纳秒电磁脉冲测量用D-dot探头设计及实验

为测量高空核爆炸电磁脉冲(HEMP)模拟器中脉冲电场波形(峰值电场大于50kV/m、上升时间小于2.3ns),设计了一种新型圆锥形D-dot探测器。介绍了D-dot探头的工作原理,分析了探头与传输电缆的阻抗匹配条件,确定了探头的结构、尺寸等参数。D-dot探头测量脉冲电场的一阶微分信号,通过积分器积分和数字积分两种积分方式获得脉冲电场信号。测量电磁脉冲实验结果表明,积分器积分和数字积分两种积分方式都能恢复脉冲电场波形,其中数字积分效果更好;与有源光纤电场测量系统实验测量结果相比,该Ddot探测器更适合测量纳秒级快前沿的电磁脉冲波形,满足测量快前沿HEMP信号的设计要求。     

基于渐进圆锥天线的ns前沿电磁脉冲电场传感器

为了对ns级上升沿的电磁脉冲电场进行测量,研制了一种基于D-dot渐进圆锥天线的电场传感器。设计采用单极子渐进圆锥天线作为电场传感器的接收天线,并通过建模仿真验证了该天线的性能;通过电光转换模块将天线感应的电信号转换为光强度信号并通过光纤传输;利用软件积分对传感器测得的电场微分信号进行处理;通过测试试验验证了传感器的性能。研究表明,所研制的电场传感器能够测量上升沿大于1.5ns的脉冲电场,具有体积小、线性度高的优点。     

超宽谱短脉冲电场标准装置馈电结构

研究了超宽谱脉冲电场产生装置的馈电结构,分析了不同结构参数下馈电点不连续性及其时域响应特性,测试得到了馈电插针在不同插入深度下装置的阻抗匹配特性,结合理论计算和时域有限差分法获取了不同参数下的馈电点处脉冲响应特性,并与实测数据进行了比对。结果表明,当控制馈电结构插针深度为1.0 mm时,其对脉宽0.3~1.5 ns范围内单双极激励脉冲电压反射系数不大于4%。利用D-dot传感器测试了单锥内场脉冲电场波形,结果显示,在单锥TEM室有效时间窗口内,脉冲激励波形与脉冲场测试波形基本一致。     

阳加速器水传输线D-dot的设计、标定和实验

 应用D-dot探测器进行了阳加速器水传输线电压测量，利用探头与高压电极之间的结构电容获得脉冲电压的微分信号，通过RC积分取得电压信号。利用Pspice软件的瞬态分析功能模拟结合实验结果估算了探测器的杂散参数，进行了幅频响应特性分析；运用频响分析解释了测试结果。在加速器低电压短路实验状态下，用电阻分压器对其进行了在线标定。测量结果表明D-dot探测器获取了正确的电压波形，且工作稳定可靠。     

激光触发开关的电参数测量

 为进行PTS装置单路样机激光触发开关的调试,设计安装了相应的电压电流探头。通过对比分析了探头测量结果,解释了开关出口D-dot电压探头波形畸变的原因,并运算得到了正确的波形。B-dot探头得到了与模拟结果符合的电流微分信号和电流信号。实验结果表明： D-dot探头适合MV量级的高电压脉冲测量,但当该探头工作在开关区时,设计中需要对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容,只有满足结构电容远大于与其它高压电极的电容时,才能获得较真实的信号。如果结构设计中难以满足该要求,可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用B-dot探头输出的电流微分信号可以较为准确地得到开关导通延迟时间,测量误差小于0.7 ns。     

脉冲功率电源辐射电磁场测量与分析

 对采用三电极气体间隙放电开关的脉冲功率电源和采用可控硅开关的脉冲功率电源进行了辐射电磁场测量与分析。所研究的脉冲功率电源的脉冲持续时间为ms量级,电流峰值为几十到几百kA。使用多组微分式磁场探头和高采样率、高存储深度的数字示波器进行了磁场测量;通过探头校对实验,对探头系数进行了校验。通过对微分测量结果的校正与积分运算,得到了磁场的时域波形。分析了低频段按照探头系数的计算方法和积分处理方法的关系,总结了时域波形重构的一些方法。得到了两种电源的电磁场特性：三电极气体间隙放电开关产生的磁场频谱范围可达10 MHz,而可控硅开关产生的磁场在1 MHz以内;其辐射电场微弱。     

