場致絕緣-金屬相變材料的脈沖響應測試方法

趙敏,曲兆明,王慶國,周星,陳亞洲

(陸軍工程大學 電磁環境效應國家級重點實驗室,河北 石家莊 050003)

0 引言

在現代戰爭中,電磁脈沖武器作為一種新型武器,其產生的強電磁脈沖對戰場上的信息化武器裝備具有軟殺傷和硬摧毀的雙重能力。因此,信息化武器裝備的電磁脈沖防護問題已經成為影響戰爭勝負的關鍵因素之一。現有電磁防護材料,比如金屬殼體、電磁防護織物等,是將電磁攻擊信號與被保護的電子設備通過屏蔽的方式隔離開來,進而起到對敏感電子設備的電磁防護效果。而在實際裝備中,預警、火控、通信、數據鏈以及全球定位系統等用頻裝備均存在電子信息的收發過程,此時傳統的被動電磁防護方法會造成用頻裝備由于不能與外界進行信息互通而無法正常工作,因此,如何處理常規條件下用頻裝備電子信息的正常收發與強電磁脈沖攻擊條件下的防護之間的矛盾是當前電磁防護領域急需突破的技術難題。場致絕緣-金屬相變材料具有場致相變效應,可以應用于電磁防護領域,如某些導電納米粒子填充型聚合物復合材料、壓敏金屬氧化物晶體薄膜等,這些材料通過感知外界電磁場的變化,快速調節其電磁性能,在微納秒時間內發生絕緣-金屬相變現象,電導率可以提升10～10數量級,使平時為絕緣體的材料迅速變為高導電的類金屬材料,對外來電磁波產生高反射和屏蔽,將強電磁脈沖能量阻擋在防護殼體之外,從而保護內部的用頻裝備不受干擾和毀傷,在當外部干擾強場消失后,材料恢復至原始狀態。此類材料相比金屬殼體、屏蔽織物等傳統電磁防護材料,具有場致導電和電磁屏蔽特性,可以實現用頻裝備正常工作和強場攻擊下的電磁防護雙重功能,因而成為了當前的研究熱點[4-5]。

目前國內外對場致絕緣-金屬相變材料的研究主要集中在材料的相變機理和制備技術等方面,材料測試一般作為驗證手段,常采用靜態場直流測試的方法。現有材料電磁性能的靜態測試方法主要包括自由空間法、諧振法、同軸傳輸/反射法和四探針法,前兩種方法主要用來測試材料的介電常數和磁導率,同軸傳輸/反射法主要用于材料屏蔽效能的測試,這些方法均是在單一恒定狀態下的測量,無法觀測到此類材料在不同場強下電阻從絕緣到導體動態變化的過程和時間;半導體材料的電阻率測試通常采用四探針法,但由于其測試電壓較低,且只能用于直流激勵下的材料電阻率測試,無法滿足強電磁脈沖激勵下材料的電阻率測試要求。電磁脈沖具有快上升沿、窄脈寬的特性,材料需要在電磁脈沖到達時快速完成相變過程,從而起到保護電子設備的效果,因此相變響應時間是決定材料電磁脈沖防護性能的核心指標。而有關響應時間的測試研究較少,且多集中在二氧化釩兩端器件的相變機理和響應時間研究方面,文獻[25 -26]報道了一種基于硅基片的二氧化釩半導體器件的開關特性,研究了絕緣-導體在低電壓脈沖作用下發生相變的延遲時間和相變后的電阻,但是缺乏理論計算層面上的分析。文獻[27]提出了一種簡單的電阻電容熱電路模型,給出了熱致相變的二氧化釩兩端器件的最小開關時間。文獻[28]提出了一種雙脈沖法,通過調整兩個脈沖之間的時間間隔確定二氧化釩從低阻態到高阻態的恢復時間。文獻[29]對制備的二氧化釩進行了超快太赫茲脈沖場下的相變特性研究,主要利用了太赫茲泵浦800 nm 探針對太赫茲脈沖場進行了測試。上述測試方法均存在一定的局限性,在最能直接判斷材料電磁脈沖防護性能的快沿強電磁脈沖響應測試方面還缺乏深入的研究,限制了此類材料在電磁脈沖防護領域的實際應用。因此,場致絕緣-金屬相變材料的脈沖響應測試方法成為亟待解決的理論課題。

