 61000-2-10高空核爆电磁脉冲环境标准得到广泛认可，由此引起模拟、测量等试验手段的变化。有界波模拟器是模拟HEMP早期辐射环境的装置，广泛应用于电子设备和分系统电磁脉冲(electromagnetics pulse，EMP)辐射敏感度测试，屏蔽室电磁脉冲屏蔽效能测试等。“春雷”号电磁脉冲模拟装置是国内仅有的几台有界波模拟器之一[4-5]。该模拟器指标为前沿10 ns，半宽为500 ns。对“春雷”号进行了升级改造，使其输出波形符合新标准,前沿2.5 ns，半宽23 ns及前沿5 ns，半宽80 ns，拆除了原有的锥板加平行段结构传输线，采用锥板段直接接分布式负载的结构，以锥板段作为工作空间，充分利用了空间，降低了工程造价。但这种结构的传输线整个工作空间的高度是变化的，因而场强也是变化的；并且分布式负载的吸收特性会影响工作空间的场波形。因此，本文对新传输线的传输特性进行试验测量和仿真计算，研究结果对模拟器传输线设计和效应研究具有重要的参考价值。

1 新传输线结构

为充分利用空间，传输线采用锥板加分布式负载结构，新传输线模拟装置结构，如图1所示。传输线总长27 m，前锥长20 m，后锥长7 m，最宽处传输线宽10 m，高6 m。传输线采用玻璃钢作为支撑柱材料，上极板采用100根钢丝绳，钢丝绳间最大间隙100 mm，地极板由不锈钢拉板网制成，并由不锈钢板封边。在锥板段传输线的宽高比保持一致，传输线张角约为18.2°。“春雷”号模拟装置新传输线实物，如图2所示。

图1 模拟装置结构示意图Fig.1Schematic diagram of the EMP simulator

图2 “春雷”号模拟装置新传输线实物图Fig.2Photo of the new “Spring-Thunder” EMP simulator transmission line

根据以下传输线阻抗计算公式[4,6]，可得传输线的特征阻抗约为138 Ω。

式中，Zg为传输线特征阻抗，Ω；h为传输线高度， m；w为传输线宽度，m。

传输线采用分布式负载，分布式负载的匹配吸收效果较好，能有效改善电磁脉冲波形；而且分布式负载网络的电阻链之间存在空隙，有利于高频波直接透射[7-8]。通过分析传输线上电流分布均匀性，可计算得到各负载分别对应的锥板宽度[9]，如表1所列。

表1 接负载的锥板宽度Tab.1Width of subulate plank for terminal load connection

根据表1确定了12条电阻链对应的锥板宽度和位置，每条电阻链由17个100 Ω电阻串联而成，电阻之间采用铜线连接，电阻均匀分布在电阻链上，负载电阻链实物，如图3所示。

图3 负载电阻链实物图Fig.3Photo of the terminal load chain

2 试验与仿真结果

2.1负载电阻链的反射

模拟装置可产生2种HEMP标准波形，在距离负载电阻链7 m的位置所测波形，如图4所示。2种波形在波形后延相同位置存在反射峰，反射峰出现的时间与峰值时刻相差约45 ns。根据电磁波传输时间计算反射位置，可确定是负载电阻链造成的反射。对于宽脉宽的HEMP波形，负载造成的反射峰叠加到波形后延，使得所测波形脉宽展宽，并且在工作空间不同位置所测波形的脉宽都不相同。

图4 模拟装置产生的2种HEMP标准波形实测结果Fig.4The measured results of two HEMP standards waveform

利用电磁场仿真计算软件，建立了“春雷”号模拟装置新传输线的仿真模型，如图5所示，模型尺寸与实际尺寸相同。

图5 “春雷”号模拟装置新传输线仿真模型Fig.5The model of new transmission line of “Spring-Thunder” bounded-wave simulator

用电阻与电感串联等效负载链，并考虑电阻的空间尺寸，同一位置条件下，仿真计算得到的波形与实测波形，如图6所示，二者基本相同。而当电阻链等效为纯电阻，并且电阻链个数减小到6个时，仿真计算得到理想波形，如图7所示，后延的反射峰基本可忽略。因此，应进一步改进电阻链结构和所用电阻，减小负载电阻链的电感以及空间尺寸的影响造成的反射。而在现有负载条件下，在模拟装置上采用宽脉宽的HEMP标准波形进行效应试验时，负载反射对场波形的影响不可忽略。

图6 新传输线仿真结果与实测波形比较(归一化处理)Fig.6Comparison of measured and simulation waveforms of new transmission line

图7 新传输线仿真计算的理想波形Fig.7Ideal simulation waveform of new transmission line

2.2工作空间场分布

工作空间场分布是表征传输线传输特性的重要参数，也是进行效应试验前应获取的重要数据。图8(a)为模拟装置新传输线工作空间场分布的实测结果。图8(b)为利用仿真软件计算的新传输线工作空间的场分布。两个结果归一化的参考点都是位于传输线11 m中心处。实测的场分布结果表明，场强幅值随传输线高度的增加而线性衰减，这与仿真结果基本相同。但是中轴线两边±3 m的工作空间内，仿真结果可视作均匀场。而实测结果表明，场强幅值最大偏差可达18%。因此，在进行效应试验时，必须考虑试件尺寸和放置位置对选取作用在试件上的等效场强幅值的影响。

(a)Practical result

(b)Simulation result

3 结论

“春雷”号电磁脉冲模拟装置改造后的新传输线采用锥板加分布式负载的结构。新传输线前锥长20 m，后锥长7 m，最宽处10 m，最高处6 m，此结构充分利用了场地空间，但负载电阻链形成的反射波叠加在波形后延，引起宽脉宽的HEMP波形的畸变，造成传输线不同位置所测得波形的脉宽不一致。在进行效应试验时，该影响不可忽略。新传输线场分布实测结果表明，工作空间内场强幅值最大偏差可达18%，因此，在进行效应试验时，必须考虑试件尺寸和放置位置对选取作用在试件上的等效场强幅值的影响。下一步，将继续改进负载链结构形式和负载电阻，减小负载电阻链电感对波形反射的影响。

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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

谢霖燊(1982- )，男，福建龙岩人，助理研究员，硕士，主要从事脉冲功率和电磁脉冲模拟产生技术研究。

E-mail:xielinshen@nint.ac.cn

TM27

A

2095-6223(2016)040501(4)