毕业设计方案电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的硬件电路设计及仿真.doc

毕业设计(论文)任务书课题名称电磁脉冲模拟器空间电场测量系统硬件电路设计及仿真系 别电气信息系专业班级姓 名学 号毕业设计（论文）关键内容及要求:内容：1、首先了解强脉冲功率电源工作原理，电场测量技术理论基础和基础方法，设计相关硬件电路，包含传感器电路、接口转换电路；2、对多种电场测量方法和原理进行分析，选择适宜一个方法测量强脉冲功率电源电场强度，对电场空间和时间分布进行计算；3、学习使用OrCAD/PSpice等硬件电路仿真软件，VB等编程软件。4、总结编排材料，撰写毕业设计论文，进行毕业答辩。要求：1、论文要求格式规范，字迹清楚，应有中英文摘要、关键词并附两张大图；2、论文要求所设计测量系统有具体理论分析和设计依据计算；3、论文最终应附有5000汉字相关英文资料翻译。指导老师签字： 日期： 年 月 日电磁脉冲模拟器空间电场测量系统硬件电路设计及仿真摘 要本文针对有界波EMP（电磁脉冲）模拟器研究，电磁脉冲模拟器作为外部高能脉冲激励源，为试验研究复杂电磁环境中电磁估计问题提供了必需技术支持。在学习模拟器原理及结构基础上设计了一套小型平行板电磁脉冲模拟器空间电场测量系统。该系统包含电场测量探头、信号调理电路，高速数据采集部分。其中高速数据采集部分采取了加拿大AlazarTech企业高速数据采集卡ATS9350。本文在查阅了大量文件基础上，对多种电场测量系统方案进行了综述和比较。对电磁脉冲模拟器组成及其脉冲源进行了初步探究和分析。本设计使用OrCAD/PSpice软件绘制了信号调理电路原理图，并模拟电场探头感应脉冲电场所产生电压脉冲信号进行了激励源设计，并用此激励源对原理图进行了PSpice仿真验证，得出了想要信号调理结果。关键词：电磁脉冲模拟器，电场测量，信号调理，PSpice仿真，Hardware circuit design and simulation of electromagnetic pulse simulator space electric field measurement systemAbstractIn this paper, the bounded-wave EMP (electromagnetic pulse) simulator, electromagnetic pulse simulator as an external high-energy pulse excitation source for the prediction of complex electromagnetic environment of the experimental study of electromagnetic necessary technical support. Designed on the basis of learning simulators principle and structure of a small parallel-plate EMP simulator space field measurement system. The system consists of the electric field measurement probe, signal conditioning circuits, high speed data acquisition part. Which high-speed data acquisition part the Canadian AlazarTechs high-speed data acquisition card ATS9350.Access to a lot of literature on the basis of a variety of field measurement system program are reviewed and compared. Conducted a preliminary inquiry and analysis of the