10m电磁脉冲有界波模拟系统有界波模拟器设计方法

10m电磁脉冲有界波模拟系统有界波模拟器设计方法

马通边

中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原，030006

摘要：10m电磁脉冲有界波模拟系统中的有界波模拟器，作为关键组成部分，其设计的合理性和有效性直接决定模拟结果的准确性和可靠性。有界波模拟器能够在特定的空间范围内产生可控的电磁脉冲，为研究人员提供接近实际应用场景的电磁环境，以便对各类电子设备和系统进行测试和分析。基于此，本文将针对10m电磁脉冲有界波模拟器进行设计，旨在为相关人员提供参考帮助。

关键词：10m电磁脉冲；有界波模拟系统；有界波模拟器；设计方法

引言：在高度信息化时代，电磁环境复杂且重要，电磁脉冲在军事、通信、航空航天等领域影响重大，可靠的电磁脉冲模拟系统不可或缺。10m电磁脉冲有界波模拟系统中的有界波模拟器至关重要，其设计决定模拟结果准确性。科技进步使对电磁脉冲模拟系统要求提高，需特定参数且考虑多方面因素。深入研究其设计方法具理论与实际价值，可提升性能，为相关领域提供支持，推动技术发展，保障关键设施安全运行。

一、设计原理

构建模拟系统等效电路模型，若采用电容放电电路，经理论计算与实际测试确定适宜电容值，初始选较小电容值，输出脉冲持续时间短，不满足模拟需求。遂逐步增大电容值，观察输出波形变化。电容值增加至一定程度，输出脉冲持续时间明显延长，但可能致脉冲上升时间变缓，此时需调整电阻值以优化上升时间。通过尝试不同电阻值组合，寻既能满足脉冲持续时间要求，确保上升时间较快的电阻值，电感量在电路中作用显著，电感值过大易引起脉冲振荡，影响波形稳定性。故实际设计中需精确计算电感量，尽量减小其对输出波形的不良影响。场传输装置选用有界波辐射线，设计有界波辐射线时，考虑其几何形状与尺寸对传输效率和场均匀性的影响，可采用矩形截面有界波辐射线，调整其长、宽、高以优化场分布。为提高传输效率，在辐射线内部采用特殊绝缘材料，减少能量损耗。结合Marx发生器作为电磁脉冲源，依据等效电路计算出的参数，设计Marx发生器级数、电容和电阻值，确保其稳定输出高电压脉冲。实际制作中严格控制各部件加工精度与装配质量，以保证系统性能稳定。通过对有界波辐射线和Marx发生器的优化设计，使研制的10m电磁脉冲有界波模拟系统能产生上升时间和半波宽度严格符合标准的双指数脉冲电场波形，为高空核爆电磁脉冲场模拟提供可靠实验

平台[1]。

二、Marx发生器设计

10m电磁脉冲有界波模拟系统的Marx发生器，能够稳定输出满足特定要求的高电压脉冲，为有界波模拟器提供可靠的电磁脉冲源，如要求输出电压达到500kV，脉冲宽度在100ns左右，上升时间小于10ns。Marx发生器是一种利用电容并联充电、串联放电的高电压脉冲发生器。通过依次触发多个火花间隙开关，使充电后的电容器组依次串联放电，从而在输出端产生高电压脉冲。

假设单个电容器的耐压值为50kV，根据所需输出电压500kV，则需要的级数为：。

若要求输出脉冲的能量为10kJ，根据能量公式（E为能量，C为电容值，U为电压），可计算出电容值。已知输出电压为500kV，代入可得：，解得。

充电电阻通常在几十千欧到几百千欧之间，假设选择充电电阻为100kΩ，放电电阻的大小影响放电时间，若希望放电时间在100ns左右，通过实验和计算，可选择放电电阻为10Ω。

由于Marx发生器输出高电压，选择高性能的绝缘材料，如聚四氟乙烯、陶瓷等，确保在高电压下能够安全可靠地工作，绝缘强度达到10kV/mm以上。

三、平行线式辐射天线

导波式电磁脉冲模拟器在电磁脉冲研究中起着重要作用，其典型结构包含脉

冲源、前过渡段、平行段、后过渡段及终端负载等部分。

脉冲源通常几何尺寸较小，与工作空间相比差距明显，为确保脉冲源激励的电磁波能够顺利、低损耗地传输至工作空间，前过渡段必不可少。此过渡段需保证从其到工作空间的阻抗保持不变，以实现高效的电磁波传输。同时，后过渡段的引入则是为消除终端反射并适应终端负载的几何尺寸，在整个系统中，前过渡段的电磁波主要以球面波形式传播。为使工作空间中的波更接近平面波，前过渡段长度与工作空间高度之比需不小于2，要求有助于提升模拟的准确性和可靠性，使模拟器能够更好地为电磁脉冲相关研究和测试提供接近实际的电磁环境[2]。若以大地作为导电平面，导波式电磁脉冲模拟器的另一种常见形式如图3所示：

图1：以大地作为导电平面的导波式电磁脉冲模拟器的典型结构

四、终端负载

在典型的导波式电磁脉冲模拟器结构中，前后过渡段与平行板段连接处的不连续性会带来诸多问题，不连续点会引发波的反射，进而对工作空间的场波形产生重大影响。其原因在于双导体传输线系统支持非TEM模式电磁波的传播，尤其是锥形前过渡段与平行板段连接处会产生非TEM分量，极大地影响工作区域场波形的上升时间和场均匀性。为有效改善上述状况，一种分布式负载的模拟器应运而生，该模拟器的末端匹配负载采用分布式结构，具有独特的优势。由于匹配负载不需要考虑高频成分的吸收问题，高频部分能够从分布式负载的间隔中透射出去，而分布式负载则主要吸收低频部分，此类设计方式有效地减少不连续点处的波反射，提升工作区域场波形的质量，使得上升时间更加稳定，场均匀性也得到显著提高，

为电磁脉冲的模拟和研究提供更为可靠的实验平台。

结束语：总而言之，通过深入研究与设计10m电磁脉冲有界波模拟系统有界波模拟器，探索出可行方法，为高空核爆模拟提供平台。该设计助力电磁脉冲领域研究，推动我国相关技术发展，未来将继续改进完善，适应多样需求，保障关键设施安全运行。

参考文献：

[1]金晗冰,寇科男,戴弃君,李昆,刘冬,高昕,贾文静.水平极化有界波电磁脉冲模拟器仿真与实验研究[J].强激光与粒子束,2022,34(12):82-88.

[2]朱湘琴,吴伟,谢霖燊．大尺寸Split型垂直极化有界波EMP模拟器场的特性分析[J]．现代应用物理,2023,14(1):124-138.