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。

基于横电磁波天线的高空核电磁脉冲辐射波模拟器设计

为解决传统核电磁脉冲模拟器存在测试空间受限的问题,提出了基于横电磁波(TEM)喇叭天线的高空核电磁脉冲辐射波模拟器设计方案。通过数值仿真验证了TEM喇叭天线的辐射场波形,指出TEM喇叭天线在应用于辐射式电磁脉冲模拟器时存在低频辐射能力差的问题;通过比较TEM喇叭天线对3种典型核电磁脉冲的辐射能力,发现辐射场的上升沿部分主要取决于激励源的上升前沿陡度,辐射场的脉冲宽度与激励脉冲的宽度有关,可以通过展宽激励源脉冲宽度的方法来补偿TEM天线低频辐射能力差的问题;通过实验验证了利用TEM喇叭天线研制电磁脉冲辐射波模拟器的可行性,但仍需要阻性加载或展宽激励脉冲等方法对TEM喇叭天线的低频辐射性能进行改善。

电磁脉冲辐射波模拟器笼形天线的理论和数值研究

采用天线理论和数值模拟方法研究了同轴线馈电的双锥笼形天线辐射特性。通过双锥天线和馈电同轴线的阻抗匹配确定双锥半张角为32°;结合清晰时间的概念,确定双锥笼形天线半径为2.5m。给出了双锥半径2.5m、笼形天线长度50m、末端经过削锥处理、架高15m时的双锥笼形天线在地面上方2m水平面内的辐射场分布,在该平面上40m×60m的区域内,电场最大值为6kV/m,最小值为1.6kV/m;在80m×10m的区域内,电场最大值为82kV/m,最小值为12kV/m。

小型垂直极化辐射波强电磁脉冲模拟器研制

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32°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25 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50~300 kV,下端馈入脉冲源输出电压最大值可达2.95 kV。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2~3 ns,半高宽约为25 ns,波形指标符合IEC61000-2-9标准中对EMP实验波形的规定。

电磁脉冲辐射波模拟器双锥-平面线栅天线场分布规律

双锥-平面线栅结构的水平极化辐射波天线对辐射场半宽影响较小且架设方便、易于维护,掌握该型天线场分布规律是确定模拟器场均匀区、开展电磁脉冲效应实验的前提。利用天线理论研究双锥-平面线栅天线的场分布规律,结合数值模拟和实际天线试验对理论分析结果进行验证。结果表明:在天线结构和激励电压确定的条件下,双锥中心正下方辐射电场极化分量仅与测点到源的距离相关,二者呈反比;Oxz平面内以双锥中心为圆心的圆弧上任意一点辐射电场极化分量的幅值相等,并在同一时刻达到峰值;Oxz平面内同一水平线上的测点总辐射场幅值相等,方向沿测点所在圆弧的切线方向;各辐射场分量关于Oxz平面和Oyz平面对称分布;对于实际模拟器,地面反射会使辐射场波形下降沿陡降,导致地面附近辐射场半宽变小;线栅极板会影响附近的场分布,且极板外侧4个角点处的反射相对较强,其他位置辐射场分布与理论分析一致。

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。

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。

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。

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。

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。

9.5 m高水平极化有界波电磁脉冲模拟器内场分布特性的初步实验研究

测量了9.5 m高的水平极化有界波电磁脉冲模拟器的内部场,并根据实验测量结果分析了该模拟器内场分布特性,包括一定区域内场均匀性的定量分析及模拟器内部有效测试空间的确定方法,进而对最低位置为距离地面2 m的有效测试空间进行了预估。实验结果表明:位于该模拟器双锥中心正下方且距离该中心5.5~7.5 m的测点场的峰值基本按照测点与双锥中心间距的倒数衰减,且随着测点与双锥中心间距的增大,因锥与极板不连续结构导致的波形变化在时间轴上滞后,而因地面影响导致的波形变化在时间轴上提前;在距离地面比较高的水平面上,两极板之间场的外泄方向场的衰减比双锥中轴线方向场的衰减更慢;该模拟器内部距离地面2 m的水平面上12 m×12 m的区域内所取测点的归一化场平均峰值约为0.678,归一化场平均峰值的标准偏差约为0.0689,场的均匀性约为2.039 dB。

定向辐射式核电磁脉冲场模拟器的研制

针对大型受试设备核电磁脉冲抗扰度试验评估要求,研制了基于Marx发生器脉冲源和横电磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)喇叭天线的可移动、极化方向可调的定向辐射式核电磁脉冲模拟器.实验分析了不同极化方向和终端负载对脉冲波形的影响,确定了定向辐射式核电磁脉冲模拟器的均匀区域.结果表明:辐射电磁脉冲场可用区域为近场区域,随着与口径面距离的增大,峰值场强近似按1/d2衰减,脉冲宽度显著减小;与传输式模拟器相比,辐射式核电磁脉冲模拟器具有更大的均匀区域,更适合大型设备电磁脉冲抗扰度试验.

