小型垂直极化辐射波强电磁脉冲模拟器研制.pdf
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1、小型垂直极化辐射波强电磁脉冲模拟器研制贾 伟,陈志强,郭 帆,程 乐,梅锴盛,李尧尧,程永平,石 凌,王 艺,谢霖燊,王 伟,石跃武,吴 伟,陈 伟(强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室;西北核技术研究所:西安7 1 0 0 2 4)摘 要:为满足实验需求,研制了一台小型的垂直极化偶极子型辐射波EMP模拟器。该模拟器天线是架高为5 m,半锥角为3 2 的倒立圆锥结构,与地面镜像构成偶极子形式。模拟器实验区域为围绕圆锥顶点,直径为2 5 m的圆形区域。具有上端馈入和下端馈入2种脉冲驱动模式,分别由两套脉冲驱动源来实现,可根据试验目的快速而便捷地切换。上端馈入脉冲源输出电压范围为5 03 0 0
2、 k V,下端馈入脉冲源输出电压最大值可达2.9 5 k V。实验测试结果表明,该模拟器所产 生的辐射场 波形前沿可 达23 n s,半 高宽约为2 5 n s,波形指 标符合I E C 6 1 0 0 0-2-9标准中对EMP实验波形的规定。关键词:垂直极化;辐射波;电磁脉冲模拟器;倒立圆锥;线锥天线中图分类号:O 4 4 1;T N 7 8 文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 5 0 2收稿日期:2 0 2 2 0 5 2 0;修回日期:2 0 2 3 0 1 2 0基金项目:强脉冲辐射环境
3、模拟与效应国家重点实验室基金资助项目(S K L I P R 2 1 0 5)作者简介:贾伟(1 9 7 8-),男,河北吴桥人,副研究员,博士,主要从事脉冲功率技术及强电磁脉冲环境模拟与生成技术研究。E-m a i l:j i a w e i n i n t.a c.c n R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t o f a S m a l l-S c a l e V e r t i c a l D i p o l e EMP S i m u l a t o rJ I A W e i CHE N Z h i q i a n g GUO F a
4、n CHE NG L e ME I K a i s h e n g L I Y a o y a o CHE NG Y o n g p i n g S H I L i n g WANG Y i X I E L i n s h e n WANG W e i S H I Y u e w u WU W e i CHE N W e i N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f I n t e n s e P u l s e d R a d i a t i o n S i m u l a t i o n a n d E f f e c t N o r t
5、h w e s t I n s t i t u t e o f N u c l e a r T e c h n o l o g y X i a n 7 1 0 0 2 4 C h i n a A b s t r a c t A s m a l l v e r t i c a l d i p o l e e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e EMP s i m u l a t o r i s d e v e l o p e d T h e a n t e n n a o f t h e s i m u l a t o r h a s a n i n v
6、e r t e d c o n e s t r u c t u r e w i t h a h e i g h t o f 5 m a n d a h a l f c o n e a n g l e o f 3 2 T h e e x p e r i m e n t a l r e g i o n o f t h e s i m u l a t o r i s a c i r c u l a r r e g i o n o f 2 5 m i n d i a m e t e r a r o u n d t h e c o n e v e r t e x T h e s i m u l a t
7、o r h a s t w o p u l s e d r i v i n g m o d e s o v e r-g r o u n d f e e d-i n m o d e a n d u n d e r g r o u n d f e e d-i n m o d e w h i c h a r e r e a l i z e d b y t w o s e t s o f p u l s e d r i v e r s r e s p e c t i v e l y T h e y c a n b e e x c h a n g e d q u i c k l y a n d s w
