基于单锥横电磁波室的瞬态强电磁脉冲电场测量探头校准技术研究

蒋廷勇,王晓嘉,周 恒,刘 真,张守龙,孙一飞

(中国人民解放军63660部队,河南 洛阳 471000)

瞬态强电磁脉冲的典型特征是无载频时域脉冲,是当前强电磁脉冲技术领域研究的重要方向之一,既包含有上升时间数纳秒、脉宽数十纳秒的高空核电磁脉冲辐射场,又包括脉宽数百皮秒至数纳秒的双极或多极超宽谱高功率微波辐射场,频谱覆盖范围为千赫至数吉赫,峰值电场强度为数百伏每秒至数百千伏每秒[1]。为实现对瞬态强电磁脉冲电场参数的准确测量,通常要求测量系统在频域性能上,带宽覆盖待测脉冲主频范围;在时域性能上,系统响应时间优于待测脉冲前沿时间的1/3,这对测量系统提出很高要求。

对于瞬态强电磁脉冲测量系统校准,参照目前国军标《GJB 8218-2014高功率超宽谱脉冲辐射场测量方法》要求,短脉冲电场计量标准应具备比测量系统本身更快的响应时间及更宽的工作带宽等[2]。当前,国内对瞬态强电磁脉冲测量系统校准主要采用横电磁波(transverse electromagnetic ,TEM)小室、吉赫兹横电磁波(GHz transverse electromagnetic,GTEM)室和单锥TEM室,TEM小室最高工作频率仅为200 MHz,对应的时域响应时间在纳秒量级。GTEM室工作频率虽能达到吉赫量级,但受内部电场高次模及场分布均匀性等影响,目前在IEEE Std 1309-2013中明确不推荐其作为电磁脉冲电场计量装置。单锥TEM室是锥形传输线的具体实现形式,响应时间达数十皮秒,理论工作频率覆盖范围至20 GHz,是当前IEEE等国际标准组织推荐的超快短脉冲标准电场产生装置[3]。

国外,美国国家标准局(National Institute of Standards and Technology, NIST)采用单锥TEM室作为瞬态电磁脉冲电场探头计量标准装置,开展了D-dot和B-dot等系列电磁脉冲传感器的标定实验。全俄光学物理计量研究院(National Institute of Optical and Physical Measurement Technology, VNIIOFI)基于镜面单锥TEM室构建了俄罗斯国家基准GET 178-2016,该设备采用黄铜制造,锥体母线长为0.68 m、锥角为94.8°,特征阻抗为50 Ω,其内部电场强度为100 V·m-1量级,电场强度扩展不确定度小于3%。2008年,韩国国家计量科学研究院(Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS)建立了母线长为2.7 m的长单锥TEM室,该装置半锥角为4°,特征阻抗为200 Ω,镜面板为5 m×5 m的方形机构,适用传感器标定的频率范围为100 MHz～18 GHz[4-6]。

国内基于单锥TEM室开展电场测量探头校准技术的研究单位包括清华大学、国家计量院、中国信息通信研究院等[7-9]。2015年,清华大学建成了母线长为1.2 m镜面单锥TEM室,2018年清华大学和本单位共同参与完成了与俄罗斯全俄光学物理计量研究院单锥TEM室的联合比对试验。2022年,中国信息通信研究院初步开展了母线长为0.7 m的电阻阵列加载单锥TEM室,并将其用于瞬态强电磁脉冲测量系统校准和设备电磁兼容性测试等。本单位是国内最早开展单锥TEM室技术研究的单位,目前已建成包括母线长为1.5 m的单锥TEM室和母线长为0.9 m的电阻阵列加载单锥TEM室,先后用于多类瞬态强电磁脉冲电场测量系统参数校准[10-12],并在2015年和2018年先后完成与俄罗斯全俄光学物理与测量研究所(VNFFOI)国家基准装置的实验室比对工作[13]。

