電阻陣列加載單錐TEM室研究

蔣廷勇, 王曉嘉, 周 恒, 張守龍

(西北核技術(shù)研究院,陜西 西安 710069)

1 引 言

強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境效應(yīng)是目前國(guó)內(nèi)外武器裝備環(huán)境適應(yīng)性考核研究的重要組成部分,傳統(tǒng)意義上的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境主要包括雷電、核電磁脈沖(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)、超寬譜脈沖以及窄帶高功率微波等[1],特點(diǎn)是功率高、頻譜寬,產(chǎn)生的脈沖場(chǎng)通常從百V/m到數(shù)萬V/m,具有ns甚至百ps級(jí)前沿,頻譜范圍從DC到數(shù)GHz。開展電磁環(huán)境效應(yīng)研究通常需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)域和頻域特性進(jìn)行全面標(biāo)定,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁脈沖輻射參數(shù)和耦合參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量,從而為系統(tǒng)性能評(píng)估、指標(biāo)檢驗(yàn)和效應(yīng)分析等提供科學(xué)依據(jù)。

參考IEEE 1309(2015)[2]和GJB 8218-2014,針對(duì)核電磁脈沖、超寬譜高功率微波脈沖和窄譜高功率微波脈沖測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定,其分別推薦了以TEM小室、GTEM室和單錐TEM室等多種方法以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、帶寬和波形保真度等時(shí)域參數(shù)標(biāo)定。

近年來,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、俄羅斯全俄光學(xué)物理與測(cè)量研究所(VNFFOI)、韓國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院(KRISS)等分別基于單錐TEM室研制脈沖電場(chǎng)校準(zhǔn)裝置用于傳感器/探頭校準(zhǔn)[3～5]。在國(guó)內(nèi),中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院聯(lián)合北京交通大學(xué)、清華大學(xué)等單位均先后開展了基于單錐TEM室的脈沖電場(chǎng)校準(zhǔn)裝置研制[6～9]。西北核技術(shù)研究院自2008年啟動(dòng)了單錐TEM室相關(guān)研究工作后,在2012年建立我國(guó)首個(gè)母線長(zhǎng)1.5 m單錐TEM室,并完成與俄羅斯VNFFOI實(shí)驗(yàn)室國(guó)家基準(zhǔn)裝置比對(duì)工作[10,11],驗(yàn)證了基于單錐TEM室的短電磁脈沖標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)一致性。從已發(fā)表文獻(xiàn)分析和實(shí)際比對(duì)結(jié)果來看,國(guó)內(nèi)研制的單錐TEM室的響應(yīng)時(shí)間、時(shí)間窗和電場(chǎng)一致性等核心指標(biāo)與國(guó)外同類型裝置基本保持在相同水平。

與其它傳統(tǒng)TEM小室、GTEM室等脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生裝置相比,基于單錐TEM室的短電磁脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生裝置主要優(yōu)勢(shì)在于：一是內(nèi)部電場(chǎng)分布在時(shí)間窗范圍內(nèi)有嚴(yán)格解析解,對(duì)應(yīng)內(nèi)部電場(chǎng)參數(shù)不確定度?。欢蔷邆鋬?yōu)異性能參數(shù),時(shí)域上其響應(yīng)時(shí)間達(dá)數(shù)十ps,工作頻帶最高可覆蓋至數(shù)GHz[12,13],且電場(chǎng)均勻性好,優(yōu)于TEM小室和GTEM室等傳統(tǒng)脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生裝置。單錐TEM室最大短板在于時(shí)間窗限制其在更大范圍用于寬脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生及校準(zhǔn)應(yīng)用。因此,拓展現(xiàn)有單錐TEM室應(yīng)用的核心在于如何解決錐體有限長(zhǎng)度導(dǎo)致的時(shí)間窗問題。

