电磁脉冲电场测量技术研究综述

宽频带大动态范围的脉冲电场测量是电磁脉冲效应、防护以及电磁兼容等相关领域的一项共性基础技术,在过去50年以来受到研究人员的广泛关注,并发展出不同手段的测量技术。无源微分(D-dot)测量传感器带宽相对较高,但尺寸较大、集成度低;有源光纤测量系统最大测量带宽约为1 GHz,尺寸相对较小、集成度高、实用性强。集成光学传感器作为一种带宽宽、体积小的无源传感器,各国均有研究。本文主要回顾上述几种脉冲电场测量技术近期研究进展,并结合发展现状分析脉冲电场测量技术存在的挑战和未来可能的研究方向,为相关领域研究人员提供参考。

铁心式双极纵磁触头纵向磁场测量及磁场饱和特性研究

铁心式双极纵磁触头是高压真空灭弧室中常用的触头类型之一。为探究铁心式双极纵磁触头真空灭弧室燃弧过程中真空电弧不可控模式出现的成因,对铁心式双极纵磁触头的纵向磁场特性进行了实验与仿真研究。采用霍尔效应传感器阵列搭建了触头磁场测量平台,对1~15 kA下铁心式双极纵磁触头的纵向磁场分布进行了测量,基于实测结果验证了铁心式双极纵磁触头磁场仿真模型的准确性,并利用该仿真模型进一步仿真分析了1~40 kA电流下的触头磁场饱和特性及40 kA电流等级下燃弧过程中触头间纵向磁场的动态变化规律。结果显示,铁心式双极纵磁触头的纵向磁场在电流大于10 kA后开始呈现出显著的饱和趋势,由于磁场饱和现象的存在,大电流燃弧过程中触头磁场随时间的变化曲线在电流峰值附近将出现数毫秒的畸变。铁心式双极纵磁触头的纵向磁场饱和现象及纵向磁场随触头开距增大的衰减共同导致了该触头大电流燃弧过程中电流峰值附近真空电弧不可控模式的出现。文中的研究加深了对铁心式双极纵磁触头控弧过程的理解,并对该触头的设计具有指导价值。

基于里德伯原子天线的低频电场波形测量

里德伯原子的高极化率可以实现电磁场的多维度参数测量.本文利用室温里德伯原子构建原子天线,基于原子天线将低频电场幅度信息转化为强度信息,从而实现低频电场的参数测量.实验采用双光子激发制备铯原子里德伯态,通过阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现里德伯原子量子态的检测,基于内置电极技术在室温原子气室导入k Hz频段低频电场.电场中里德伯原子的Stark频移会在EIT过程导致双光子失谐,从而引起EIT光谱频移和强度变化.在弱电场条件下,EIT光谱频移可以忽略,EIT透射强度与输入低频电场强度近似为线性关系,基于该效应可以实现低频电场的波形、幅度、频率等参数测量.

小型宽频带双极化电磁兼容性测试天线的设计与实现

为解决飞行器舱段等特定狭小空间内的电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)现场测试需求,设计与实现一款新型的小型宽频带双极化EMC测试天线。基于传统Vivaldi天线性能分析,采用修型设计并优化天线表面电流分布,设计一款新型宽频带单极化天线;运用非对称双极化设计方法,并组合两幅新型单极化天线,设计一款高隔离度的双极化EMC测试天线。仿真分析和实测结果表明:双极化EMC测试天线的工作频带为0.33~3.40 GHz(电压驻波比小于2),工作频带内天线方向图无裂瓣且增益平坦,天线系数达到17~36 dB/m,双端口隔离度优于35 dB;双极化EMC测试天线的尺寸为450 mm×450 mm×450 mm,适用于飞行器舱段等狭小空间内EMC辐射发射现场测试,有助于测试效率提升。

综合物性测量系统数据记录程序对磁测量影响的研究

综合物性测量系统配套的MultiVu测试软件自带一款数据记录程序“Data Logger”,能在后台记录设备的工作参数.可以与磁测量工作同时进行,有助于测试人员掌握设备工作状态,确保测试准确,方便统计机时.但试验发现,程序在工作过程中会因记录数据量增多和采样间隔减小等原因,占用过多的硬件资源,甚至会导致磁测量的数据丢点和曲线波动.对照技术文档进行分析,产生影响的不是计算机原因,而是综合物性测试系统的Model 6000控制模块的处理能力存在瓶颈.因此,在使用数据记录程序时,需要合理选择记录数据量和采样间隔等参数,保证测试结果的数据质量.