阳加速器水传输线D—dot的设计、标定和实验

应用D-dot探测器测量了阳加速器水传输线电压。D-dot探测器利用探头与高压电极之间的结构电容获得脉冲电压的微分信号，通过RC积分取得电压信号。     

线缆系统电磁脉冲效应测量系统研制和试验

分析了实验室瞬态X射线产生的系统电磁脉冲(SGEMP)效应测试所面临的技术问题,提出了解决方法、措施以及实验室模拟瞬态X射线的SGEMP模拟试验方法。通过电子屏蔽、电磁屏蔽、光电隔离、信号对称提取等特殊技术处理,解决了SGEMP效应模拟试验方法和测量系统抗X射线、抗电磁辐射等技术问题,并在大型瞬态X射线模拟源上,测出了瞬态X射线辐照时金属腔内线缆的SGEMP效应波形及幅值。     

基于原始波形测量的脉冲电场探测器

介绍了脉冲电场微分测量和原始波形测量的基本原理,设计研制了一系列不同灵敏度的脉冲电场原始波形测量系统,分析了脉冲电场探测器的理论修正模型。该测量系统主要包括天线模块、积分器模块、放大和驱动模块以及光电传输模块,利用同轴型TEM小室对测量系统进行了时域标定。结果表明:测量系统的前沿响应时间小于1.0 ns,系统输出脉冲平顶在10.0μs内下降不超过5%,测量系统输出幅度与电场强度在20 dB的动态范围内呈线性关系,该系列探测器可以用来测量最小10 V/m、最大100 kV/m的电场强度,满足高空电磁脉冲标准环境的测量要求。     

镜面单锥结构超宽谱短脉冲电场标准装置

针对目前超宽谱短脉冲电场测量传感器标定问题,研制了以镜面单锥结构为核心的超宽谱短脉冲电场标准装置,用于超宽谱短脉冲测量传感器校准。该标准装置内部的电场分布可基于结构参数、麦克斯韦方程及激励脉冲解析给出。通过理论分析和数值分析验证了该技术路线的可行性。完成了标准装置的机械工艺设计及加工,并进行了测试。测试结果表明:研制的标准装置在馈电处电压反射系数小于4%;内部电场波形与激励波形一致,且电场幅度分布与严格理论结果偏差小于6%。     

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。     

各向异性有耗介质板介电系数和电导率的反演

简述了各向异性介质FDTD方法，并用FDTD方法分析了三维各向异性有耗介质板的瞬态后向散射.根据各向异性介质板后向散射与入射电磁波极化方向有关的特点，利用其后向RCS的谐振特性和后向散射场的时域波形特点反演有耗介质板的横向介电系数和电导率.数值模拟结果表明本反演方法可行，且方便、快捷. 关键词： 各向异性板 FDTD方法 有耗介质 谐振 反演     

介质加载天线阵的瞬态辐射特性

 提高天线增益和辐射效率是瞬态天线研究的重要内容之一。通过设定高斯脉冲激励波形,导出了瞬态辐射的能量阵列因子,分析了1维对称均匀天线阵列的瞬态辐射特性。结果表明:阵列的辐射波形与观察时间区间和角度有关,瞬态与稳态特性差异明显,时域辐射方向图与脉冲宽度有关,阵列可实现时域波束扫描。设计了介质加载天线阵,并采用3维电磁场分析软件进行了时域仿真计算,分析了介质加载对天线辐射特性的影响。研究表明:有介质加载的天线前向辐射电场峰值比没有介质加载的天线增加逾1倍,即瞬态辐射功率增大了3倍多,通过对计算和仿真结果的分析比较,验证了分析和设计方法的正确性和有效性。     

高空核爆电磁脉冲穿透电离层数值计算

 电离层对电磁脉冲传播的影响可以用一个频域的电流密度来描述,在时域则等效为一附加的电流密度和电导率。推导了附加电流密度和电导率在时域的表达式,它们是电离层参数和作用电场的函数,并以差分方程的形式给出。高空核爆电磁脉冲(HEMP)的计算是在时域进行的,将该电流密度和电导率计算方法应用于HEMP产生和传播的自洽计算中。作为算例,计算了100 km高空核爆电磁脉冲产生和向上传播的3种情况,并对计算结果进行了比对分析。计算结果表明:电离层时域计算方法与核爆电磁脉冲计算方法的结合是合理有效的,爆点上方考虑电离层影响的HEMP要比不考虑电离层影响的结果小得多。     

基于Newmark算法的任意磁化方向铁氧体电磁散射时域有限差分分析

利用坐标系转换矩阵给出实验室坐标系中饱和磁化铁氧体的频域磁导系数张量,再通过频域到时域的转换关系jω→?/?t得到一个二阶微分方程形式的时域本构关系.然后采用Newmark方法求解时域本构关系从而给出一种适用于处理任意磁化方向铁氧体电磁问题的Newmark时域有限差分算法.利用此算法计算了饱和磁化铁氧体层的反(透)射系数和饱和磁化铁氧体球的后向雷达散射截面,所获得的结果验证了此算法的正确有效性.     

