定向辐射式核电磁脉冲场模拟器的研制

范丽思 王赟 周星 万浩江

(军械工程学院静电与电磁防护研究所, 石家庄 050003)

定向辐射式核电磁脉冲场模拟器的研制

范丽思 王赟 周星 万浩江

(军械工程学院静电与电磁防护研究所, 石家庄 050003)

针对大型受试设备核电磁脉冲抗扰度试验评估要求,研制了基于Marx发生器脉冲源和横电磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)喇叭天线的可移动、极化方向可调的定向辐射式核电磁脉冲模拟器. 实验分析了不同极化方向和终端负载对脉冲波形的影响,确定了定向辐射式核电磁脉冲模拟器的均匀区域. 结果表明:辐射电磁脉冲场可用区域为近场区域,随着与口径面距离的增大,峰值场强近似按1/d2衰减,脉冲宽度显著减小;与传输式模拟器相比，辐射式核电磁脉冲模拟器具有更大的均匀区域,更适合大型设备电磁脉冲抗扰度试验.

高空核电磁脉冲;电磁脉冲模拟器;TEM天线;双指数脉冲;匹配负载;辐射场

DOI 10.13443/j.cjors.2016112102

引 言

核电磁脉冲场模拟器通常由脉冲源和电磁场形成装置两大部分组成,根据使用的场形成装置不同可以分为传输式和辐射式两种[1-3].传输式核电磁脉冲场模拟器通常采用平行板、吉赫横电磁波(Gigahertz Transverse Electro Magnetic,GTEM)和横电磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)室等传输线作为电磁脉冲场形成装置,在传输线中形成与脉冲源波形一致的电磁脉冲场[4-5].传输式核电磁脉冲场模拟器产生的电磁脉冲波形上升沿受传输线长度的限制,脉冲上升沿不可能太陡[6-7].此外,传输式核电磁脉冲场模拟器测试空间有限,极化方向不可调,限制了大型设备抗扰度试验研究[8].辐射式核电磁脉冲场模拟器通常采用双锥天线、笼形天线或圆锥天线等作为场形成装置,通过辐射的方式产生电磁脉冲场[9-11].此类模拟器能辐射具有快上升沿的脉冲,通常体积庞大,可对大型设备进行辐照试验,但架设困难、造价高昂、辐射方向性较差、脉冲功率利用率较低[12].

目前,国内外传输式核电磁脉冲场模拟器技术已经日臻成熟,在建或在用的大多为传输式模拟器,但对辐射式核电磁脉冲场模拟器的研究相对较少[13].为此,研制低成本、小型化、轻重量、可移动、极化方向可调、方向性较好的辐射式核电磁脉冲场模拟器更具有现实意义和实用价值.

本文研制的辐射式核电磁脉冲场模拟器要求辐射场波形上升时间为1.8～2.8 ns,半波宽度大于100 ns.未采用IEC61000-2-9最新RS105波形主要是考虑到TEM天线低频辐射能力有限,拟用增大脉冲宽度的方法来增加辐射脉冲的低频成分.

1 定向辐射式核电磁脉冲场模拟器结构与原理

定向辐射式核电磁脉冲场模拟器主要由快沿脉冲源、TEM天线和升降装置构成,如图1所示.脉冲源放置在移动脉冲源升降平台上.TEM天线安装在移动天线升降平台上.两个升降台相互配合可以方便地改变天线的张角大小,从而改变天线测试区域的大小.通过改变天线的布设方向可以方便地改变天线的极化方式,从而可用一套模拟器产生垂直和水平两种极化的脉冲电磁场.

图1 定向辐射式核电磁脉冲模拟器原理图

1.1 Marx发生器的设计与研制

利用Marx发生器可以产生比较理想的双指数脉冲,再通过脉冲前沿锐化装置,可以实现快沿电磁脉冲的模拟.所以定向辐射式核电磁脉冲场模拟器采用了Marx发生器提供高压脉冲.

Marx发生器采用了六级双边充电的设计,其原理如图2所示.试验变压器输出工频高压,经高压硅堆整流后为Marx发生器提供充电电压.Marx发生器采用气体火花间隙开关,其中S1为触发开关.为增大触发范围S1采用轨道滑动结构,触发过程中活动电极在外力推动下沿轨道滑动,间隙减小,当开关间隙场强超过击穿场强时触发放电过程.

本脉冲源采用同轴锐化结构,同轴结构的分布电容作为锐化电容.S7在高压过压下击穿,对锐化电容Cp充电,当锐化电容上的电压上升到一定值后,锐化开关击穿,达到锐化脉冲前沿的作用.

脉冲源实物如图3所示,整个Marx发生器放置在油箱内.油箱和同轴锐化电容充满高纯度变压器油.

