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。     

大型水平极化电磁脉冲有界波模拟器的并行模拟分析

采用将大地设置为均匀有耗介质,并用单轴完全匹配层（UPML）吸收边界截断的方式,对离散电阻加载的地面上方大型水平极化电磁脉冲（EMP）有界波模拟器的时域辐射场进行并行时域有限差分模拟.给出大地电导率和相对介电常数及模拟器圆锥的锥半径不同时模拟器辐射场的时域波形,分析三者对辐射场的影响,并给出模拟器内有10 m长的效应物时耦合场的时域波形.并行模拟时,计算网格总数达18亿.研究表明：大地相对介电常数和电导率越大,近地面测点接收到的地面反射作用越大;测点场的峰值受锥半径的影响最大,且随着锥半径的增大,同一水平面内的场也越不均匀;对地面上方1 m处的几个测点,其脉冲峰值及半高宽受地面反射及地面损耗的影响较大,而地面上方5 m处的几个测点则受地面影响较小;当效应物开孔位置位于模拟器场泄露一侧时耦合进入圆筒内的电磁波能量较多.     

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。

     

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。     

用平行板天线测量有界波电磁脉冲模拟器地面场

 提出一种有界波电磁脉冲（EMP）模拟器地面场的测量方法。它具有简便、无源、不受输入电压限制、频带宽的特点。特别适用于比较复杂的电磁环境中电场的测试,可实现信号大幅度传输,能有效地提高测试系统的信噪比。     

用平行板天线测量有界波电磁脉冲模拟器地面场

提出一种有界波电磁脉冲（EMP）模拟器地面场的测量方法。它具有简便、无源、不受输入电压限制、频带宽的特点。特别适用于比较复杂的电磁环境中电场的测试,可实现信号大幅度传输,能有效地提高测试系统的信噪比。     

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5 m，宽2 m，高1 m。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15~60 kV/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。     

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5 ns,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。     

新的亚纳秒前沿有界波电磁脉冲模拟器

新近建立的亚纳秒前沿有界波模拟器由高压脉冲源、传输线、分布式负载和大地板等组成。高压脉冲源为外触发的冲击电流发生器。传输线由12根非均匀分布的缆线制成。亚纳秒前沿模拟器的传输线为锥形，分布式负载也为锥形，工作区域设置在锥形传输线中。因为没有平直段，像一个开放式的GTEM小室，电磁脉冲的高频分量可以达到GHz。亚纳秒削沿模拟器是研究电子仪器孔缝耦合、特种装置电磁效应的较为理想的模拟设备。锥角的设计满足试验区域对场的均匀性要求，本设计为tgθ=0．5。     

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。     

两种不同线栅结构的水平极化辐射波模拟器

比较了末端收拢和均匀拉线的双锥-平面线栅水平极化辐射波模拟器辐射场的分布规律,讨论了拉线根数和收拢组数对辐射场的影响。结果表明,双锥中心正下方测点辐射场基本不受线栅结构变化的影响。对于其他位置,两种结构的模拟器各有特点：拉线根数相同时,末端均匀拉线的模拟器可令辐射场强提高约5%～20%,但前沿会变慢10%左右;末端收拢的模拟器场强幅值相对较低,但具有较快的前沿,并且架设相对容易。增加拉线根数和收拢组数有利于提高辐射场强,但场强增加的幅度逐渐减小。拉线根数由24增加到96时前沿可加快约10%,半宽变化不大。增加收拢组数会使前沿变慢。综合辐射场变化规律及施工难易程度,可令末端均匀拉线模拟器的拉线根数取48,此时对收拢结构的天线,可令收拢组数取16。     

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）。     

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）。     

金属挡板对平行线栅有界波模拟器的影响仿真研究

利用基于有限积分法的电磁场仿真软件CST仿真和分析了金属挡板对大型平行线栅有界波模拟器内部可用测试区和外部辐射电场分布的影响。首先建立了平行线栅有界波模拟器仿真模型,并依据GJB 8848证明了其合理性;而后重点分析了金属板对模拟器内部可用测试区电场分布的影响,并通过详实的数据列出了金属板位置、厚度、高度和长度等参数的具体作用效果;然后讨论了金属板对模拟器外部辐射电场的屏蔽效果;最后结合仿真结果提出金属挡板的设置应尽可能地远离模拟器,且有效反射面积越小越好,而对厚度无特别要求。     

椭圆弧型过渡段有界波模拟器

提出并设计制作了一种椭圆弧型过渡段有界波电磁脉冲模拟器,并与锥形平板过渡段有界波模拟器进行了对比。采用仿真和试验两种方法,仿真在电磁场仿真软件CST中开展,试验实际测量得到前沿上升时间约2 ns、脉宽约25 ns的双指数电场波形和前沿上升时间约2 ns、平顶持续约80 ns的阶跃型电场波形。仿真和试验结果表明：该模拟器有效削弱了前后过渡段与平行板段连接处的不连续性对场波形的影响。     

椭圆弧型过渡段有界波模拟器

提出并设计制作了一种椭圆弧型过渡段有界波电磁脉冲模拟器,并与锥形平板过渡段有界波模拟器进行了对比。采用仿真和试验两种方法,仿真在电磁场仿真软件CST中开展,试验实际测量得到前沿上升时间约2 ns、脉宽约25 ns的双指数电场波形和前沿上升时间约2 ns、平顶持续约80 ns的阶跃型电场波形。仿真和试验结果表明:该模拟器有效削弱了前后过渡段与平行板段连接处的不连续性对场波形的影响。     

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。     

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。