【正文】 P(電磁脈沖)模擬器的結(jié)構(gòu)特點，對模擬器空間電場的測量系統(tǒng)進行了初步的研究與設(shè)計，主要內(nèi)容如下：（1） 通過查閱大量資料，總結(jié)了空間瞬態(tài)電場測量的多種方法，進行比較，初步設(shè)計出適合本課題的測量系統(tǒng)。為此人們提出了Mach—Zehnder干涉儀法，且研究表明它較好地克服了上述缺點，它的傳感器結(jié)構(gòu)見圖15，系統(tǒng)原理框圖如圖16所示。而根據(jù)實現(xiàn)相位差測量的結(jié)構(gòu)不同，實際中又逐步發(fā)展出了偏振光法和MachZehnder干涉儀法2種常用的測量系統(tǒng)。發(fā)生電光效應(yīng)時，物質(zhì)的折射率n與所加電場強度E的關(guān)系是：式中：n0是無電場時物質(zhì)本來的折射率，a、b是電光系數(shù)；式中的第二項aE是線性關(guān)系，即是PockeIs效應(yīng)；第二項bE2是二次方關(guān)系，反映的是Kerr效應(yīng)。在實際應(yīng)用中，K值是通過實驗標定而得到。一般球形電場探頭為電容式探頭，如圖13所示：圖13 一般球形電場探頭設(shè)探頭中心所在的空間點為O，探頭放入電場前該點的電場強度E0（無畸變場強），當把探頭放入電場中點O之后，空間電場將在靜電感應(yīng)的作用下在兩半球殼的外表面感應(yīng)出電荷。(1) 可以很容易計算其表面電荷與電場強度的關(guān)系。偶極子傳感器的原理圖如圖12所示，其中l(wèi) ,r分別表示偶極子的長度和半徑，Zc表示負載阻抗，C表示偶極子傳感器的等效電容[3]。(2) 有源電光調(diào)制法有源電光調(diào)制方法是在傳感器探頭部分將用天線接收到的電場信號轉(zhuǎn)變成光信號，經(jīng)過光纖傳輸?shù)娇刂茊卧?，再還原成電信號進行顯示處理。為了解決天線直接感性法因使用高頻電纜傳輸信號容易受干擾的問題，人們改用了光纖傳輸?shù)姆椒?。由于光纖可以隔離高壓電信號而不會引入畸變，因此，在高壓電場測量中，采用光纖作為信號的傳輸媒體。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，很多壓電場問題都可以采用合適的算法進行計算。這些特點對測量設(shè)備提出了很高的要求，包括同時應(yīng)具有足夠的靈敏度、良好的動態(tài)響應(yīng)范圍以及抗干擾能力等等，用一般的電磁輻射測量設(shè)備往往不能滿足要求。例如，在電磁科學(xué)研究中，電場測量可作為檢驗電場理論計算是否準確的有效手段，為許多難以計算的電場環(huán)境提供測量數(shù)值，在電力工業(yè)，電場測量可用于電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、電氣設(shè)備內(nèi)外電場分布測量、高電壓試驗及電暈放電現(xiàn)象研究等，在電磁兼容領(lǐng)域研究中，電場測量可用于檢測電氣、電子設(shè)備的對外電磁輻射與干擾，以及研究環(huán)境電場對電子儀器運行的影響；在微波技術(shù)中，需要對微波發(fā)射與接收設(shè)備周圍電場進行測量。為此就需要使用相應(yīng)的電磁場傳感器測量各種瞬態(tài)電磁干擾的分布[2]。當前，隨著核技術(shù)的發(fā)展和非核電磁脈沖武器的出現(xiàn)，不僅提高電磁脈沖在核爆炸能量中的份額并增強其威力，而且非核電磁脈沖炸彈也能產(chǎn)生類似的效應(yīng)。從時域波形看，一般具有陡峭的前沿，寬度較窄；從頻域看，則覆蓋了較寬的頻帶。大量電子、電氣設(shè)備的廣泛使用，使電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。本設(shè)計使用OrCAD/PSpice軟件繪制了信號調(diào)理電路的原理圖，并模擬電場探頭感應(yīng)脈沖電場所產(chǎn)生的電壓脈沖信號進行了激勵源的設(shè)計，并用此激勵源對原理圖進行了PSpice仿真驗證，得出了想要的信號調(diào)理結(jié)果。該系統(tǒng)包括電場測量探頭、信號調(diào)理電路，高速數(shù)據(jù)采集部分?？偨Y(jié)編排材料，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，進行畢業(yè)答辯。要求：論文要求格式規(guī)范，字跡清晰，應(yīng)有中英文摘要、關(guān)鍵詞并附兩張大圖；論文要求所設(shè)計的測量系統(tǒng)有詳細的理論分析和設(shè)計依據(jù)計算；論文最后應(yīng)附有5000漢字的相關(guān)英文資料翻譯。其中高速數(shù)據(jù)采集部分采用了加拿大AlazarTech公司的高速數(shù)據(jù)采集卡ATS9350。