定向輻射式核電磁脈沖場模擬器的研制

范麗思 王赟 周星 萬浩江

(軍械工程學院靜電與電磁防護研究所, 石家莊 050003)

定向輻射式核電磁脈沖場模擬器的研制

范麗思 王赟 周星 萬浩江

(軍械工程學院靜電與電磁防護研究所, 石家莊 050003)

針對大型受試設備核電磁脈沖抗擾度試驗評估要求,研制了基于Marx發生器脈沖源和橫電磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)喇叭天線的可移動、極化方向可調的定向輻射式核電磁脈沖模擬器. 實驗分析了不同極化方向和終端負載對脈沖波形的影響,確定了定向輻射式核電磁脈沖模擬器的均勻區域. 結果表明:輻射電磁脈沖場可用區域為近場區域,隨著與口徑面距離的增大,峰值場強近似按1/d2衰減,脈沖寬度顯著減小;與傳輸式模擬器相比，輻射式核電磁脈沖模擬器具有更大的均勻區域,更適合大型設備電磁脈沖抗擾度試驗.

高空核電磁脈沖;電磁脈沖模擬器;TEM天線;雙指數脈沖;匹配負載;輻射場

DOI 10.13443/j.cjors.2016112102

引 言

核電磁脈沖場模擬器通常由脈沖源和電磁場形成裝置兩大部分組成,根據使用的場形成裝置不同可以分為傳輸式和輻射式兩種[1-3].傳輸式核電磁脈沖場模擬器通常采用平行板、吉赫橫電磁波(Gigahertz Transverse Electro Magnetic,GTEM)和橫電磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)室等傳輸線作為電磁脈沖場形成裝置,在傳輸線中形成與脈沖源波形一致的電磁脈沖場[4-5].傳輸式核電磁脈沖場模擬器產生的電磁脈沖波形上升沿受傳輸線長度的限制,脈沖上升沿不可能太陡[6-7].此外,傳輸式核電磁脈沖場模擬器測試空間有限,極化方向不可調,限制了大型設備抗擾度試驗研究[8].輻射式核電磁脈沖場模擬器通常采用雙錐天線、籠形天線或圓錐天線等作為場形成裝置,通過輻射的方式產生電磁脈沖場[9-11].此類模擬器能輻射具有快上升沿的脈沖,通常體積龐大,可對大型設備進行輻照試驗,但架設困難、造價高昂、輻射方向性較差、脈沖功率利用率較低[12].

目前,國內外傳輸式核電磁脈沖場模擬器技術已經日臻成熟,在建或在用的大多為傳輸式模擬器,但對輻射式核電磁脈沖場模擬器的研究相對較少[13].為此,研制低成本、小型化、輕重量、可移動、極化方向可調、方向性較好的輻射式核電磁脈沖場模擬器更具有現實意義和實用價值.

本文研制的輻射式核電磁脈沖場模擬器要求輻射場波形上升時間為1.8～2.8 ns,半波寬度大于100 ns.未采用IEC61000-2-9最新RS105波形主要是考慮到TEM天線低頻輻射能力有限,擬用增大脈沖寬度的方法來增加輻射脈沖的低頻成分.

1 定向輻射式核電磁脈沖場模擬器結構與原理

定向輻射式核電磁脈沖場模擬器主要由快沿脈沖源、TEM天線和升降裝置構成,如圖1所示.脈沖源放置在移動脈沖源升降平臺上.TEM天線安裝在移動天線升降平臺上.兩個升降臺相互配合可以方便地改變天線的張角大小,從而改變天線測試區域的大小.通過改變天線的布設方向可以方便地改變天線的極化方式,從而可用一套模擬器產生垂直和水平兩種極化的脈沖電磁場.

圖1 定向輻射式核電磁脈沖模擬器原理圖

1.1 Marx發生器的設計與研制

利用Marx發生器可以產生比較理想的雙指數脈沖,再通過脈沖前沿銳化裝置,可以實現快沿電磁脈沖的模擬.所以定向輻射式核電磁脈沖場模擬器采用了Marx發生器提供高壓脈沖.

Marx發生器采用了六級雙邊充電的設計,其原理如圖2所示.試驗變壓器輸出工頻高壓,經高壓硅堆整流后為Marx發生器提供充電電壓.Marx發生器采用氣體火花間隙開關,其中S1為觸發開關.為增大觸發范圍S1采用軌道滑動結構,觸發過程中活動電極在外力推動下沿軌道滑動,間隙減小,當開關間隙場強超過擊穿場強時觸發放電過程.

本脈沖源采用同軸銳化結構,同軸結構的分布電容作為銳化電容.S7在高壓過壓下擊穿,對銳化電容Cp充電,當銳化電容上的電壓上升到一定值后,銳化開關擊穿,達到銳化脈沖前沿的作用.

脈沖源實物如圖3所示,整個Marx發生器放置在油箱內.油箱和同軸銳化電容充滿高純度變壓器油.