composition of the electromagnetic pulse simulator and its pulse source.This design using OrCAD / PSpice software to draw a signal conditioning circuit schematic and simulation from electric field probe sensor pulse power spaces voltage pulse signal carried the excitation source design, and with this incentive source schematic carried the PSpice simulation validation, have a desired signal conditioning results.Keywords: electromagnetic pulse simulator, electric field measurement, signal conditioning, PSspice simulation,目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1选题背景及起源11.2 空间电场测量综述11.2.1 引言11.2.2 空间电场测量原理和方法21.3课题研究关键内容6第二章 电磁脉冲模拟器介绍72.1 引言72.2 电磁脉冲模拟器组成82.2.1 高压脉冲源102.2.2 小型平板形有界波模拟器132.3 本章小结15第三章 电磁脉冲模拟器空间电场测量系统研制163.1 测量系统整体方案163.2电场探头原理163.3信号调理电路设计173.3.1信号调理电路概述173.3.2信号调理电路各部分功效及要求173.4 高速数据采集卡选型233.4.1 ATS9350关键性能介绍233.4.2 ATS9350内部结构243.5 本章小结25第四章 信号调理电路PSpice仿真264.1 OrCAD/PSpice软件组成264.2 电路模拟基础过程274.3 信号调理电路仿真304.3.1 激励源设计304.3.2 整体电路设计及仿真324.4 本章小结33总 结34致 谢35参考文件36附 录37附录1 完整信号调理电路电路图：37第一章 绪论1.1选题背景及起源众所周知，现代社会离不开电和磁，电和磁以多种形式无孔不入地渗透到大家生活各个领域中。尤其是20世纪以来，伴随通讯和电气技术发展及应用，电气和电子设备干扰和抗干扰问题日益突出。大量电子、电气设备广泛使用，使电磁环境越来越复杂。尤其是部分瞬态干扰源，它们产生脉冲干扰上升时间从us级到ns级，产生瞬变电磁场连续时间比较短，幅值比较大。能够经过传导或辐射方法对所处环境中多种设备形成强烈干扰。电磁脉冲就是这么一个瞬态现象。从时域波形看，通常含有陡峭前沿，宽度较窄；从频域看，则覆盖了较宽频带。除了雷电会产生电磁脉冲以外，静电放电和大功率电子、电气开关动作也会产生电磁脉冲。尤其是核爆炸产生电磁脉冲，峰值场强极高，上升时间极短，其能量之大，作用范围之广，是其它任何电磁脉冲无法相比，所以对多种军用和民用电子、电气设备和系统组成威胁最为严重。自20世纪70年代以来，核电磁脉冲及其工程防护技术受到各大国军方普遍关注。目前，伴随核技术发展和非核电磁脉冲武器出现，不仅提升电磁脉冲在核爆炸能量中份额并增强其威力，而且非核电磁脉冲炸弹也能产生类似效应。同时军用电子、电气设备微电子化，使其对于电磁脉冲敏感性和易损性日趋严重。所以，相关电磁脉冲及其产生电磁场测量技术便成为当今世界各大国研究热点18。所以为了使设计人员能够依据具体干扰情况采取部分方法（如屏蔽、接地、滤波及隔离），就需要确定这些瞬态干扰对设备影响情况。为此就需要使用对应电磁场传感器测量多种瞬态电磁干扰分布2。因为需对电磁脉冲产生电磁干扰分布进行测量和核武器效应模拟需要，自20世纪70年代以来，伴随电子技术和电子武器发展和应用，相关电磁脉冲干扰破坏效应、生物效应及工程防护理论和技术一直是世界各大国研究热点之一，其中电磁脉冲模拟技术得到了极大关注。