一种强电磁脉冲模拟器的仿真及验证研究

王鹏飞，刘恩博，李贤灵，王海星，张宗兵，田清文

（广州广电计量检测股份有限公司电磁兼容研究所，广东 广州 510656）

0 引 言

在当前电子信息科技飞速发展的时代，强电磁脉冲因其具备能量强度大、峰值强度高、作用范围极广、破坏力强大等特点，越来越受到国内外学者的广泛关注[1-6]。为了进行电气电子产品、武器装备等抗电磁脉冲干扰能力的检验、考核和验收，美国率先在美军标MIL-STD-461E 中提出了辐射敏感度实验方法。我国现有最新标准GJB 151B—2013 中的RS105 测试项也详细规定了电磁脉冲测试的方法和等级[7]。国内近些年来在强电磁脉冲领域，特别是关于强电磁脉冲模拟器的课题有很多的研究成果。康宁等人利用电磁仿真软件CST 仿真了锥形结构电磁脉冲模拟器试验装置中场的分布，通过仿真结果与测试数据的比较，验证了模拟器的有效性[8]；黄刘宏等人利用CST 设计构建了一种由有界波模拟器和磁场线圈构成的复合模拟器，并分析了有界波模拟器、线圈及屏蔽室壳体对空间电场及磁场的影响[9]；朱湘琴等人对大型水平极化电磁脉冲有界波模拟器的时域辐射场进行了并行时域有限差分模拟[10]；谢霖燊等人将基于MPI 平台的并行时域有限差分（FDTD）方法与基于完全磁导体（PMC）镜像法相结合，并结合CST 模拟软件，模拟给出分布式负载垂直极化有界波电磁脉冲（EMP）的外泄场的分布规律[11]。

上述研究已经对一些类型的电磁脉冲模拟器进行了仿真研究，但对平面金属板有界波模拟器的仿真研究报道很少。该模拟器的过渡段上下对称，能保证产生快前沿脉冲，并使得测试系统所占空间相对较小；而且该模拟器中的平行板段会使得有效测试空间相对较大。

鉴于平面金属板有界波模拟器具有较大优势，本文以GJB 151B—2013 为依据，研究出一种用于RS105 测试项结果获取的仿真方法。本文研究不仅能够满足用户对RS105 测试项结果的需求，还可以利用该仿真方法获取除RS105 测试项以外的更多电磁参数。因此，本文的研究结果对于电磁脉冲相关课题的研究有很大帮助。

1 RS105 项目测试场景

仿真设计的电磁脉冲模拟器的基本组成包括：激励端、前后过渡段、平行板段、负载电阻等部分。模拟器总长5.20 m，激励端上下平板的垂直距离为0.15 m，前后过渡段上下对称，分别长1.927 m 和1.753 m，平行板上下之间高1.52 m，测试空间长0.8 m、宽0.7 m、高0.5 m，负载阻值为170（1±10%）Ω。RS105 项目试验场景见图1。

图1 RS105 项目试验场景

2 RS105 试验装置及激励源建模

2.1 RS105 试验设备仿真建模

基于CST 仿真软件，将图1 中的试验装置进行1∶1仿真建模，在模型激励端的横截面上添加偶极子天线，如图2 所示。同时设置电压激励源，其波形为双指数函数，波形如图3 所示。脉冲发生器结构仿真模型如图4所示。

图2 仿真模型中的天线设置

按照GJB 151B—2013 的要求，仿真时仿真模型工作空间中的电场波形如图5所示，场强限值为50 kV/m，允差为高于限值0～6 dB，电场为垂直极化，脉冲上升时间为1.8～2.8 ns；半峰值脉冲宽度为23 ns±5 ns。

2.2 空场时的仿真计算与测试对比

按照GJB 151B—2013 的要求，在测试空间垂直面上5 个栅格点场强需同时满足RS105 限值。首先，在实验室用RS105 试验设备校验空场场强，使其场强波形满足试验要求，校验波形如图6 所示；然后，在CST 仿真软件中用场探头计算RS105 仿真模型空场时测试空间中垂直面上5 个栅格点场强，仿真结果如图7 所示。仿真空场脉冲上升时间曲线如图8 所示，仿真空场半峰值脉冲宽度波形如图9 所示。

图6 试验校验脉冲波形

图7 仿真空场5 个栅格点场强波形

图9 仿真空场半峰值脉冲宽度

由图5～图9 可知，RS105 试验设备仿真模型测试空间中电场的限值、上升时间、半峰值脉冲宽度均达到了测试要求，即该RS105 试验设备仿真模型满足实际测试需求。

3 仿真计算与测试结果对比

3.1 仿真计算与测试试验

用仿真分别计算出空场和有机箱时测试空间中6 个点的场强，有机箱时测试的6 个点的位置如图10所示。

图10 有机箱时测试空间中6 个点的位置

按照机箱模型等比例制作一个实际机箱，机箱模型如图11 所示。

图11 机箱模型

同时依据GJB 151B—2013 的测试步骤分别测出空场和有机箱时RS105 试验设备中对应的6 个点的场强。用场强探头计算测试空间中的场强及测量测试空间中某一点场强示意图分别如图12、图13所示。

图12 用场强探头计算测试空间中的场强

图13 测量测试空间中某一点的场强

3.2 仿真与测试结果对比

测试空间中的仿真结果如表1 所示。

表1 测试空间中的仿真结果

测试空间中的测试结果如表2 所示。

f=30 MHz 空场和有机箱时的电场分布图分别如图14、图15 所示。

图14 f=30 MHz，空场时的电场分布

图15 f=30 MHz，有机箱时的电场分布

由表1 和表2 可看出，RS105 试验设备测试空间中的电场分布基本均匀，沿传播方向电场逐渐减小，而且电场关于测试系统中心的轴线呈对称分布。而当测试空间中有机箱时，机箱会影响测试空间的场强。根据表1 和表2 中仿真场强差值ΔE和测试场强差值ΔE′，再根据计算式ΔE′′=20lg()ΔEΔE′ 得到仿真与测试之间的误差ΔE′′，如表3 所示。由表3 可看出，仿真计算与测试结果之间的误差很小，这表明RS105 试验设备仿真模型的准确度较高，误差主要是由测试环境中金属物对电磁波的反射所引起，反射波会影响测试空间中的场强。

表3 仿真与测试的误差

4 结 语

本文以GJB 151B—2013 标准为前提，通过仿真与实测相结合的方法，利用电磁仿真软件CST，对平面金属板有界波模拟器的仿真进行了研究。结果表明，无论是空场还是有相应物时，仿真结果与实测结果都非常接近。本文给出的强电磁脉冲发生器的仿真方法能在很大程度上实现RS105 试验设备虚拟化，大大简化了试验过程。同时，利用该仿真方法可打破RS105 测试项的局限，获取设备级、系统级和板级更丰富的强电磁脉冲效应电磁参数。因此，本文的仿真方法能在很大程度上满足用户的需求。