有界波模拟器波形仿真与实验研究*

2018-01-26段泽民郝凤柱姚志成

传感器与微系统 2018年2期

段泽民，郝凤柱，张松，朱博，姚志成

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽省飞机雷电防护省级实验室，安徽合肥 230031；3.强电磁环境防护技术航空科技重点实验室，安徽合肥 230031)

0 引言

评估电子电气设备/系统电磁脉冲的敏感度，研究电磁脉冲的耦合途径，检验各种电磁脉冲防护技术的有效性，推动了有界波电磁脉冲模拟器的迅速发展。

目前，国内外对有界波电磁脉冲模拟器的研究早已进入成熟阶段，主要针对电磁脉冲上升沿时间，峰值和半峰值时间的影响因素研究较多[1～10]，但对于脉冲波形的畸变因素的研究甚少。脉冲波形畸变可能会导致波形无法严格满足标准要求，并且畸变产生的高频分量会使耦合实验产生误差。

本文主要从路和场两个方面对电磁脉冲畸变进行研究分析，路方面对电磁脉冲模拟器进行等效电路仿真，探究研究传输线分布电感、对地电容值及特性阻抗对电磁脉冲波形畸变的影响；场方面对电磁脉冲模拟器进行建模仿真，研究分析模拟器周围金属板摆放位置，距离及其大小对电磁脉冲波形畸变的影响。分析电磁脉冲波形畸变因素对模拟器设计优化具有重大意义。

1 理论分析

1.1 模拟器结构

为了实现满足要求的双指数电磁脉冲波形，建立了传输线型有界波电磁脉冲模拟器[10]，主要由MARX高压脉冲源，传输线和终端匹配负载等组成，结构如图1所示。

图1 模拟器结构示意

模拟器传输线结构的上极板为线栅，下极板为金属接地板，终端负载采用并联形式的分布方式，为消除终端反射，负载阻抗必须与传输线结构的特性阻抗匹配。以此模拟器为研究对象，通过理论分析脉冲波形畸变因素，根据不同因素分别建立等效电路模型和电磁脉冲模拟器模型，并进行实验，验证了模型的有效性，仿真分析波形畸变因素对波形畸变的具体影响。

1.2 电磁脉冲波形畸变因数

根据有界波电磁脉冲模拟器的工作原理，分析得出有界波电磁脉冲波形发生畸变的原因可从电路和电场两个方面考虑。

1)电路方面

电磁脉冲模拟器的等效电感和电容值是控制脉冲波形至关重要的因数，电感和电容值参数配合不当会使脉冲波形发生严重的畸变；并且在高频情况下，传输线往往会产生寄生分布电感和对地电容值，而这些是脉冲波形发生畸变不容忽视的因素。同时，在高频情况下，阻抗不匹配会导致模拟器发生终端反射，这也是脉冲畸变的一个重要因素，本文从这两个方面入手，对有界波电磁脉冲模拟器进行等效电路仿真，分析分布电感、对地电容值及传输线的特性阻抗对电磁脉冲波形畸变的影响。

2)电场方面

由传输线型有界波电磁脉冲模拟器产生电磁脉冲的原理可知，如果发生器周围存在金属板或金属导体必定会对电场形成一定影响。如果金属板较大或有多根平行的金属导线就相当于增加了一个金属极板，从而影响垂直电场的波形。本文对电磁脉冲模拟器进行建模仿真，研究分析模拟器周围金属板对电磁脉冲波形畸变的影响。

2 模拟器等效电路仿真研究

2.1 等效电路模型

传输线型有界波模拟器主要由高压脉冲源、传输线和终端匹配负载组成[11～13]，其等效电路如图2所示。其中，Cm为MARX发生器的串联电容值，Rm为MARX发生器的串联电阻器，Lm为MARX发生器的串联电感，K1为MARX发生器的开关，K2为主开关，Cp为峰化电容值，Ls为分布电感，Cz为对地电容值，T为传输线阻抗，R为终端匹配负载。为了保证吸波能力，终端匹配负载使用分布电阻，本文为了简化电路，终端匹配负载等效为集总阻抗。

在电磁脉冲模拟器的电路设计中要求负载上的电压波形为国际性民用标准的双指数脉冲[14]，表达式为

(1)

式中t>0；Upeak为电压峰值，Upeak=50 kV;k=1.3;要求τr=Is/R,τd=R(Cm+Cp)。

在电路设计时使用峰化电容Cp是为了减小脉冲波前时间，同时要求Cm≫Cp。有界波电磁脉冲模拟器高压源的仿真和实验研究表明[12,13]，为了满足双指数脉冲设计电路时还应满足：Lm/(R2Cm)≪1，Cp=Lm/R2。

图2 模拟器等效电路

2.2 仿真与实验结果分析

基于图2的电路PSpice仿真可得主开关K2后的仿真电压，图3为仿真结果和测量结果对比。可知：当激励源充电电压50 kV时，可产生上升时间为(2.3±0.5)ns，半波度(23±5)ns的电压脉冲波形。仿真电压脉冲波形与测量电压波形的上升时间、半宽、下降时间以及幅值均较吻合，验证了仿真方法和模型的正确性和有效性。

图3 电压仿真波形和实验测量波形

电磁脉冲模拟器脉冲波形畸变主要表现为波后衰减的振荡畸变，从电路上分析，影响波后振荡畸变的因素有分布电感、对地电容值及特性阻抗等。本文基于PSpice电路进行建模，仿真研究了随着分布电感Ls，对地电容值Cz和传输线特征阻抗T的变化对脉冲波形畸变的影响。其仿真结果如图4所示。