8、i t c h e d c o n v e n i e n t l y a c c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s T h e o u t p u t v o l t a g e r a n g e o f t h e o v e r-g r o u n d f e e d p u l s e r i s f r o m 5 0 k V t o 3 0 0 k V a n d t h e m a x i m u m o u t p u t v o l t a g e o f t h e u n d
9、e r g r o u n d f e e d p u l s e r c a n r e a c h 2 9 5 k V T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e f r o n t e d g e o f t h e r a d i a t e d e l e c t r i c w a v e f o r m g e n e r a t e d b y t h e s i m u l a t o r c a n b e u p t o 23 n s a n d t h e h a l f w i d
10、 t h i s a b o u t 2 5 n s T h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e r a d i a t e d e l e c t r i c f i e l d w a v e f o r m m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f 1-205020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3I E C 6 1 0 0 0-2-9 s t
11、a n d a r d f o r t h e EMP e x p e r i m e n t a l w a v e f o r m K e y w o r d s v e r t i c a l d i p o l e r a d i a t i o n w a v e E M P s i m u l a t o r i n v e r t e d c o n e w i r e-t a p e r a n t e n n a 强电磁能量会通过线缆、天线及孔缝等途径,耦合到电力和电子系统中,造成系统软硬件损伤和功能混乱,使系统可靠性与安全性下降14。电磁脉冲(e l e c t r o m
12、 a g n e t i c p u l s e,EMP)模拟器是用于产生强电磁实验环境,对系统或设备开展EMP效应与防护性能研究的实验装置。由于真实环境的复杂性及模拟器制作工艺与技术的限制,单台模拟装置很难同时模拟多种电磁环境。为更逼真地模拟受试对象在特定EMP环境下的响应,模拟器的设计须按特定用途进行,所产生的电磁场指标,如幅度、均匀性及极化方向等,须符合特定要求。根据电磁极化方向及地面影响,通常将高空EMP模拟装置分为导波型、偶极子型和混合型3类5。为完备实验条件,丰富实验环境,本文研制了一台小型垂直极化偶极子型辐射波EMP模拟器。该模拟器天线架高为5 m,倒立圆锥结构,半锥角为3 2;
13、可用实验区域为围绕圆锥顶点,直径为2 5 m的圆形区域。通过该模拟器可开展天线辐射特性研究、辐射场测量系统性能研究及EMP效应研究等工作。本文研究对掌握该类模拟器的研制技术、天线辐射特性及开展相关的考核与效应实验具有重要意义。1模拟器组成与工作原理EMP模拟器通常由辐射天线、脉冲驱动源及附属配套设施3部分组成。整个装置的工作流程为:首先,脉冲驱动源将缓慢充电积蓄的电能压缩成纳秒量级的高压快脉冲;然后,通过连接端口馈入天线,并由天线将电脉冲转化为电磁波向外辐射,形成用于实验的EMP环境。偶极子型EMP模拟器是一种理想的辐射波模拟器,可辐射非常快的电磁脉冲,且辐射场分布可通过解析计算的方式进行准确
14、预测,通 常 用 于 对 舰 船 和 飞 行 状 态 的 飞 机 进 行实验2,6。该类模拟器的常见天线结构是固定在一个导电平面上的圆锥体,与导电平面的镜像构成一副等效电偶极子天线,沿导电平面向外辐射垂直极化波。考虑到周边环境对辐射场的影响,这种圆锥体一般建在室外开阔地带,由于支撑结构、风载及雨雪等问题的影响,通常采用线栅结构。图1为以地面为导电平面的偶极子型EMP模拟器示意图。高频情况下,天线阻抗Zh f的估算可表示为2Zh fZ02 l nc o t02 其中:Z0为平面波阻抗;0为圆锥轴线和锥面间的夹角;Zh f典型值为6 07 5 56。模拟器脉冲驱动源通常采用一级或二级脉冲压缩模式,
15、将电脉冲整形成前沿为几纳秒、半高宽为几十纳秒的高压窄脉冲。驱动源位置布局通常有2种:一种是处于导电平面上方,且在圆锥天线内部;另一种是处于导电平面下方。图1以地面为导电平面的偶极子型EM P模拟器示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d i p o l e EM P s i m u l a t o r w i t h t h e g r o u n d a s t h e c o n d u c t i v e p l a n e2模拟器结构设计本文研 制 的 小 型 垂 直 极 化 偶 极 子 型 辐 射 波EMP模拟器结构如图2所示。