本文提出一種基于微帶線原理的時域脈沖響應測試方法,構建一套強電磁脈沖場環境下的材料相變響應測試系統,建立測試系統的等效電路模型,并從理論上推導出響應脈沖波形的時域函數,最后對制備的場致絕緣-金屬相變材料進行實際測試,確定強電磁脈沖場誘導的相變閾值、相變后電阻以及響應和恢復時間等參數,為場致絕緣-金屬相變材料的測試提供理論方法和技術支撐。

1 微帶線法的原理分析

1.1 測試系統

基于微帶線法的測試裝置,并結合電磁脈沖發生設備和顯示設備,構建了場致絕緣-金屬相變材料的測試系統,如圖1 所示。圖1 中:為兩個銅片邊緣之間的距離;為電場。該系統由日本三基公司生產的INS 4040 型高頻噪聲模擬器、美國安捷倫公司生產的54845A 型測試裝置和示波器組成,其中測試裝置主要包括場形成裝置、微帶線(包括導體帶、背面接地板和襯底)、接地過孔、屏蔽殼體和同軸接頭。高頻噪聲模擬器產生的方波電磁脈沖作為輸入波形注入到測試裝置的輸入端,利用傳輸線匹配理論,綜合考慮微帶線襯底的介電常數、導體帶寬度以及印制電路板(PCB)襯底的厚度等參數,使微帶線的特性阻抗為50 Ω,保證和高頻噪聲模擬器的輸出阻抗以及示波器的輸入阻抗相匹配,且具有小于1 dB 的插入損耗。利用該微帶線為電磁脈沖提供傳輸通道,保證電磁脈沖的無失真傳輸。微帶線設計在PCB 基板中間位置,上下部分留出接地過孔與PCB 底板的地平面相連,將該PCB 電路板放置在屏蔽殼體中,并與之良好搭接,確保高頻噪聲模擬器、測試裝置和示波器共地。在微帶線中間斷開,兩端分別焊接兩個柱形電極,柱形電極直徑與微帶線寬度一致,以保證不影響微帶線的傳輸特性,此時,微帶線中傳輸的電磁波為橫電磁波。在電極上分別固定兩個表面光滑、邊緣磨邊處理且具有一定寬度的銅片作為場形成裝置,通過調節柱形電極和銅片的連接裝置來夾持被測材料,為其提供均勻的電場。當兩個銅片都放置在被測材料上方時,電場方向與被測材料平行,形成水平極化電場,如圖1 所示的微帶線結構及場分布,其產生電場的最大值為注入電壓最大值與兩個銅片邊緣之間距離的比值。輸出端口通過相應的衰減器與高性能的數字示波器連接以實時顯示輸出波形。

圖1 微帶線法材料電磁脈沖響應測試系統圖Fig.1 Test system for electromagnetic pulse response by micro-strip line method

1.2 測試方法

當施加的電磁脈沖場未達到被測材料的相變場強閾值時,被測材料處于絕緣狀態,呈現出較大的阻抗,此時微帶線開路,輸入信號產生全反射致使輸出端無輸出信號顯示;逐漸增大輸入電壓,當電磁脈沖場達到被測材料的相變場強閾值時,被測材料在外界電磁脈沖場的激勵下發生能帶結構的變化,電子間關聯能與費米能級滿足一定條件時,被測材料則會發生絕緣-金屬相變,此時被測材料阻抗急劇變小,微帶線的特性阻抗與被測材料阻抗呈現出串聯關系,整個測試系統處于阻抗失配狀態。基于傳輸線理論,根據輸出波形的特性參數,結合反射系數、輸出電壓的幅值變化以及波形類型等定量分析,得到被測材料的動態脈沖響應特性參數。在理想情況下,一旦被測材料的阻抗發生變化,該測試系統就可以通過輸出波形的類型、電壓幅值等參數得到其電阻率變化以及響應時間。而實際上,受制于測試設備的噪聲等因素的影響,其被測材料阻抗測試范圍需要通過試驗確定。

