电阻阵列加载单锥TEM室研究

蒋廷勇, 王晓嘉, 周 恒, 张守龙

(西北核技术研究院,陕西 西安 710069)

1 引 言

强电磁脉冲环境效应是目前国内外武器装备环境适应性考核研究的重要组成部分,传统意义上的强电磁脉冲环境主要包括雷电、核电磁脉冲(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)、超宽谱脉冲以及窄带高功率微波等[1],特点是功率高、频谱宽,产生的脉冲场通常从百V/m到数万V/m,具有ns甚至百ps级前沿,频谱范围从DC到数GHz。开展电磁环境效应研究通常需要对测量系统时域和频域特性进行全面标定,以实现对电磁脉冲辐射参数和耦合参数的准确测量,从而为系统性能评估、指标检验和效应分析等提供科学依据。

参考IEEE 1309(2015)[2]和GJB 8218-2014,针对核电磁脉冲、超宽谱高功率微波脉冲和窄谱高功率微波脉冲测量系统标定,其分别推荐了以TEM小室、GTEM室和单锥TEM室等多种方法以实现系统灵敏度、响应时间、带宽和波形保真度等时域参数标定。

近年来,美国国家标准与技术研究院(NIST)、俄罗斯全俄光学物理与测量研究所(VNFFOI)、韩国国家标准科学研究院(KRISS)等分别基于单锥TEM室研制脉冲电场校准装置用于传感器/探头校准[3～5]。在国内,中国计量科学研究院联合北京交通大学、清华大学等单位均先后开展了基于单锥TEM室的脉冲电场校准装置研制[6～9]。西北核技术研究院自2008年启动了单锥TEM室相关研究工作后,在2012年建立我国首个母线长1.5 m单锥TEM室,并完成与俄罗斯VNFFOI实验室国家基准装置比对工作[10,11],验证了基于单锥TEM室的短电磁脉冲标准场一致性。从已发表文献分析和实际比对结果来看,国内研制的单锥TEM室的响应时间、时间窗和电场一致性等核心指标与国外同类型装置基本保持在相同水平。

与其它传统TEM小室、GTEM室等脉冲电场产生装置相比,基于单锥TEM室的短电磁脉冲电场产生装置主要优势在于：一是内部电场分布在时间窗范围内有严格解析解,对应内部电场参数不确定度小；二是具备优异性能参数,时域上其响应时间达数十ps,工作频带最高可覆盖至数GHz[12,13],且电场均匀性好,优于TEM小室和GTEM室等传统脉冲电场产生装置。单锥TEM室最大短板在于时间窗限制其在更大范围用于宽脉冲电场产生及校准应用。因此,拓展现有单锥TEM室应用的核心在于如何解决锥体有限长度导致的时间窗问题。

本文以母线长1.5 m单锥为对象,基于TEM室末端阻抗匹配加载的解决思路,提出了以电阻阵列吸收锥体末端低频反射、拓展单锥TEM室时间窗方法,成功研制了基于电阻加载的单锥TEM室脉冲电场产生装置,突破了传统有限长单锥TEM时间窗限制,并将其成功应用于测量系统的脉冲电场波形和灵敏度校准。

2 单锥TEM室电阻加载研究

2.1 未加载单锥TEM室时间窗

典型单锥TEM室主要由金属锥体、镜面板、馈电结构和辅助支撑结构等构成,其内部电磁场分布基于无限长双锥传输线理论推导得出。脉冲源产生激励信号后,通过传输线及馈电结构馈入至由锥体和镜面板构成的TEM室内,并在内部P点形成参数已知电场波形,根据文献[2]该电场表达式如下：

(1)

式中：c为光速；L为母线长度；V0(t)为单锥馈电点处的脉冲源输出电压；r和θ为观测点坐标；θh为单锥的半锥角。

可以看出,未加载单锥TEM室最大可提供2倍母线电长度L的时间窗,在该时间窗范围内单锥TEM室波形和场强精确可知。一旦超过该时间窗范围时,由于TEM室末端反射叠加至原有激励脉冲上,造成TEM室内电场波形畸变,从而影响了原有脉冲电场参数校准。

图1给出了本实验室已建成的1.5 m母线长单锥TEM室,特征阻抗50 Ω,最大时间窗为10 ns、馈电结构为SMA接头,响应时间优于80 ps。

图1 单锥TEM室标准场产生装置Fig.1 Standard facility based on monocone TEM cell

图2 未加载前单锥TEM室激励波形和测量波形比较Fig.2 Waveform comparison between the excited pulse and measured pulse in the unloaded monocone

图2给出了某脉冲电场测量系统在单锥TEM室内P点(r=0.8 m,θ=90°)对双极性高斯激励脉冲时校准结果,根据单锥TEM室时间窗计算公式,P点对应时间窗为5 ns。其中,激励脉冲信号峰值电压200 V、上升时间0.5 ns、峰峰值时间差2.0 ns；脉冲电场测量系统以单极子作为接收天线,通过集成高速运放电路和电光转换器件,实现3 dB工作带宽覆盖10 kHz～1.4 GHz范围,理论分析表明该测量系统可完全响应激励脉冲。从实际波形比对结果来看,在时间窗范围内,测量波形与激励波形基本吻合。超出时间窗范围外时,可见明显末端反射波形叠加,造成系统输出波形与激励波形不一致。

