【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 照射器就是典型的偶極子天線。(3) 靜態(tài)模擬器靜態(tài)模擬器是一種結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于激勵(lì)信號(hào)波長(zhǎng)的模擬器。故常稱其為駐定場(chǎng)模擬器。它適用于對(duì)低頻場(chǎng)或準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的模擬。由于產(chǎn)生的模擬場(chǎng)不傳播，也稱之為零維模擬器。這種模擬器的理想之處在于，它所產(chǎn)生的入射場(chǎng)在被試系統(tǒng)附近都是均勻的。(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(diǎn)。(5) 定向輻射模擬器定向輻射也是系統(tǒng)遠(yuǎn)離模擬器結(jié)構(gòu)的一種模擬方法。所謂定向輻射是相對(duì)于偶極子模擬器無(wú)方向性的輻射而言的，它將脈沖有限的能量集中在一定的角度范圍內(nèi)輻射，借以提高模擬器的效率。(6) 源區(qū)電磁脈沖環(huán)境的模擬電磁脈沖源區(qū)是康普頓電流分布的區(qū)域，源區(qū)內(nèi)的空氣介質(zhì)具有隨時(shí)間非線性變化的電導(dǎo)率，并在其中形成傳導(dǎo)電流。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。E／H比值也不像自由空間那樣呈簡(jiǎn)單的常數(shù)關(guān)系。此外，γ和中子的效應(yīng)也很重要。因此源區(qū)是一個(gè)多變量的復(fù)雜環(huán)境。如果要把源區(qū)所有的特性準(zhǔn)確的模擬出來(lái)。無(wú)疑是一個(gè)十分困難的問(wèn)題。就目前的技術(shù)水平來(lái)看，根據(jù)研究問(wèn)題的需要，建造一些只能產(chǎn)生部分源區(qū)特性的模擬器是可能的，特別是對(duì)大型的試驗(yàn)系統(tǒng)，一般只能考慮單一因素或特別感興趣的某些因素的模擬．只有對(duì)很小的試驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)小部分上產(chǎn)生“全部”源區(qū)環(huán)境是可能的。但不論何種模擬器，都是由脈沖源和電磁場(chǎng)形成裝置兩大部分組成的。本文實(shí)驗(yàn)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(jì)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。脈沖源通常為峰值電壓達(dá)數(shù)千伏至數(shù)兆伏的高壓脈沖發(fā)生器，其輸出的脈沖可以是單次的或以一定頻率重復(fù)的波形。由于所要模擬的電磁脈沖的上升時(shí)間極短而且峰值長(zhǎng)槍比較高，故脈沖源的建造必須采用脈沖功率技術(shù)。所謂脈沖功率技術(shù)(ulsed power technology)是指將很大的能量(通常為幾百千焦耳至幾十兆焦耳)儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中，然后通過(guò)快速開(kāi)關(guān)(動(dòng)作時(shí)間在納秒左右)將此能量在納秒至微秒時(shí)間內(nèi)釋放到負(fù)載上，以得到極高的功率。它是一種電物理技術(shù)，也是納秒脈沖電子學(xué)。是通用高電壓技術(shù)以及應(yīng)用物理學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。脈沖功率系統(tǒng)包括初級(jí)儲(chǔ)能、脈沖儲(chǔ)能和傳輸幾部分．初級(jí)儲(chǔ)能常采用馬克斯發(fā)生器或脈沖電容器組、脈沖變壓器(包括直線型和特斯拉型)等。脈沖儲(chǔ)能主要有傳輸線型的電容儲(chǔ)能(包括同軸型和平板型)和電感儲(chǔ)能(同軸型和螺旋線型)方式，它們分別通過(guò)高功率閉合開(kāi)關(guān)和斷路開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電脈沖壓縮和功率放大．脈沖儲(chǔ)能可以由一級(jí)或幾級(jí)組成，末級(jí)也有采用磁感應(yīng)方式，實(shí)現(xiàn)脈沖電壓倍加(又稱感應(yīng)電壓加法器)、能量會(huì)聚，最后通過(guò)真空磁絕緣傳輸線把能量傳輸給負(fù)載。脈沖功率系統(tǒng)的復(fù)雜程度決定于負(fù)載對(duì)它的要求、系統(tǒng)開(kāi)關(guān)性能和初級(jí)儲(chǔ)能向脈沖儲(chǔ)能放電的快慢程度。