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大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计

周开明 李铮迪 邓建红

周开明, 李铮迪, 邓建红. 大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
引用本文: 周开明, 李铮迪, 邓建红. 大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
Zhou Kaiming, Li Zhengdi, Deng Jianhong. Design of a high-precision and widely tunable bounded-wave electromagnetic pulse simulator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
Citation: Zhou Kaiming, Li Zhengdi, Deng Jianhong. Design of a high-precision and widely tunable bounded-wave electromagnetic pulse simulator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373

大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
基金项目: 国防科工局项目;中物院复杂电磁环境科学与技术重点实验室项目;抗辐射加固办公室项目
详细信息
    作者简介:

    周开明(1967—),从事强电磁脉冲模拟、试验、效应测试等研究工作;zhkm50121@126.com

  • 中图分类号: TM832

Design of a high-precision and widely tunable bounded-wave electromagnetic pulse simulator

  • 摘要: 介绍了一种精细化、连续可调的中型有界波电磁脉冲模拟器,该模拟器配置了前沿快、结构紧凑、脉冲电压调节范围宽、自动化程度高的新型高压脉冲源,实现了全系统的计算机光纤控制,解决了控制系统抗干扰问题,提升了源的模拟能力和设备的应用范围。模拟器的具体指标为:脉冲前沿约2.5 ns,半高宽约23 ns,工作空间4 m×4 m×5.8 m,输出电场强度在0.2~60 kV/m范围内连续可调。
  • 图  1  高压脉冲源锐化结构等效电路

    Figure  1.  Equivalent circuits for steepening pulse edge of pulse generator

    图  2  高压脉冲源总体设计框图

    Figure  2.  Circuit schematics of the pulse generator

    图  3  储能电容器布局

    Figure  3.  Layout of energy storage capacitors

    图  4  电磁脉冲模拟器示意图

    Figure  4.  Sketch map for the electromagnetic pulse simulator

    图  5  分布式负载设计示意图

    Figure  5.  Sketch map for the design of distributed load

    图  6  高压脉冲源实物图

    Figure  6.  A photo of the high voltage generator

    图  7  模拟器电场输出波形(横轴为时间,50 ns/diV;纵轴为输出电压)

    Figure  7.  Output waveform of the electromagnetic pulse simulator

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-23
  • 修回日期:  2019-12-05
  • 网络出版日期:  2020-06-03
  • 刊出日期:  2020-05-12

大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
    基金项目:  国防科工局项目;中物院复杂电磁环境科学与技术重点实验室项目;抗辐射加固办公室项目
    作者简介:

    周开明(1967—),从事强电磁脉冲模拟、试验、效应测试等研究工作;zhkm50121@126.com

  • 中图分类号: TM832

摘要: 介绍了一种精细化、连续可调的中型有界波电磁脉冲模拟器,该模拟器配置了前沿快、结构紧凑、脉冲电压调节范围宽、自动化程度高的新型高压脉冲源,实现了全系统的计算机光纤控制,解决了控制系统抗干扰问题,提升了源的模拟能力和设备的应用范围。模拟器的具体指标为:脉冲前沿约2.5 ns,半高宽约23 ns,工作空间4 m×4 m×5.8 m,输出电场强度在0.2~60 kV/m范围内连续可调。

English Abstract

周开明, 李铮迪, 邓建红. 大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
引用本文: 周开明, 李铮迪, 邓建红. 大动态高精度有界波电磁脉冲模拟器设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
Zhou Kaiming, Li Zhengdi, Deng Jianhong. Design of a high-precision and widely tunable bounded-wave electromagnetic pulse simulator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
Citation: Zhou Kaiming, Li Zhengdi, Deng Jianhong. Design of a high-precision and widely tunable bounded-wave electromagnetic pulse simulator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063004. doi: 10.11884/HPLPB202032.190373
  • 高空核电磁脉冲(HEMP)效应试验是将受试对象置于HEMP环境下,研究其效应规律,评价其在HEMP环境下的作战效能与生存能力的一种试验[1-2],通常在人为模拟的辐射环境下进行。目前,国内常见的HEMP模拟器有辐射波模拟器和有界波模拟器,由高压脉冲源、传输线和终端负载等几部分组成。辐射波模拟器对高压脉冲源输出脉冲电压的动态范围和精细度要求相对较低,试验所需电场大小既可通过改变脉冲源输出电压,也可通过改变受试产品与辐射天线的距离来实现;而有界波模拟器两平行传输线高度往往固定不变,场强大小只能由高压脉冲源输出电压决定。因此,有界波模拟器对脉冲源的调节范围和精度有较高要求。

