系統級電磁脈沖模擬試驗技術*

傅海軍，張維剛，岳思橙，吳冰

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

核電磁脈沖是核爆炸瞬發γ(或X)射線與其作用范圍的介質相互作用產生的瞬時電磁場，是核爆炸的重要瞬時殺傷破壞因素之一[1]。核電磁脈沖有以下幾個特點：場強峰值高，達50kV/m量級[2]；頻譜范圍寬[3-4]，覆蓋了信息化裝備的主要工作頻段；作用范圍大，高空核爆電磁脈沖作用范圍達幾千千米[5]。這對信息化武器裝備的作戰效能與生存能力形成嚴重威脅，因此必須加強武器裝備抗強電磁脈沖加固技術的研究，才能真正保障其在實戰中的作戰和生存能力。

電磁脈沖試驗是將被試對象置于核電磁脈沖環境下，研究其效應、評價其在核電磁脈沖環境下的作戰與生存能力的一種試驗。這種試驗可在模擬的核電磁脈沖環境下進行。電磁脈沖模擬技術主要內涵就是產生逼真的核電磁脈沖作戰環境。系統級電磁脈沖模擬試驗是指整車級以上平臺的電磁脈沖模擬試驗，如導彈發射車電磁脈沖效應試驗、陣地車輛間電纜耦合試驗等。系統級電磁脈沖模擬試驗的難點是在大空間范圍內產生快前沿和高峰值的電磁脈沖場強。

目前國外已經相繼建立了大量的電磁脈沖模擬試驗系統。其中美國在電磁脈沖模擬試驗技術方面處于領先地位，擁有以先進研究電磁脈沖模擬試驗系統[6](advanced research electromagnetic pulse simulator，ARES)、水平極化輻射波電磁脈沖模擬試驗系統[7](horizontally polarized dipole，HPD)、垂直極化輻射波模擬試驗系統[8](vertical electromagnetic pulse simulator，VEMPS)等為代表的先進電磁脈沖模擬試驗系統，并成系列化發展；歐洲國家也建立了部分電磁脈沖模擬試驗系統，如瑞士國防部的可移動電磁脈沖模擬試驗系統[9](mobile electromagnetic pulse simulator，MEMPS)等。上述電磁脈沖模擬試驗系統均為大中型模擬試驗系統，已經建成20年以上。目前國外最新的并具有代表性的電磁脈沖模擬試驗系統是美國海軍裝備瞬態電磁脈沖模擬試驗系統(naval ordnance transient electromagnetic simulator，NOTES)和美國國防部快前沿電磁脈沖模擬試驗系統(fast risetime electromagnetic pulse simulator，FEMPS)。NOTES是一種有界波電磁脈沖模擬試驗系統，該系統長為86 m，寬為46 m，高為10 m，能在工作空間內產生高達100 kV/m的場強，電磁脈沖前沿5～7 ns[10]。2010年美國建成的大型快前沿電磁脈沖模擬試驗系統FEMPS，是一種水平極化輻射波電磁脈沖模擬試驗系統，采用6 MV脈沖源驅動雙錐天線，天線長約150 m，場強高達117.5 kV/m，典型脈沖前沿小于1 ns，脈沖持續時間為幾十納秒[11]。各國利用這些模擬試驗系統對飛機[12]、裝甲車[13]、艦船[14-15]等裝備進行了大量的電磁脈沖效應與評估試驗。

但是國內外在大型系統級快前沿電磁脈沖模擬試驗技術方面的研究較少。本文給出了2種典型的垂直極化有界波模擬試驗系統和水平極化輻射波模擬試驗系統構建方法，并重點介紹大型系統級快前沿電磁脈沖模擬試驗系統的設計原理、實現和電磁脈沖場環境測試等研究內容和研究方法。

1 有界波電磁脈沖模擬試驗系統

1.1 模擬試驗系統原理與實現

有界波模擬試驗系統由脈沖功率源、傳輸線和終端負載等部分組成，如圖1a)所示。高壓脈沖源是提供一個符合核電磁脈沖特性的能源裝置，主要包括直流高壓發生器、Marx脈沖源、隔離電感、中儲電容與主開關，如圖1b)所示。脈沖源對平行板傳輸線饋電，在傳輸線空間中產生電磁波；電磁波在傳輸線上傳播，在終端通過匹配負載吸收。