电磁脉冲模拟器发展也得到了推进。1.2 空间电场测量综述1.2.1 引言电场测量在很多科学研究和工程技术领域含相关键意义，尤其是在电力系统、电磁兼容及微波技术等领域含有广泛应用。比如，在电磁科学研究中，电场测量可作为检验电场理论计算是否正确有效手段，为很多难以计算电场环境提供测量数值，在电力工业，电场测量可用于电力系统状态监测、电气设备内外电场分布测量、高电压试验及电晕放电现象研究等，在电磁兼容领域研究中，电场测量可用于检测电气、电子设备对外电磁辐射和干扰，和研究环境电场对电子仪器运行影响；在微波技术中，需要对微波发射和接收设备周围电场进行测量。另外，在核物理和航空航天科学和技术研究中也需要空间电场传感器。和电压传感器不一样，电场传感器通常应能同时测量二维或三维电场矢量大小和方向，且传感元件对被测电场扰动应尽可能小，对于瞬态或脉冲电场测量还要求传感器响应频带宽和动态范围大，以使传感信号尽可能不失真。强脉冲电场测量并不完全同于一般电场测量，它最关键特点是：(1) 电场强度大，而且跨度也大，从百伏每米到数十万伏每米；(2) 非周期性，电场通常是脉冲式，需要测时域波形；(3) 改变快，上升沿及脉宽常是ns级，辐射带宽较宽。这些特点对测量设备提出了很高要求，包含同时应含有足够灵敏度、良好动态响应范围和抗干扰能力等等，用通常电磁辐射测量设备往往不能满足要求。1.2.2 空间电场测量原理和方法纵观多年来中国外相关瞬态强电场测量技术研究，依据不一样原理和结构，测量方法总能够分为2种：一是天线直接感应方法；二是基于电光效应传感器及光纤传输光学调制方法。中国有相关产品，但性能还不够成熟，国外有现成产品，但购置困难。电场强度是高电压技术中一个很关键参数。伴随计算机技术发展，很多压电场问题全部能够采取适宜算法进行计算。但在有些场所，现在计算方法却难以应用或不适用了。伴随大量电子产品在电力系统中应用，电磁兼容问题和大家对所生存环境周围电磁场问题关心，使得电场测量成为必需。为了测量高压瞬变电场，需要研制能测量空间瞬变电场传感器。因为光纤能够隔离高压电信号而不会引入畸变，所以，在高压电场测量中，采取光纤作为信号传输媒体。(1) 天线直接感应法这种方法是采取宽带天线，直接获取瞬态电场信号，再经高频电缆将接收到信号送入示波器进行显示处理。天线直接感应法曾广泛应用于测量实际9，但它关键缺点是信号传输需采取高频电缆，被测电场可能会和电缆发生耦合，从而干扰所测结果；传输距离和带宽全部很有限。尽管如此，对天线研究意义还是很大，因为天线作为传感器探头捕捉电场信号仍常见于其它测量方法。为了处理天线直接感性法因使用高频电缆传输信号轻易受干扰问题，大家改用了光纤传输方法。这是因为，光纤传输含有完全电绝缘，和传输频率范围宽等优点。当然，这需要首先使电场信号转变成光信号，大家把这种测量瞬态电场方法统称为光学调制法。现在研究较为成熟且已应用于测量实际关键有以下2种：有源电光调制法和基于Pockels效应无源电光调制法。(2) 有源电光调制法有源电光调制方法是在传感器探头部分将用天线接收到电场信号转变成光信号，经过光纤传输到控制单元后，再还原成电信号进行显示处理。因为它在传感探头部分要进行电光信号转换，故须提供电源，所以得其名。它通常性原理图1-1所表示：图1-1 有源光电调制法通常性原理示意图用来感应电场探头通常采取棒状电小极子天线或球形电场探头：偶极子天线天线满足电小条件，即其尺寸远远小于信号中最短波长。这一要求确保了信号在天线中传输所需时间远远小于信号前沿上升时间，从而保持脉冲原有形状。偶极子传感器原理图图1-2所表示，其中l ,r分别表示偶极子长度和半径，Zc表示负载阻抗，C表示偶极子传感器等效电容3。 (a) 偶极子 (b) 等效电路图1-2 偶极子传感器原理图球形电场探头：当把探头放入空间电场后，空间电场将在静电感应作用下在两半球壳外表面感应出电荷，这些感应电荷将在取样电容Ck两端产生一个微小电压，所测空间电场强度和探头内取样电容两端电压成正比，所以经过测量该电压值就能够达成测量空间场强目标。电场测量系统工作原理是利用电场探头在电场中提取信号，利用光纤传输系统将此信号无畸变地送到统计或测量设备上。