电磁脉冲衰减器的设计.doc

毕业论文(设计) 题 目 电磁脉冲衰减器的设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 X年X月X日目 录引言11 衰减器简介11.1 基本工作原理11.2 衰减器的技术指标21.3 衰减器的类型21.3.1 光衰减器21.3.2 吸收式衰减器31.4 研究现状31.5 电阻衰减器42 有限元方法以及HFSS概述52.1 有限元方法原理52.2 分片插值与基函数的选取72.3 Helmholtz方程的有限元解82.4 电磁场有限元计算软件HFSS介绍103 衰减器设计133.1 结构形式133.2 仿真模型建立133.3 结构仿真144 样机制作194.1电阻材料的选择194.2其他材料选择204.3 具体样机结构205 总结22参考文献22ABSTRACT24I电磁脉冲衰减器的设计摘要：电磁脉冲及其工程防护的理论和技术一直是当今世界各大国研究的热点之一。在分析衰减器的性能影响因素的基础上，采用高频电磁场计算软件HFSS进行建模分析和尺寸结构仿真优化，设计了用于电磁脉冲衰减的衰减器，制作衰减器的样机，衰减率为33.3，试验结果表明衰减器的性能符合使用要求，可以用于上升沿大于2.5ns电磁脉冲的衰减。关键词：电磁脉冲；衰减技术；衰减器；结构设计引言20世纪60年代初，由于量子辐射物理、加速器技术、介质中放电现象的发展，研究高功率脉冲的性质成了急待解决的问题。典型的高功率电磁脉冲包括：核爆炸电磁脉冲（NEMP）1，非核电磁脉冲武器产生的脉冲，雷电电磁脉冲（LEMP），静电放电（ESD）脉冲以及大功率电子、电气开关的动作产生的电磁脉冲等2。电磁脉冲（EMP）是一种瞬变电磁现象，从时域波形看，一般具有陡峭的前沿，宽度较窄；从频域看，则覆盖了较宽的频带3。电磁脉冲能使晶体管、集成电路、电阻及电容、滤波器和继电器等电子元器件受到损坏；可以把电磁脉冲的能量传递给电子设备，引起电子设备的失效或损坏、电路开关跳闸和触发器翻转；能使根据磁通工作的存贮器消磁或失真，破坏元器件或抹去存贮的信息。电磁脉冲还可以使飞机和导弹等的金属外壳上产生很大的感生电流，并通过壳体上的缝隙或舱口耦合到壳内，使电子元器件、线路和设备受到不同程度的干扰和破坏。所以研究电磁脉冲的衰减技术具有较高的理论意义和重要的应用价值。1 衰减器简介1.1 基本工作原理衰减器是一类用在传输系统中降低信号电平，而不使信号产生显著畸变的无源网络。它可以用于对信号源去藕，目的是为了调节电路的传输电平，或用以缓冲阻抗变换的影响，有时也为了改善阻抗匹配。现在，衰减器已经极为广泛地应用于无线电测试仪器、仪表、传输线、标准衰减器及邮电、通讯、信号载波、广播电视、计算机等系统之中4。在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路，一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求，如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种，有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中；无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器，固定衰减器由电阻组成，不影响频率特性，常用T型或型网络组成；可调衰减器由电位器组成在调试中及电平调整中使用，要求衰减器的输入、输出阻抗应和接口端匹配。以有线电视为例，其系统里都应为75；而在电磁脉冲高压测量系统中，阻抗都为50。衰减器的频率特性要满足系统的频率范围要求，在频率范围内衰减器的衰减量应和频率无关，因此常采用电阻元件来组成5。频率范围不同，衰减器的形式也不同。有用同轴线作衰减器；在波导系统中，常用吸收电场能量的膜片作衰减器；也有采用固态二极管（如PIN二极管）在微波频段内制成波导或同轴线系统的可以电调谐的衰减器。1.2 衰减器的技术指标衰减量是指输入功率对输出功率的之比，表示为dB6。衰减器的技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗。（1）工作频带衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才能达到指标值。由于射频/微波结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同，也不能通用。