    目前,国内外大、中型HEMP模拟器使用的高压脉冲源基本上都采用Marx发生器原理设计[3]。常用升压变压器将工频市电升压、整流,产生几十kV的直流高压,以并联方式为多组电容器充电,在充电至预设电压值时,再以串联回路击穿放电,实现电压的瞬时叠加,输出更高的倍压脉冲电压。为了实现脉冲源信号前沿的快速输出(前沿小于2.5 ns),还必须采用锐化电容和锐化开关对信号前沿做进一步陡化处理。

    基于Marx发生器原理设计的高压脉冲源最大优点是输出电压高,能产生几百kV至几MV的高压脉冲。一般来说,电磁脉冲模拟器需配备200 kV或以上的高压脉冲源时,都采用该类方法进行设计。但由于Marx体制的多个气体开关导通的一致性较差,输出波形离散性较大、稳定性欠佳,要获取所需波形,须反复调节Marx开关气压,并配合调节锐化开关气压和极间间距,使锐化电容充电达到输出电压的90%以上,锐化开关方能导通,才会输出较理想、符合要求的双指数波形。因此,每改变一次模拟器输出场值,都要对Marx开关和锐化开关间距、气压进行反复调试和验炮,工作量大。另外,Marx体制高压源开关结构固定,电极间距不可调节,输出电压大小只能通过调节开关气压实现,导致脉冲源输出电压范围小(一般情况下,最大输出值只有最小输出值的2.5倍左右)。对有界波模拟器而言,输出电场大小只能靠调节脉冲源输出范围,基于单台Marx体制脉冲源很难实现模拟器电场强度的大动态调节(如:1~50 kV/m宽范围电场连续调节),除非电磁脉冲模拟器配备多个不同输出电压的脉冲源。

    20世纪末,高压电容充电技术得到了迅速发展,特别是谐振软开关技术的应用,为研制高效率、小型化的线性高压脉冲源提供了技术支持。这种线性高压脉冲源,是基于市电整流、变频、脉冲变压器升压、电子倍压器升压,二次整流形成直流高压为电容器组充电,利用油浸绝缘机械式短路开关放电,实现瞬态高压脉冲输出。采用这种技术,能实现输出脉冲电压大动态、精细可调。但这种脉冲源输出电压低,只适用于构建小型有界波模拟器(传输线净空高小于1.5 m),实现1~60 kV/m范围内连续可调。

    基于油浸绝缘机械式开关设计的高压脉冲源,由于放电开关处在绝缘油中,产生的电火花会使绝缘油高温碳化、焦糊,导致油的耐压能力下降。输出电压越高,油质变差速度越快,严重时可能造成局部油温过高,引起绝缘油燃烧。因此这种脉冲源输出电压不能太高(一般小于100 kV),并且还需经常更换绝缘油。此外,这种脉冲源的电子倍压器输出是直流高压,对绝缘介质要求高(绝缘油对瞬态脉冲高压的耐受程度比直流高压高数倍),设计时需预留更大的安全余量,为源的小型化设计带来困难[3]。针对以上两种脉冲源的不足,本文设计了一款新型的高压脉冲源,该脉冲源利用了现代电力电子技术、开关技术、计算机控制技术、网络控制技术,具有一体化程度高、自动控制能力强、电压调节范围宽的优点。可用于净空高度达4~5 m的中型有界波模拟器建设,实现输出电场强度连续大动态调节。

    • HEMP模拟器由高压脉冲源、传输线、终端负载和控制系统几部分组成。高压脉冲源是电磁脉冲模拟器的核心部分,主要为电磁脉冲模拟器提供一个符合HEMP特征的高电压激励源。它采用锐化结构设计,其等效模型如图1所示。图中:CM为储能电容;LM为储能电容电感;RM为储能电容电阻;Ctr为锐化电容;Ltr为锐化电感;K为主开关;R为负载电阻。

      图  1  高压脉冲源锐化结构等效电路

      Figure 1.  Equivalent circuits for steepening pulse edge of pulse generator

      新型高压脉冲源由直流高压发生器、储能电容、锐化电容与主开关组成。锐化电容量远小于储能电容量,输出前沿和宽度由电路中的总电容和总电感决定。平行板传输线是形成空间电磁场的装置,它的大小决定试验工作区的范围。分布式负载主要吸收传输线末端能量,防止终端反射,影响场波形。