球型电场探头有以下优点。(1) 能够很轻易计算其表面电荷和电场强度关系。(2) 能够估算探头对被测电场影响。(3) 球内空间利用率高，能够把尺寸做比较小，对电场畸变较小。(4) 球形和其它形状相比，含有较大曲率半径，表面光滑无尖角，在其表面引发电晕场强仅3倍于被测场强，所以比起其它型式探头所能测量最大场强要大些。通常球形电场探头为电容式探头，图1-3所表示：图1-3 通常球形电场探头设探头中心所在空间点为O，探头放入电场前该点电场强度E0（无畸变场强），当把探头放入电场中点O以后，空间电场将在静电感应作用下在两半球壳外表面感应出电荷。设半球壳表面积为A，球表面电荷面密度为啄，则半球壳总表面电荷为： (1-1)能够证实，球形探头放入电场以后，探头半球壳上表面电荷量和电场强度成正比： (1-2)其中K为百分比系数。这些感应电荷将在取样电容Ck两端产生一个微小电压： (1-3)经过测量取样电容两端电压Uk就能够得到E0(t)，这就是电容式探头测量基础原理。经过推导计算(1-3)，得出在均匀电场中感应电压为 (1-4)非均匀电场中，球形探头半径趋于园，或相比空间距离能够忽略不计时 (1-5)不管在均匀场中还是在非均匀场中，采取球形探头进行电场测量时，所测空间电场强度全部和探头内取样电容两端电压成正比，所以经过测量该电压值就能够达成测量空间场强目标。在实际应用中，K值是经过试验标定而得到。有源电光调制法在探头内还有电源，这可能对所测电磁场造成一定影响。为了克服这种可能不利影响，大家对探头内采取无源传感器进行了主动探索，其中比较有代表性是基于Pockels效应无源电光调制法4。(3) 基于Pockels效应无源电光调制法很多各向同性物质在强电场作用下出现双折射现象，被称为电光效应。发生电光效应时，物质折射率n和所加电场强度E关系是：式中：n0是无电场时物质原来折射率，a、b是电光系数；式中第二项aE是线性关系，即是PockeIs效应；第二项bE2是二次方关系，反应是Kerr效应。Pockels效应因为和场强大小之间含有良好线性关系，故常被应用于电场测量。它影响是在所调制光信号上产生了一个和电场强度大小成正比相位差。这种方法优点较多，诸如探头中无电子器件和电源，探头对测点电场影响小；所测频带宽，从直流到数百MHz甚至几GHz；探头尺寸较小，位置分辨力强，能实现较为近似点测量等。而依据实现相位差测量结构不一样，实际中又逐步发展出了偏振光法和Mach-Zehnder干涉仪法2种常见测量系统。基于Pockels效应偏振光法这是利用偏振光干涉法间接测量Pockels效应引发相位差，具体测量系统原理图4所表示。电光晶体常见材料有铌酸锂LiNbO3、Bi4Ge3O12等。图1-4 基于Pockels效应偏振光法测量原理图基于Pockels效应Mach-Zehnder干涉仪法偏振光法缺点是分立光学器件造成光路不易控制，易受干扰，且对机械应力敏感，系统稳定性差；因为Pockels晶体体积不能太小，造成探头体积较大，影响其应用范围。为此大家提出了MachZehnder干涉仪法，且研究表明它很好地克服了上述缺点，它传感器结构见图1-5，系统原理框图图1-6所表示。图1-5 基于Pockels效应Mach-Zehnder干涉仪法 图1-6 基于Pockels效应Mach-Zehnder干涉仪法所用传感器原理图 测量系统原理示意(4) 有源电光调制法和无源电光调制法比较分析有源电光调制法和无源电光调制法现在在实际瞬态电场测量中应用较多，现对其测量带宽、可测量电场强度范围、和优缺点进行一个简明总结，见表15。空间强脉冲电场测量技术现在还不完善，还有很多影响测量精度原因，如测量天线极化方向、磁场影响、测量环境可反复性等等。但伴随电场探测器不停改善，使用场所越来越多，测量技术一定会愈加完善，对系统电磁兼容设计、抗辐射加固和高能物理等方面研究也必将起更大作用。1.3课题研究关键内容本文结合安徽工业大学电力电子和运动控制试验室中“高重频下电磁脉冲模拟器研究”，针对高重频EMP(电磁脉冲)模拟器结构特点，对模拟器空间电场测量系统进行了初步研究和设计，关键内容以下：（1） 经过查阅大量资料，总结了空间瞬态电场测量多个方法，进行比较，初步设计出适合本课题测量系统。