图4 等效电路仿真结果

根据图4可得如下结论：

1)由图4(a)可知，分布电感Ls对脉冲波形的畸变影响很小，只是电压峰值有少量变化。因为分布电感远小于MARX发生器串联电感，其对脉冲发生器的影响可以忽略不计。

2)由图4(b)可知，对地电容值Cz的变化对脉冲波形的畸变影响很大，且对波形畸变的影响随着Cz的增加，影响程度先增大后减小，当杂散分布Cz电容值越接近峰化Cp的电容值时，其对脉冲波形畸变影响越明显。因此，在进行模拟器设计时，应尽量减小对地电容值以消除阻尼振荡[15]。

3)由图4(c)可知，传输线特征阻抗与终端阻抗匹配情况直接影响脉冲波形畸变，匹配越差，脉冲畸变越大。

3 模拟器电磁场仿真研究

由于形成电场脉冲畸变还受到场形成设备和外部环境的影响，因此，还需进行电场仿真实验研究。

3.1 仿真模型建立

如图 1所示，模拟器的最大高度H=1.8 m，最大长度L=6 m，最大宽度W=2.5 m，源端到最高点的水平距离L1=3.6 m。上传输线采用9根直径为6 mm的细导线，下传输线为厚度为5 mm的金属板，终端匹配阻抗为115 Ω。模拟器仿真建模如图5所示。

实体模型不能直接用于数值计算，需要对其划分为网格模型，实体模型划分为网格模型时细线用线段单元划分网格，对网格的划分要遵循以下原则[16]：1)线段长度应该小于λmin/ 10，λmin为主要能量成分的最短波长；2)六边形的边长应该小于λmin/5。本文fmax=400 MHz，λmin=0.75 m，则线段最大长度为0.075 m，六边形最大边长为0.125 m。

图5 模拟器仿真

3.2 仿真与结果分析

仿真时使用峰值为80 kV脉冲激励源，但激励源波形是考虑电路影响因素后的电压波形，如图3所示的仿真电压波形。由于地面为金属地板，其边界条件为Et(i,j,k)=0，Hm(i,j,k)=0,即理想金属表面的切向电场分量和法向磁场分量为0。为了模拟无限大空间，仿真边界条件设为Open边界。

基于CST仿真软件，监测点A(260,0,0)cm的垂直电场。实验时采用瞬态电场传感器测量系统测量模拟器工作区间A的瞬态电场[17～19]，为了防止电磁脉冲对信号干扰，测量瞬态电场时，使用光纤传输[20]，使用的电场测量系统为地场探头，其测量的最小上升时间为110 ps。图6为垂直电场仿真和测量结果对比，垂直电场分量的仿真波形与测量波形的上升时间、半峰值脉冲宽度以及幅值均较吻合，验证了仿真方法和模型的正确性和有效性。

图6 电场仿真波形和实验测量波形

使用峰值为80 kV的双指数激励源仿真研究外围金属板对垂直电场波形的影响情况。为简化模型设一个长300 cm，宽1 cm，高200 cm的金属有损的铜板作为外围金属板。分别改变金属板的位置，金属板距接地板的距离和改变金属板大小，具体参数如表1所示，仿真计算A点的电场波形，进行分析比较，仿真结果如图7所示。电场仿真结果分析如下：

表1 铜板作为干扰环境时的参数

图7 电场仿真结果

1)根据图7中的波形1得：主脉冲峰值出现在16.5 ns的位置，而畸变峰值分别出现在26，36 ns和50 ns的位置。主脉冲峰值和第一个畸变峰值之间相差9.5 ns，时间间隔恰好与电磁波从该点出发传向负载并反射回来再次经过该点所经历的时间相等，该畸变峰值可以认为是终端反射电压而产生电场叠加的结果。依此类推可知，第二个畸变峰值为接地点反射的结果，第三个为电磁波传向激励源发生反射的结果。为了减少反射，应该尽可能地使用匹配的终端阻抗，且使用并联形式的分布式负载代替单个集总负载[2,3]。

2)图7(a)表明：金属板在高压发生器的后方与接地点的前方对电场几乎没有影响，但当金属模拟器的侧面时，电场的主峰值减小，畸变峰值变大，波形产生更大的畸变；图7(b)表明金属板距离模拟器越远对电场波形的影响越小，当距离在100 cm以上时几乎没有影响；图7(c)表明金属板面积越大对电场影响越大。

3)模拟器周围有大面积金属存在时，会加深电磁脉冲畸变变量，但不会出现新的畸变点。在安装模拟器时，应该避免大面积金属板的存在，如果不可避免，大面积金属应该尽量远离模拟器，或者使金属板置于高压发生器的后方或负载接地端的前方，有利于减小电场波形的畸变。

4 结论

1)路的仿真结果表明：分布电感Ls对脉冲波形的畸变影响很小，由于分布电感远小于MARX发生器串联电感，其对脉冲发生器的影响可以忽略不计。而对地电容器Cz的变化对脉冲波形的畸变影响很大，且对波形畸变的影响随着Cz电容值的增加，影响程度先增大后减小，当杂散分布Cz电容值越接近峰化电容器Cp的电容值时，其对脉冲波形畸变影响越明显。因此，在进行模拟器设计时，尽量减小对地电容值以消除阻尼振荡。传输线特征阻抗与终端阻抗匹配情况直接影响着脉冲波形的畸变，匹配越差，脉冲畸变越大。

2)场的仿真结果表明：金属板在高压发生器的后方与接地点的前方对电场几乎没有影响，但当金属模拟器的侧面时，电场的主峰值减小，畸变峰值变大，波形产生更大的畸变。而金属板距离模拟器越远对电场波形的影响越小，当距离在100 cm以上几乎没有影响，且金属板面积越大对电场影响越大。大面积金属的存在，会加深电磁脉冲畸变量，但是不会出现新的畸变点。

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