蔣廷勇, 王曉嘉, 周 恒, 張守龍

(西北核技術研究院,陜西 西安 710069)

1 引 言

強電磁脈沖環(huán)境效應是目前國內(nèi)外武器裝備環(huán)境適應性考核研究的重要組成部分,傳統(tǒng)意義上的強電磁脈沖環(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],特點是功率高、頻譜寬,產(chǎn)生的脈沖場通常從百V/m到數(shù)萬V/m,具有ns甚至百ps級前沿,頻譜范圍從DC到數(shù)GHz。開展電磁環(huán)境效應研究通常需要對測量系統(tǒng)時域和頻域特性進行全面標定,以實現(xiàn)對電磁脈沖輻射參數(shù)和耦合參數(shù)的準確測量,從而為系統(tǒng)性能評估、指標檢驗和效應分析等提供科學依據(jù)。

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

近年來,美國國家標準與技術研究院(NIST)、俄羅斯全俄光學物理與測量研究所(VNFFOI)、韓國國家標準科學研究院(KRISS)等分別基于單錐TEM室研制脈沖電場校準裝置用于傳感器/探頭校準[3～5]。在國內(nèi),中國計量科學研究院聯(lián)合北京交通大學、清華大學等單位均先后開展了基于單錐TEM室的脈沖電場校準裝置研制[6～9]。西北核技術研究院自2008年啟動了單錐TEM室相關研究工作后,在2012年建立我國首個母線長1.5 m單錐TEM室,并完成與俄羅斯VNFFOI實驗室國家基準裝置比對工作[10,11],驗證了基于單錐TEM室的短電磁脈沖標準場一致性。從已發(fā)表文獻分析和實際比對結果來看,國內(nèi)研制的單錐TEM室的響應時間、時間窗和電場一致性等核心指標與國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室等脈沖電場產(chǎn)生裝置相比,基于單錐TEM室的短電磁脈沖電場產(chǎn)生裝置主要優(yōu)勢在于：一是內(nèi)部電場分布在時間窗范圍內(nèi)有嚴格解析解,對應內(nèi)部電場參數(shù)不確定度小；二是具備優(yōu)異性能參數(shù),時域上其響應時間達數(shù)十ps,工作頻帶最高可覆蓋至數(shù)GHz[12,13],且電場均勻性好,優(yōu)于TEM小室和GTEM室等傳統(tǒng)脈沖電場產(chǎn)生裝置。單錐TEM室最大短板在于時間窗限制其在更大范圍用于寬脈沖電場產(chǎn)生及校準應用。因此,拓展現(xiàn)有單錐TEM室應用的核心在于如何解決錐體有限長度導致的時間窗問題。

本文以母線長1.5 m單錐為對象,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室時間窗方法,成功研制了基于電阻加載的單錐TEM室脈沖電場產(chǎn)生裝置,突破了傳統(tǒng)有限長單錐TEM時間窗限制,并將其成功應用于測量系統(tǒng)的脈沖電場波形和靈敏度校準。

2 單錐TEM室電阻加載研究

2.1 未加載單錐TEM室時間窗

典型單錐TEM室主要由金屬錐體、鏡面板、饋電結構和輔助支撐結構等構成,其內(nèi)部電磁場分布基于無限長雙錐傳輸線理論推導得出。脈沖源產(chǎn)生激勵信號后,通過傳輸線及饋電結構饋入至由錐體和鏡面板構成的TEM室內(nèi),并在內(nèi)部P點形成參數(shù)已知電場波形,根據(jù)文獻[2]該電場表達式如下：

(1)

式中：c為光速；L為母線長度；V0(t)為單錐饋電點處的脈沖源輸出電壓；r和θ為觀測點坐標；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倍母線電長度L的時間窗,在該時間窗范圍內(nèi)單錐TEM室波形和場強精確可知。一旦超過該時間窗范圍時,由于TEM室末端反射疊加至原有激勵脈沖上,造成TEM室內(nèi)電場波形畸變,從而影響了原有脈沖電場參數(shù)校準。

圖1給出了本實驗室已建成的1.5 m母線長單錐TEM室,特征阻抗50 Ω,最大時間窗為10 ns、饋電結構為SMA接頭,響應時間優(yōu)于80 ps。

圖1 單錐TEM室標準場產(chǎn)生裝置Fig.1 Standard facility based on monocone TEM cell

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

圖2給出了某脈沖電場測量系統(tǒng)在單錐TEM室內(nèi)P點(r=0.8 m,θ=90°)對雙極性高斯激勵脈沖時校準結果,根據(jù)單錐TEM室時間窗計算公式,P點對應時間窗為5 ns。其中,激勵脈沖信號峰值電壓200 V、上升時間0.5 ns、峰峰值時間差2.0 ns；脈沖電場測量系統(tǒng)以單極子作為接收天線,通過集成高速運放電路和電光轉(zhuǎn)換器件,實現(xiàn)3 dB工作帶寬覆蓋10 kHz～1.4 GHz范圍,理論分析表明該測量系統(tǒng)可完全響應激勵脈沖。從實際波形比對結果來看,在時間窗范圍內(nèi),測量波形與激勵波形基本吻合。超出時間窗范圍外時,可見明顯末端反射波形疊加,造成系統(tǒng)輸出波形與激勵波形不一致。