2.2 电阻阵列用于单锥TEM室加载

可以看出,在时间窗范围内时,单锥TEM室提供了准确可靠的脉冲电场用于脉冲电场测量系统校准。但时间窗问题的存在也极大限制了单锥TEM室用于更宽范围脉冲电场全波形保真性能和灵敏度等参数校准。从造成单锥TEM室时间窗问题的根本原因分析来看,末端低频反射是主因。解决单锥TEM室低频反射有效方法之一是进行电阻阵列加载[14],即把电阻阵列作为匹配负载加载于末端吸收激励信号低频部分,同时电阻阵之间的稀疏间隔又能使激励信号中高频部分被有效辐射出去。

图3 电阻加载后单锥TEM室Fig.3 The resistively loaded monocone TEM cell

为验证电阻加载用于单锥TEM室的技术可行性,图3给出了自研基于等相位面电阻阵列加载单锥TEM室原理型装置,装置镜面板采用半径1.5 m金属板,锥体由0.4 m实心锥和128根长1.1 m金属拉线构成,外部支撑结构为木质材料。电阻加载阵列采用8排400 Ω电阻沿镜面板均匀并联按照,每排电阻由7个57 Ω无感电阻均匀串联而成。

图4 加载前后单锥TEM室S11参数测试结果比较Fig.4 The measured S11comparison of monocone before and after loading

图4给出了电阻阵列加载前后TEM室馈电端口S11实测结果。可以看出,未加载时单锥TEM室低频部分S11参数接近于0 dB,说明受限于单锥有限长度,低频部分无法被有效辐射并反射回激励端口。采用等相位面加载后馈电端口S11系数在DC～1 GHz频率范围内,由加载前0 dB降低至-17 dB以下,说明TEM室低频末端反射得到有效抑制。

同样的,同心锥形横电磁波传输室也采用吸波材料进行末端加载,从而可在数十MHz至数十GHz范围内获得性能较好的标准电场用于探头校准[15,16]。但受加载材料所限,与本文提出的电阻加载单锥TEM室相比,其工作频率下限没有延伸至DC附近,因而限制其在脉冲电场校准领域的应用。

3 加载单锥TEM室指标验证

3.1 双极性脉冲电场校准应用

为检验加载后单锥TEM室性能参数,采用与上节相同的双极性脉冲源和测量系统,并在测点P处测量了系统输出波形,具体如图2所示。

可以看出,一方面在P点对应的5 ns时间窗范围内,激励波形和测量系统输出波形基本一致,说明加载电阻阵列本身没有改变单锥TEM室内原有电场分布；另一方面在时间窗范围外,测量系统输出波形与激励波形也同样基本吻合,说明TEM室末端低频反射被加载电阻阵列有效吸收,没有反射回测点而导致TEM室内部激励电场波形的畸变。

3.2 双指数脉冲电场校准初步应用

为进一步验证加载后单锥TEM室用于产生宽脉冲标准场技术可行性,项目组将双极性脉冲源换成双指数脉冲源(模拟高空核电磁脉冲信号),并在相同测点P对加载前后测量系统输出波形进行了比对分析。其中,双指数脉冲源输出核电磁脉冲信号上升沿2.5 ns、半高宽23 ns、峰值电压5 kV。

图5 加载后NEMP电场校准波形比对Fig.5 Waveform comparison for NEMP E-field calibration after loading

图5给出了在P点测量得到的加载前后输出波形与激励波形的比对。可以看出,未加载情况下,单锥TEM室激励信号半高宽远大于时间窗,因此末端反射波形在t1=5 ns时间点叠加至P点,导致该点电场波形明显与激励波形偏离；电阻加载后,单锥TEM室在P点处测量系统输出波形与激励波形在时间窗内外基本保持一致,说明单锥TEM室通过加载电阻阵列有效消除了末端低频反射。

3.3 双指数脉冲电场校准结果讨论分析

对图5测试比对结果的进一步分析还表明,一方面在未加载情况下,从TEM室内P点电场波形畸变来看,采用双指数脉冲源激励时TEM室末端反射影响远大于双极性脉冲,这是由于末端反射主要来自于低频部分,而双指数脉冲源低频成分远大于双指数脉冲源,因此对P点电场畸变影响也相应变大,这也说明将TEM室拓展至宽脉冲电场应用时采用电阻阵列加载的必要性；另一方面在加载情况下,t2=9 ns时间点处测量系统输出波形与激励波形存在微小偏离,通过对该点的时间窗分析来看,首先排除TEM室末端反射影响,根据木质支撑结构与TEM室末端最近距离为0.6 m,对应来回波程时间差为 4 ns,判断该反射主要由外界木质支撑结构引入,因此在后续电阻加载单锥TEM室改进研制过程中,需要优化支撑结构以降低其散射影响。

4 小 结

本文提出了一种单锥TEM室电阻阵列加载方法。实测结果表明,加载后单锥TEM室端口S11系数在DC～1 GHz范围内由原有0 dB降低至-17 dB以下,且在双极性脉冲与双指数脉冲激励下TEM室内测量系统输出波形与激励波形吻合良好,表明单锥TEM室通过末端电阻阵列加载不仅突破了低频反射导致的时间窗限制,实现了时域全范围波形和灵敏度参数校准,同时还保持了原有TEM室电场不确定小、响应时间快和工作频带宽等特性,可为后续快响应、宽频带等多类型脉冲电场测量系统性能准确标定提供了可靠手段。

不仅如此,参考无限长单锥TEM室内部电场理论表达式,单锥TEM室端口激励电压不仅限于时域脉冲,对连续波信号也同样适用。说明在消除末端反射、解决时间窗问题后,电阻加载单锥TEM室也能用于产生频域标准电场并用于天线增益等参数校准,从而将现有加载单锥TEM室应用领域拓展至频域,这为后续在加载单锥TEM室内实现系统时频域联合一体化校准奠定了理论基础。