關(guān)鍵詞：電磁脈沖模擬器，電場測量，信號調(diào)理，PSpice仿真，II Hardware circuit design and simulation of electromagnetic pulse simulator space electric field measurement systemAbstractIn this paper, the boundedwave EMP (electromagnetic pulse) simulator, electromagnetic pulse simulator as an external highenergy pulse excitation source for the prediction of plex electromagnetic environment of the experimental study of electromagnetic necessary technical support. Designed on the basis of learning simulators principle and structure of a small parallelplate EMP simulator space field measurement system. The system consists of the electric field measurement probe, signal conditioning circuits, high speed data acquisition part. Which highspeed data acquisition part the Canadian AlazarTech39。特別是一些瞬態(tài)的干擾源，它們產(chǎn)生的脈沖干擾上升時間從us級到ns級，產(chǎn)生的瞬變電磁場持續(xù)時間比較短，幅值比較大。除了雷電會產(chǎn)生電磁脈沖以外，靜電放電以及大功率電子、電氣開關(guān)的動作也會產(chǎn)生電磁脈沖。同時軍用電子、電氣設(shè)備微電子化，使其對于電磁脈沖的敏感性和易損性日趨嚴重。由于需對電磁脈沖產(chǎn)生的電磁干擾的分布進行測量以及核武器效應(yīng)模擬的需要，自20世紀70年代以來，隨著電子技術(shù)和電子武器的發(fā)展和應(yīng)用，有關(guān)電磁脈沖的干擾破壞效應(yīng)、生物效應(yīng)及工程防護的理論和技術(shù)一直是世界各大國研究的熱點之一，其中電磁脈沖模擬技術(shù)得到了極大的關(guān)注。此外，在核物理以及航空航天科學(xué)與技術(shù)研究中也需要空間電場傳感器。 空間電場測量原理和方法縱觀近年來國內(nèi)外關(guān)于瞬態(tài)強電場測量技術(shù)的研究，根據(jù)不同的原理和結(jié)構(gòu)，測量方法總的可以分為2種：一是天線直接感應(yīng)的方法；二是基于電光效應(yīng)傳感器及光纖傳輸?shù)墓鈱W(xué)調(diào)制的方法。但在有些場合，現(xiàn)在的計算方法卻難以應(yīng)用或不適用了。(1) 天線直接感應(yīng)法這種方法是采用寬帶天線，直接獲取瞬態(tài)電場信號，再經(jīng)高頻電纜將接收到的信號送入示波器進行顯示處理。這是因為，光纖傳輸具有完全的電絕緣，以及傳輸頻率范圍寬等優(yōu)點。由于它在傳感探頭部分要進行電光信號的轉(zhuǎn)換，故須提供電源，因而得其名。 (a) 偶極子 (b) 等效電路圖12 偶極子傳感器的原理圖球形電場探頭：當把探頭放入空間電場后，空間電場將在靜電感應(yīng)的作用下在兩半球殼的外表面感應(yīng)出電荷，這些感應(yīng)電荷將在取樣電容Ck兩端產(chǎn)生一個微小的電壓，所測空間的電場強度與探頭內(nèi)取樣電容兩端電壓成正比，因此通過測量該電壓值就可以達到測量空間場強的目的。(2) 可以估算探頭對被測電場的影響。設(shè)半球殼表面積為A，球表面電荷的面密度為啄，則半球殼的總表面電荷為： (11)可以證明，球形探頭放入電場之后，探頭半球殼上的表面電荷量與電場強度成正比： (12)其中K為比例系數(shù)。有源電光調(diào)制法在探頭內(nèi)還有電源，這可能對所測的電磁場造成一定影響。Pockels效應(yīng)由于與場強大小之間具有良好的線性關(guān)系，故常被應(yīng)用于電場測量。①基于Pockels效應(yīng)的偏振光法．這是利用偏振光干涉法間接測量Pockels效應(yīng)引起的相位差的，具體測量系統(tǒng)的原理如圖4所示。圖15 基于Pockels效應(yīng)的MachZehnder干涉儀法 圖16 基于Pockels效應(yīng)的MachZehnder干涉儀法所用傳感器的原理圖 測量系統(tǒng)原理示意(4) 有源電光調(diào)制法和無源電光調(diào)制法的比較分析有源電光調(diào)制法和無源電光調(diào)制法目前在實際的瞬態(tài)電場測量中應(yīng)用較多，現(xiàn)對其測量帶寬、可測量電場強度的范圍、以及優(yōu)缺點進行一個簡要總結(jié)，見表1[5]。（2） 對電磁脈沖模擬器進行了概述，并對高重頻EMP(電磁脈沖)模擬器的脈沖源產(chǎn)生原理及模擬器結(jié)構(gòu)進行了介紹。劉順坤等學(xué)者采用時域積分方程對電磁脈沖模擬器空間場分布進行了數(shù)值模擬。