本文以母線長(zhǎng)1.5 m單錐為對(duì)象,基于TEM室末端阻抗匹配加載的解決思路,提出了以電阻陣列吸收錐體末端低頻反射、拓展單錐TEM室時(shí)間窗方法,成功研制了基于電阻加載的單錐TEM室脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生裝置,突破了傳統(tǒng)有限長(zhǎng)單錐TEM時(shí)間窗限制,并將其成功應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)的脈沖電場(chǎng)波形和靈敏度校準(zhǔn)。

2 單錐TEM室電阻加載研究

2.1 未加載單錐TEM室時(shí)間窗

典型單錐TEM室主要由金屬錐體、鏡面板、饋電結(jié)構(gòu)和輔助支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成,其內(nèi)部電磁場(chǎng)分布基于無限長(zhǎng)雙錐傳輸線理論推導(dǎo)得出。脈沖源產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)后,通過傳輸線及饋電結(jié)構(gòu)饋入至由錐體和鏡面板構(gòu)成的TEM室內(nèi),并在內(nèi)部P點(diǎn)形成參數(shù)已知電場(chǎng)波形,根據(jù)文獻(xiàn)[2]該電場(chǎng)表達(dá)式如下：

(1)

式中：c為光速；L為母線長(zhǎng)度；V0(t)為單錐饋電點(diǎn)處的脈沖源輸出電壓；r和θ為觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；θh為單錐的半錐角。

可以看出,未加載單錐TEM室最大可提供2倍母線電長(zhǎng)度L的時(shí)間窗,在該時(shí)間窗范圍內(nèi)單錐TEM室波形和場(chǎng)強(qiáng)精確可知。一旦超過該時(shí)間窗范圍時(shí),由于TEM室末端反射疊加至原有激勵(lì)脈沖上,造成TEM室內(nèi)電場(chǎng)波形畸變,從而影響了原有脈沖電場(chǎng)參數(shù)校準(zhǔn)。

圖1給出了本實(shí)驗(yàn)室已建成的1.5 m母線長(zhǎng)單錐TEM室,特征阻抗50 Ω,最大時(shí)間窗為10 ns、饋電結(jié)構(gòu)為SMA接頭,響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于80 ps。

圖1 單錐TEM室標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)產(chǎn)生裝置Fig.1 Standard facility based on monocone TEM cell

圖2 未加載前單錐TEM室激勵(lì)波形和測(cè)量波形比較Fig.2 Waveform comparison between the excited pulse and measured pulse in the unloaded monocone

圖2給出了某脈沖電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)在單錐TEM室內(nèi)P點(diǎn)(r=0.8 m,θ=90°)對(duì)雙極性高斯激勵(lì)脈沖時(shí)校準(zhǔn)結(jié)果,根據(jù)單錐TEM室時(shí)間窗計(jì)算公式,P點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間窗為5 ns。其中,激勵(lì)脈沖信號(hào)峰值電壓200 V、上升時(shí)間0.5 ns、峰峰值時(shí)間差2.0 ns；脈沖電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)以單極子作為接收天線,通過集成高速運(yùn)放電路和電光轉(zhuǎn)換器件,實(shí)現(xiàn)3 dB工作帶寬覆蓋10 kHz～1.4 GHz范圍,理論分析表明該測(cè)量系統(tǒng)可完全響應(yīng)激勵(lì)脈沖。從實(shí)際波形比對(duì)結(jié)果來看,在時(shí)間窗范圍內(nèi),測(cè)量波形與激勵(lì)波形基本吻合。超出時(shí)間窗范圍外時(shí),可見明顯末端反射波形疊加,造成系統(tǒng)輸出波形與激勵(lì)波形不一致。

2.2 電阻陣列用于單錐TEM室加載

可以看出,在時(shí)間窗范圍內(nèi)時(shí),單錐TEM室提供了準(zhǔn)確可靠的脈沖電場(chǎng)用于脈沖電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)。但時(shí)間窗問題的存在也極大限制了單錐TEM室用于更寬范圍脈沖電場(chǎng)全波形保真性能和靈敏度等參數(shù)校準(zhǔn)。從造成單錐TEM室時(shí)間窗問題的根本原因分析來看,末端低頻反射是主因。解決單錐TEM室低頻反射有效方法之一是進(jìn)行電阻陣列加載[14],即把電阻陣列作為匹配負(fù)載加載于末端吸收激勵(lì)信號(hào)低頻部分,同時(shí)電阻陣之間的稀疏間隔又能使激勵(lì)信號(hào)中高頻部分被有效輻射出去。