    • 将单相220 V、50 Hz交流市电,经整流滤波成约310 V直流电压,再经IGBT模块变频为30 kHz脉动交流,由高频变压器升压至20 kV脉动高压,分两组8倍压器第一次升压,整流形成正、负电压在0.4~150 kV范围内可调的直流高压,分别为两组储能电容和锐化电容充电,通过磁控机械步进式SF6绝缘气体开关放电,二次再倍压输出0.8~300 kV可调的瞬态脉冲高压[4-5]。脉冲电源开关、高压调节、反馈控制(线性直流稳压源电压反馈、高压反馈、电流反馈电路)及保护电路均由计算机通过光纤控制。高压脉冲电源总体设计框图见图2所示。

      图  2  高压脉冲源总体设计框图

      Figure 2.  Circuit schematics of the pulse generator

    • 幅度可调变频高压交流电路由将二相交流整流电路、高频逆变电路、谐振电路、高压脉冲变压器和控制电路组成。可将工频交流电经初级二相整流电路实现AC-DC转换,变成电压为310 V直流电,再经高频谐振逆变器和谐振电路实现DC-AC转换,输出高频交流至脉冲变压器[3],经脉冲变压器升压到0.1~20 kV高频高压交流电,电压调节精度控制在0.5%以内。

    • 小型化、耐高压倍压电路由高频高压整流二极管及高压陶瓷电容构成。倍压电路的参数设计直接影响电源的输出质量。其中,电压纹波是电源的重要指标,电压纹波是倍压整流输出电压中波动电压的峰值。倍压电路电压纹波的计算公式为[6]

      $$\Delta {U_{\rm{o}}} ={{{I_{\rm{o}}}(n + 1)n} / {2fC}}$$ (1)

      式中:${I_{\rm{o}}}$为输出电流;$\Delta {U_{\rm{o}}}$为输出纹波电压;f是电源频率;n是阶数,通常每两倍压为l阶;C为电容值。

      0.4 ~150 kV倍压电路由高压硅堆、高压电容组成的8倍压电路,分为两组(一组产生0.4 ~150 kV直流高压,另一组产生−0.4 ~−150 kV直流高压)。

    • 设计小型化磁控机械步进式移动型触发SF6气体开关时,为防止变压器油、SF6气体以及开关沿面击穿,选取电极直径和极间距离要合理。通过理论计算,我们选取了内径为24 mm、外径为60 mm、长度为70 mm的铝筒作为阳极;触发活动极从阳极筒中心穿过,用来调节阴-阳极间的放电距离;阴极由ϕ60 mm的圆盘构成,圆盘结构可减小阴阳极之间的电场畸变,增强开关耐压能力,阴极圆盘厚度10 mm。由于脉冲源输出信号波形前沿要求控制在1~2 ns,通过指标分配,开关电感量必须控制在120 nH以下,开关电极设计为圆柱状,可用甚高频短导线自感公式估算开关电感[7]

      $${L_1} =\dfrac{{{\mu _0}l}}{{2{\text{π}} }}\left( {\ln \frac{{2l}}{r} - 1 + \frac{4}{{\text{π}}}\frac{r}{l} - \frac{{{r^2}}}{{2{l^2}}}} \right)$$ (2)

      式中:${L_1}$为金属阴−阳极的自感,$r$为金属电极外直径,$l$为金属阴极圆盘厚度和阳极筒长度的总和。选取的半径$r$=60 mm、等效金属阴−阳极长度$l$=80 mm,采用甚高频短导线自感公式计算可得金属电极的自感${L_1} =39.3$ nH。

      开关间隙电感值可用线导线电感公式计算,火花间隙最大距离d为50 mm,可取细导线长度为50 mm,细导线每厘米长度电感约为14 nH,可算出开关气体间隙电感${L_2} =0.014 \times d =70$ nH。

      锐化电容与开关连接片为板状结构,利用扁导线的电感计算公式估算连接板电感${L_3}$[8]

      $${L_3} =2b\left[ {\ln \frac{{2b}}{{A + H}} + \frac{1}{2} + 0.223\left( {\frac{{A + H}}{b}} \right)} \right]$$ (3)

      式中:bAH分别为扁导线的长度、厚度和宽度,单位为cm;电感单位为nH。已知连接片长53 mm,厚度4 mm,宽度30 mm,则连接板电感${L_3} =18.9$ nH。