（2） 对电磁脉冲模拟器进行了概述，并对高重频EMP(电磁脉冲)模拟器脉冲源产生原理及模拟器结构进行了介绍。（3） 对模拟器空间电场测量系统进行了初步研究和设计。其中包含对探头改变原理分析；高速数据采集卡ATS9350选择和介绍；和对信号滤波，衰减，隔离等信号调理电路设计和PSpice仿真。第二章 电磁脉冲模拟器介绍2.1 引言中国在电磁脉冲模拟器研究方面作了大量工作，并取得了一系列研究结果。刘顺坤等学者采取时域积分方程对电磁脉冲模拟器空间场分布进行了数值模拟。其研究结果表明模拟器工作空间能够形成均匀电磁脉冲场，其传输含有准TEM波特征。李宝忠等学者为处理一维导体结构电磁脉冲响应试验困难，提出了一维电磁脉冲模拟器概念，并从理论上研究对于电磁脉冲在一维结构上感应电流计算具体方法M。时域有限差分方法是种用来直接求解含时间变量在内麦克斯韦旋度方程组数值计算方法。它利用含有二阶精度中心差分近似公式，把旋度方程中对电场和磁场各分量微分算符直接转换成差分形式。因为该方法概念清楚，使用方便，所以尤其适合于电磁场计算。谢秦川等学者采取时域有限差分方法对电磁脉冲模拟器所产生电磁场进行数值模拟，完整地取得了电磁场在时间空间中分布特刎1Sl。矩量法在求解电磁场边值问题数值计算中得到了广泛应用，它是将线性算子积分方程按着所选则基函数展开，得到一组离散化广义矩阵方程，经过求逆运算，得到电磁场数值解。潘晓东等学者采取矩量法结合快速多极子方法研究了快上升沿电磁脉冲信号在有界波模拟器中传输特征。经过对模拟器在传输不一样上升沿电磁脉冲信号时，其内部电场计算，由此确定了模拟器所能模拟电磁脉冲上升沿上限，其结果对设计大型、3ns窄电磁脉冲场模拟设备含有一定参考意义。脉冲源是为电磁脉冲模拟器提供瞬态电磁能量装置。因为所要模拟场上升时间极短而峰值场强通常全部高达数万伏米以上，故脉冲源建造必需采取脉冲功率技术。西北核技术研究所研制有界波电磁脉冲模拟器关键由MARX发生器、峰化电容器、主开关、照射器、匹配负载等部分组成。其MARX发生器中电容器充电电压为1MV，能在模拟器工作空间内产生前沿10ns，脉宽为200ns，场强大于105Vm双指数脉冲电磁场，孙蓓云等对脉冲高压电源工作原理、主开关暂态过程进行了分析和计算，这对模拟器设计和调试全部有一定指导意义。以上研究全部专注于电磁脉冲模拟器物理参数研究和产生电磁场研究。伴随电子技术不停发展，自动控制技术被越来越多应用，所以，研究电磁脉冲模拟器自控控制将是一个新研究方向并含有很高研究价值，它将为电磁脉冲模拟提供愈加正确、快捷控制平台。瞬态电磁脉冲对电气、电子系统组成威胁己经引发了大家广泛重视。而电力系统中对瞬态电磁脉冲更为敏感，甚至造成自动控制、保护和通讯系统瘫痪。为了评定这种千扰严重性和研究对瞬态电磁脉冲防护效能，从而采取适宜方法以保护多种电气、电子设备正常工作，就需要对瞬态脉冲产生电场和磁场分别进行测量。本章介绍了本文设计测量系统为了模拟这些瞬态干扰源而建立电磁脉冲模拟器结构、工作原理和所产生电磁脉冲特点。电磁脉冲模拟器作为高能电磁波辐射源，为研究和数值计算复杂电磁环境中耦合等问题提供了必需技术支持。电磁脉冲模拟器用来产生电磁脉冲对电子设备进行效应试验，对了解、认识电子设备等在电磁脉冲作用下效应机制有很大应用价值，并为探索防护和加固技术提供关键技术基础。因大家对波导结构及内部电磁场分布、传输过程研究较早、了解较深入，所以含有和波导类似结构辐射源常常作为研究高能电磁波辐射效应辐射源，本项目拟采取有界波电磁脉冲模拟器作为辐射源。有界波电磁脉冲模拟器它采取了和波导类似结构，其截面可用两个正交坐标来描述，波在第三个正交坐标方向上传输。在波传输方向上电磁波分量很小，基础上能够看作是TEM波。在波传输过程中，模拟器结构形成了导波边界，故称之为有界波模拟器。2.2 电磁脉冲模拟器组成电磁脉冲含有陡峭前沿及较窄宽度，覆盖了较宽频带，能经过多种耦合路径使电子元器件、线路和设备受到严重干扰和破坏，所以，电磁脉冲及其工程防护理论和技术仍然是当今世界各大国研究热点之一。论文在综述电磁脉冲模拟相关技术及中国外研究历史和现实状况基础上，就电磁脉冲模拟基础理论、电磁脉冲模拟器具体设计等方面理论和技术展开了较深入研究和相关试验验证。