2 測試系統理論分析及試驗驗證

2.1 等效電路模型的建立

在強場電磁環境下,被測材料的電阻(電阻率或電導率)不再是一個常數,而是一個與外界電磁場大小有關的物理量,根據電流密度與場強之間一般表達式,在強場環境下材料的電阻率會在一定條件下隨著場強的增加迅速減小,使原本絕緣或導電性差的材料變成導電性好的類金屬材料。因此,被測材料可以等效為一個電阻,它會隨著外界場強環境的改變而變化。當極化方向為水平極化時,夾持被測材料的柱形電極等效電容小,可以忽略。因此整個測試裝置可以由一個變化的來等效。結合高頻噪聲模擬發生器和示波器的等效電路,圖2給出了整個測試系統的等效電路模型。

圖2 測試系統的等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of test system

圖2 中:為高頻噪聲模擬器內部的直流充電電源;為其內阻,主要起限流作用,其阻值約為兆歐數量級;為測試裝置的注入電壓;為示波器的內阻;為輸出電壓。圖2 中的連接線纜是特性阻抗為50 Ω 的同軸線,其長度為20 cm,用于與測試裝置的電氣連接。由于高頻噪聲模擬器采用傳輸線原理來產生不同脈沖寬度的方波脈沖,其內部還存在與脈沖寬度相關長度的同軸線。當高頻噪聲模擬器的開關K 閉合時,會產生單個電壓幅值為的方波脈沖。

2.2 理論分析

根據傳輸線反射原理,當被測材料呈現低阻態時,電路處于失配狀態,被測材料電阻和示波器內阻串聯之后作為負載阻抗,即=+,輸入脈沖經過被測材料后會在負載端產生反射脈沖,其反射系數為

式中:為微帶線特性阻抗。

由于和均為50 Ω,負載阻抗始終大于微帶線特性阻抗,即恒為正數。輸入脈沖在負載端產生反射后,會通過同軸線纜返回至高頻噪聲模擬器內部而再次在源端產生反射,其反射系數為

由于的阻抗要遠遠大于,近似為1,即經過源端信號幅值基本不會產生改變,可以不考慮源端的反射,但由于同軸線纜的存在,需要考慮信號的延遲時間。

根據傳輸線理論,當有反射存在時,終端輸出電壓為輸入信號和反射信號的疊加,此時在負載端產生的第1 個輸出電壓為

當由負載阻抗失配導致的反射信號到達源端時,源端的反射系數為1,就會發生全反射。當反射信號再次到達負載端時,于是又出現了第2 個反射信號,第1 個反射信號和第2 個反射信號之間存在延遲時間。它由兩部分構成:一部分是高頻噪聲模擬器內部的同軸線產生的延遲時間,該延遲時間實際上就是輸入信號的脈沖寬度;另一部分是圖2 中的連接線纜所產生的延遲時間,該延遲時間可以通過(4)式計算得到

式中:為輸出同軸線的長度;為電磁波傳播速度,其值為3 ×10m/s;為同軸線內導體的相對介電常數。

因此,經過延遲時間后,可以得到第2 個輸出電壓為

而入門的小學生和初中低年級學生，處境就比較尷尬。從國外引進的童書繪本中，以外研出版社引進的偏文字英語故事書為主，對英語入門級學生而言難度偏高；其他出版社，更多為直接出中文譯作。而承載著認知啟蒙、培養語言興趣使命的入門級英語原版繪本，市面上實在是少之又少（漆秋香，2015），視聽資源更是缺乏。偶爾出現，價格還偏高。正版資源少，盜版也是無源之水。

依次類推,根據(6)式可以得到第個輸出電壓的值,

由于＞0,＞,可以得出輸出電壓的最大值為第1 個輸出電壓幅值,這也是在實際測試中最為關心的電壓參數。最終,給出總的輸出電壓與輸入電壓以及材料等效電阻的時域表達式為

式中:(·)表示階躍函數;為注入方波的脈寬。通過(7)式可以確定輸出波形是由不同延時時間且電壓幅值逐漸遞減的個方波組成。

2.3 試驗驗證

為了驗證該等效電路模型和理論的準確性,在1 Ω～30 kΩ 范圍內選擇了13 個不同阻值的電阻代替被測材料,分為較低阻值、中等阻值和較高阻值3 種等級,開展等效電阻驗證試驗研究,輸入脈沖的電壓設為1 kV,表1 給出了不同阻值下的輸出波形類型、脈沖寬度和前3 個輸出電壓的幅值。

