电磁脉冲模拟器的性能分析.doc
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1、毕业论文(设计) 题 目 电磁脉冲模拟器的性能分析 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 X 年 X月 X 日目 录0 引言11 电磁脉冲简介11.1电磁脉冲与脉冲功率技术11.1.1脉冲形成原理11.1.2典型的高功率电磁脉冲21.1.3 脉冲功率技术71.2核电磁脉冲模拟器91.2.1核电磁脉冲模拟器类型91.2.2 脉冲源及相关技术101.3 核电磁脉冲模拟器的研究历史与国内外现状141.3.1 国内外早期典型模拟器简介141.3.2 模拟器研究现状及趋势151.4 本文的研究工作162 电磁脉冲模拟基本原理162.1 核电磁脉冲模拟器基本类型172.1.1 有界波模拟器172.1
2、.2 偶极子模拟器182.1.3 静态模拟器182.1.4 混合型模拟器192.1.5 定向辐射模拟器202.1.6 源区电磁脉冲环境的模拟202.2 双指数脉冲形成基本原理212.2.1 电容放电式脉冲源脉冲形成基本原理212.2.2 马克斯发生器及其输出波形陡化技术242.3 气体放电基本理论263 电磁脉冲模拟器的性能分析293.1 脉冲波形主要影响因素分析293.1.1 气体火花间隙开关对波形的影响293.1.2 线路分布参数对脉冲波形的影响303.2 模拟器性能分析323.2.1 脉冲电源负载与脉冲波形的关系323.2.2 传输线(含小室)阻抗失配的影响333.2.3 分压器的影响3
3、44 总结36参考文献36致 谢38ABSTRACT3941电磁脉冲模拟器的性能分析摘要;电磁脉冲具有陡峭的前沿及较窄的宽度,覆盖了较宽的频带,能利用各种耦合途径迫使电子元器件、设备和线路遭受严重的破坏和干扰,故而,电磁脉冲及其工程防护的理论以及技术至今仍是世界各国研究的热点项目之一。论文阐述双指数脉冲形成的基本原理并分析回路分布参数对脉冲波形的影响以及电磁脉冲模拟器性能的分析。关键词: 电磁脉冲模拟器;双指数脉冲;气体放电;影响因素0 引言脉冲技术是近年发展起来并得到广泛应用的技术, 它已用于电力系统高压绝缘试验、激光技术、微波技术和电磁兼容性试验等。本文简述了电磁脉冲环境及脉冲功率技术的发
4、展历程,阐述了电磁脉冲模拟技术的国内外研究历史与现状,并深入介绍了电磁脉冲模拟器的基本理论,在此基础上阐述了双指数脉冲的基本形成原理以及对模拟器进行了性能分析。1 电磁脉冲简介1.1电磁脉冲与脉冲功率技术电磁脉冲(electromagnetic pulse, EMP)是一种瞬变电磁现象。从时域波形看,一般具有陡峭的前沿,宽度较窄;从频域看,则覆盖了较宽的频带。电磁脉冲能损坏晶体二极管、晶体管、集成电路、电阻及电容、继电器和滤波器等多种类型电子元器件;可以与电缆、导线和天线等耦合,把电磁脉冲的能量传递给电子设备,引起电子设备的失效或损坏、电路开关跳闸和触发器翻转;能使根据磁通工作的存贮器(磁心、
5、磁鼓和磁带等)消磁或失真,破坏元器件或抹去存贮的信息和引起关闭传递假信号(如20世纪60年代初美国的一次核实验,曾使距爆心1400km 的火奴鲁鲁地区的几百个防盗器发出虚警)。电磁脉冲还可以使飞机和导弹等的金属外壳上产生很大的感生电流,这种电流沿着接收机和导弹的金属表面流动,并通过壳体上的隙缝或舱口耦合到壳内,使电子元器件、线路和设备受到不同程度的干扰和破坏。因而有关电磁脉冲及其工程防护的理论和技术,便成为当今世界各大国研究的热点之一。1.1.1脉冲形成原理高压脉冲的形成原理可由图1-1所示的脉冲功率传输链表示。利用电容储存高压直流电源提供的能量, 同轴电缆用于传输信号。当水银继电器开关动作时
6、, 经过信号变换过程产生所需陡脉冲, 为了减小过冲和高压直流电源电容储能脉冲变换开关阻抗匹配负载图1-1 脉冲功率传输链反射, 在负载前端设计阻抗匹配环节。1.1.2典型的高功率电磁脉冲电磁脉冲包括:核爆炸电磁脉冲(nucleus electromagnetic pulse, NEMP),非核电磁脉冲武器产生的脉冲,雷电电磁脉冲(lightning electromagnetisc pulse, LEMP),静电放电(electrostatic discharge,ESD)脉冲以及大功率电子、电气开关的动作产生的电磁脉冲等。1) 核电磁脉冲的特点1及高空核爆炸电磁脉冲典型波形核武器是迄今威力最
