电磁脉冲模拟器下架空线缆响应的实验研究

实验研究架空线缆的电磁脉冲(EMP)响应。利用有界波EMP模拟器和辐射波EMP模拟器产生的电磁环境,分别开展了架空线缆的响应实验,有界波模拟器下进行了4.6m长、0.5m高的单、多根短线缆响应实验,辐射波模拟器下进行了40m长、3.3m高的长线缆响应实验。实验测试了线缆在端接不同负载时端点处的电流响应,并与基于Agrawal模型的计算结果进行了对比。结果显示,两种实验环境下的测量和计算结果吻合较好。这表明,有界波EMP模拟器和辐射波EMP模拟器均可以开展线缆的EMP响应实验研究,并且实验结果也验证了运用Agrawal模型预测分析线缆EMP响应的有效性。

不对称结构的分布式负载有界波电磁脉冲模拟器

设计、建造了一台不对称结构、分布式负载有界波电磁脉冲（EMP）模拟器（MDES-60）。模拟器平行极板间区域长5m，宽2m，高1m。测试结果显示模拟器工作空间电场幅值分布均匀、波形后沿基本无反射。表明通过缩小前过渡段的锥角、加宽下极板调整特性阻抗及采用分布式负载等措施取得了很好效果。配套不同的脉冲源，该模拟器可模拟IEC61000—2—9、Bell实验室、1976年出版物等多种脉宽标准的EMP波形，场强幅度范围15-60kV／m，可用于短线缆响应实验或小型电子设备的考核效应实验。

分布式负载平行板有界波电磁脉冲模拟器的模拟分析

将并行时域有限差分方法用于分布式负载平行板有界波电磁脉冲模拟器模拟,并给出模拟器的尺寸参数对工作空间半高处几个测试点场的影响。研究结果表明:与源在x轴向距离上越靠近的点,其电场的上升沿越小;模拟器传输线最大宽度和最大高度之比为2,且下金属板宽度与传输线最大宽度相同时,测试点场的上升沿较小,半高宽较大;随着传输线在x方向投影长度的增加,与源位置x轴向等距离的测试点场的峰值增大,场的上升沿减小,但减小的量趋于平缓。且同轴线馈电时得到的各测试点场脉冲的上升沿要比直接加平面电场源的方式更大一点,半高宽则要小一点,但两者波形相似。

集总负载平行板有界波电磁脉冲模拟器的并行时域有限差分模拟

介绍了用于集总负载平行板有界波电磁脉冲模拟器模拟的并行时域有限差分方法,分析了模拟器的几个尺寸参数对工作空间的场的影响。研究表明:当下金属板宽度大于或等于工作空间平板宽度的1.5倍时,前过渡段附近的测试点电场的上升沿受前过渡段投影长度的影响较小,而工作空间中心附近的测试点电场的上升沿则随着投影长度的增大而减小,但减小趋于平缓;所有测试点电场的上升沿均随下金属板宽度的增大而减小,但减小趋于平缓;对于前过渡段投影长度固定的模拟器,其高度并不是越小(大)越好,而是存在一个最佳高度值。

电磁脉冲模拟器仿真与实验研究

为了获得电磁脉冲模拟器工作区间内瞬态电磁场的分布情况并用时域有限差分法对自建的电磁脉冲模拟器进行了建模和数值仿真，并用三维瞬态电场测量系统和瞬态磁场测量系统实际测量了模拟器工作区间内的瞬态电磁场。仿真和测量结果表明，该电磁脉冲模拟器可产生上升沿为20-30ns的强电磁脉冲，且二者吻合较好。基于建立的模型得到了有界波电磁脉冲模拟器工作区间内瞬态电磁场的分布规律：电磁脉冲强度由工作区间中心向两侧逐渐减小，随高度的增加，电磁脉冲强度逐渐增大。基于上述模型通过数值仿真可检验电磁干扰和电磁防护实验结果的准确性。

有界波电磁脉冲模拟器下短线缆效应的理论和实验研究

研究了有界波电磁脉冲模拟器下短线缆效应的理论建模和实验方法。基于传输线模型计算了线缆在有界波电磁脉冲模拟器辐照下的电流响应。建立了有界波电磁脉冲模拟试验环境,其前沿时间小于5ns,脉冲半高宽约200 ns。开展了短线缆的效应实验验证研究,短线缆负载端响应电流的测量和计算结果吻合得很好,表明应用改型有界波电磁脉冲模拟器开展短线缆效应实验在理论和实验上都是可行的。这种线缆实验方法具有效应实验空间电磁场分布规范均匀、参数指标可控、监测技术成熟等优点。