      脉冲源放电回路的总电感$L$

      $$L ={L_1} + {L_2} + {L_3} =128.2 \;{\rm{nH}}$$

      脉冲前沿计算公式[9]

      $${\tau _{\rm{r}}} =2.2\frac{L}{R}$$ (4)

      式中:${\tau _{\rm{r}}}$为脉冲上升前沿。已知天线阻抗165 Ω,计算得到脉冲前沿1.71 ns,具有较大设计余量,满足设计前沿要求。

    • 储能电容器分两组,每组由16只440 pF、40 kV陶瓷无感电容串、并联形成电容器组,成板状结构,板状结构能大幅减少分布(电感控制在60 nH以内),储能电容器组内部布局如图3所示。锐化电容采用油浸平行板电容器设计,极板面积为655 cm2,锐化电容值约为36.8 pF。

      图  3  储能电容器布局

      Figure 3.  Layout of energy storage capacitors

    • 设计传输线时,通常只考虑传送横电磁波,即TEM波,为平面结构,它由前过渡段、工作空间和终端过渡段组成。过渡段宽度与传输线的净空高之比应该保持一个常数,从而保证传输线阻抗不变,即[10]

      $$ {{Z}}=120\ln \frac{{4{{h}}}}{{{a}}} $$ (5)

      式中:$h$为传输线净空高,a为传输线宽度。设脉冲源有效输出电压峰值为V,则在工作空间中将形成一个垂直极化横向传播的电磁场,其电场强度

      $$ {{E =}}\frac{{{V}}}{{{h}}} $$ (6)
    • 相对于模拟器工作空间的上下极板辐射天线,脉冲源部分是一个小尺度集总元件,需要有过渡段连接在上下极板之间。工作空间的电场是平面波,但在前过渡段,波阵面是球形的,在工作空间和过渡段的连接处,场会有一个畸变,为保证工作区电场的均匀性,减小前过渡段的锥角(加长前过渡段),使球面波的曲率变小而改善电场波形,因此,在模拟器高度一定的情况下,需根据设计指标计算过渡段长度。前过渡段的长度${L_{{\rm{tr}}}}$要求满足关系式[11]

      $${L_{{\rm{tr}}}} \geqslant \frac{{{h^2}}}{{2c\Delta t}}$$ (7)

      式中:$\Delta t$为模拟器脉冲电场前沿要求指标;c为空气中光速。目前,设计的电磁脉冲模拟器实际宽度为4 m,高度4 m,由式(7)得出,前过渡段长度不小于12 m,前过渡段锥角不大于16.5°。

    • 模拟器工作区的高、宽比不仅决定了辐射天线的特性阻抗,也决定了工作空间电场的均匀度。为了进行效应试验,将模拟器设计为非对称型结构,增加垂直工作空间和电磁波传播方向工作空间,如图4所示,为得到较高的电场均匀性,设计极板间高度$h =5$ m,传输线宽度W1=4 m。模拟器的高宽比确定了特性阻抗,但是由于地面金属板并不能看作为理想的大地平面,因此对于严格的应用场合,地面金属板的宽度W2也对特性阻抗有一定的修正效应,必须加以考虑。模拟器地面金属板宽度展宽至8 m,模拟器的特性阻抗为150 Ω。

      图  4  电磁脉冲模拟器示意图

      Figure 4.  Sketch map for the electromagnetic pulse simulator

    • 模拟器中传播的电磁脉冲是宽带信号,其频谱覆盖范围宽。负载的作用是吸收终端能量,防止反射,因此负载的设计显得尤其关键。采用分布式负载作为后过渡段,如图5所示,它与锥形过渡段集总式负载相比,匹配吸收效果更好,而且分布式负载网络的电阻链之间存在空隙,有利于高频波直接透射出去。

      图  5  分布式负载设计示意图

      Figure 5.  Sketch map for the design of distributed load

      传输线上的TEM模式电流密度Js分布可以通过变换,求解得到[12]

      $${J_{\rm{s}}} \cong \frac{{{J_0}}}{{{\text{π}} \sqrt {1 - {{\left( {{x / a}} \right)}^2}} }}$$ (8)

      式中:a为传输线的宽度W1的二分之一;${J_0}$为传输线上平均电流密度;x为串接电阻等电流分布传输线宽度,方向与a一致。

      利用式(8),把传输线分成若干份,首先计算相同电流时对应的传输线宽度,然后分别将对应的板宽连接相同阻值的电阻链,这样不仅匹配吸收效果好,而且还可以有效防止后过渡段环电流的产生而影响场分布。