基于超导的小型化磁粒子成像系统仿真构建

针对磁粒子成像技术尚停留在实验室鼠用设备阶段,传统线材线圈过大,无法在可接受的设备体量内达到临床人体检测所需磁场强度的问题,提出了一种基于超导技术构建高场强、小型化磁粒子成像设备的方法。采用高温超导MgB_(2)线圈替代传统铜线圈,构建磁粒子成像选择场与驱动场。结果表明,在达到相同磁通量的情况下,超导磁粒子成像系统可将两组功能区总质量降低为0.01 kg,设备体积缩小至7 L。在此基础上,采用超导线圈构建梯度磁场还能够获得更高的变化斜率,使零磁扫描区边缘更为清晰规则,移动过程中形态更为稳定,平均直径缩小近二分之一。

基于平行双线结构的低频场发生器设计

针对电磁辐射抗扰度测试天线在低频时辐射效率低、体积大、难以生成高电场强度的问题,设计了一款平行双线传输线电场发生器。该场发生器输入端使用阻抗比为1∶4的传输线变压器巴伦,实现了输入端与负载的阻抗匹配,以及非平衡端转化为平衡端;为保证场发生器电气性能的稳定性和可靠性,平行双线传输线采用直径为100 mm的铜管,负载采用耐大功率的无感陶磁电阻,能够承受2 500 W的连续波输入功率。实验结果显示该场发生器在10 kHz~100 MHz的频率范围内电压驻波比均小于1.9,在距场发生器中心0.5 m远处可产生高达200 V/m的电场强度,在1 m远处可产生50~100 V/m的场强。该电场发生器可旋转改变电极化方向,具有覆盖范围广、场强分布均匀、场强幅度高的特点,广泛应用于低频辐射抗扰度测试。

基于FDTD的局部放电射频传感器特性研究

射频(RF)检测局部放电(PD)可以实现非接触式测量,因而具有较好的应用前景。以小环天线为例,对磁场天线作为局部放电射频传感器时其灵敏度的确定方法和影响灵敏度的因素开展了研究。首先,基于时域有限差分(FDTD)法建立了吉赫兹横电磁波(GTEM)小室的仿真模型,通过实验和仿真对比表明了仿真模型的有效性。在此基础上,考虑了天线结构、尺寸等因素对灵敏度的影响,确定了灵敏度随天线直径、垂直导体、线圈匝数的变化规律。本文的研究为进一步考察不同磁场天线传感器的特性,并对传感器特性进行优化,设计实现能够满足具体电力设备局部放电测试需求的新型射频磁场传感器奠定了技术基础。

激光供电脉冲电场传感器设计

为应对高电压电力系统中瞬变电场强度的测量难题,并确保直流输电系统的安全稳定运行,本研究设计并构建了一种由激光光电池供电的脉冲电场传感器。该传感器包括激光光电池供电模块、电光信号转换模块和单极子天线。此外,还在设计中采用恒流源电路作为半导体激光器的供电系统,它能将特定波长的激光能量转换为电能,为传感器或其他负载提供远距离非接触式供能。为确保传感器的精确度,本研究开发了一套系统标定装置,用于在控制空间内产生标准测试电场,并通过部署的传感器阵列来测量产生的电场、磁场及被测物体内部的其他数据,实现对动态系统电场强度的即时校准。实验测试表明,所研制的脉冲电场传感器具有20kHz至500MHz的3 dB带宽,100V/m至60kV/mm的动态范围,125Ω的负载阻抗,优于10%的线性度,以及上升沿小于3.5ns的瞬态响应性能,验证了其在强电磁干扰环境下仍具备良好的快速响应速度。