脈沖功率裝置不僅成為脈沖輻射模擬的最有效的實(shí)驗(yàn)手段，而且在慣性約束(ICF)、新概念武器(激光武器、微波武器、電磁脈沖彈、粒子束武器、電磁炮、電熟炮等)等國(guó)防和能源領(lǐng)域研究中得到重要應(yīng)用，在其他民用領(lǐng)域中也有廣闊的發(fā)展前景，如脈沖x射線源用于消毒滅菌。脈沖離子束源用于材料表面改性，以及利用脈沖功率裝置進(jìn)行脫硫、脫硝、污水凈化等環(huán)保應(yīng)用和作為石油開(kāi)采、勘探的供能系統(tǒng)，乃至醫(yī)療上對(duì)人體內(nèi)結(jié)石破碎等。脈沖功率技術(shù)是以20世紀(jì)60年代英國(guó)原子武器研究中心(AWRE)的馬丁(JC Martin)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，基于經(jīng)典的Marx發(fā)生器技術(shù)，發(fā)明用于核武器強(qiáng)脈沖T射線效應(yīng)模擬的高壓脈沖傳輸線型強(qiáng)流脈沖電子加速器為標(biāo)志而迅速發(fā)展起來(lái)的i3s脈沖源一般采用雙指數(shù)波形，這種波形可以用RC放電回路實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖22所示：圖22 脈沖發(fā)生器放電回路圖中C為充電電容，R為負(fù)載，K為脈沖發(fā)生器放電回路開(kāi)關(guān)，L為放電回路分布電感，E為充電電壓。結(jié)合初始條件，此放電回路方程的解為 （21）式中，，一個(gè)典型的雙指數(shù)波模擬波形如圖23所示：圖23 一個(gè)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(dá)到模擬實(shí)際電磁脈沖爆炸效果，應(yīng)盡量減少脈沖的上升時(shí)間。利用較低的工作電壓獲得較高的脈沖電壓輸出，通常的做法是利用變壓器升壓，然而，由于有界波模擬器脈沖源的脈沖需要納秒級(jí)的上升前沿，升壓變壓器的漏感較大，影響脈沖的前沿，因此，直接采用變壓器升壓的方式不大合適，考慮到這些因素后，本實(shí)驗(yàn)擬采用感應(yīng)疊加技術(shù)，其電路拓?fù)淙鐖D24所示（圖中只畫(huà)出了2級(jí)疊加，實(shí)際采用5級(jí)）：圖24 感應(yīng)疊加式輸出系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的感應(yīng)疊加子系統(tǒng)構(gòu)成，共同連接到同一個(gè)模擬器負(fù)載，如圖24所示。這樣，通過(guò)控制觸發(fā)時(shí)序，我們即可在負(fù)載上得到需要的重頻脈沖，由此可見(jiàn)，采用不同級(jí)數(shù)的感應(yīng)疊加的輸出方式后，選用氫閘流管峰值陽(yáng)極電壓要求可以成倍降低，如選用33kV的峰值陽(yáng)極電壓氫閘流管，只用2級(jí)即可滿足輸出電壓要求。采用感應(yīng)疊加輸出的方式還有如下優(yōu)點(diǎn)：①有效減小放電回路分布電感，進(jìn)一步提高脈沖上升沿。②系統(tǒng)5個(gè)獨(dú)立的電磁脈沖模擬發(fā)生器完全實(shí)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。③方便實(shí)現(xiàn)輸出極性的轉(zhuǎn)換。④減輕充電電源及部分裸露導(dǎo)線聯(lián)接部分的電暈放電，增加電源的可靠性。由于真實(shí)的電磁爆炸電磁脈沖上升沿極快，為了模擬真實(shí)的電磁爆炸，要求脈沖源輸出脈沖有很快的前沿，其前沿時(shí)間一般在20ns之內(nèi)，脈沖的上升時(shí)間主要由分布電感和負(fù)載兩個(gè)因素決定，負(fù)載由模擬器和吸收負(fù)載等2部分組成，平板型模擬器前過(guò)渡段、平行板段、后過(guò)渡段、終端匹配負(fù)載等幾個(gè)部分組成，體積較大，回路較長(zhǎng)，顯然通過(guò)優(yōu)化放電回路的結(jié)構(gòu)（如合理走線等），可以有效減少分布電感，除合理走線等工程常規(guī)措施外，采用同軸屏蔽結(jié)構(gòu)的輸出方式被認(rèn)為是最有效的技術(shù)手段。如此，按照本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)歸一化后的輸出波形如圖25：圖25 脈沖激勵(lì)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(guò)產(chǎn)生雷電及核電磁脈沖環(huán)境，進(jìn)行EMS的各種效應(yīng)試驗(yàn)，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(cè)試、屏蔽室電磁脈沖屏蔽效能測(cè)試等。有界波電磁脈沖模擬器它采用了與波導(dǎo)類似的結(jié)構(gòu)，其截面可用兩個(gè)正交的坐標(biāo)來(lái)描述，波在第三個(gè)正交坐標(biāo)方向上傳播。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。