由表1 可以看出,在同樣的示波器設置下,隨著等效電阻的增大,波形由原來方波脈沖逐漸變為雙指數脈沖,脈寬明顯展寬,負載端的反射系數隨之增大,反射次數增多,第1 個輸出電壓幅值逐漸減小。因此,當電阻為1 Ω 時,達到最大值,當電阻為30 kΩ 時,最小。第2 個和第3 個反射電壓的最大值分別出現在50 Ω 和220 Ω,與(5)式和(6)式的計算結果一致。電阻大于1 kΩ 之后,前3 個輸出電壓幅值不再出現明顯變化。因此,隨著反射次數增加和輸出電壓減小,只觀測前3 個輸出電壓不容易看出其變化趨勢。但是通過觀測其輸出波形,可以看出各輸出電壓值呈現遞減的變化趨勢。

表1 等效電阻與波形類型、脈沖寬度和前3 個輸出電壓的關系Tab.1 Relation between R and waveform shape,tw,Vo,1,Vo,2 and Vo,3

圖3 給出了等效電阻在1 Ω～30 kΩ 的輸出波形,圖中輸出電壓值是衰減60 dB 后得到的實測值。由于不同等效電阻反射次數的差異性,導致其輸出波形脈沖寬度差別較大,因此分別由圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分段顯示。由圖3 可以看出,隨著等效電阻的增加,其波形由方波逐漸變為雙指數波形。根據(3)式可知,該電阻值繼續增大還可以觀測到的微小變化,而當示波器底噪與該微小變化相比擬時,輸出電壓波形會被示波器的底噪淹沒,無法觀測到輸出波形的變化。試驗結果表明,當示波器的采樣速率為20 GS/s、注入電壓為1 kV 時,其最大可測電阻約為30 kΩ,最小可測電阻為1 Ω,即當被測材料相變后的電阻為1 Ω～30 kΩ 時,可以根據輸出波形的形狀、幅值和脈沖寬度來得出其電阻的大致范圍。實際上被測材料相變后電阻值過大已經失去了相變的意義,因此該測試范圍完全能夠滿足材料測試需求。

對比(7)式和圖3 的輸出波形可以看出,其輸出波形是由多個逐漸遞減的方波組成的,其方波數量由反射次數決定,該實測結果與理論分析一致。進一步對比表1 中的前3 個輸出電壓值和(6)式得出的理論計算值以及測量誤差,如表2 所示。

圖3 不同等效電阻條件下測試系統的時域輸出波形Fig.3 Time domain output waveform of test system under the condition of different equivalent resistances

表2 前3 個實測輸出電壓的絕對誤差Tab.2 Absolute errors of Vo,1,Vo,2 and Vo,3 measured by test system

在對被測材料進行實際測試時,根據被測材料相變后的輸出波形,可以得到其反射次數,結合讀取的第1 個輸出電壓值,利用(3)式可計算得出其相變后的電阻。但是,前面提到被測材料并不完全等同于一個具有固定阻值的電阻,其只有相變后的導通狀態是一個穩定值。因此,以上理論分析在材料未恢復為絕緣狀態之前是準確的。該方法除了可以反映材料的相變過程,理論上也可以反映材料的恢復過程,此時被測材料電阻是一個變化量,設被測材料在第個輸出電壓值的電阻為R,其反射系數為

此時,第個輸出電壓的值為

式中:為第-1 個輸出電壓時的輸入電壓。當被測材料電阻發生變化時,設第-1 個輸出電壓時的電阻為R,則第個輸出電壓與第-1 個輸出電壓的比值為

當被測材料電阻未發生變化即R=R時,則(10)式可簡化為

此時,為常數;當被測材料電阻發生了從小到大的變化時,即R?R,從(10)式可以看出,急劇減小,此時＜。因此,當被測材料電阻突然增大時,會導致第個輸出電壓與第-1 個輸出電壓相比,急劇減小,此時不再符合相變時的等比例減小的規律。例如相變時被測材料電阻為50 Ω,此時為13,當被測材料從相變狀態恢復至1 MΩ 時,約為5 ×10,該值明顯減小。該值的變化量主要與被測材料相變前后電阻值的突變程度有關。

3 材料性能測試與分析

高頻噪聲模擬器的脈沖寬度選擇為1 μs,脈沖前沿為1 ns,輸出電壓范圍為0～4 kV;示波器帶寬為1.5 GHz,采樣速率為20 GS/s,脈沖衰減器為60 dB。極化方式為水平極化,其兩電極的距離為3 mm。具有場致絕緣-金屬相變特性的二氧化硅修飾銀納米線填充型聚合物基復合材料,如圖4 所示。利用本文提出的脈沖響應測試方法對該被測材料進行實際測試,其相變后的輸出波形如圖5 所示。圖5 中為電壓峰值。