图2 辐射式核电磁脉冲模拟器结构图

图3 Marx发生器实物照片

脉冲的上升时间由锐化开关和锐化电容构成的放电回路电感决定,上升时间tr≈2.2L/R,L为回路的电感,R为负载.脉冲的半峰值时间由Marx发生器的等效总电容和负载电阻决定,半峰值时间tW≈0.7RCm,Cm为Marx发生器的总放电电容,Cm=C/n,C为每级电容的电容值,n为电容的数目.

只要整个放电回路的电感足够小,合理选用锐化电容和主放电电容,就可以在Marx发生器的输出端得到比较理想的双指数脉冲.而正、负双极性充电的Marx线路,缩短了Marx发生器的充电时间,火花隙开关数目可以减少一半,且体积也有较大减小,因此回路电感大大减小.

下面分别对Marx发生器各个部件进行分析.

1.2 触发开关

触发开关作为Marx发生器电路的第一级开关,主要用于触发冲击电压发生器的放电过程.为拓宽触发开关的触发范围,脉冲源采用轨道滑动的气体火花间隙触发开关.

本文研制的轨道滑动气体火花间隙触发开关采用气缸驱动,如图4所示.触发开关主要由开关外壳、固定电极、滑动电极、滑动导轨和微型气缸组成.开关的固定电极固定在基座上,滑动电极安装在滑动导轨上,在气缸的推动下滑动电极沿导轨滑动.触发开关安装在Marx发生器的第一级,如图5所示.利用电磁阀控制气缸运动,电磁阀加电后气缸驱动滑动电极沿滑动导轨滑动,固定电极和滑动电极之间的距离减小,从而触发放电过程.该气体火花间隙触发开关结构简单,工作电压范围大,解决了目前气体火花间隙触发开关工作电压范围小的问题.

图4 气体间隙触发开关结构图

图5 气体火花间隙触发开关连接示意图

1.3 锐化开关

脉冲源采用分布参数锐化电容整形方案,即利用同轴线等效的电容来对Marx发生器输出的脉冲进行锐化.这种方案的优点在于分布参数锐化电容电感可以做到很小,从而可以减小整个回路的电感和电磁脉冲的上升时间.整个锐化装置由分布参数锐化电容器和锐化开关构成[14].单位长度分布电容为:

(1)

式中:ε0为真空介电常数,ε0=8.85×10-12F/m;a为同轴线芯线直径;b为同轴线外筒内直径.在本脉冲源设计过程中,b/a=5,取变压器油相对介电常数εr=2.3,根据式(1)可以得到单位长度电容值为79.47 pF/m,取同轴线的长度约为1 m,则锐化电容约为80 pF.

采用分布参数锐化电容器既起到锐化作用,又便于Marx发生器与天线之间的连接.

1.4 辐射天线的设计与优化

采用细铝管架设成一定角度,构成TEM喇叭天线,如图6所示.为增加天线的低频辐射能力,天线的末端采用卷边结构,增大了电流流通路径,从而可以有效增大天线低频辐射能力[15].卷边TEM喇叭天线长度L为6 m,宽度W为6 m,高度H=4 m,卷边半径r为0.5 m.Marx发生器产生激励脉冲,并通过同轴锐化回路进一步锐化,再激励TEM喇叭天线辐射出相应的电磁脉冲环境.

为减小天线终端反射,在天线的末端加载吸收电阻,电阻的选取对辐射波形有重要影响.因此,电阻的阻值应与TEM天线的阻抗相匹配.

图6 卷边TEM天线示意图

2 试验结果与分析

利用光纤场强计测量辐射脉冲场波形,光纤场强计的天线系数为106/m.光纤场强计探头放置在辐射场区域,光接收机和示波器放置在屏蔽室内.整个试验过程中Marx发生器的输出电压为1 MV.下面分析快沿电磁脉冲辐射场试验结果及其影响因素.

2.1 辐射波形

天线垂直架设,测量距离口径面3 m位置的电场波形如图7所示.测得脉冲波形为双指数波,上升时间大约2.4 ns,半峰值宽度为121.6 ns,脉冲峰值场强为131.4 kV/m．从测量结果来看,脉冲宽度略小于核电磁脉冲BELL波形要求,关于满足IEC 61000-2-9要求的定向辐射式模拟器目前正在研究中.从测量波形可以得出,测得的波形与有界波模拟器内的波形相似,说明在3 m位置处测得脉冲场波形仍为感应场,与脉冲源输出波形相似,只是在下降沿略有过零.

图7 天线垂直极化3 m处辐射脉冲波形

图8 天线水平极化3 m处辐射场

天线水平架设,测得距离口径面3 m位置的电场波形如图8所示.测量波形近似为双指数波,波形参数基本满足设计要求.但与垂直极化相比,天线水平架设时测得的脉冲波形相对较差,下降沿有比较大的振荡,这可能是因为天线水平架设时受到地面的反射较大造成的[16].