与其他类型标准场装置相比,单锥TEM室具有优异的时域响应性能和电场均匀分布特性,在当前瞬态强电磁脉冲电场测量探头校准中极具应用潜力。本文详细介绍了本单位在瞬态强电磁脉冲电场测量校准领域的研究历程及相关探头校准装置的研究工作,给出了母线长为1.5 m的单锥TEM室、母线长为1.5 m的电阻阵列加载的单锥TEM室和母线长为0.9 m的电阻阵列加载无反射单锥TEM室技术参数,讨论分析了单锥TEM室用于强电磁脉冲测量系统探头校准的相关结果,展望了后续电场测量探头校准技术研究方向。

1 母线长为1.5 m的单锥TEM室

目前,国内外对电场探头的校准和标定主要依据是IEEE Std 1309-2013标准规定的3种电场探头校准方法:一是通过使用可溯源至国家标准实验室的传递标准进行校准;二是通过使用理论计算的标准电磁场对电场探头进行校准;三是通过使用参考标准探头进行校准[3]。单锥TEM室是本单位重点发展的瞬态电场探头校准装置,属于第二种校准方法,即将待校准电场探头放入产生电磁场的装置中,该装置产生的电场强度可通过装置结构参数和输入电压计算得出,通过把电场强度计算值与实测结果进行比较,以此来校准电场探头并给出准确的探头灵敏度和响应时间等参数。

2010年本单位研制成功了第一代单锥TEM室及集成电光式瞬态强电磁脉冲测量系统,如图1所示。TEM室主要由镜面板、锥体、馈电结构和支撑结构等构成,单锥TEM室锥体母线长度为1.5 m,锥角为94.7°,镜面板边长为3 m,特征阻抗为50 Ω,馈电结构为SMA接口,馈电端口响应时间小于80 ps,对应的理论最大时间窗口为10 ns;本单位自研用于单锥TEM室内电场测量的集成电光式瞬态强电磁脉冲测量系统包括:前端探头、传输光纤和接收机,测量系统工作带宽为1 kHz～2.8 GHz,响应时间为120 ps,前端探头为圆盘型结构,圆盘半径为5 cm、厚度为2 cm。

(a) TEM cell

(b) Measurement system

脉冲源产生短脉冲后通过同轴线和馈电结构进入由锥体和镜面板构成的锥形传输线内,从而形成参数已知的短脉冲标准电场。与其他电场产生装置相比,该标准电场参数是在给定参数下基于电磁场方程解析计算给出的,且所涉及的物理量均可溯源至国际单位制SI,电场强度具体可表示为

(1)

其中:Vs(t)为激励脉冲源输出电压;T为脉冲源到单锥装置的传输系数;θ为P点与原点的连线和y轴的夹角;θh为锥体的半锥角;r·sinθ为观察点与馈电点在镜面的投影距离;L为单锥母线长度;c为光速。

图2为单锥TEM室内短脉冲电场测量结果和激励脉冲波形的归一化结果比较。其中,单锥TEM室激励脉冲源采用双极性脉冲源,脉冲源峰峰值幅度为2.3 kV,上升时间约为800 ps,峰峰值时间差为2 ns。集成电光式瞬态强电磁脉冲测量系统放置于图1中的P点(θ=70 °,r=0.6 m),根据式(1)分析可知,P点至少可提供6 ns的测量时间窗。由图2中P点实际测试结果可见,在给定的双极性脉冲源激励下,单锥TEM室实测电场波形在图2中的时间轴坐标在-1～5 ns范围内,确实提供了共计约6 ns的有效时间窗,在该时间窗范围内电场强度幅度和波形等参数精确已知,末端反射脉冲没有对其造成影响。同时,图2中t>5 ns时,能看出较为明显的锥体末端反射叠加,从而造成测量波形与激励波形的差异。

图2 单锥TEM室内短脉冲电场测量结果和激励脉冲波形的归一化结果比较Fig.2 Normalized comparison of short pulse electric field measurement results and excited pulse waveforms in monocone TEM cell