核电磁脉冲模拟器按结构形式分为有界波模拟器和辐射波模拟器，由脉冲源和电磁场形成装置两大部分组成，而脉冲源通常由初级能源、中间储能装置、能量转换及传输系统组成。其中开关技术含有特殊关键地位。电磁脉冲测量技术包含脉冲电场测量、脉冲磁场测量、脉冲电压测量及脉冲电流测量等技术。理论及仿真分析表明，当RLC回路工作在过阻尼状态时，即可在负载电阻两端取得双指数脉冲；当负载一定时，脉冲上升时间关键决定于回路总电感，而下降时间则决定于储能电容大小；对地分布电容不仅会影响波形参数，而且过大会引发波形振荡；气体开关间隙火花电阻及间隙电容也是影响脉冲波形参数不可忽略原因，通常经过给开关冲一定压力干燥空气或氮气，以降低开关导通时间。论文具体设计试验用电磁脉冲模拟器，由可调直流高压电源、储能电容器、气体火花开关及其触发控制电路、吉赫横电磁波室等部分组成。直流高压电源采取自耦调压器、升压变压器、限流保护电阻、4倍压整流电路及直流电压指示等组成，最高可产生30kV直流高压，因为采取专门连接结构，在处理支撑和绝缘问题同时，很好地消除了沿面闪烁和局部放电现象。设计同轴一体式开关既含有良好屏蔽效果又有利于减小脉冲上升时间。理论和仿真分析及试验表明，电缆连接器采取内外导体阶梯错位结构有利于降低驻波比，电阻分压器接入端阻抗失配将引发脉冲波形振荡及上升时间加长，采取端接阻尼电阻。模拟器脉冲源输出峰值电压达26kV，上升时间为2.5ns左右。电磁脉冲模拟器就是能够依据试验所要求电磁脉冲特征，为试件提供特定电磁脉冲环境，而且在激励事件同时，不因本身存在而严重改变试件所在处场强分布。因为试验目标和被试对象多样性使得电磁脉冲模拟器形式繁多。从20世纪60年代以来，世界各国就建立了很多电磁脉冲模拟器，它们大小不一，形状各异。核电磁脉冲模拟器按结构形式分为有界波模拟器和辐射波模拟器，按电场强度分为威胁量级和亚威胁量级两类模拟器。伴随模拟技术发展，C.E.Baum于1978年按所须模拟电磁脉冲环境。将模拟器分为4类：源区外电磁脉冲环境模拟器、地面周围核爆炸源区内电磁脉冲环境模拟器、空中核爆炸源区内电磁脉冲环境模拟器、高空核爆炸源区内系统电磁脉冲模拟器，较为经典模拟器有：(1) 有界波模拟器有界波模拟器，采取了和波导类似结构，故也称导波型模拟器，其截面可用两个正交坐标来描述。波在第三个正交坐标方向上传输，基础上是TEM模。只要频率不是太高(波长大于导波结构截面几何尺寸)，对这类模拟器可按传输线理论加以分析，所以又称为传输线型模拟器。(2) 偶极子模拟器对于源区外电磁脉冲辐射场环境模拟，当要考虑存在地面反射情况时，常采取偶极子模拟器。这类模拟器常见电场照射器就是经典偶极子天线。(3) 静态模拟器静态模拟器是一个结构尺寸远小于激励信号波长模拟器。故常称其为驻定场模拟器。它适适用于对低频场或准静态场模拟。因为产生模拟场不传输，也称之为零维模拟器。这种模拟器理想之处于于，它所产生入射场在被试系统周围全部是均匀。(4) 混合型模拟器混合型模拟器综合了偶极子模拟器和静态模拟器关键特点。(5) 定向辐射模拟器定向辐射也是系统远离模拟器结构一个模拟方法。所谓定向辐射是相对于偶极子模拟器无方向性辐射而言，它将脉冲有限能量集中在一定角度范围内辐射，借以提升模拟器效率。(6) 源区电磁脉冲环境模拟电磁脉冲源区是康普顿电流分布区域，源区内空气介质含有随时间非线性改变电导率，并在其中形成传导电流。假如核爆炸在地面周围发生，大地岩土介质电导率也将发生改变。EH比值也不像自由空间那样呈简单常数关系。另外，和中子效应也很关键。所以源区是一个多变量复杂环境。假如要把源区全部特征正确模拟出来。无疑是一个十分困难问题。就现在技术水平来看，依据研究问题需要，建造部分只能产生部分源区特征模拟器是可能，尤其是对大型试验系统，通常只能考虑单一原因或尤其感爱好一些原因模拟只有对很小试验系统一个小部分上产生“全部”源区环境是可能。但不管何种模拟器，全部是由脉冲源和电磁场形成装置两大部分组成。本文试验所用电磁脉冲模拟器系统由高重频脉冲源分系统、小型平板形有界波模拟器分系统组成，其结构图图2-1： 图2-1 电磁脉冲模拟器系统总体设计框图2.2.1 高压脉冲源脉冲源是电磁脉冲模拟器中为电磁脉冲形成装置提供电磁能量装置。