在波的傳播過(guò)程中，模擬器結(jié)構(gòu)形成了導(dǎo)波的邊界，故稱之為有界波模擬器。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(guò)渡段、平行板段、后過(guò)渡段、終端匹配負(fù)載等幾個(gè)部分組成，模擬器上半部分與下半部分關(guān)于Y軸對(duì)稱[1]。圖26 平行金屬板有界波模擬器的結(jié)構(gòu)模擬器的電磁特性是由脈沖源的等效電容和電感以及傳輸線的阻抗3個(gè)要素決定的。由脈沖源的電容和傳輸線阻抗構(gòu)成脈沖衰落部分的時(shí)間常數(shù)，而脈沖上升時(shí)間的時(shí)間常數(shù)則與脈沖源的電感成正比，與傳輸線的阻抗成反比。場(chǎng)強(qiáng)的峰值則與脈沖源的工作電壓(V0)成正比而與工作空間高度(h)成反比，即：通常脈沖源的幾何尺寸相對(duì)于工作空間要小得多，為了保證脈沖源激勵(lì)的電磁波無(wú)及射、無(wú)損耗的傳輸?shù)焦ぷ骺臻y，必須引入一前過(guò)渡段，要求從過(guò)渡段到工作空的阻抗不變。對(duì)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(guò)渡段各截面的高度比不變，其阻抗就能保持不變。于是將過(guò)渡段設(shè)計(jì)為錐板狀。同樣的理由，為消除終端反射，所用電阻性負(fù)載與平行線板之間也需要這樣一個(gè)成過(guò)渡段。在前過(guò)渡段中，波基本以球面波的形式傳播，為使工作空間的波前接近平面波，前過(guò)渡段的長(zhǎng)度應(yīng)為工作空間高度的兩倍以上。在有界波模擬器設(shè)計(jì)時(shí)，我們遵循如下原則：(1) 有效性原則。即有界波模擬器其工作空間內(nèi)電磁場(chǎng)分布及傳播應(yīng)盡量能模擬真實(shí)的電磁爆炸過(guò)程。在工作區(qū)域內(nèi)傳播的電場(chǎng)要盡量均勻，并以TEM波的方式傳播，即如圖30所示電場(chǎng)應(yīng)該主要為垂直分量，水平分量盡可能的小。由理論分析及仿真結(jié)果可知：在模擬器前后過(guò)渡段各尺寸以及工作區(qū)間的高度和長(zhǎng)度均不變時(shí)，隨著工作區(qū)間寬度的增加，垂直電場(chǎng)分量會(huì)逐漸變大,其余方向的電場(chǎng)分量逐漸減小，電磁波傳播模越來(lái)越接近TEM模。所以適當(dāng)增加工作區(qū)的寬度可以更好地獲得真實(shí)的電場(chǎng)分布；同時(shí)過(guò)渡段和工作區(qū)連接處的連續(xù)性會(huì)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(huì)導(dǎo)致工作區(qū)電場(chǎng)在峰值點(diǎn)附近有一定的小起，影響電場(chǎng)的均勻性。所以過(guò)渡段的幾何結(jié)構(gòu)必須和工作區(qū)的幾何尺寸結(jié)合起來(lái)共同優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低不連續(xù)性；端口的阻抗匹配程度差不可避免地會(huì)存在反射波，模擬器內(nèi)空間的電場(chǎng)是入射波電流產(chǎn)生的電場(chǎng)和反射波電流產(chǎn)生的電場(chǎng)的矢量疊加，從而將會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)分布偏離理想的分布，精確的阻抗匹配可以在頻域通過(guò)實(shí)驗(yàn)的辦法解決。(2) 可測(cè)量性原則。該原則在要求有界波模擬器其工作空間內(nèi)電磁場(chǎng)分布盡可能均勻，不出現(xiàn)突變的奇點(diǎn)的情況下，還要考慮電壓測(cè)試探頭的寄生效應(yīng)對(duì)工作區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)的影響程度小，所以在設(shè)計(jì)或選用探頭時(shí)必須考慮到模擬器的幾何結(jié)構(gòu)。(3) 經(jīng)濟(jì)性原則。設(shè)計(jì)出小型化但同時(shí)滿足前兩項(xiàng)原則的有界波模擬器。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)所建立如圖13所示的平板型有界波模擬器，該空間結(jié)構(gòu)尺寸的平板型有界波模擬器其前過(guò)渡段、平行板段、后過(guò)渡段阻抗均為170Ω。圖27 本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)平行板型有界波模擬器結(jié)構(gòu) 本章小結(jié)本章主要介紹了電磁脈沖模擬器的相關(guān)知識(shí)。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(jì)。