一種強電磁脈沖模擬器的仿真及驗證研究

王鵬飛，劉恩博，李賢靈，王海星，張宗兵，田清文

（廣州廣電計量檢測股份有限公司電磁兼容研究所，廣東 廣州 510656）

0 引 言

在當前電子信息科技飛速發(fā)展的時代，強電磁脈沖因其具備能量強度大、峰值強度高、作用范圍極廣、破壞力強大等特點，越來越受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[1-6]。為了進行電氣電子產(chǎn)品、武器裝備等抗電磁脈沖干擾能力的檢驗、考核和驗收，美國率先在美軍標MIL-STD-461E 中提出了輻射敏感度實驗方法。我國現(xiàn)有最新標準GJB 151B—2013 中的RS105 測試項也詳細規(guī)定了電磁脈沖測試的方法和等級[7]。國內(nèi)近些年來在強電磁脈沖領域，特別是關(guān)于強電磁脈沖模擬器的課題有很多的研究成果?？祵幍热死秒姶欧抡孳浖﨏ST 仿真了錐形結(jié)構(gòu)電磁脈沖模擬器試驗裝置中場的分布，通過仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的比較，驗證了模擬器的有效性[8]；黃劉宏等人利用CST 設計構(gòu)建了一種由有界波模擬器和磁場線圈構(gòu)成的復合模擬器，并分析了有界波模擬器、線圈及屏蔽室殼體對空間電場及磁場的影響[9]；朱湘琴等人對大型水平極化電磁脈沖有界波模擬器的時域輻射場進行了并行時域有限差分模擬[10]；謝霖燊等人將基于MPI 平臺的并行時域有限差分（FDTD）方法與基于完全磁導體（PMC）鏡像法相結(jié)合，并結(jié)合CST 模擬軟件，模擬給出分布式負載垂直極化有界波電磁脈沖（EMP）的外泄場的分布規(guī)律[11]。

上述研究已經(jīng)對一些類型的電磁脈沖模擬器進行了仿真研究，但對平面金屬板有界波模擬器的仿真研究報道很少。該模擬器的過渡段上下對稱，能保證產(chǎn)生快前沿脈沖，并使得測試系統(tǒng)所占空間相對較小；而且該模擬器中的平行板段會使得有效測試空間相對較大。

鑒于平面金屬板有界波模擬器具有較大優(yōu)勢，本文以GJB 151B—2013 為依據(jù)，研究出一種用于RS105 測試項結(jié)果獲取的仿真方法。本文研究不僅能夠滿足用戶對RS105 測試項結(jié)果的需求，還可以利用該仿真方法獲取除RS105 測試項以外的更多電磁參數(shù)。因此，本文的研究結(jié)果對于電磁脈沖相關(guān)課題的研究有很大幫助。

1 RS105 項目測試場景

仿真設計的電磁脈沖模擬器的基本組成包括：激勵端、前后過渡段、平行板段、負載電阻等部分。模擬器總長5.20 m，激勵端上下平板的垂直距離為0.15 m，前后過渡段上下對稱，分別長1.927 m 和1.753 m，平行板上下之間高1.52 m，測試空間長0.8 m、寬0.7 m、高0.5 m，負載阻值為170（1±10%）Ω。RS105 項目試驗場景見圖1。

圖1 RS105 項目試驗場景

2 RS105 試驗裝置及激勵源建模

2.1 RS105 試驗設備仿真建模

基于CST 仿真軟件，將圖1 中的試驗裝置進行1∶1仿真建模，在模型激勵端的橫截面上添加偶極子天線，如圖2 所示。同時設置電壓激勵源，其波形為雙指數(shù)函數(shù)，波形如圖3 所示。脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)仿真模型如圖4所示。