2.2 辐射波形与终端负载的关系

比较终端负载分别为100 Ω、200 Ω和300 Ω时距离口径面3 m位置辐射场波形如图9所示.从测量结果来看,终端负载不同辐射场波形不同,在终端负载为100 Ω,测得的波形为欠阻尼振荡波.随着终端负载的增大,脉冲场的脉冲宽度增大.因为在距离口径面3 m位置辐射场为感应场,与脉冲源输出波形相同,因此可以根据有界波模拟器的计算方法确定天线的终端负载,参考有界波模拟器的终端负载计算方法,TEM天线的终端负载大约在100～300 Ω之间选择.

图9 不同天线末端电阻条件下波形比较(距口径面3 m)

2.3 辐射波形与距离的关系

将光纤场强计放置在口径面中心轴线位置上,沿辐射方向前后移动探头,分别测量口径面及距离口径面1 m、3 m、5 m、7 m、8 m和10 m位置的峰值场强,如图10所示.距离口径面1 m位置的峰值场强大约为200 kV/m.假设场强计距离口径面的距离为d,峰值场强近似按1/d2衰减,在距离口径面9 m处峰值场强衰减到50 kV/m.因此,在距离径面 5 ～10 m内50 kV/m辐射场强均匀性可达±3 dB.调节Marx发生器的充电电压,也可以有效地改变各个测试位置的峰值场强.

口径面及距离口径面1 m、3 m、5 m、7 m、8 m和10 m位置的辐射脉冲场半波宽度,如图11所示.随着距离口径面距离的增大,脉冲宽度减小.这是因为在距离口径面较近时,辐射场主要为感应场,随着距离的增大,辐射场的感应场成分减小,所以脉冲宽度减小.在距离口径面10 m位置辐射场测量波形如图12所示,从测量结果可以看出在10 m位置的脉冲波形近似为脉冲源输出双指数的微分波形,所以脉冲宽度大大减小,而且在尾部有较大的衰减振荡.

图10 峰值场强与距离的关系曲线

图11 半波宽度与距离的关系曲线

图12 10 m位置的脉冲波形

2.4 辐射场均匀性测试

为了获得辐射场的分布情况和场均匀性,在平行于口径面且距口径面3 m远处的平面上选择了16个位置利用宽带电场脉冲测试系统进行测试.探头位置分布如图13所示,测试区域中心位置O在TEM天线中心轴线上,测试点间距2 m.TEM天线垂直极化,保持Marx发生器的输出电压为1 MV,逐次测量16个测试点的峰值场强,测量结果如表1所示.16个测试点的峰值场强分布在72.9 ～135.4 kV/m变化,16个测试点峰值场强的总变异系数为18.66%,因此可以认为在距离口径面3 m距离处在6 m×6 m的测试区域内具有较好的场均匀性.可以看出,与相同尺寸的传输式模拟器相比,辐射式核电磁脉冲模拟器具有更大的均匀区域.

图13 探头放置的16个位置

表1 3 m测试平面峰值场强及变异系数

3 结 论

本文对辐射式核电磁脉冲场模拟器的工作原理、结构设计和测量结果进行分析,得到以下结论:

1)本文研制的辐射式核电磁脉冲场模拟器可以实现水平和垂直两种极化,利用轨道滑动触发气体火花间隙开关可以实现大动态范围可靠触发放电过程.利用同轴线分布参数作为锐化电容,与同轴锐化开关集成一体,既起到锐化作用,又便于Marx发生器与天线连接,结构简单实用.

2)受地面影响较大,垂直极化波形优于水平极化,水平极化脉冲波形脉冲较窄,下降沿有振荡和过零.

3)辐射式核电磁脉冲场模拟器辐射场为近场波形,与激励源波形相似.因此,可以参照有界波传输线匹配电阻选取原则确定天线终端匹配负载,阻值在100～300 Ω之间选取.

4)随着距离口径面距离的增大,峰值场强近似按1/d2衰减,脉冲宽度减小.与传输式模拟器相比,相同尺寸的辐射式核电磁脉冲场模拟器具有更大的均匀区域,更适合大型设备电磁脉冲抗扰度试验.

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范丽思 (1975-)，河北人，男，博士，副教授，研究方向为电磁脉冲模拟与仿真技术.

王赟 (1985-)，河南人，男，博士，讲师，研究方向为电磁脉冲模拟技术.

周星 (1978-)，重庆人，女，博士，副教授，研究方向为电磁脉冲防护理论与技术.

万浩江 (1983-)，河北人，男，博士，讲师，研究方向为雷电与电磁防护.

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

联系人： 范丽思 E-mail: fanlisi@sina.com

范丽思,王赟,周星,等.定向辐射式核电磁脉冲场模拟器的研制[J]. 电波科学学报,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