电磁兼容仪器的核查方法研究

本文主要研究了试验仪器选用和期间核查方法。首先介绍了电磁兼容基础知识,包括电磁兼容的概念、特性以及干扰形式与影响,以及电磁兼容设计的原则。然后详细介绍了电磁兼容试验仪器的种类与特性,并探讨了其选用、操作、维护与校验的相关内容。接着,提出了电磁兼容试验过程中的核查重要性与方法,并列举了试验过程中的重点核查项目。最后,总结了本研究的主要成果,并展望了未来的研究方向。

低反射电阻阵列加载单锥TEM室研制与测试

为了减小单锥末端反射、拓展镜面单锥TEM室时间窗,基于母线长0.9 m单锥TEM室计算了不同电阻加载条件下的馈电端口电压反射系数,通过搭建电阻阵列加载单锥TEM室实验平台对仿真结果进行了验证,在此基础上,通过改进锥体吊装结构、调整镜面板与吸波材料之间距离等方式对单锥结构进行了优化,设计并研制了国内首个低反射单锥微波暗室。研究结果表明,在单锥锥体末端与镜面板边缘之间加载阻抗匹配回路,解决了单锥TEM室低频吸收问题,减小了单锥TEM室末端反射,突破了由母线长度决定的时间窗限制,拓展了单锥TEM室的适用范围,实现了HEMP、LEMP等瞬态电磁脉冲传感器幅值灵敏度和波形保真度的全校准。

一种小型脉冲场探头校准装置研究

横电磁波(TEM)小室是一种常用的电磁场发生装置。文中设计了一种脉冲场探头校准用的两端呈锥形过渡段、外导体两侧开放式的TEM小室。通过分析被校准电场传感器探头尺寸、TEM小室特性阻抗等需求,优化设计了TEM小室的高度和宽度。通过频谱分析计算电磁脉冲能量占比的频率分布,确定TEM小室的频率需求,并分析了在0 MHz~300 MHz频率范围内TEM小室的电压驻波比和S参数,以及场分布的均匀性和场波形。通过试验验证,证实了所设计的TEM小室反射小于-17 dB,插入损耗小于1 dB,加载脉冲源后场波形满足脉冲场探头校准的需求。

电磁兼容实验室设计与技术要求

随着新一代信息技术产品和新能源汽车电子的不断发展,电磁兼容检测是检验产品性能和质量的重要环节。产品电磁兼容测试就需要有一套功能完善的电磁兼容实验室,并且电波暗室和测试系统的设计、设备选型和建设都需要遵循规范化、科学化。本文从设计和建设EMC实验室的角度出发,详尽阐述了建设EMC实验室的设计思想、指导原则和建设经验。根据实验室需求,介绍了EMC测试概念、EMC测试项目和测试标准。阐述了EMC电波暗室的核心构成、关键技术指标,以及EMC各个测试系统的组成。为电磁兼容暗室和测试系统设计者和建设者以及使用者提供科学的参考依据。

基于水下磁感应定位技术的研究

针对水下目标定位系统中发射信号端的位置不明确的问题,提出三维正交线圈磁感应定位的方法,以弥补单个线圈磁场信息较少的缺点,有效解决单个线圈严重依赖轴线对准且无法实现空间定位的问题。建立了单个线圈和全向线圈的磁偶极子数学模型,对磁感应强度的三分量值与其空间位置的几何关系进行分析,通过仿真和试验验证了基于三维正交线圈的定位技术可行性。仿真和试验结果表明,发射端坐标的相对误差分别为:X轴为6.70%和2.09%,Y轴为7.73%和5.64%,Z轴为8.74%和2.06%,距离的相对误差在7.0%和4.3%以内。