由上述结果可知,单锥TEM室作为短脉冲标准场具有响应时间快、电场参数精确已知和轴对称结构有利于抑制高次模等优势,可用于瞬态强电磁脉冲测量系统灵敏度和波形保真性能标定等,但受限于单锥TEM室末端反射叠加造成的波形畸变,仅能在一定时间窗范围内提供参数已知的标准场,若能消除TEM室末端低频反射,有效解决单锥的时间窗问题,其应用范围可得到极大拓展。

2 母线长为1.5 m的电阻阵列加载单锥

TEM室

根据文献[11-12]中单锥TEM室馈电点输入反射系数S11参数测试分析结果,造成单锥TEM室末端反射的主要原因是激励脉冲低频无法有效辐射,解决单锥TEM室低频反射的有效方法是进行末端电阻阵列加载。

第二代电阻阵列加载单锥TEM室原型装置于2018年研制成功,以验证电阻阵列加载技术的可行性。图3和图4分别为基于等相位面电阻阵列加载单锥TEM室及其应用于探头校准时的现场。

图3 电阻阵列加载单锥TEM室Fig.3 The resistively loaded monocone TEM cell

图4 电阻阵列加载单锥TEM室应用于探头校准时的现场Fig.4 The application for resistively loaded monocone TEM cell

该装置镜面板采用半径为1.5 m金属板,锥体由母线长为0.4 m、半锥角为94.7°的实心锥及长为1.1 m的圆台金属拉线阵构成,外部支撑结构采用木质材料。其中,锥体末端电阻阵列采用并联8排400 Ω电阻均匀布置,每排7个57 Ω无感电阻均匀串联在双折型金属细杆上,该细杆上下节分别与锥体切面和镜面金属板相互垂直,确保该金属细杆能以最大效率将单锥TEM室中无法辐射的低频信号耦合至加载电阻回路,实现电阻阵列对低频信号的有效吸收。

图5为阵列加载前后TEM室馈电端口输入反射系数S11实测结果。由图5可见,加载后馈电端口的S11系数最大值由未加载前的0 降低至-23 dB,表明单锥TEM室末端低频反射得到有效抑制。为进一步验证加载后单锥TEM室性能参数,采用与第1节相同的双极性脉冲源激励单锥TEM室,在P点(θ=70 °,r=0.6 m)采用集成电光式瞬态强电磁脉冲测量系统实测波形与激励波形的归一化结果比较,如图6所示。

图5 电阻阵列加载前后TEM室馈电端口S11实测结果Fig.5 Comparison of S11 of TEM cell feeding port before and after resistive loading

图6 电阻阵列加载后单锥TEM室激励和实测波形归一化结果比较Fig.6 Comparison of normalized results of excited and measured waveforms after resistive loading

由图6可见,与图2中激励波形仅能在有效时间窗范围内保持一致不同,加载后的单锥TEM室内P点实测波形与激励波形在脉冲持续全过程中基本保持一致,表明单锥TEM室加载电阻阵列后,即使超出当前单锥TEM最大时间窗10 ns范围,测量系统实测波形与激励波形依旧吻合较好,即电阻阵列加载方法改善了TEM室末端低频响应特性,有效解决了影响传统单锥TEM室拓展应用的最大障碍,即时间窗问题,具备从直流至数吉赫范围内开展电场传感器时频域联合一体化高精度标定的技术基础。

3 母线长为0.9 m的电阻阵列加载无反射 单锥TEM室

电阻阵列加载方法有效解决了单锥TEM室末端反射带来的时间窗问题,极大拓展了单锥TEM室的使用范围。但值得注意的是,利用该加载方法处理高频信号时,采用了辐射至自由空间避免反射信号造成内部电场波形畸变的方法,在实际应用中要求单锥TEM室周围数十米内不能存在明显反射体。考虑现实中标准场周边较近距离上很有可能存在建筑物、人员及其他电磁散射体,因此很难满足该要求。不仅如此,实际的外界电磁环境是复杂的,这种开放式结构很难屏蔽外界干扰信号进入单锥TEM室,从而给测试结果可能带来不确定性。有效的解决方案是在TEM室外围加装无反射暗室,共同构成电阻阵列加载无反射单锥TEM室,即通过电阻阵列吸收单锥TEM室的末端低频信号,通过无反射暗室吸收单锥TEM室对外辐射高频信号,无反射暗室外部金属结构同时还可屏蔽外界干扰信号。