脉冲源通常为峰值电压达数千伏至数兆伏高压脉冲发生器，其输出脉冲能够是单次或以一定频率反复波形。因为所要模拟电磁脉冲上升时间极短而且峰值长枪比较高，故脉冲源建造必需采取脉冲功率技术。所谓脉冲功率技术(ulsed power technology)是指将很大能量(通常为几百千焦耳至几十兆焦耳)储存在储能元件中，然后经过快速开关(动作时间在纳秒左右)将此能量在纳秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高功率。它是一个电物理技术，也是纳秒脉冲电子学。是通用高电压技术和应用物理学相结合产物。脉冲功率系统包含初级储能、脉冲储能和传输几部分初级储能常采取马克斯发生器或脉冲电容器组、脉冲变压器(包含直线型和特斯拉型)等。脉冲储能关键有传输线型电容储能(包含同轴型和平板型)和电感储能(同轴型和螺旋线型)方法，它们分别经过高功率闭合开关和断路开关，实现电脉冲压缩和功率放大脉冲储能能够由一级或几级组成，末级也有采取磁感应方法，实现脉冲电压倍加(又称感应电压加法器)、能量会聚，最终经过真空磁绝缘传输线把能量传输给负载。脉冲功率系统复杂程度决定于负载对它要求、系统开关性能和初级储能向脉冲储能放电快慢程度。脉冲功率装置不仅成为脉冲辐射模拟最有效试验手段，而且在惯性约束(ICF)、新概念武器(激光武器、微波武器、电磁脉冲弹、粒子束武器、电磁炮、电熟炮等)等国防和能源领域研究中得到关键应用，在其它民用领域中也有宽广发展前景，如脉冲x射线源用于消毒灭菌。脉冲离子束源用于材料表面改性，和利用脉冲功率装置进行脱硫、脱硝、污水净化等环境保护应用和作为石油开采、勘探供能系统，乃至医疗上对人体内结石破碎等。脉冲功率技术是以20世纪60年代英国原子武器研究中心(AWRE)马丁(JC Martin)领导研究小组，基于经典Marx发生器技术，发明用于核武器强脉冲T射线效应模拟高压脉冲传输线型强流脉冲电子加速器为标志而快速发展起来i3s脉冲源通常采取双指数波形，这种波形能够用RC放电回路实现，其原理图图2-2所表示：图2-2 脉冲发生器放电回路图中C为充电电容，R为负载，K为脉冲发生器放电回路开关，L为放电回路分布电感，E为充电电压。结合初始条件，此放电回路方程解为 （2-1）式中，一个经典双指数波模拟波形图2-3所表示：图2-3 一个经典双指数波模拟波形因为分布电感存在，使放电回路电流上升沿存在，使脉冲包含高频分量幅值变低了，所以，要达成模拟实际电磁脉冲爆炸效果，应尽可能降低脉冲上升时间。利用较低工作电压取得较高脉冲电压输出，通常做法是利用变压器升压，然而，因为有界波模拟器脉冲源脉冲需要纳秒级上升前沿，升压变压器漏感较大，影响脉冲前沿，所以，直接采取变压器升压方法不大适宜，考虑到这些原因后，本试验拟采取感应叠加技术，其电路拓扑图2-4所表示（图中只画出了2级叠加，实际采取5级）：图2-4 感应叠加式输出系统由多个独立感应叠加子系统组成，共同连接到同一个模拟器负载，图2-4所表示。这么，经过控制触发时序，我们即可在负载上得到需要重频脉冲，由此可见，采取不一样级数感应叠加输出方法后，选择氢闸流管峰值阳极电压要求能够成倍降低，如选择33kV峰值阳极电压氢闸流管，只用2级即可满足输出电压要求。采取感应叠加输出方法还有以下优点：有效减小放电回路分布电感，深入提升脉冲上升沿。系统5个独立电磁脉冲模拟发生器完全实现物理上隔离，降低电磁脉冲模拟发生器间连续放电干扰。方便实现输出极性转换。减轻充电电源及部分裸露导线联接部分电晕放电，增加电源可靠性。因为真实电磁爆炸电磁脉冲上升沿极快，为了模拟真实电磁爆炸，要求脉冲源输出脉冲有很快前沿，其前沿时间通常在20ns之内，脉冲上升时间关键由分布电感和负载两个原因决定，负载由模拟器和吸收负载等2部分组成，平板型模拟器前过渡段、平行板段、后过渡段、终端匹配负载等多个部分组成，体积较大，回路较长，显然经过优化放电回路结构（如合理走线等），能够有效降低分布电感，除合理走线等工程常规方法外，采取同轴屏蔽结构输出方法被认为是最有效技术手段。