馬克斯(Marx)發生器產生的高壓脈沖前沿一般較慢。為了實現快前沿模擬器，本文采用了一種中儲方案。中儲方案的特點是平行板電容器的容量與Marx發生器的電容相當。中儲方案的核心為中儲組件；該組件將電容器、開關和傳輸線始端3種功能集為一體；傳輸線下板為中儲組件平行板電容器的接地電極；主開關的高壓電極頭置于平行板電容器高壓極板的背面，而主開關的另一個電極頭則裝在傳輸線上板的下面，如圖2所示[16]。工作過程如下：由多只高壓電容器組成的脈沖源，通過并聯充電然后串聯放電使電壓倍增，從而獲得更高的脈沖電壓輸出。Marx發生器通過一個隔離電感向中儲組件平行板電容器充電；當振蕩到峰值時，Marx發生器電容上的能量全波轉移到中儲組件平行板電容器；此時主開關接通，中儲組件平行板電容器向傳輸線放電。由于中儲組件電感極小，負載將獲得一個極快的上升前沿脈沖。圖3所示為模擬器等效電路結構。

圖3中CM為Marx發生器電容；LM為Marx發生器電感；RM為Marx發生器電阻；L為隔離電感；Ctr為中儲組件電容；Ltr為中儲組件電感；K為主開關；R為負載電阻。

為了使開關動作時間足夠快，開關內介質需充六氟化硫，且開關工作于0.6 MPa的高氣壓狀態。同時利用脈沖前沿調節電感，調節高壓脈沖源輸出電磁脈沖前沿，保證脈沖源輸出波形滿足標準要求。

同時隔離電感很大，在中儲組件平行板電容向傳輸線放電過程中，中儲組件輸出波形受到Marx發生器電容分流的影響較小。保持開關內介質工作氣壓不變，將主開關間隙設為可調，從而實現對輸出電壓可調即電場峰值可調。

有界波模擬試驗系統傳輸線高度為8.4 m，寬度8.4 m。當傳輸線的高寬比不變時它的阻抗是不變的，即

(1)

式中：h為傳輸線高度；a為傳輸線寬度。

因此傳輸線阻抗166 Ω，終端負載阻抗也應該為166 Ω。

然而，我們不僅需要在先人的智慧中探尋保護自然之道，更需站在新的時代角度，擔起環保重任。譜就源自山野翠竹，清流激瀑中的自然華章。

設脈沖源有效輸出電壓峰值為V，傳輸線高度為h，則在工作空間中將形成一個垂直極化橫向傳播的電磁場，其電場強度為

(2)

根據傳輸線高度，脈沖源有效輸出電壓應大于420 kV。為保證Marx發生器安全運行，當工作電壓選在額定電壓70%時，Marx發生器最大輸出電壓應為600 kV，若電容器耐壓為100 kV則Marx發生器為6級。

電路總電感L為

(3)

式中：tr為脈沖上升沿；R為負載電阻。

電路總電容C為

(4)

式中：tw為脈沖半高寬；R為負載電阻。

根據脈沖上升沿為2.5 ns、脈沖半高寬為23 ns的要求，電路等效總電感約為188 nH，電路等效總電容約為202 pF。采用中儲方案，經過計算優化，等效電路參數Marx發生器電容為303 pF，Mar隔離電感為42 μH，中儲電容為183 pF，Ltr中儲組件電感為160 nH，負載電阻為165 Ω。

1.2 電磁脈沖場環境測試

在系統各部分加工完畢后，根據實際情況，對電路參數進行調試。選在模擬試驗系統工作空間內始端到終端的中軸線上距工作空間前邊界2m、距地面高1.5 m處為測量點。實際測量波形平均值與標準波形的對比，如圖4所示。對測量數據進行判讀后，模擬試驗系統場環境指標確定為：

(1) 模擬試驗系統工作空間：8.4 m×8.4 m×8.4 m；

(2) 電場波形參數為：整體形態呈雙指數脈沖形狀，上升沿(平均值)為2.7 ns，半高寬(平均值)為25.6 ns，電場強度峰值(平均值)為54 kV/m。

2 輻射波電磁脈沖模擬試驗系統

2.1 模擬試驗系統原理與實現

模擬試驗系統由脈沖源和雙錐-籠型天線組成，圖5為水平極化輻射波模擬試驗系統示意圖。高壓脈沖源對雙錐籠型天線饋電，雙錐-籠型天線對外輻射電磁波。雙錐籠型天線的雙錐部分，其最大優點就是波阻抗為常數。當激勵電壓恒定時，天線電流大小不變，頻帶寬。這就保證了脈沖前沿的輻射。模擬試驗系統的電場峰值就是雙錐天線提供的。籠型天線主要輻射脈沖低頻中的成分。