现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽，设计或使用中要加以注意，采用固态二极管（如PIN二极管）在微波频段内制成波导或同轴线系统的可以电调节的衰减器7。（2）衰减量信号输入端的功率为P1，而输出端得功率为P2，衰减器的功率衰减量为A（dB）。若P1、P2以分贝毫瓦（dBm）表示，则两端功率间的关系为：P2（dBm）P1（dBm）A（dB） （1.1）可以看出，衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度。衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。衰减量用分贝作单位，便于整机指标计算。（3）功率容量衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量。可以想象，材料结构确定后，衰减器的功率容量就确定了。如果让衰减器承受的功率超过这个极限值，衰减器就会被烧毁。设计和使用时，必须明确功率容量。（4）回拨损耗回拨损耗就是衰减器的驻波比，要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小。我们希望的衰减器是一个功率消耗元件，不能对两端电路有影响，也就是说，与两端电路都是匹配的。设计衰减器时要考虑这一因素。1.3 衰减器的类型1.3.1 光衰减器常见的光衰减器有位移型光衰减器、薄膜型光衰减器和衰减片型光衰减器。下面介绍一下这几种光衰减器的原理。（1）位移型光衰减器当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小的损耗传输过去8。反过来，如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制其衰减量。位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时，发生一定的错位。使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的。位移型光衰减器又分为两种：横向位移型光衰减器、轴向位移型光衰减器。横向位移型光衰减器是一种比较传统的方法，由于横向位移参数的数量级均在微米级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器的制作中，并采用熔接或粘接法，到目前仍有较大的市场，其优点在于回波损耗高，一般都大于60dB。轴向位移型光衰减器在工艺设计上只要用机械的方法将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的。这种原理主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。（2）薄膜型光衰减器这种衰减器利用光在金属薄膜表面的反射光强与薄膜厚度有关的原理制成。如果玻璃衬底上蒸镀的金属薄膜的厚度固定，就制成固定光衰减器。如果在光纤中斜向插入蒸镀有不同厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底，使光路中插入不同厚度的金属薄膜，就能改变反射光的强度，即可得到不同的衰减量，制成可变衰减器。9（3）衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，达到衰减光信号的目的，这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器。1.3.2 吸收式衰减器衰减器是应用于很广的一种波导元件，如用于振荡器和负载间的去耦，用于测试中控制信号电平等等，吸收式衰减器是吸收波导中能量的一部分并以热量的形式散发掉，从而得到对能量的衰减，图1-1是两种形式的吸收式可变衰减器。图1-1 吸收式可变衰减器可变衰减器就是在波导段内置有可移动位置的吸收片。在图a中，为保证片子和输入/输出波导相匹配，把两段做成了劈状。调节吸收片在波导内的位置，便可改变其衰量。显然，当吸收片在临近窄边处，衰减量最小；位于宽边中央处，衰减量最大。在图b中，片子被做成刀形，并位于宽边中央。当片子全部转进波导内时，衰减量最大；当片子全部转出时，衰减量最小。这类吸收式衰减器的最大衰减量约为30dB7。1.4 研究现状众所周知，各类高频信号发生器的输出电平均需要在足够宽的范围内调节，又输出端应具有准确而固定的源阻抗，故衰减器必不可少。鉴于频率范围、衰减量、衰减精度、体积、重量等技术参数的特定要求及元器件货源、成本等经济要素，常见的电阻连续调节式衰减器都不适用于军事探测仪所用，为此朱君豪10自行设计制作了一种高频衰减器，该方法可供设计军用与民用整机中的高频衰减器作参考。