圖3 電阻加載后單錐TEM室Fig.3 The resistively loaded monocone TEM cell

為驗(yàn)證電阻加載用于單錐TEM室的技術(shù)可行性,圖3給出了自研基于等相位面電阻陣列加載單錐TEM室原理型裝置,裝置鏡面板采用半徑1.5 m金屬板,錐體由0.4 m實(shí)心錐和128根長(zhǎng)1.1 m金屬拉線構(gòu)成,外部支撐結(jié)構(gòu)為木質(zhì)材料。電阻加載陣列采用8排400 Ω電阻沿鏡面板均勻并聯(lián)按照,每排電阻由7個(gè)57 Ω無感電阻均勻串聯(lián)而成。

圖4 加載前后單錐TEM室S11參數(shù)測(cè)試結(jié)果比較Fig.4 The measured S11comparison of monocone before and after loading

圖4給出了電阻陣列加載前后TEM室饋電端口S11實(shí)測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?未加載時(shí)單錐TEM室低頻部分S11參數(shù)接近于0 dB,說明受限于單錐有限長(zhǎng)度,低頻部分無法被有效輻射并反射回激勵(lì)端口。采用等相位面加載后饋電端口S11系數(shù)在DC～1 GHz頻率范圍內(nèi),由加載前0 dB降低至-17 dB以下,說明TEM室低頻末端反射得到有效抑制。

同樣的,同心錐形橫電磁波傳輸室也采用吸波材料進(jìn)行末端加載,從而可在數(shù)十MHz至數(shù)十GHz范圍內(nèi)獲得性能較好的標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)用于探頭校準(zhǔn)[15,16]。但受加載材料所限,與本文提出的電阻加載單錐TEM室相比,其工作頻率下限沒有延伸至DC附近,因而限制其在脈沖電場(chǎng)校準(zhǔn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 加載單錐TEM室指標(biāo)驗(yàn)證

3.1 雙極性脈沖電場(chǎng)校準(zhǔn)應(yīng)用

為檢驗(yàn)加載后單錐TEM室性能參數(shù),采用與上節(jié)相同的雙極性脈沖源和測(cè)量系統(tǒng),并在測(cè)點(diǎn)P處測(cè)量了系統(tǒng)輸出波形,具體如圖2所示。

可以看出,一方面在P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的5 ns時(shí)間窗范圍內(nèi),激勵(lì)波形和測(cè)量系統(tǒng)輸出波形基本一致,說明加載電阻陣列本身沒有改變單錐TEM室內(nèi)原有電場(chǎng)分布；另一方面在時(shí)間窗范圍外,測(cè)量系統(tǒng)輸出波形與激勵(lì)波形也同樣基本吻合,說明TEM室末端低頻反射被加載電阻陣列有效吸收,沒有反射回測(cè)點(diǎn)而導(dǎo)致TEM室內(nèi)部激勵(lì)電場(chǎng)波形的畸變。

3.2 雙指數(shù)脈沖電場(chǎng)校準(zhǔn)初步應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證加載后單錐TEM室用于產(chǎn)生寬脈沖標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)技術(shù)可行性,項(xiàng)目組將雙極性脈沖源換成雙指數(shù)脈沖源(模擬高空核電磁脈沖信號(hào)),并在相同測(cè)點(diǎn)P對(duì)加載前后測(cè)量系統(tǒng)輸出波形進(jìn)行了比對(duì)分析。其中,雙指數(shù)脈沖源輸出核電磁脈沖信號(hào)上升沿2.5 ns、半高寬23 ns、峰值電壓5 kV。