7、大的武器。核武器在爆炸瞬间不仅释放巨大的能量,而且这些能量可以转化为不同的杀伤破坏效应。核爆炸的杀伤破坏效应分为两类。第一类在爆炸后几秒到几十秒时间内起作用,称之为瞬时破坏效应,包括冲击波、热辐射(或称光辐射)、早期核辐射和电磁脉冲。第二类作用时间可持续几天甚至更久,是核爆炸产物剩余核辐射形成的放射性污染,包括 辐射和粒子。从能量看,核爆炸产生的瞬发 射线的能量约占爆炸能量的0.3,其中以电磁脉冲形式释放的能量,在高空爆炸(爆高高于30km)时约占这一部分能量的1,在地面爆炸时占1/107。按此比例计算,百万吨级核武器高空爆炸以电磁脉冲形式释放的能量,高空爆炸时约为1011J;地面爆炸时约为1
8、06J。尽管这些能量分布在非常大的面积上,电子、电力系统的某些部分作为电磁能量的收集器从中耦合1J 以上的能量是完全可能的。而在极短的时间内,接收几分之一焦耳的能量就可能造成电子设备的临时性故障或永久性破坏。从波形看,核电磁脉冲具有很高的峰值场强,电场强度可达(104105 V/m),磁感应强度可达10 mT,而且上升时间极短(10-8s)。从频谱看,以高空核爆炸电磁脉冲为例,其频谱覆盖了从超长波直至微波低端的整个频段,从而对无线电通信、导航和广播等系统的安全运行构成了严重的威胁。从覆盖的地域看,地面爆炸时电磁脉冲源区( 辐射的能量沉积区,是 光子与空气或其他物质相互作用产生康普顿电流的区域)
9、的覆盖半径为3km8km,而高空爆炸时地球上凡能看到爆点的地方皆能受到脉冲的覆盖。如爆高为40km,则电磁脉冲覆盖的地面半径712km;爆高为80 km 时,覆盖半径达1000km。因此,暴露在高空爆炸电磁环境中的长导体(如架空电力线、架空通信线、铁轨等)可能收集到巨大的能量。而与这些长导体相连的电力、电子设备就可能遭受损坏。正由于核电磁脉冲具有上述特点,因而对电子、电气设备及系统构成了严重的威胁。特别是随着核武器技术的不断发展与进步,经专门设计的核武器可以大大增强其电磁脉冲效应,提高电磁脉冲能量在整个爆炸能量中的份额,陡化前沿,增加高频辐射,以致激励高功率微波,定向辐射电磁能,如中子弹、冲击
10、波弹及尚在研制发展阶段的核电磁脉冲弹等。 高空核爆炸电磁脉冲(high altitude electromagneticpulse, HEMP),包括早期、中期和晚期3个部分。早期场是核爆炸瞬发 激励的康普顿电子运动产生的,这个过程大约持续1 s。中期场包括所谓的散射信号和中子信号,其中散射信号是散射激励产生的场,在1s100s之间,占主要成分;中子信号电场主要由高能中子和空气分子的非弹性碰撞产生的激励贡献,在1ms10 ms之间。晚期电场在 1s 到数百 s 之间,是各种空间碎片和空气离子在地磁场中运动感应产生的电场,称为磁流体电磁脉冲。HEMP的早期成分,覆盖中频、高频、甚高频和一些特高频
11、波段的信号,具有辐射范围广、强度大、频谱宽等特点,可以通过天线、孔缝、线缆等的强耦合作用,对各种电子化设备和系统造成暂时和永久损伤,具有强大的破坏效应。晚期部分的电场水平分量,将对系统产生强耦合。高空核爆电磁脉冲(早期部分)的波形表述有多种不同标准, 目前,较有影响的标准有美国国防部制定的一系列军用标准和手册,Bell 实验室标准和国际电工委员会制定的HEMP标准等。美国国家标准IEEE/ANSI C63.14中对电磁脉冲的简明定义为4:电磁脉冲是在核爆炸时,由于伽玛光子与空气介质分子的相互作用而产生的电磁辐射。根据高空核爆电磁脉冲的基本理论模型,采用指数上升的理想伽玛源进行简单计算时,虽然不
12、能包括所有可能想到的情况,但却能给出相对合理的电磁场,对于工程应用还是非常有价值的。这些计算结果的精度与对康普顿电流和空气电导率取值处理时的技术发展水平有关。一般高空核爆电磁脉冲场强可以总结为简单的双指数解析函数表达形式 图12 DODSTD-2169 时域波形 图13 MIL-STD-461C时域波形图E(t)=E0k(e-t-e-t) (1.1)式中,E0 为峰值场强;k 是修正系数;, 为表征脉冲上升、下降沿的参数。1985 年美国国防部(DOD)颁布军标DODSTD2169,规定HEMP的早期成分标准为3.0107s-1,4.76108s-1, k1.285,E050kV/m ,波形如
13、图12所示。1986年美军标MIL-STD-461C规定的波形如图13所示。规定脉冲上升时间tr5ns,脉宽td30ns,下降时间tf550ns。1993年将461C修正为461D,将其参数规定改为:波形前沿小于等于10ns,后沿大于75ns。如图14所示。显然,相对461C给出的严格定义的波形,461D仅规定了脉冲的峰值时间、衰落时间和峰值场强,波形标准限定条件没有以前严格。但标准过于灵活,在模拟器参数确定、考核试验级别等方面标准就不统一,给效应数据的比对带来难度,因为不同标准的HEMP考核试验结果是不同的。1999年再次修正发布了最新的版本461E。采用IEC 61000-2-9中定义的H