其中提出采用钮子开关式电阻步进可变的衰减器方案，两只信号发生器的输出端口处合用一只衰减器。考虑到其工作频带的上限要达90MHz，其内电路选取T形四端网络，而不用形或桥T形四端网络11。武汉大学电子信息学院蒋铁珍，石振华等12根据高频电路阻抗匹配的原则，利用微型真空继电器和贴片电阻网络以及单片机控制技术，设计和制作了一种数码控制的衰减器。通过一个44的数字键盘对衰减量的大小进行设置，并可提供衰减量的数字显示，具有体积小、工作频率高、可靠性好、功能强、操作方便、适用面广等优点，它的主要技术指标如下：频率范围01GHz，衰减范围0120dB，步进为1dB，特性阻抗50，驻波系数1.21.4，衰减误差1%，最大输入电压5V。企业管理创新研究所的袁德昌12对电阻性组合衰减器提出了采用厚、薄膜混合集成电阻工艺制作的优越性以及主要工艺措施。之后，中国电子科技集团公司第十三研究所的杨强、周全等4采用微波薄膜混合集成电路工艺设计并实现了一种砷化镓场效应管电压可变衰减器13，在DC20GHz带宽内插入损耗小于3dB，最大衰减量22dB，输入输出端口驻波比小于2.0，衰减动态范围在10dB以内时衰减平坦度小于1dB。该衰减器采用单电压源控制衰减量变化，控制电压在-20V内变化时，控制端口电流的实测值低于5A，具有显著的低功耗优点。上海应用技术学院机械与自动化工程学院的周争鸣14对滤波器与测量仪器之间的阻抗匹配问题加以讨论，提出了LPF匹配衰减器的设计方法。在相关的发表文献中提出了利用阻抗变换的概念，根据归一化参数的计算值设计出的T型、型阻抗变换器。日前，安捷伦15推出的J7211A/B/C衰减控制器，其工作频率范围从直流到6GHz、18GHz、26.5GHz，衰减率达到101dB/121dB，衰减步长1dB，可插入损耗重复的New，然后点击ProjectInsert HFSS Design，新建一个Project。(2)HFSSSolution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS有三种解算类型，第一种是模式驱动，根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解；第二种是终端驱动，根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解；第三种是本征模，求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。(3)创建互连结构模型。HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形即可。(4)在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。(5)指定平面设置边界条件（HFSSBoundariesAssign）。HFSS有多种边界条件，在高速设计中最常用的有，理想电边界表示电场垂直于表面。理想磁边界是指电场方向与表面相切；完美匹配层边界用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。(6)指定端口设置激励（HFSSExcitationsAssign）。HFSS主要有波端口和集中端口，而在高速设计中，使用波端口的情况比较多。HFSS假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦，使用波端口可以计算特性阻抗、复传播常数和S参数。(7)分析设置。通过HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup可以进行自适应频率和收敛标准的设置，通过HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互连结构的扫频响应，通常选择插值扫频。(8)数据处理（HFSSResults）。HFSS具有功能强大又很灵活的数据管理和绘图能力，可以输出适合于Matlab编程，后缀为.m的S/Y/Z矩阵参数文件。HFSS求解微波问题的流程图如图所示：图2-2 HFSS求解流程图其中S矩阵的结果使得传输信号和反射信号的幅度可直接由给定的一组输入信号求得，这使得结构的全部3D电磁场特性成为一组高频电路参数。在HFSS软件中，激励设置就是在物体或者其表面上定义电磁场、电荷、电流或者电压。主要有这些方式：波端口激励方式；集总端口激励方式；差分对激励方式；磁偏置源激励方式；照射波激励方式。HFSS软件对研究对象生成包含有表面近似设置的初始网格。