第三章 電磁脈沖模擬器空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研制 測(cè)量系統(tǒng)的整體方案本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)目的在于將瞬變的空間電場(chǎng)信號(hào)通過(guò)采集，在上位機(jī)中顯示。其中，要獲取電場(chǎng)信號(hào)必須有可以感應(yīng)電場(chǎng)的探頭，既電場(chǎng)傳感器；之后，探頭輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、衰減、隔離等一些處理后進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集裝置；在軟硬件相結(jié)合的環(huán)境下，高速數(shù)據(jù)采集卡將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存，最后在上位機(jī)中顯示。系統(tǒng)框圖如圖31：圖31 測(cè)量系統(tǒng)框圖偶極子傳感器的原理圖如圖32所示，其中l(wèi) ,r分別表示偶極子的長(zhǎng)度和半徑，Zc表示負(fù)載阻抗，C表示偶極子傳感器的等效電容。 (a) 偶極子 (b) 等效電路圖32 偶極子傳感器的原理圖由圖15(b)等效電路可得電壓VO的表達(dá)式： (31)式(31)中的轉(zhuǎn)折頻率為1/(CZC) ，在低頻段，感應(yīng)電壓VO與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系是： (32)其中θ是偶極子矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度矢量之間的夾角，通過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓VO的積分運(yùn)算來(lái)確定電場(chǎng)強(qiáng)度，而積分運(yùn)算可采用無(wú)源積分器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在高頻段，感應(yīng)電壓VO與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系是： (33)式(33) 中感應(yīng)電壓VO與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系表現(xiàn)出線性特性，因此，為了實(shí)現(xiàn)保持這種線性關(guān)系，可通過(guò)匹配負(fù)載阻抗Zc和提高偶極子傳感器的等效電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。電磁脈沖模擬器電場(chǎng)測(cè)量可按式(33) 高頻近似法來(lái)計(jì)算并設(shè)感應(yīng)電壓VO的標(biāo)定系數(shù)為Kv，則電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為： (34)測(cè)量的電壓經(jīng)式(34)換算可得到電場(chǎng)值[3]。送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種待轉(zhuǎn)換物理參數(shù)如溫度、壓力、位移、流量等都是模擬量。首先要把這些模擬量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，才能由電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的處理。把各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件稱為傳感器。傳感器給出的電信號(hào)往往遠(yuǎn)不是所需要的理想狀態(tài)，這就需要對(duì)信號(hào)加以調(diào)理。一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為模擬信號(hào)調(diào)理部分和數(shù)字部分。其中模擬部分完成輸入阻抗變換、根據(jù)信號(hào)大小進(jìn)行增益調(diào)節(jié)及抗混疊濾波等，因此模擬信號(hào)調(diào)理電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中具有重要的作用。對(duì)環(huán)境噪聲的抑制能力、自身對(duì)有用信號(hào)的干擾和采樣精度等都是模擬信號(hào)調(diào)理電路中必須要考慮的問(wèn)題。特別是對(duì)信號(hào)幅度微弱、干擾和噪聲幅度大、精度要求高、動(dòng)態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)的時(shí)實(shí)性要求高的情況。對(duì)模擬信號(hào)