大型水平极化电磁脉冲有界波模拟器的辐射场分布特性分析

基于并行时域有限差分(FDTD)方法,并采用法拉第电磁感应定理和FDTD细线算法,模拟了同轴馈电的大型水平极化电磁脉冲有界波模拟器的辐射场,给出了模拟器锥底半径、半锥角及模拟器架高等参数对辐射电场强度及其峰值分布的影响。结果表明,位于模拟器双锥中心正下方且距离地面超过1 m的测点,电场强度峰值主要由模拟器的双锥辐射所决定;构成模拟器的双锥锥底半径越大,则沿锥高方向靠近两侧极板的电场强度峰值越大,模拟器内部的场分布更接近无限长双锥的场分布;半锥角越大,则模拟器内部沿锥高方向的辐射能力越弱;模拟器架高越高,则与地面距离相同的水平面上的电场强度峰值越小,但场分布更加均匀;当激励源的上升沿从1.67 ns增加到5 ns时,距离地面1 m的测试水平面上满足6 dB场均匀性要求的区域范围减小,但该区域范围基本不受地面参数的影响。

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。

一种新型可移动TEM喇叭辐射波模拟器的模拟优化

为改善基于TEM喇叭的辐射波模拟器的低频辐射特性从而展宽其辐射近场半高宽,首次提出了在指数型TEM喇叭上/下两个极板的端口加上2个金属直板、并通过倾斜金属板和并联电阻相连的新型可移动模拟器的设计方案。基于FDTD方法模拟分析了该新型模拟器的特性参数对其近场辐射性能的影响,并给出了优化后的模拟器及其阵列的辐射特性。计算结果表明:尺寸为6 m×6 m×6.24 m的优化后的新型模拟器在距离口面3 m的中心位置的辐射近场脉宽能达到18.95 ns,而达到相同低频辐射性能的常规模拟器尺寸为9 m×12 m×6.8 m。且与常规模拟器相比,优化后的模拟器的场峰值更大。与前人的研究相比,优化后的模拟器场在保持高峰值的同时,时域波形后延震荡的幅度与主峰的比值明显减小。优化后的模拟器2×2阵列模型的测试平面中心点场峰值最大,且在测试平面上满足6 dB均匀性要求的有效测试区最大;有效测试区在横向上范围最大的是2×2阵列模型,其次是2×1阵列模型;在纵向上范围最大的是2×2阵列模型及1×2阵列模型。

水平极化有界波电磁脉冲模拟器仿真与实验研究

结合传统有界波模拟器和辐射波模拟器的特点,采用新型双锥-线栅型平板天线结构,设计了一台水平极化有界波电磁脉冲模拟器。通过电磁仿真和实验测试,对模拟器的辐射特性和场均匀性进行了研究。仿真结果和实测结果基本一致。结果表明,模拟器能产生包含地面反射的水平极化电磁脉冲环境,波形满足上升沿(2.5±0.5)ns、半高宽(23±5)ns的高空电磁脉冲标准要求。模拟器使用灵活机动,能在不小于5 m×3 m×2 m工作空间内产生峰值场强不小于50 kV/m的6 dB均匀场,也能在降低测试场强时提供更大的工作空间。

分布式负载垂直极化有界波电磁脉冲模拟器外泄场的规律分析

将基于MPI平台的并行时域有限差分(FDTD)方法与基于完全磁导体(PMC)镜像法相结合,并结合CST模拟软件,模拟给出分布式负载垂直极化有界波电磁脉冲(EMP)的外泄场(包括侧泄场和后泄场)的分布规律。模拟结果与实验结果符合得很好。研究表明:在高度方向上,地面附近的外泄场峰值最大,但远离模拟器时,在1.5 m高的高度范围内,外泄场的峰值差别不大;不管采用何种双指数脉冲源,距离模拟器边缘位置比较近的测点在传输线段的侧泄场的幅值大于分布式负载段侧泄场的幅值,且两者都大于分布式负载末端的后泄场幅值,但随着测点与模拟器边缘的垂直距离的增加,分布式负载段的后泄场可能会比侧泄场大;对于电压峰值相同的双指数激励源而言,所含的高频分量越多,在一定范围内,从其分布式负载末端外泄的后泄场更大;模拟器下方大地的电导率增加,模拟器的外泄场增加。

快沿电磁脉冲模拟器内部垂直极化场分布仿真研究

采用基于矩量法电磁仿真软件FEKO,对快沿电磁脉冲模拟器内部电场进行数值计算。分析仿真结果,得出了模拟器内部垂直极化电场的分布规律。仿真结果表明:从不同高度中心到边缘的场强变化趋势来看,最接近上传输线的位置为振荡,接近上下传输线的位置是先增大后减小,其余区域为单调减小;模拟器内部垂直极化场的±10%均匀场区域为模拟器传输线空间处于高度的20%～85%,宽度的80%(自中心算起)区域,接近下传输线位置的高度的20%以下,宽度的30%以内(自中心算起)。

美国海军全舰电磁脉冲模拟器发展综述

电磁脉冲是一种通常由高空核爆炸引起的瞬间电磁能爆发,能够对海军舰载电子信息系统及武器装备等造成严重影响甚至是毁伤。为了解美国海军在全舰电磁脉冲效应研究方面的相关信息,调研美国海军曾建造的两代舰船电磁脉冲辐射环境模拟器的参数、试验场选址及多次全舰电磁脉冲试验情况,并介绍目前正准备建造的新一代全舰威胁级电磁脉冲模拟器的参数和要求,以及当前用于全舰试验的电磁脉冲模拟器替代品-低幅度连续波扫频辐照系统,分析这些设施在当前美国海军电磁脉冲试验与鉴定中的重要性和作用,探讨美国海军建造新一代全舰电磁脉冲模拟器面临的主要问题。指出,全舰防护研究工作的重要内容是建造全舰电磁脉冲试验设施,开展全舰电磁脉冲效应建模与仿真,并制定相关的试验与防护标准等。