圖2 輻射式核電磁脈沖模擬器結構圖

圖3 Marx發生器實物照片

脈沖的上升時間由銳化開關和銳化電容構成的放電回路電感決定,上升時間tr≈2.2L/R,L為回路的電感,R為負載.脈沖的半峰值時間由Marx發生器的等效總電容和負載電阻決定,半峰值時間tW≈0.7RCm,Cm為Marx發生器的總放電電容,Cm=C/n,C為每級電容的電容值,n為電容的數目.

只要整個放電回路的電感足夠小,合理選用銳化電容和主放電電容,就可以在Marx發生器的輸出端得到比較理想的雙指數脈沖.而正、負雙極性充電的Marx線路,縮短了Marx發生器的充電時間,火花隙開關數目可以減少一半,且體積也有較大減小,因此回路電感大大減小.

下面分別對Marx發生器各個部件進行分析.

1.2 觸發開關

觸發開關作為Marx發生器電路的第一級開關,主要用于觸發沖擊電壓發生器的放電過程.為拓寬觸發開關的觸發范圍,脈沖源采用軌道滑動的氣體火花間隙觸發開關.

本文研制的軌道滑動氣體火花間隙觸發開關采用氣缸驅動,如圖4所示.觸發開關主要由開關外殼、固定電極、滑動電極、滑動導軌和微型氣缸組成.開關的固定電極固定在基座上,滑動電極安裝在滑動導軌上,在氣缸的推動下滑動電極沿導軌滑動.觸發開關安裝在Marx發生器的第一級,如圖5所示.利用電磁閥控制氣缸運動,電磁閥加電后氣缸驅動滑動電極沿滑動導軌滑動,固定電極和滑動電極之間的距離減小,從而觸發放電過程.該氣體火花間隙觸發開關結構簡單,工作電壓范圍大,解決了目前氣體火花間隙觸發開關工作電壓范圍小的問題.

圖4 氣體間隙觸發開關結構圖

圖5 氣體火花間隙觸發開關連接示意圖

1.3 銳化開關

脈沖源采用分布參數銳化電容整形方案,即利用同軸線等效的電容來對Marx發生器輸出的脈沖進行銳化.這種方案的優點在于分布參數銳化電容電感可以做到很小,從而可以減小整個回路的電感和電磁脈沖的上升時間.整個銳化裝置由分布參數銳化電容器和銳化開關構成[14].單位長度分布電容為:

(1)

式中:ε0為真空介電常數,ε0=8.85×10-12F/m;a為同軸線芯線直徑;b為同軸線外筒內直徑.在本脈沖源設計過程中,b/a=5,取變壓器油相對介電常數εr=2.3,根據式(1)可以得到單位長度電容值為79.47 pF/m,取同軸線的長度約為1 m,則銳化電容約為80 pF.

采用分布參數銳化電容器既起到銳化作用,又便于Marx發生器與天線之間的連接.

1.4 輻射天線的設計與優化

采用細鋁管架設成一定角度,構成TEM喇叭天線,如圖6所示.為增加天線的低頻輻射能力,天線的末端采用卷邊結構,增大了電流流通路徑,從而可以有效增大天線低頻輻射能力[15].卷邊TEM喇叭天線長度L為6 m,寬度W為6 m,高度H=4 m,卷邊半徑r為0.5 m.Marx發生器產生激勵脈沖,并通過同軸銳化回路進一步銳化,再激勵TEM喇叭天線輻射出相應的電磁脈沖環境.

為減小天線終端反射,在天線的末端加載吸收電阻,電阻的選取對輻射波形有重要影響.因此,電阻的阻值應與TEM天線的阻抗相匹配.

圖6 卷邊TEM天線示意圖

2 試驗結果與分析

利用光纖場強計測量輻射脈沖場波形,光纖場強計的天線系數為106/m.光纖場強計探頭放置在輻射場區域,光接收機和示波器放置在屏蔽室內.整個試驗過程中Marx發生器的輸出電壓為1 MV.下面分析快沿電磁脈沖輻射場試驗結果及其影響因素.

2.1 輻射波形

天線垂直架設,測量距離口徑面3 m位置的電場波形如圖7所示.測得脈沖波形為雙指數波,上升時間大約2.4 ns,半峰值寬度為121.6 ns,脈沖峰值場強為131.4 kV/m．從測量結果來看,脈沖寬度略小于核電磁脈沖BELL波形要求,關于滿足IEC 61000-2-9要求的定向輻射式模擬器目前正在研究中.從測量波形可以得出,測得的波形與有界波模擬器內的波形相似,說明在3 m位置處測得脈沖場波形仍為感應場,與脈沖源輸出波形相似,只是在下降沿略有過零.

圖7 天線垂直極化3 m處輻射脈沖波形

圖8 天線水平極化3 m處輻射場

天線水平架設,測得距離口徑面3 m位置的電場波形如圖8所示.測量波形近似為雙指數波,波形參數基本滿足設計要求.但與垂直極化相比,天線水平架設時測得的脈沖波形相對較差,下降沿有比較大的振蕩,這可能是因為天線水平架設時受到地面的反射較大造成的[16].