如果要求基于波长的精确剖分，则HFSS将以与材料相关的波长为基础细化初始网格，并且，任何已定义的网格操作都会被用于细化网格。如果定义了端口，则HFSS会在端口处多次迭代细化2D网格。如果进行自适应分析，则HFSS利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差，这些区域的四面体网格就会得到细化。然后，HFSS利用细化过的网格产生新的解，重新计算误差，重复迭代过程（求解误差分析自适应细化网格）直到满足收敛标准或达到最大迭代步数。如果设定的是“扫频”计算，则HFSS在其他频点求解问题时不再进一步细化网格，自适应求解仅在指定求解频率上进行。HFSS并不是每次求解过程开始时都生成初始网格，而仅在当前网格不可用时才生成初始网格。(1)手动设置网格人为进行HFSS网格构造的技术被称之为手动设置网格，可用HFSS菜单中的“Mesh Operations”命令进行操作。在下列情况下，往往需要进行手动网格设置：模型内部的强电场和强磁场（带有强容性负载或强感性负载）的区域中。例如，一个在谐振结构中的容性加载缝隙，波导的尖角或拐角，滤波器结构中多耦合线之间的缝隙。与边界相比具有高精细度的表面。例如长的PCB导线路径或表面的长线，调节剖分点使其大致等于导线路径的宽度或长线的直径，使其在第一次的自适应迭代中即可得到反映这些高精细结构的更准确特性。(2)表面近似设置HFSS中的目标面可能是平面、柱面、锥面、环面、球面或螺旋形。称最初的模型表面为真实表面。为了产生一个有限元网格，HFSS首先将所有的真实表面剖分为三角形。由于用一系列的直线段来表示曲面或平面，因此称这些三角形表面为多面体表面。平面中的三角形的纵横比为三角形的外接圆半径与三角形内切圆半径之比。可以在一个或多个表面上修改表面偏差、允许的最大偏差和三角形的最大纵横比，这些量在“Surface Approximation”对话框中给出（点击HFSSMesh OperationAssignSurface Approximation）。表面近似设置将用于初始剖分。对于初始网格，三角形所有的顶点都位于真实表面上。在自适应剖分过程中，顶点增加到剖分表面，而不是真实表面。HFSS很难做到三角形的纵横比接近于1，这是因为只有等边三角形可以被填充到网格中。因此，HFSS限制平面物体的纵横比为4，曲面物体为1.2。(3)引线的剖分处理引线是连接金属布线和芯片之间的细金属线。可以选择创建标准的JEDEC四点引线，如图2-3所示。图2-3 四点引线示意图图中：h1焊接点与弯折顶点之间的高度；h2导引线和焊接点之间的高度。也可以选择创建标准的JEDEC五点引线，如图2-4所示。图2-4 五点引线示意图图中：水平面和线在焊接点处的夹角；水平面和线在导引点处的夹角。在创建引线时，首先要选择一个焊接点，三维空间中的点定义为水平面的焊接点。然后选择导引点，其指定水平面上引线跨接的距离。HFSS将使用焊接点和导引线之间的距离来计算两者之间的高度h2（或在Bondwire对话框中输入）。在研究对象结构内部进行全波电磁场仿真计算之前，必须在每一个端口处求解场模式。HFSS计算与端口具有相同横截面的传输结构所能存在的场模式，求得的2D场模式作为整体3D问题的边界条件。3 衰减器设计3.1 结构形式衰减器对电压波形有一定的影响，过渡段的变化趋势对场波形也有一定的影响。在衰减器结构设计时，先确定是直线过渡、还是凸或凹形效果比较好24。在图3-1，A结构为凹过渡，B结构为直线形过渡，C结构为凸形过渡。图3-1 过渡段的设置图3-2 输出波形对于过渡段结构，通过对直线型、凸型或凹型过渡形状的仿真计算得到：采取直线过渡，输出端波形比较光滑；凹型结构会由于在结构不连续处发生突变形成小型的负脉冲，匹配效果不明显；凸型结构的波形突变情况和凹型相似。外考虑到实际加工中，直线过渡要比弧线过渡简单的多，为此选定直线过渡结构。3.2 仿真模型建立通过对衰减器结构形式的研究确定，采用两端直线过渡的结构，用HFSS建立模型如图3-3。图3-3 衰减器的HFSS模型3.3 结构仿真仿真中激励主要是选用高斯脉冲，可以得出宽频带内的驻波比。高斯脉冲波形如图3.4所示。图3-4 高斯脉冲波形高斯脉冲激励Pg(t)=Ke-(t/x) *(t/x)，其中K表示脉冲信号幅度，t为时间，是脉冲持续时间，它不仅决定了脉冲宽度，还决定了信号频谱的中心频率和带宽。尺寸参数优化的过程为选定某一个需要优化的尺寸，设置尺寸的变化范围25，用扫频的方法计算衰减器在1.2GHz以下的驻波比特性，得到在宽频带内整体较优的特性曲线，整体较优指在宽频带内的驻波比值都比较小，该曲线对应的结构尺寸值即为优化