圖2 仿真模型中的天線設置

按照GJB 151B—2013 的要求，仿真時仿真模型工作空間中的電場波形如圖5所示，場強限值為50 kV/m，允差為高于限值0～6 dB，電場為垂直極化，脈沖上升時間為1.8～2.8 ns；半峰值脈沖寬度為23 ns±5 ns。

2.2 空場時的仿真計算與測試對比

按照GJB 151B—2013 的要求，在測試空間垂直面上5 個柵格點場強需同時滿足RS105 限值。首先，在實驗室用RS105 試驗設備校驗空場場強，使其場強波形滿足試驗要求，校驗波形如圖6 所示；然后，在CST 仿真軟件中用場探頭計算RS105 仿真模型空場時測試空間中垂直面上5 個柵格點場強，仿真結(jié)果如圖7 所示。仿真空場脈沖上升時間曲線如圖8 所示，仿真空場半峰值脈沖寬度波形如圖9 所示。

圖6 試驗校驗脈沖波形

圖7 仿真空場5 個柵格點場強波形

圖9 仿真空場半峰值脈沖寬度

由圖5～圖9 可知，RS105 試驗設備仿真模型測試空間中電場的限值、上升時間、半峰值脈沖寬度均達到了測試要求，即該RS105 試驗設備仿真模型滿足實際測試需求。

3 仿真計算與測試結(jié)果對比

3.1 仿真計算與測試試驗

用仿真分別計算出空場和有機箱時測試空間中6 個點的場強，有機箱時測試的6 個點的位置如圖10所示。

圖10 有機箱時測試空間中6 個點的位置

按照機箱模型等比例制作一個實際機箱，機箱模型如圖11 所示。

圖11 機箱模型

同時依據(jù)GJB 151B—2013 的測試步驟分別測出空場和有機箱時RS105 試驗設備中對應的6 個點的場強。用場強探頭計算測試空間中的場強及測量測試空間中某一點場強示意圖分別如圖12、圖13所示。

圖12 用場強探頭計算測試空間中的場強

圖13 測量測試空間中某一點的場強

3.2 仿真與測試結(jié)果對比

測試空間中的仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 測試空間中的仿真結(jié)果

測試空間中的測試結(jié)果如表2 所示。

f=30 MHz 空場和有機箱時的電場分布圖分別如圖14、圖15 所示。

圖14 f=30 MHz，空場時的電場分布

圖15 f=30 MHz，有機箱時的電場分布

由表1 和表2 可看出，RS105 試驗設備測試空間中的電場分布基本均勻，沿傳播方向電場逐漸減小，而且電場關(guān)于測試系統(tǒng)中心的軸線呈對稱分布。而當測試空間中有機箱時，機箱會影響測試空間的場強。根據(jù)表1 和表2 中仿真場強差值ΔE和測試場強差值ΔE′，再根據(jù)計算式ΔE′′=20lg()ΔEΔE′ 得到仿真與測試之間的誤差ΔE′′，如表3 所示。由表3 可看出，仿真計算與測試結(jié)果之間的誤差很小，這表明RS105 試驗設備仿真模型的準確度較高，誤差主要是由測試環(huán)境中金屬物對電磁波的反射所引起，反射波會影響測試空間中的場強。

表3 仿真與測試的誤差

4 結(jié) 語

本文以GJB 151B—2013 標準為前提，通過仿真與實測相結(jié)合的方法，利用電磁仿真軟件CST，對平面金屬板有界波模擬器的仿真進行了研究。結(jié)果表明，無論是空場還是有相應物時，仿真結(jié)果與實測結(jié)果都非常接近。本文給出的強電磁脈沖發(fā)生器的仿真方法能在很大程度上實現(xiàn)RS105 試驗設備虛擬化，大大簡化了試驗過程。同時，利用該仿真方法可打破RS105 測試項的局限，獲取設備級、系統(tǒng)級和板級更豐富的強電磁脈沖效應電磁參數(shù)。因此，本文的仿真方法能在很大程度上滿足用戶的需求。