它利用具有二階精度的中心差分近似公式，把旋度方程中對電場和磁場的各分量的微分算符直接轉(zhuǎn)換成差分形式。潘曉東等學(xué)者采用矩量法結(jié)合快速多極子方法研究了快上升沿電磁脈沖信號在有界波模擬器中的傳輸特性。西北核技術(shù)研究所研制的有界波電磁脈沖模擬器主要由MARX發(fā)生器、峰化電容器、主開關(guān)、照射器、匹配負載等部分組成。瞬態(tài)電磁脈沖對電氣、電子系統(tǒng)構(gòu)成的威脅己經(jīng)引起了人們廣泛的重視。電磁脈沖模擬器作為高能電磁波輻射源，為研究和數(shù)值計算復(fù)雜電磁環(huán)境中的耦合等問題提供了必要的技術(shù)支持。在波的傳播方向上的電磁波分量很小，基本上可以看作是TEM波。核電磁脈沖模擬器按結(jié)構(gòu)形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，由脈沖源和電磁場形成裝置兩大部分組成，而脈沖源一般由初級能源、中間儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換及傳輸系統(tǒng)組成。論文具體設(shè)計的實驗用電磁脈沖模擬器，由可調(diào)直流高壓電源、儲能電容器、氣體火花開關(guān)及其觸發(fā)控制電路、吉赫橫電磁波室等部分構(gòu)成。模擬器脈沖源的輸出峰值電壓達26kV。核電磁脈沖模擬器按結(jié)構(gòu)形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，按電場強度分為威脅量級和亞威脅量級兩類模擬器。只要頻率不是太高(波長大于導(dǎo)波結(jié)構(gòu)截面幾何尺寸)，對這類模擬器可按傳輸線理論加以分析，因而又稱為傳輸線型模擬器。故常稱其為駐定場模擬器。(4) 混合型模擬器混合型模擬器綜合了偶極子模擬器和靜態(tài)模擬器的主要特點。如果核爆炸在地面附近發(fā)生，大地巖土介質(zhì)的電導(dǎo)率也將發(fā)生變化。如果要把源區(qū)所有的特性準確的模擬出來。本文實驗所用的電磁脈沖模擬器系統(tǒng)由高重頻脈沖源分系統(tǒng)、小型平板形有界波模擬器分系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖21： 圖21 電磁脈沖模擬器系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 高壓脈沖源脈沖源是電磁脈沖模擬器中為電磁脈沖形成裝置提供電磁能量的裝置。它是一種電物理技術(shù)，也是納秒脈沖電子學(xué)。脈沖功率系統(tǒng)的復(fù)雜程度決定于負載對它的要求、系統(tǒng)開關(guān)性能和初級儲能向脈沖儲能放電的快慢程度。結(jié)合初始條件，此放電回路方程的解為 （21）式中，一個典型的雙指數(shù)波模擬波形如圖23所示：圖23 一個典型的雙指數(shù)波模擬波形由于分布電感的存在，使放電回路的電流上升沿的存在，使脈沖包含的高頻分量的幅值變低了，因此，要達到模擬實際電磁脈沖爆炸效果，應(yīng)盡量減少脈沖的上升時間。②系統(tǒng)5個獨立的電磁脈沖模擬發(fā)生器完全實現(xiàn)物理上的隔離，減少電磁脈沖模擬發(fā)生器間的連續(xù)放電干擾。如此，按照本實驗設(shè)計要求，峰值電壓約在19ns左右出現(xiàn)，其從90%10%的下降沿約為370ns，設(shè)計歸一化后的輸出波形如圖25：圖25 脈沖激勵峰值電壓歸一化 小型平板形有界波模擬器本文所用到的模擬器是小型平板形有界波模擬器，有界波EMP(電磁脈沖)模擬器是模擬高空HEMP(核爆炸電磁脈沖)早期輻射環(huán)境的裝置，通過產(chǎn)生雷電及核電磁脈沖環(huán)境，進行EMS的各種效應(yīng)試驗，該裝置廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和分系統(tǒng)EMP輻射敏感度測試、屏蔽室電磁脈沖屏蔽效能測試等。如圖26所示，有界波平板式電磁脈沖模擬器主要由脈沖源、前過渡段、平行板段、后過渡段、終端匹配負載等幾個部分組成，模擬器上半部分與下半部分關(guān)于Y軸對稱[1]。對平行段，其傳輸線線阻抗為工作空間高與寬之比的函數(shù)，近似為式中：h——平行傳輸線的高度，單位(米)a——平行傳輸線的半寬度，單位(米)理論表明只要做到過渡段各截面的高度比不變，其阻抗就能保持不變。在有界波模擬器設(shè)計時，我們遵循如下原則：(1) 有效性原則。所以適當增加工作區(qū)的寬度可以更好地獲得真實的電場分布；同時過渡段和工作區(qū)連接處的連續(xù)性會決定模擬器表面電流分布的連續(xù)性，而在連接處的不連續(xù)性會導(dǎo)致工作區(qū)電場在峰值點附近有一定的小起，影響電場的均勻性。(3) 經(jīng)濟性原則。其中包括電磁脈沖模擬器的構(gòu)成部分，高壓脈沖源的介紹和技術(shù)要求和小型平板形有界波模擬器設(shè)計。 (a) 偶極子 (b) 等效電路圖32 偶極子傳感器的原理圖