圖4 二氧化硅修飾銀納米線填充型聚合物基復合材料Fig.4 Polymer composites containing SiO2-decorated silver nanowire hybrids

圖5 被測材料相變后的輸出波形Fig.5 Output waveform of the tested material after phase transition

測試過程中,注入電壓從100 V 開始,步進值為100 V,逐漸增大輸出電壓,觀測輸出波形變化。當電壓增大至1 300 V 時,輸出波形由被測材料相變前的0 V 波形輸出變為如圖5 所示的輸出波形,輸出電壓較注入電壓明顯減小,此時可確定發生相變的電壓為1 300 V,對應的電場為433 kV/m。從圖5 中可以看出,注入的方波波形和輸出波形在波形形狀上發生了較大變化,這是因為波形在傳輸過程中由于阻抗失配發生了多次正反射,形成了由多個不同時延、不同電壓幅值方波疊加的波形。其中,第1 個輸出電壓幅值最大,相鄰兩個方波的延時約為注入方波的脈寬加上,由于這里采用的連接線纜較短,為20 cm,根據(4)式可計算出時延為1 ns,而這對于1 μs 的而言,可以忽略不計。兩個方波的時延近似為方波的脈寬,進而形成了多個相同脈寬的方波疊加的輸出波形。因此,無論是在波形的形狀和時延上都與2.2 節的理論分析相吻合。

雖然被測材料等效為電阻,但由于被測材料發生電阻變化需要一定的響應時間,輸出波形初始時刻的暫態狀態可以用來觀測被測材料的響應時間,而讀取其相變后穩定狀態下的電壓輸出幅值可以計算得到其相變后的電阻,如圖5 所示,輸出波形的第1 個輸出電壓波形前沿部分出現了一個過沖,過沖之后波形變為平坦的方波,其平坦部分的電壓就是第1 個輸出電壓。關于響應時間的確定,考慮到文獻[26]中被測材料的類型與本文相同,均為場致相變材料,且響應波形的電壓峰值均小于施加的輸入電壓峰值,這說明當施加的輸入電壓還來不及上升至高頻噪聲模擬器的電壓幅值時,被測材料就已經發生了相變,響應電壓瞬間下降至。因此,參考文獻[26]對被測材料的響應時間定義,即瞬態脈沖電壓上升至電壓峰值10%～90%的時間間隔,如圖5 所示,得到被測材料的響應時間為40 ns。第1 個輸出電壓為218 V,、的電壓值分別為200 V 和170 V,通過(3)式可以計算得出該材料相變后的等效電阻為491 Ω,其相變前的阻抗通過萬用表測得為200 MΩ,其電阻率為4 ×10,通過觀測其后面波形沒有出現變化的趨勢,因此判斷該材料在25 μs 的時間未恢復為絕緣狀態。

4 結論

基于微帶線原理,本文構建了一種寬動態范圍、響應時間快的場致相變電磁脈沖防護材料性能測試系統。建立串聯微帶線法測試系統的等效電路模型,推導出輸出波形和相變后電阻的時域表達式,開展了等效電阻驗證試驗和材料性能的實際測試,從理論和試驗上驗證了測試方法的準確性和可行性,測試結果和理論計算結果較好吻合。得出以下主要結論:

1)配合構建的材料性能測試系統,該測試方法可以測試材料相變后的電阻范圍為1 Ω～30 kΩ;測試系統總誤差主要由輸入電壓值的誤差所決定,在測試范圍內,相變后的電阻值與測試誤差大體上呈現負相關。

2)通過對所制備場致絕緣-金屬相變材料的實際測試,驗證了該測試方法可以用來測試和評估材料相變后的電阻率和響應時間。

3)根據材料相變后的輸出波形,在理論層面上可以確定場致絕緣-金屬相變材料的恢復時間。

基于研制的測試裝置所構建的測試系統以及提出的測試方法,為場致絕緣-金屬相變材料脈沖響應特性的定量評價和新材料設計提供了理論和技術支撐。受限于被測材料的實際性能,未能實測到材料的恢復過程,下一步將提升材料的各項性能指標,以完成此類材料完整參數的實際測試。