如此，根据本试验设计要求，峰值电压约在19ns左右出现，其从90%-10%下降沿约为370ns，设计归一化后输出波形图2-5：图2-5 脉冲激励峰值电压归一化2.2.2 小型平板形有界波模拟器本文所用到模拟器是小型平板形有界波模拟器，有界波EMP(电磁脉冲)模拟器是模拟高空HEMP(核爆炸电磁脉冲)早期辐射环境装置，经过产生雷电及核电磁脉冲环境，进行EMS多种效应试验，该装置广泛应用于电子设备和分系统EMP辐射敏感度测试、屏蔽室电磁脉冲屏蔽效能测试等。有界波电磁脉冲模拟器它采取了和波导类似结构，其截面可用两个正交坐标来描述，波在第三个正交坐标方向上传输。在波传输方向上电磁波分量很小，基础上能够看作是TEM波。在波传输过程中，模拟器结构形成了导波边界，故称之为有界波模拟器。图2-6所表示，有界波平板式电磁脉冲模拟器关键由脉冲源、前过渡段、平行板段、后过渡段、终端匹配负载等多个部分组成，模拟器上半部分和下半部分相关Y轴对称1。图2-6 平行金属板有界波模拟器结构模拟器电磁特征是由脉冲源等效电容和电感和传输线阻抗3个要素决定。由脉冲源电容和传输线阻抗组成脉冲衰落部分时间常数，而脉冲上升时间时间常数则和脉冲源电感成正比，和传输线阻抗成反比。场强峰值则和脉冲源工作电压(V0)成正比而和工作空间高度(h)成反比，即：通常脉冲源几何尺寸相对于工作空间要小得多，为了确保脉冲源激励电磁波无及射、无损耗传输到工作空阀，必需引入一前过渡段，要求从过渡段到工作空阻抗不变。对平行段，其传输线线阻抗为工作空间高和宽之比函数，近似为式中：h平行传输线高度，单位(米)a平行传输线半宽度，单位(米)理论表明只要做到过渡段各截面高度比不变，其阻抗就能保持不变。于是将过渡段设计为锥板状。一样理由，为消除终端反射，所用电阻性负载和平行线板之间也需要这么一个成过渡段。在前过渡段中，波基础以球面波形式传输，为使工作空间波前靠近平面波，前过渡段长度应为工作空间高度两倍以上。在有界波模拟器设计时，我们遵照以下标准：(1) 有效性标准。即有界波模拟器其工作空间内电磁场分布及传输应尽可能能模拟真实电磁爆炸过程。在工作区域内传输电场要尽可能均匀，并以TEM波方法传输，即图30所表示电场应该关键为垂直分量，水平分量尽可能小。由理论分析及仿真结果可知：在模拟器前后过渡段各尺寸和工作区间高度和长度均不变时，伴随工作区间宽度增加，垂直电场分量会逐步变大,其它方向电场分量逐步减小，电磁波传输模越来越靠近TEM模。所以合适增加工作区宽度能够愈加好地取得真实电场分布；同时过渡段和工作区连接处连续性会决定模拟器表面电流分布连续性，而在连接处不连续性会造成工作区电场在峰值点周围有一定小起，影响电场均匀性。所以过渡段几何结构必需和工作区几何尺寸结合起来共同优化设计，降低不连续性；端口阻抗匹配程度差不可避免地会存在反射波，模拟器内空间电场是入射波电流产生电场和反射波电流产生电场矢量叠加，从而将会造成电场分布偏离理想分布，正确阻抗匹配能够在频域经过试验措施处理。(2) 可测量性标准。该标准在要求有界波模拟器其工作空间内电磁场分布尽可能均匀，不出现突变奇点情况下，还要考虑电压测试探头寄生效应对工作区域内电场影响程度小，所以在设计或选择探头时必需考虑到模拟器几何结构。(3) 经济性标准。设计出小型化但同时满足前两项标准有界波模拟器。经优化计算，本试验所建立图13所表示平板型有界波模拟器，该空间结构尺寸平板型有界波模拟器其前过渡段、平行板段、后过渡段阻抗均为170。图2-7 本试验所设计平行板型有界波模拟器结构2.3 本章小结本章关键介绍了电磁脉冲模拟器相关知识。其中包含电磁脉冲模拟器组成部分，高压脉冲源介绍和技术要求和小型平板形有界波模拟器设计。第三章 电磁脉冲模拟器空间电场测量系统研制3.1 测量系统整体方案本文所设计测量系统目标在于将瞬变空间电场信号经过采集，在上位机中显示。其中，要获取电场信号必需有能够感应电场探头，既电场传感器；以后，探头输出信号经过滤波、衰减、隔离等部分处理后进入高速数据采集装置；在软硬件相结合环境下，高速数据采集卡将采集数据进行转换、储存，最终在上位机中显示。系统框图图3-1：图3-1 测量系统框图3.2电场探头原理偶极子传感器原理图图3-2所表示，其中l ,r分别表示偶极子长度和半径，Zc表示负载阻抗，C表示偶极子传感器等效电容。