核電磁脈沖模擬器的分析和設計

胡 標，李家胤，張 冰，汪海洋，李天明

(電子科技大學物理電子學院國家863計劃強輻射實驗室，成都610054)

引言

核電磁脈沖對電子系統具有很強的干擾和破壞作用，能使未加防護的導彈或衛星上的電子設備和地面指揮控制系統等受到嚴重的干擾，破壞其電子計算機的程序，甚至使其喪失正常的工作能力。所以研究核電磁脈沖對電子系統的干擾、破壞機理，并在此基礎上研究有效地防護方法顯的尤為重要。本文核電磁脈沖模擬器是用來驗證被測系統是否滿足GJB151A-97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》中規定的RS105試驗的最有效的途徑，因此需要對核電磁脈沖及其電磁效應進行詳細的分析研究[1，2]。

RS105試驗用模擬核電磁脈沖技術要求：脈沖上升前沿陡,一般10 ns；脈沖后沿比較長,大于75 ns；峰值場強高,應達到50 kV/m；包括一個甚低頻分量；電場均勻,相對于實驗對象應是一個平面波[3]。本實驗利用峰化電容諧振充電，冷陰極撬棒管導通放電，來實現脈沖前沿為10 ns、脈寬為200 ns的核電磁脈沖源。

1 核電磁脈沖的理論分析

1.1 核電磁脈沖產生的原理

圖1 有峰化電路的高壓脈沖源等效電路

核電磁脈沖源主要由高壓直流脈沖變壓器、初級電容器、峰化電容、預開關和主開關組成，其等效電路如圖1所示。其中Cm，Rm和Lm分別為初級充電的電容、串聯電阻和串聯電感，Rd，Rc和Rl分別為接地電阻、阻尼電阻和負載電阻，Cp為峰化電容，Lr為峰化電容器、主開關和引線電感之和，K1為峰化電容的充電開關，K為主開關。

核電磁脈沖源由高壓直流變壓器向初級電容器充電，通過控制外觸發初級開關，迅速向峰化電容器諧振充電，當峰化電容的充電電壓達到主開關的自擊穿電壓時，主開關導通，向負載Rl（GTEM小室)放電，此時在GTEM小室兩極之間形成一個陡峭的強脈沖電磁場。

1.2 核電磁脈沖波形的計算及參數分析

為了在50 Ω的負載上獲得前沿小于10 ns、后沿大于75 ns的脈沖波形，需要合理地選擇初級儲能電容器的電容值和峰化無感電容器的電容值，并設計恰當的連接方式。計算仿真說明初級儲能電容的電容值為峰化無感電容器的電容值的數倍以上可以滿足電路設計條件。在OrCAD Pspice軟件中建立核電磁脈沖模型，并進行相應的參數優化分析。

從模擬計算的結果可知：

（1）峰化電容器、主開關和引線電感對波形的影響

Lr為峰化電容器、主開關和引線電感之和，仿真結果表明電感Lr對輸出脈沖前沿的影響很大，當引入電感小時，脈沖的前沿比較短；隨著電感量的增加，前沿變緩，而且后沿出現振蕩；當電感再增加時，出現阻尼振蕩的多峰值脈沖，而且輸出峰值電壓受到一定的影響。

（2）阻尼電阻對波形的影響

阻尼電阻Rc用來消除因電路等效電感的存在可能產生的寄生振蕩。仿真結果表明，沒有阻尼電阻Rc時輸出波形發生嚴重振蕩；而當Rc存在時，改變Rc大小對波形的前沿和峰值影響甚微，但對后沿影響較大。當Rc較小時，波形出現多個寄生振蕩峰，而Rc越小時，相鄰峰值的幅值越接近；本實驗當Rc為50 Ω時，多寄生振蕩消失，波形振蕩區域出現緩變區。隨著Rc繼續增加，后沿衰減加快，緩變區消失，輸出波形理想。當Rc過大時，輸出的波形也是理想的，但是輸出波形的幅值受到一定的限制[4]。

（3）主開關導通時間對波形的影響

當主開關K在峰化電容器的充電電流達到最大值導通時，負載電阻上的輸出波形為雙指數波形，其前沿主要由峰化電容的電感量決定，而脈沖后沿由初級儲能電容器決定。當主開關K在峰化電容器的充電電流未達到最大值導通時，波形的前沿緩慢；當主開關K在峰化電容器的充電電流流過最大值導通時，波形會出現振蕩[5]。

通過OrCAD Pspice仿真出理想的核電磁脈沖波形如圖2所示，前沿小于10 ns，后沿大于75 ns,輸出電壓可以達到30 kV，在GTEM小室0.6 m處場強達50 kV/m。