該模擬試驗系統總體設計采用削尖方案。削尖電容器接在Marx發生器源的輸出端和地之間，再通過主開關與負載天線相連。Marx發生器源由多只高壓電容器組成，并聯充電。通過控制Marx發生器源開關串聯放電導通，電壓倍增來獲得更高的脈沖電壓，向削尖電容器充電。削尖電容器是一個比主電容小得多的電容器。當削尖電容器上的電壓最大時，主開關接通。削尖電容器上的電荷形成電流沿雙錐表面傳播，同時向外輻射能量，形成脈沖前沿。脈沖源電路與天線阻抗(天線接地匹配)形成脈沖波形的后沿。圖6所示為模擬試驗系統等效電路。

圖6中CM為Marx發生器電容；LM為Marx發生器電感；SM為Marx發生器開關；CP為銳化電容；S為主開關；R為天線阻抗。

天線為雙錐-籠型天線，雙錐的半錐角度為30°，籠型天線直徑為3 m，架高12 m，總長200 m。天線末端采用阻抗匹配接地。當雙錐天線的半錐角為θ時，雙錐天線的阻抗為

(5)

因此雙錐天線阻抗為158 Ω，接地負載阻抗為158 Ω。

雙錐天線上的電壓差為U，雙錐天線的阻抗為Z，場強所測點到雙錐頂點的距離為R，場平行與天線方向的水平分量峰值為

(6)

如果要達到10 kV/m的水平極化的入射波，要求天線上最大的激勵電壓至少要達到800 kV。考慮地面效應，從理論上分析該點實際場強為最大峰值80%左右。因此在該點要達到10 kV/m的水平極化場，在天線上的激勵電壓至少為1 000 kV。考慮到一定的余量，按1 200 kV設計Marx發生器。若電容器耐壓為100 kV，Marx 發生器由12只電容器和12只高壓火花隙開關及大功率高壓電阻組成。

根據上升時間約為10 ns的要求，電路等效總電感約為687 nH。取Marx源每只電感量約為30 nH，電容量為0.017 5 uF，串聯起來總電容為1 450 pF。銳化電容遠小于Marx發生器電容，銳化電容的電容量應在100～200 pF之間。經計算優化，得到銳化電容為158 pF。9組銳化電容器成傘形并聯構成銳化電容。該結構可以有效減少總電感，同時便于安裝天線。每組電容器由25個直流耐壓40kV的440 pF陶瓷介質電容器串聯組成。串聯后的每組電容為17.6 pF，總電感約為1 μH。每組電容器裝于充有六氟化硫絕緣材料的細桶內。

主開關也是銳化電路的關鍵部件之一，對于脈沖波形前沿的快慢也起著重要作用。它的性能好壞對于模擬試驗系統的技術指標有著直接的影響。當主開關處于最大工作電壓1 200 kV時，若工作氣壓采用0.1 MPa，則兩放電電極間距需在15 cm左右。這樣很難保證開關在10 ns以內完全導通時間。根據擊穿電壓與電極間距和工作氣壓的乘積成正比的關系，在同一擊穿電壓條件下，通過加大電極間氣壓，可以極大縮短電極間距。通過試驗測試，主開關電極間距為85 mm。主開關采用有機玻璃筒作為密封殼體，設計工作氣壓0.3 Mpa。殼體內介質為氮氣并混合10%～20%的六氟化硫氣體。這樣既可以減輕重量，又可以提高開關的導通電壓。

2.2 電磁脈沖場環境測試

在系統各部分加工完畢后，根據實際情況，對電路參數進行調試。選擇正對模擬試驗系統高壓脈沖源主開關的試驗場區中軸線上，距開關地面投影點20 m、距地面高4 m處為測量點。實際測量波形，如圖7所示。對測量數據進行判讀后，并進行模擬試驗系統場分布測量后，模擬試驗系統參數場環境指標確定為：

整體電場波形呈雙指數脈沖形狀，上升沿(平均值)小于10 ns，半高寬(平均值)約為30 ns，距離天線水平距離20 m處電場強度峰值(平均值)大于15 kV/m。

3 結束語

垂直極化有界波模擬試驗系統和水平極化輻射波模擬試驗系統是電磁脈沖模擬試驗系統試驗中常用的2種模擬試驗系統。本文對這2種電磁脈沖模擬試驗系統的工作原理、實現及其場環境進行了闡述與分析。垂直極化有界波模擬試驗系統采用中儲方案，水平極化輻射波模擬試驗系統采用削尖方案，可實現大區域內、較快脈沖前沿、威脅級電磁脈沖環境，可用于系統級電磁脈沖效應模擬試驗與驗證評估。

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