2.2 輻射波形與終端負載的關系

比較終端負載分別為100 Ω、200 Ω和300 Ω時距離口徑面3 m位置輻射場波形如圖9所示.從測量結果來看,終端負載不同輻射場波形不同,在終端負載為100 Ω,測得的波形為欠阻尼振蕩波.隨著終端負載的增大,脈沖場的脈沖寬度增大.因為在距離口徑面3 m位置輻射場為感應場,與脈沖源輸出波形相同,因此可以根據有界波模擬器的計算方法確定天線的終端負載,參考有界波模擬器的終端負載計算方法,TEM天線的終端負載大約在100～300 Ω之間選擇.

圖9 不同天線末端電阻條件下波形比較(距口徑面3 m)

2.3 輻射波形與距離的關系

將光纖場強計放置在口徑面中心軸線位置上,沿輻射方向前后移動探頭,分別測量口徑面及距離口徑面1 m、3 m、5 m、7 m、8 m和10 m位置的峰值場強,如圖10所示.距離口徑面1 m位置的峰值場強大約為200 kV/m.假設場強計距離口徑面的距離為d,峰值場強近似按1/d2衰減,在距離口徑面9 m處峰值場強衰減到50 kV/m.因此,在距離徑面 5 ～10 m內50 kV/m輻射場強均勻性可達±3 dB.調節Marx發生器的充電電壓,也可以有效地改變各個測試位置的峰值場強.

口徑面及距離口徑面1 m、3 m、5 m、7 m、8 m和10 m位置的輻射脈沖場半波寬度,如圖11所示.隨著距離口徑面距離的增大,脈沖寬度減小.這是因為在距離口徑面較近時,輻射場主要為感應場,隨著距離的增大,輻射場的感應場成分減小,所以脈沖寬度減小.在距離口徑面10 m位置輻射場測量波形如圖12所示,從測量結果可以看出在10 m位置的脈沖波形近似為脈沖源輸出雙指數的微分波形,所以脈沖寬度大大減小,而且在尾部有較大的衰減振蕩.

圖10 峰值場強與距離的關系曲線

圖11 半波寬度與距離的關系曲線

圖12 10 m位置的脈沖波形

2.4 輻射場均勻性測試

為了獲得輻射場的分布情況和場均勻性,在平行于口徑面且距口徑面3 m遠處的平面上選擇了16個位置利用寬帶電場脈沖測試系統進行測試.探頭位置分布如圖13所示,測試區域中心位置O在TEM天線中心軸線上,測試點間距2 m.TEM天線垂直極化,保持Marx發生器的輸出電壓為1 MV,逐次測量16個測試點的峰值場強,測量結果如表1所示.16個測試點的峰值場強分布在72.9 ～135.4 kV/m變化,16個測試點峰值場強的總變異系數為18.66%,因此可以認為在距離口徑面3 m距離處在6 m×6 m的測試區域內具有較好的場均勻性.可以看出,與相同尺寸的傳輸式模擬器相比,輻射式核電磁脈沖模擬器具有更大的均勻區域.

圖13 探頭放置的16個位置

表1 3 m測試平面峰值場強及變異系數

3 結 論

本文對輻射式核電磁脈沖場模擬器的工作原理、結構設計和測量結果進行分析,得到以下結論:

1)本文研制的輻射式核電磁脈沖場模擬器可以實現水平和垂直兩種極化,利用軌道滑動觸發氣體火花間隙開關可以實現大動態范圍可靠觸發放電過程.利用同軸線分布參數作為銳化電容,與同軸銳化開關集成一體,既起到銳化作用,又便于Marx發生器與天線連接,結構簡單實用.

2)受地面影響較大,垂直極化波形優于水平極化,水平極化脈沖波形脈沖較窄,下降沿有振蕩和過零.

3)輻射式核電磁脈沖場模擬器輻射場為近場波形,與激勵源波形相似.因此,可以參照有界波傳輸線匹配電阻選取原則確定天線終端匹配負載,阻值在100～300 Ω之間選取.

4)隨著距離口徑面距離的增大,峰值場強近似按1/d2衰減,脈沖寬度減小.與傳輸式模擬器相比,相同尺寸的輻射式核電磁脈沖場模擬器具有更大的均勻區域,更適合大型設備電磁脈沖抗擾度試驗.

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范麗思 (1975-)，河北人，男，博士，副教授，研究方向為電磁脈沖模擬與仿真技術.

王赟 (1985-)，河南人，男，博士，講師，研究方向為電磁脈沖模擬技術.

周星 (1978-)，重慶人，女，博士，副教授，研究方向為電磁脈沖防護理論與技術.

萬浩江 (1983-)，河北人，男，博士，講師，研究方向為雷電與電磁防護.

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

聯系人： 范麗思 E-mail: fanlisi@sina.com

范麗思,王赟,周星,等.定向輻射式核電磁脈沖場模擬器的研制[J]. 電波科學學報,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