圖2 核電磁脈沖Pspice仿真輸出電壓波形

2 核電磁脈沖實驗平臺的建立

核電磁脈沖模擬裝置主要由高壓脈沖源、傳輸線和終端器組成。本文設計核電磁脈沖模擬器的高壓脈沖源為有峰化電路的高壓脈沖源，其最高輸出電壓為30 kV；傳輸線為具有GHz級寬頻帶的GTEM小室，高寬比處處相等，其特性阻抗為50 Ω；終端器由耐高壓、電容極小的無感電阻組成，其阻值等于傳輸線特性阻抗50 Ω，使傳輸線與終端器阻抗相匹配。強電磁脈沖源采用50 Ω的高壓同軸電纜輸出，在GTEM小室中形成峰值場強達50 kV/m的核電磁脈沖環境。

圖3 核電磁脈沖模擬器的電路原理圖

核電磁脈沖模擬器的電路原理如圖3所示。其中高壓直流變壓器由60 kV的直流變壓器組成；初級電容由兩個并聯充電串聯放電的電容器組成。核電磁脈沖模擬裝置如圖4所示。

初級開關采用外觸發的冷陰極撬棒管，其觸發電壓在20～60 kV之間可以調節；主開關采用自擊穿的撬棒管，其自擊穿電壓為30 kV，隨著要求電壓的變化可以置換相應擊穿電壓的撬棒管。本實驗冷陰極撬棒管具有不用加熱電源、沒有預熱時間、應用線路簡單體積小，工作溫度和電壓范圍寬、脈沖上升時間快等優點，實驗證明可以作為核電磁脈沖模擬器的開關應用。另外發現使用撬棒管作為觸發開關時，工作極易受到脈沖信號引起的地電平信號干擾，經常造成誤動作，所以初級開關采用外觸發。由于初級開關是附加在直流高壓上，所以用隔離變壓器將觸發信號與高壓直流信號隔開，以增加操作上的安全性。

阻尼電阻由兩個并聯的無感電阻組成；峰化電容由兩個串聯的無感電容組成。

3 核電磁脈沖模擬器的實驗研究

核電磁脈沖測試框圖如圖5所示，測試系統將寬帶時域探頭（自制納秒級高壓電容分壓器）置于GTEM測試空間，探頭連接到存儲示波器上；將高壓探頭接至GTEM小室芯板上，與寬帶時域探頭連接到同一臺存儲示波器上。這樣在核電磁脈沖調試中適時監控GTEM小室芯板和GTEM小室測試空間的電壓波形，在前后級電容常數確定的前提下，通過聯合調節阻尼電阻的電阻值和初級開關的觸發電壓來調整整個輸出脈沖電壓的波形[6]。實驗表明合理的連接方式同樣決定輸出的電壓波形。

核電磁脈沖的測試結果如圖6所示，GTEM小室芯板和GTEM小室測試空間電壓波形比較一致，脈沖信號的前沿大約都是10 ns（10%～90%峰值電壓），而后沿大約都是200 ns，GTEM小室芯板輸出電壓為30 kV，在GTEM小室0.6 m處的場強達到50 kV/m，波形完全符合RS105實驗要求。

圖5 核電磁脈沖測試框圖

4 結論

圖6 GTEM小室芯板和電容分壓器輸出波形

本文分別分析了峰化電容器、主開關和引線電感，阻尼電阻和主開關導通時間對模擬器輸出波形的影響。利用峰化電容諧振充電，冷陰極撬棒管導通放電研制出核電磁脈沖源。在實驗工作空間獲得前沿為10 ns、脈寬為200 ns、場強達到50 kV/m的強電磁環境，適用于GJB151A-97中規定的RS105試驗要求，可以對計算機系統進行強電磁環境的輻照實驗研究。核電磁脈沖輻射下計算機效應實驗的初步研究數據統計發現計算機有死機或重啟現象，隨著場強值愈大，計算機的響應愈強烈，當實驗場強再增大時，計算機出現完全死機或重啟現象，但計算機系統只發生軟毀傷效應，重新啟動計算機可以恢復系統正常運轉[7]。

[1]中華人名共和國軍用標準-GJB151A-97軍用設備和分系統電磁發射和靈敏度要求.

[2]侯民勝，秦海潮.強電磁脈沖模擬技術[J].高電壓技術，2008，34(2):409-411.

[3]陳煒峰，陸靜霞，蔣全興.電磁脈沖模擬器技術回顧[J].高電壓技術，2008， 44(2)：149-151.

[4]侯民勝，王書平.核電磁脈沖模擬裝置[J].高電壓技術，2002，28(2):35-37.

[5]孫蓓云，謝彥召，相輝，李斌等.50kV，1ns前沿高壓脈沖源的研制[J].核電子學與探測技術，2007，27(2):280-282.

[6]李炎新，石立華，高成等.用寬帶模擬量光纖傳輸系統測量脈沖電磁場[J].高電壓技術，2006，32(2):39-41.

[7]侯民勝，王書平.核電磁脈沖對單片機系統的輻照效應研究[J].電子對抗，2002，（1）:29-35.