圖5 加載后NEMP電場(chǎng)校準(zhǔn)波形比對(duì)Fig.5 Waveform comparison for NEMP E-field calibration after loading

圖5給出了在P點(diǎn)測(cè)量得到的加載前后輸出波形與激勵(lì)波形的比對(duì)?？梢钥闯?未加載情況下,單錐TEM室激勵(lì)信號(hào)半高寬遠(yuǎn)大于時(shí)間窗,因此末端反射波形在t1=5 ns時(shí)間點(diǎn)疊加至P點(diǎn),導(dǎo)致該點(diǎn)電場(chǎng)波形明顯與激勵(lì)波形偏離；電阻加載后,單錐TEM室在P點(diǎn)處測(cè)量系統(tǒng)輸出波形與激勵(lì)波形在時(shí)間窗內(nèi)外基本保持一致,說明單錐TEM室通過加載電阻陣列有效消除了末端低頻反射。

3.3 雙指數(shù)脈沖電場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果討論分析

對(duì)圖5測(cè)試比對(duì)結(jié)果的進(jìn)一步分析還表明,一方面在未加載情況下,從TEM室內(nèi)P點(diǎn)電場(chǎng)波形畸變來看,采用雙指數(shù)脈沖源激勵(lì)時(shí)TEM室末端反射影響遠(yuǎn)大于雙極性脈沖,這是由于末端反射主要來自于低頻部分,而雙指數(shù)脈沖源低頻成分遠(yuǎn)大于雙指數(shù)脈沖源,因此對(duì)P點(diǎn)電場(chǎng)畸變影響也相應(yīng)變大,這也說明將TEM室拓展至寬脈沖電場(chǎng)應(yīng)用時(shí)采用電阻陣列加載的必要性；另一方面在加載情況下,t2=9 ns時(shí)間點(diǎn)處測(cè)量系統(tǒng)輸出波形與激勵(lì)波形存在微小偏離,通過對(duì)該點(diǎn)的時(shí)間窗分析來看,首先排除TEM室末端反射影響,根據(jù)木質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)與TEM室末端最近距離為0.6 m,對(duì)應(yīng)來回波程時(shí)間差為 4 ns,判斷該反射主要由外界木質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)引入,因此在后續(xù)電阻加載單錐TEM室改進(jìn)研制過程中,需要優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)以降低其散射影響。

4 小 結(jié)

本文提出了一種單錐TEM室電阻陣列加載方法。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,加載后單錐TEM室端口S11系數(shù)在DC～1 GHz范圍內(nèi)由原有0 dB降低至-17 dB以下,且在雙極性脈沖與雙指數(shù)脈沖激勵(lì)下TEM室內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)輸出波形與激勵(lì)波形吻合良好,表明單錐TEM室通過末端電阻陣列加載不僅突破了低頻反射導(dǎo)致的時(shí)間窗限制,實(shí)現(xiàn)了時(shí)域全范圍波形和靈敏度參數(shù)校準(zhǔn),同時(shí)還保持了原有TEM室電場(chǎng)不確定小、響應(yīng)時(shí)間快和工作頻帶寬等特性,可為后續(xù)快響應(yīng)、寬頻帶等多類型脈沖電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)性能準(zhǔn)確標(biāo)定提供了可靠手段。

不僅如此,參考無限長(zhǎng)單錐TEM室內(nèi)部電場(chǎng)理論表達(dá)式,單錐TEM室端口激勵(lì)電壓不僅限于時(shí)域脈沖,對(duì)連續(xù)波信號(hào)也同樣適用。說明在消除末端反射、解決時(shí)間窗問題后,電阻加載單錐TEM室也能用于產(chǎn)生頻域標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)并用于天線增益等參數(shù)校準(zhǔn),從而將現(xiàn)有加載單錐TEM室應(yīng)用領(lǐng)域拓展至頻域,這為后續(xù)在加載單錐TEM室內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)頻域聯(lián)合一體化校準(zhǔn)奠定了理論基礎(chǔ)。