TEM喇叭天线辐射机理分析和优化设计

在频域和时域研究了TEM喇叭天线的辐射机理。在频域,高频信号激励的TEM喇叭表现为口径天线的辐射特性,具有良好的方向性;低频信号激励的TEM喇叭可视作偶极子天线,具有全向辐射特性;在时域,脉冲激励的TEM喇叭天线辐射场由四个子波叠加构成,在不同方向上,各个子波的波形和相对时序不同,导致不同方向上辐射场波形也不相同。根据辐射机理研究结果,提出了一种TEM喇叭天线末端加载设计并给出了其优化设计方法,有效地改善了天线主轴辐射性能,提高了辐射因子和天线效率。     

高灵敏度电晕放电辐射信号探测方案

为了实现复杂电磁环境下电晕放电辐射信号的探测,从信号特征入手,通过对电晕电流的计算和模拟实验,揭示了电晕放电的时、频域特征。在分析自然环境下噪声频率分布规律的基础上,设计了窄频段探测技术,通过设计特定频段的定向天线、增加高频宽带低噪声放大器、应用数字处理终端等方式,搭建了高灵敏度的微弱信号探测系统,成功探测到自然环境中600m外的电晕放电辐射信号。实验结果充分证明了电晕放电辐射信号的远距离探测的可行性,为电晕放电目标探测提供了重要的技术手段。     

离散电阻加载的大型垂直极化EMP辐射波模拟器的并行FDTD模拟

将电阻设置为跨网格有耗介质，进行离散电阻加载的大型垂直极化电磁脉冲（EMP）辐射波模拟器时域场的并行FDTD模拟.给出不同离散电阻加载方式下模拟器辐射场的时域波形，分析离散电阻加载对模拟器辐射场的影响，并给出离散电阻加载的模拟器有圆筒效应物时的时域波形.结果表明：电阻加载能有效减小模拟器顶端的电流反射，从而改善辐射场的时域波形，但电阻加载也可能会导致模拟器辐射性能的降低；当效应物开孔所在的侧面靠近模拟器且与模拟器极化方向平行时耦合进入圆筒内的电磁波能量较多.计算方法具有通用性，可用于进行离散电阻加载的其它大型垂直极化EMP辐射波模拟器时域场的模拟，包括导电地面存在且有效应物存在时的时域耦合场的模拟.     

高频电磁干扰对传输线耦合全波建模方法

对于场线耦合问题,经典传输线理论不适用于求解高频电磁干扰辐照下传输线负载上的电压和电流响应。针对这一问题,首先介绍了一种基于天线理论和模拟行为建模（ABM）的时域全波建模方法。该方法利用Harrington矩量法将电流积分方程离散并推导得到宏模型时域表达式,然后利用ABM频域功能实现频变参数的傅里叶逆变换和时域卷积计算。利用电路求解器,该建模方法可直接求解任意结构传输线耦合的负载处瞬态响应;与传统全波算法相比,模型一旦建立便可应用于任意入射场和线性/非线性负载的情况,无需重复耗时地求解电流积分方程。该方法可简化全波算法求解过程,提高仿真计算效率,尤其便于在入射场和负载存在不确定参数时进行高效重复抽样计算以获得统计特性。然后以高频电磁干扰耦合有损大地上的双导体传输线为例,通过与数值电磁代码和传统传输线理论方法的求解结果对比,验证了所提宏模型的有效性以及传输线理论在解决场线耦合问题时的局限性。结果表明,基于全波方法构建的宏模型可在时域内高效准确地求解高频电磁干扰辐照下任意形状传输线负载上的瞬态响应。     

一种计算多导体传输线电磁脉冲响应的时域方法

基于波形松弛技术, 提出一种计算外界电磁脉冲激励下理想大地上无损多导体传输线瞬态响应的时域迭代方法。首先利用波形松弛技术对复频域内多导体传输线的电报方程进行解耦, 其中相邻导线的耦合作用等效为线上的分布源, 从而使电报方程转换为一系列关于独立导线的解耦方程组; 然后将复频域内传输线的解耦方程转换到时域, 根据时域方程建立相应的等效电路; 最后利用电路仿真软件PSCAD计算电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应。本文时域方法的计算结果与时域有限差分(FDTD) 法计算的结果进行对比, 证实了该时域方法的有效性和准确性, 这为工程和科研人员快速评估、分析电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应问题提供了一种可靠方法。