2.2 電阻陣列用于單錐TEM室加載

可以看出,在時間窗范圍內(nèi)時,單錐TEM室提供了準確可靠的脈沖電場用于脈沖電場測量系統(tǒng)校準。但時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全波形保真性能和靈敏度等參數(shù)校準。從造成單錐TEM室時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行電阻陣列加載[14],即把電阻陣列作為匹配負載加載于末端吸收激勵信號低頻部分,同時電阻陣之間的稀疏間隔又能使激勵信號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

為驗證電阻加載用于單錐TEM室的技術可行性,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實心錐和128根長1.1 m金屬拉線構成,外部支撐結構為木質(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)測試結果比較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實測結果?？梢钥闯?未加載時單錐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度,低頻部分無法被有效輻射并反射回激勵端口。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)獲得性能較好的標準電場用于探頭校準[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校準領域的應用。

3 加載單錐TEM室指標驗證

3.1 雙極性脈沖電場校準應用

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

可以看出,一方面在P點對應的5 ns時間窗范圍內(nèi),激勵波形和測量系統(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)原有電場分布；另一方面在時間窗范圍外,測量系統(tǒng)輸出波形與激勵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,沒有反射回測點而導致TEM室內(nèi)部激勵電場波形的畸變。

3.2 雙指數(shù)脈沖電場校準初步應用

為進一步驗證加載后單錐TEM室用于產(chǎn)生寬脈沖標準場技術可行性,項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),并在相同測點P對加載前后測量系統(tǒng)輸出波形進行了比對分析。其中,雙指數(shù)脈沖源輸出核電磁脈沖信號上升沿2.5 ns、半高寬23 ns、峰值電壓5 kV。

圖5 加載后NEMP電場校準波形比對Fig.5 Waveform comparison for NEMP E-field calibration after loading

圖5給出了在P點測量得到的加載前后輸出波形與激勵波形的比對?？梢钥闯?未加載情況下,單錐TEM室激勵信號半高寬遠大于時間窗,因此末端反射波形在t1=5 ns時間點疊加至P點,導致該點電場波形明顯與激勵波形偏離；電阻加載后,單錐TEM室在P點處測量系統(tǒng)輸出波形與激勵波形在時間窗內(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)脈沖電場校準結果討論分析

對圖5測試比對結果的進一步分析還表明,一方面在未加載情況下,從TEM室內(nèi)P點電場波形畸變來看,采用雙指數(shù)脈沖源激勵時TEM室末端反射影響遠大于雙極性脈沖,這是由于末端反射主要來自于低頻部分,而雙指數(shù)脈沖源低頻成分遠大于雙指數(shù)脈沖源,因此對P點電場畸變影響也相應變大,這也說明將TEM室拓展至寬脈沖電場應用時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時間點處測量系統(tǒng)輸出波形與激勵波形存在微小偏離,通過對該點的時間窗分析來看,首先排除TEM室末端反射影響,根據(jù)木質(zhì)支撐結構與TEM室末端最近距離為0.6 m,對應來回波程時間差為 4 ns,判斷該反射主要由外界木質(zhì)支撐結構引入,因此在后續(xù)電阻加載單錐TEM室改進研制過程中,需要優(yōu)化支撐結構以降低其散射影響。

4 小 結

本文提出了一種單錐TEM室電阻陣列加載方法。實測結果表明,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)脈沖激勵下TEM室內(nèi)測量系統(tǒng)輸出波形與激勵波形吻合良好,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致的時間窗限制,實現(xiàn)了時域全范圍波形和靈敏度參數(shù)校準,同時還保持了原有TEM室電場不確定小、響應時間快和工作頻帶寬等特性,可為后續(xù)快響應、寬頻帶等多類型脈沖電場測量系統(tǒng)性能準確標定提供了可靠手段。

不僅如此,參考無限長單錐TEM室內(nèi)部電場理論表達式,單錐TEM室端口激勵電壓不僅限于時域脈沖,對連續(xù)波信號也同樣適用。說明在消除末端反射、解決時間窗問題后,電阻加載單錐TEM室也能用于產(chǎn)生頻域標準電場并用于天線增益等參數(shù)校準,從而將現(xiàn)有加載單錐TEM室應用領域拓展至頻域,這為后續(xù)在加載單錐TEM室內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)時頻域聯(lián)合一體化校準奠定了理論基礎。