2023年,本单位研制成功第三代电阻阵列加载无反射单锥TEM室,图7为电阻阵列加载单锥TEM室加装无反射暗室后的现场图,图8为电阻阵列加载无反射单锥TEM室探头校准应用场景。其中,单锥TEM室母线长为0.9 m,特征阻抗为50 Ω,馈电接头采用SMA,TEM室外侧电阻阵列加载方法与第2节中母线长为1.5 m的单锥TEM室相同。无反射暗室立面为高2.3 m的十六边形圆柱结构,吸波材料锥尖与TEM室镜面板最短距离为0.3 m,与锥体顶部距离为0.3 m,暗室下面与镜面板距离为0.5 m,暗室内部敷设高为8 cm角锥型铁氧体吸波材料,吸波材料底部为5.2 mm厚铁氧体瓦。

图7 电阻阵列加载单锥TEM室加装无反射暗室后的现场图Fig.7 Resistively loaded monocone TEM cell in anechoic chamber

图8 电阻阵列加载无反射单锥TEM室探头校准应用场景Fig.8 Typical application scenario for resistively loaded monocone TEM cell in anechoic chamber

图9为电阻阵列加载单锥TEM室加装无反射暗室后的S11测试结果。

图9 电阻加载单锥TEM室加装无反射暗室后的S11测试结果Fig.9 The S11 of resistively loaded monocone TEM cell in anechoic chamber

由图9可见,电阻阵列加载单锥TEM室置于无反射暗室后,馈电端口S11从直流至3 GHz范围内保持小于-19 dB的回波损耗,对应的驻波系数小于1.25。同时,为进一步验证基于该新型结构的电阻阵列加载无反射单锥TEM室的性能参数,采用双指数脉冲源作为激励源,并利用瞬态强电磁脉冲测量系统对单锥TEM室内部电场进行测量比对分析。该双指数脉冲源用于模拟核电磁脉冲,输出峰值为5 kV,脉冲上升时间为2.5 ns,脉冲半高宽为23 ns,远超过母线长为0.9 m的单锥TEM室6 ns的时间窗范围。不仅如此,考虑到双指数脉冲源中99%以上能量主要集中于直流至300 MHz频谱范围,而母线长为0.9 m的单锥TEM室未加载时很难将低频信号有效辐射出去,因此采用该类宽脉冲激励时,能有效检验加载后单锥TEM室的性能参数。

图10为该单锥TEM室内部P点(θ=90 °,r=0.5 m)位置处实测电场波形与激励波形归一化结果比较。由图10可见,在该双指数脉冲持续时间全过程范围内,电场实测波形与激励波形保持了高度一致,表明电阻阵列加载单锥TEM室配合无反射暗室后,依然可达到优异的技术指标,能有效满足多类型脉冲电场测量探头校准的需求。

图10 单锥TEM室实测和激励波形归一化结果比较Fig.10 Comparison of normalized results between measured and excited waveforms in monocone TEM cell

4 结语

本文重点回顾了基于单锥TEM室的瞬态强电磁脉冲电场测量探头校准研究历程,给出了单锥TEM室从无加载到电阻阵列加载,再到电阻阵列和无反射暗室联合加载的技术发展历程。实际应用结果表明,单锥TEM室以圆周对称结构、超快响应时间和高精度电场参数等优点,为瞬态强电磁脉冲电场测量探头校准应用提供了新的有效解决方案。不仅如此,电阻阵列加载技术和无反射暗室又使传统单锥TEM室克服了末端低频反射和高频吸收问题,突破了传统单锥TEM室时间窗限制,拓展了其在电场探头校准领域的应用范围,为当前直流至数吉赫范围内超快前沿、超宽频带测量系统时频域参数一体化联合精确标定提供了有力手段。