16、(a)O v e r-g r o u n d f e e d2-205020第1 4卷现 代 应 用 物 理(b)U n d e r-g r o u n d f e e d图2小型垂直极化偶极子型EMP模拟器结构F i g.2 S t r u c t u r e o f t h e s m a l l v e r t i c a l p o l a r i z e d d i p o l e EM P s i m u l a t o r天线采用倒立圆锥结构,以地面作为镜像平面,架高为5 m,半锥角为3 2。由式(1)计算可知,阻抗为7 5。脉冲源布局可同时兼顾上端馈入(如图2(a)所示)和下端
17、馈入(如图2(b)所示)2种形式,上端馈入脉冲源采用的是M a r x+峰化电容器的一级脉冲压缩电路模式,下端馈入脉冲源采用的是基于雪崩管的M a r x电路+同轴电缆的电路模式。2.1天线设计模拟器辐射天线由架设系统和导电锥面2部分组成,结构如图2(b)所示。架设系统用于支撑和悬吊天线 的倒立圆锥 结构。为 降 低 对 辐 射 场的影响,本文采用垂直地面呈正方形布置的4根外径为2 0 0 mm的 玻 璃 钢 立 柱 作 为 架 设 系 统 的支撑主体,顶部由4根直径为1 5 0 mm的玻璃钢圆柱作为横梁,将4根立柱搭接在一起,形成的一个稳定长方体门框支架结构,4台围绕门框立柱地面正方形 投影
18、对角 线外延伸线 均匀分布 的可联动卷扬电 机及4根 连接电机和 天线顶部 锥台、沿地面沟槽和立柱内外表面布置的高强度绝缘绳索构成整个天线的悬吊系统。导电锥面用于传导脉冲电流,形成向外辐射的电磁场。为降低天线重量和架设难度,采用4 8根金属导线围成圆锥形状,代替金属锥面构成天线的导电锥面,顶部由2个同心放置的金属圆环构成锥台形状(锥台锥角与天线锥角一致),对线锥形成支撑,使其保持圆锥结构。为达到镜像效果,天线下方及有效实验区域内的地面需增加导电性能的处理,图3为小型垂直极化偶极子型辐射波EMP模拟器的地面布局俯视图。以倒锥天线圆锥顶点为圆心,对直径为5 0 m的圆形区域进行地面平整,对直径为2
19、 5 m的区域内作地面水泥硬化处理。在直径为6 m圆形区域内,地面上铺设孔径为1.5 c m的不锈钢金属网;直径为61 5 m的环形区域内,地面铺设孔径为5 c m的不锈钢金属网;直径为1 52 5 m的环形区域内,地面铺设孔径为1 0 c m的不锈钢金属网;几块区域的不锈钢网连成一体,构成一个圆形的导电平面。图3小型垂直极化偶极子型辐射波EM P模拟器的地面布局俯视图F i g.3 T o p v i e w o f g r o u n d l a y o u t o f t h e s m a l l v e r t i c a l p o l a r i z e d d i p o l
20、e EMP s i m u l a t o r2.2脉冲源设计为实现2种模式的脉冲馈入,模拟器脉冲源也相应采用2种设计思路。上端馈入(M a r x+峰化电容器)一级脉冲压缩模式的等效电路如图4所示。其中:Cm为M a r x建 立 电 容;Rm和Lm分 别 为M a r x建立回路等效电阻和电感;Cp为峰化电容;Rp和Lp分别为峰化回路电阻和电感;RL为负载等效阻抗;S1为M a r x建立开关;S2为输出开关。M a r x发生器为自行研制的同轴紧凑结构,机芯由1 0个额定电压为3 0 k V,电容为5 6 0 0 p F的陶瓷电容器和1 0个独立封装的气体开关交替串联而成;整机建 立 电
21、 容Cm为0.5 6 p F,额 定 输 出 电 压 为3 0 0 k V3,7。峰化电容器Cp采用自行研制的高压同轴型薄膜电容,由多层聚丙烯薄膜与金属电极呈同轴状层层堆叠而成,为1 6 0 p F,耐压可达兆伏量级或以上89。整个脉冲源的工作流程为:M a r x内部电容器由直流高压电源并联充电至设定值后,经外部触发器触发使内部开关全部导通,而后电容器串联向峰化电容器充电;当充电电流达到峰值附近时,输出开关自击穿导通,能量被切换至天线负载,在天线周围形成效应实验所需的强电磁环境。3-205020 贾 伟 等:小型垂直极化辐射波强电磁脉冲模拟器研制第2期(a)E q u i v a l e n
22、 t c i r c u i t o f o n e-s t a g e p u l s e c o m p r e s s i o n(b)S i m u l a t e d o u t p u t v o l t a g e w a v e f o r m s图4基于一级压缩电路的脉冲源等效电路及模拟输出波形 F i g.4 E q u i v a l e n t c i r c u i t a n d o u t p u t w a v e f o r m s o ft h e p u l s e s o u r c e b a s e d o n t h e o n e-s t a g
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