      将传输线上的总电流${I_{\rm{t}}}$分为N份(N=2MM为传输线中线一侧所分的份数),每一份有相同的电流,则

      $${I_{\rm{t}}} =\sum\limits_{n =1}^N {{I_n}} $$ (9)
      $${{I}_{n}}={\raise0.7ex\hbox{${{I_{\rm{t}}}}$} \! / \!\lower0.7ex\hbox{$N$}}=\displaystyle\int_{{{x}_{n-1}}}^{{{x}_{n}}}{{{J}_{{\rm{s}}}}\left( x \right){\rm{d}}x={{J}_{0}}\frac{a}{{\text{π}} }\left[ {\rm{arcsin}} \left( \frac{{{x}_{n}}}{a} \right)-{\rm{arcsin}} \left( \frac{{{x}_{n-1}}}{a} \right) \right]} $$ (10)

      式中:${J_{\rm{s}}}$为传输线上的电流密度。

      传输线沿中线两边对称地,各被分为m份,则每一份的对应的坐标满足关系

      $$ \left( {\frac{{{x_m}}}{a}} \right) =\sin \left( {\frac{{{\text{π}}m}}{{2M}}} \right) $$ (11)

      a=2 m,2MN=10,可计算得到各份分别对应的宽度。每一份锥形段连接一条电阻链,每一个电阻链有5个300 Ω的高压无感大功率电阻(每个电阻功率100 W)组成,则10份并联的总电阻为150 Ω,与模拟器特性阻抗相匹配。

    • 自动化控制系统利用远端计算机,通过光纤控制脉冲源参数设置、电源启动、电压升降、开关动作、信号输出等功能,并在运行过程中实现对脉冲源状态监控以及自动保护,提高了设备运行的安全性和试验效率。

    • 有界波模拟器采用新型脉冲源设计中,采用了新型脉冲,并对传输线进行了优化设计,不但实现了电场强度范围的大动态、精细调节,还获得了较理想的双指数波形。图6为高压脉冲源实物图,图7为配置高压脉冲源的模拟器电场输出波形。

      图  6  高压脉冲源实物图

      Figure 6.  A photo of the high voltage generator

      图  7  模拟器电场输出波形(横轴为时间,50 ns/diV;纵轴为输出电压)

      Figure 7.  Output waveform of the electromagnetic pulse simulator

      在脉冲源高压开关设计中,利用电磁感应力与开关活动电极自身重力相互作用,实现了气体开关机械“通-断”受控功能,解决了传统Marx气体开关输出电压动态范围过小和机械油浸式开关输出电压较低的技术问题;高压脉冲源传统储能电容器组通常经地线回路充电,新脉冲源通过地、上传输线实现正、负双回路充电,放电时瞬间二次倍压输出,降低了单组储能电容器组耐压设计要求;在耐压绝缘问题上,考虑到变压器油耐压特性,设计中采用正、负两组电子倍压器分别为两组电容器组充电,输出瞬间迅速将0.4~150 kV电压二次倍压为0.8~300 kV高压输出,这种直流电压的瞬时脉冲化,可大幅度降低脉冲源耐压安全设计裕度,实现脉冲源的进一步小型化;采用电桥软开关变换及电子倍压技术,使充电电压调节精度高、调节幅度宽、工作性能稳定;采用分布式负载,比锥形过渡段集总式负载相有更好的匹配吸收效果,更有利于高频波从分布式负载网络的电阻链空隙直接透射出去;计算机通过光纤控制模拟器运行,既解决了设备强电磁辐射环境下的电磁兼容问题,又实现了模拟器脉冲源的集成、免维护(前端的高压脉冲源部分只有一个220 V交流电源插座和一个光通信接口)。

    • 大动态、高精度有界波模拟器采用了新型高压脉冲源和传输线的优化设计,获得了满足指标要求的辐射环境。新型模拟源的具体指标为:脉冲前沿2.3 ns,半高宽约23 ns,输出脉冲电压在0.8~300 kV之间连续可调。模拟器产生电磁场指标为:脉冲前沿2.5 ns,半高宽约23 ns,电场强度在0.2~60 kV/m之间精确连续可调。该模拟器在实际应用中,收到了良好效果,不但可开展效应物损伤规律研究,还能进行系统的指标考核。同时,该设备在运行、调试及日常维护中会大幅降低工作量,减少试验耗材的消耗。

参考文献 (12)

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