辐射式核电磁脉冲模拟器TEM喇叭天线

针对辐射式核电磁脉冲模拟器采用TEM喇叭天线作为辐射天线时低频辐射能力有限的问题,对板型和线型两种基本形式的TEM喇叭天线进行了分析。在采用线型TEM喇叭天线以减轻模拟器重量的基础上,在天线末端采用螺旋线结构,并增加屏蔽板回路,构造了一种新型TEM喇叭天线。结果表明:与普通线型TEM喇叭天线相比,该新型天线较大地提高了低频辐射性能,可使近场波形脉宽提高7ns左右,峰值场强提高了1kV/m左右;通过增大螺旋线半径和提高螺旋线密度可以提高峰值场强,增加近场波形脉宽;通过屏蔽板回路可以降低反射波纹的波峰从而改善近场波形。

电磁脉冲模拟器空间场分布的数值模拟

利用时域积分方程对电磁脉冲模拟器在瞬态电磁场激励下的空间场分布进行了数值模拟，给出了模拟器内部场的建立情况及分布规律。结果表明：过渡段与工作段连结处的电流不连续性将引起场波形的畸变；电流的前向辐射是场的主要贡献者，水平电场分量的幅值非常小，电磁脉冲模拟器场的传播具有准横电磁波的特性。

电磁脉冲模拟器技术回顾

介绍了核电磁脉冲的波形、模拟器的类型及国内外典型的模拟器,简要叙述了电磁脉冲模拟器的相关技术及其研究现状,得出快前沿脉冲模拟器将成为模拟器技术研究的热点,模拟器的波形质量、稳定性等有待进一步提高。

垂直极化平行板有界波电磁脉冲模拟器辐射近场的快速估算方法

为快速估算出垂直极化平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器的时域近场,将散射传递函数法应用于该类型模拟器近场的时域计算中,即对于给定的脉冲源,先寻找有效频谱范围能覆盖该源的高斯脉冲源,并应用时域有限差分(FDTD)方法计算该高斯脉冲源激励时模拟器中测试点场的时域响应,再利用傅里叶变换、系统的传递函数及傅里叶逆变换计算得到给定脉冲源激励时各测试点场的瞬态响应。所得计算结果与直接使用给定脉冲源激励时FDTD方法的计算结果符合较好。所述方法可用于同一模拟器在不同脉冲源激励时辐射近场的快速估算,能大大减少FDTD模拟计算的次数,尤其对于中大型模拟器能有效减少计算时间和内存。

有界波电磁脉冲模拟器参数对传播模式的影响

为了从数量上获得有界波电磁脉冲模拟器的各种参数对其工作区间内电磁波传播的影响程度,基于时域有限差分法建立了有界波电磁脉冲模拟器的数值分析模型,并利用建立的模型计算了模拟器参数对电磁场分量的相对大小和电磁波传播模式的影响。结果表明:增大工作区间的长度和宽度可使得电磁波越来越近似于横电磁波模传播,宽度影响效果尤其明显;有耗大地的介电常数基本不影响电磁波传播模;横向方向的电场分量随着有耗大地电导率的增大而逐渐增大。所以工作区间的宽度和有耗大地的电导率是影响电磁波传播模式的主要因素,这对电磁脉冲模拟器设计具有重要的指导意义。

2.5MV快沿电磁脉冲模拟器脉冲源故障状态模拟分析

利用电路模拟软件与实测波形,建立了2.5MV快沿电磁脉冲(EMP)模拟脉冲源等效电路模型.通过在电路模型中模拟绝缘薄弱环节,如Marx输出端、中储电容、中储开关与峰化电容间支撑绝缘子、峰化电容等位置,设置等效滑闪电路的方法,对模拟器脉冲源可能出现的绝缘故障进行了模拟分析.将模拟器调试阶段出现的故障波形与模拟结果进行比对,二者符合良好.试验结果证明,根据模拟故障波形并结合试验中出现的巨大声响、电源跳闸等物理现象及后续输出电压降低等情况,可以实现模拟器滑闪故障的准确定位,从而保证故障的及时发现与快速排除,提高装置运行可靠性.