自取能传感器在牵引回流监测设备上的应用

电气化铁路牵引回流一直影响着铁路信号设备的安全可靠运行,对牵引回流进行有效的数字化监测非常必要。为解决室外回流监测设备的供电问题,研究一款自取能传感器电源,通过计算线圈气隙分析对供电质量的影响,并介绍了自取能传感器的生产工艺,通过仿真和实验验证了该自取能传感器可满足牵引回流监测设备供电要求。

基于光学传感的交直流混合场一体化测量实现

针对交、直流混合场测量的问题,文中基于电光晶体Pockels效应设计了旋转式光学传感元件,该设计不仅适用于测量交直流混合场,而且抑制了测量中的波动和误差。分别推导了旋转式光学电场传感器测量直流电场、交流电场以及混合场时的传感原理。为了区分不同频率下的电场强度,将Hilbert-Huang时频变换技术应用到光学电场测量,并且给出不同频率下的测量方案。在光学一体化传感器标定后,对混合场进行测量,实验数据表明,所提出的光学电场一体化测量机制适用于准确地测量交、直流混合场。

电磁近场测试平面扫描系统设计

设计了一种测量电子器件电磁场分布的近场扫描系统,用于电磁兼容测试。首先,设计了一种四层印刷电路板结构的磁场探头,其工作频率达12 GHz,空间分辨率为2 mm,仿真与实测结果吻合较好,并对探头进行了校准。其次,实现了近场扫描的自动化,采用LabVIEW设计上位机软件,STM32作为运动控制核心,通过串口接收上位机数据,并控制步进电机带动探头移动,实现定点扫描,上位机通过局域网与矢量网络分析仪实现通信,完成数据的读取与保存。最后,通过上位机对数据进行可视化处理,在扫描完成时对结果进行校准,并实时生成被测物体的场强分布图,实现电磁场分布数据可视化。场强测试结果与电磁仿真结果吻合较好,可用于分析电磁耦合路径及实现近场与远场的转换。

低压舱舱内噪声分析与实验研究

低压舱舱内噪声对舱内人员的身心健康有很大影响,国内部分低压舱在降压时噪声超过65 dB,为探讨影响舱内噪声的关键因素,设计正交实验分析新风量和压力两个因素在不同水平组合下舱内噪声水平。使用fluent对低压舱降压过程进行仿真模拟,得到新风量大小是影响低压舱舱内噪声大小的关键因素。对舱内噪声进行采集分析,结果显示舱内噪声频率范围主要集中在20 Hz~500 Hz内,将实验结果和仿真结果相比较,结果趋于一致,验证了仿真方法的可靠性,为降低舱内噪音,优化舱内环境提供参考。

电磁兼容传导发射试验整改分析

为使某型设备满足GJB151B-2013标准要求,从电磁兼容测试原理出发,分析了CE102的测试波形超标问题。通过分析测试结果曲线,结合设备供电模式和传导发射特性,制定整改方案,优化了设备内部线路和滤波器参数。经过试验验证,整改后的该型设备满足GJB151B-2013标准要求,对其他同类型产品的设计和整改提供参考。

全向电磁场与架空线缆的耦合响应分析

构建了全向入射电磁环境,使得入射电磁波极化角在[0,π/2]范围内,入射角在[0,2π]范围内,方位角在[0,π/2]范围内随机均匀分布,电磁波入射点随机分布在以线缆为球心的单位球上。重点研究了Agrawal模型和Vance模型在解决场线耦合问题时的异同,分析了线缆高度、长度、半径以及端接电阻等参数对场线耦合结果的影响。仿真结果表明:Agrawal模型和Vance模型对全向电磁波的响应波形大体一致,但在响应幅值上会出现一定的偏差,这主要是由于Agrawal模型中因垂直电场的存在而产生的集总源的缘故,当忽略掉集总源后,两个模型可获得相同的响应结果。线缆上响应电流随着线缆离地高度、长度和半径的增加而增大。不同端接电阻响应电流的峰值大小随着端接负载的增大而减小。