一维电磁脉冲模拟器的理论分析和设计

为解决一维导体结构的电磁脉冲响应实验困难,提出了一维电磁脉冲模拟器的概念,并从理论上对电磁脉冲在一维结构上的感应电流进行了计算,结果分析说明了建立一维电磁脉冲模拟设备的可行性,并对该模拟器设计中的几个问题进行了讨论。

电磁脉冲模拟器前后过渡段锥角设计

采用矩量法并结合快速多极子方法,对电磁脉冲模拟器内部场波形进行了数值计算,寻找过渡段结构与电磁脉冲波形等的关系,从理论上对模拟器前后过渡段的锥角进行了优化。结果表明:存在前后过渡段的结构都会激起场强沿传播方向的分量;前过渡段主要对工作区域场波形的上升沿产生影响,当前锥角减小时,场波形的上升时间先减小再缓慢增加;后过渡段主要对场波形的衰减部分产生影响,使场波形的衰减部分随着后锥角的增大而产生严重畸变。最终优化设计的电磁脉冲模拟器前过渡段的锥角为15°,后过渡段的锥角为20°,其仿真得到的波形较光滑,没有出现振荡及明显的畸变。

大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计

介绍了一种精细化、连续可调的中型有界波电磁脉冲模拟器,该模拟器配置了前沿快、结构紧凑、脉冲电压调节范围宽、自动化程度高的新型高压脉冲源,实现了全系统的计算机光纤控制,解决了控制系统抗干扰问题,提升了源的模拟能力和设备的应用范围。模拟器的具体指标为:脉冲前沿约2.5 ns,半高宽约23 ns,工作空间4 m×4 m×5.8 m,输出电场强度在0.2~60 kV/m范围内连续可调。

电磁脉冲模拟器电磁场计算

利用电磁场张量法计算了平行板电磁脉冲模拟器内的电磁场并推导了其时域解析表达式。按照模拟器的平行板段和前后三角板的结构将平板近似为线网格。场的幅值由各线段元的不同滞后时间叠加来确定,其方向由线段元和场点的单位矢量经简单矢量运算来确定。计算结果表明:平行板段内的场具有横电磁分布特性,而靠近三角板处由于各线段元的非对称性贡献将使场出现其它分量。通过对模拟器的电场测量值与理论计算值相比较可知,两者大致相同。

辐射式核电磁脉冲模拟器场均匀区域测试方法

基于现有标准中没有专门用于测试辐射式核电磁模拟器场均匀区域方法的现状,通过搭建辐射式核电磁脉冲模拟器试验系统并进行试验测试和数据分析,明确了辐射式模拟器的场均匀区域应在近场区内以脉冲峰值为标准进行定义,在均匀区域内只考虑脉冲峰值的变化;脉冲峰值随距离呈线性变化;在距离平面上的场分布具有一定规律,因此提出通过测试距天线口径面3m位置起3个点的场值来获得场均匀区域的方法。使用该方法测得辐射式核电磁脉冲模拟器场均匀区域为4.5m(长)×6m(宽)×6m(高),为下一步开展电磁脉冲效应试验提供了前提条件。

辐射式核电磁脉冲模拟器快沿脉冲源研制

根据辐射式核电磁脉冲模拟器对脉冲源的设计要求,研制一种由Marx发生器和锐化装置构成的快沿脉冲源.Marx发生器为双边充电回路,由最大值高压无感电容器、电磁铁机械运动轨道触发开关、气体火花间隙开关及电阻等构成;锐化装置由分布参数同轴锐化电容和自击穿火花间隙锐化开关构成.对快沿脉冲源充放电等效回路进行Pspice模拟仿真,并通过试验测得实际的模拟器辐射场波形,结果表明:实测波形与仿真波形一致性较好,辐射式模拟器在距天线口径面3m位置处产生上升时间小于5ns、脉宽300多纳秒、峰值场强大于50kV/m的双指数脉冲场.实际研制的快沿脉冲源基本上满足了设计指标要求,为下一步改进优化辐射式模拟器奠定了基础.

电磁脉冲模拟器的研制

本文介绍了电磁脉冲模拟器的工作原理及其参数设计,并分析了提高波形上升沿的方法,最后给出了实测波形。

发散线栅电磁脉冲模拟器的仿真及试验

为获得发散线栅电磁脉冲模拟器在工作区间内瞬态电场的分布规律,采用传输线矩阵法对模拟器工作区间的瞬态电场进行了仿真分析,并采用高压电场传感器实际测量了模拟器工作区间内的瞬态电场强度。通过仿真分析得到工作区间的瞬态电磁场的分布规律:电磁脉冲电场强度由工作区间中心向两侧逐渐减小;随着高度的增加,电磁脉冲电场强度逐渐增大,从脉冲源到负载方向电磁脉冲逐渐减小。仿真和测试结果的比较表明,工作区间内的瞬态电场的均匀性、上升时间及持续时间满足GJB151A-97标准的使用要求。