14、EMP早期波形,如图15所示。并将上升时间改为(1.82.8)ns,半峰宽改为(235)ns。 图14 MIL-STD-461D定义的波形 图15 MIL-STD-461E规定的波形从80年代初期开始,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)开始讨论是否处理核电磁脉冲效应带来的问题,1991年,成立隶属于电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)技术委员会(IEC/TC77)的SC77C分委员会,负责有关高空核爆电磁脉冲的标准1012。IEC61000-2-9 内容是早期、中期和晚期HEM
15、P波形的许多定义和辐射参数13,这是一项国际性的民用标准,正越来越广泛地被引用。其波形参数为:E0=50kV/m, = 4.0107s1, = 6.0108s 1,k =1.3。文献14给出: =1.5106s1,=2.6108s1, k =1.04, E0=50kV/m;美国Bell实验室提出的参数为: = 4106s1, = 4.76108s1,k = 1.05,E0 = 50kV/m (MIL-STD-461C波形等同这个标准),这个标准是很著名的,很多文献资料都采用该标准来研究效应问题。文献15给出了另外一种标准(k = 1.06,E0 = 50kV/m, = 3.7106s1, =
16、3.9108s1),用于考核舰船的EMP效应。以色列的研究人员在文献16中给出的标准类似于Bell实验室的波形,其参数为k = 1.052,E0 = 50kV/m, = 4.0106s1, = 4.4108s1。文献21中给出一种用于电力系统试验的标准,其参数为k =1.89,E0 = 94.5kV/m, = 5.0106s1, = 5.0108s1。综上所述,各标准峰值场强幅值多为50kV/m。但时域参数变化很大,可分为3种主要类型:上升时间和持续时间较长,中等(Bell),较短(IEC)。基本趋势是前沿变快、持续时间变短。对于形如式(1.1)双指数函数表述形式的HEMP波形,其频谱响应由傅
17、立叶变换得到 (1.2) 图16不同标准HEMP波形的频谱图 图17 归一化累积能流谱经计算可得各典型波形的频谱(幅度谱)(图16)。IEC61000-2-9标准和DOD-STD-2169标准波形的3dB带宽范围最宽;Bell实验室波形和文献4、5居中;文献6最窄。但是比较频谱幅值,出版物1波形频谱成分几乎覆盖了其他所有波形(10MHz 附近,几种波形频谱曲线有交叉,在此频率以上IEC6100029标准频谱分量要稍稍大于该文献标准,体现在效应上为小孔耦合效应方面稍强),因此一定意义上,文献3波形威胁最严重,Bell实验室波形次之,而近年新修订的IEC 61000-2-9(MIL-STD-461
18、E)波形相对要宽松得多,虽然其3dB带宽反而更宽一些。由帕斯瓦尔定理,定义能谱S(f)来描述能流随频率的变化,表达式为 (1.3)将上式在频域积分(远场一般f1kHz)可以得到早期HEMP波形的总累积能流为 (1.4)累积至某一频率f 的能流为 (1.5)归一化累积能流谱为 (1.6)图1-7是由上式的计算结果绘出的归一化累积能流成分随频率的变化曲线7,图中可以看出各种波形的能流分布的主要频段范围。IEC 61000-2-9频率到100kHz时能流成分占到2 %,而到100MHz时,这个比例为98%,因此,IEC波形96%的能流分布范围在100kHz100MHz。相应,Bell实验室波形的能流
19、范围主要在10kHz30MHz之间。出版物1波形,其能流分布范围主要在约1kHz10MHz 的频段。脉冲包含的总的能量密度j(辐射能量密度,J/m2)可表示为 (1.7)根据上式从时域或频域可以计算出不同标准波形的总的能量密度大小,数值结果显示:出版物1波形的能量密度最大,为2.350J/m2;Bell实验室波形居中,约0.891J / m2;IEC波形最小,仅有0.114J /m2。2)电磁武器(非核)与高功率超宽带电磁环境在以大量电子信息设备为依托的信息化战争中,对电子信息设备构成威胁的电磁武器的发展,尤其是高功率(入射电磁场超过100V/m或微波的峰值功率超过100MW)超宽带(频带宽度
20、达108Hz1012Hz)电磁脉冲武器的出现,倍受人们的关注。电磁脉冲武器有时也称为电磁脉冲产生器,是一种能在爆炸时产生强电磁脉冲辐射,并用来破坏敌方电子设备和武器系统的武器。这种武器的辐射主频率通常在1GHz 30GHz的范围内,峰值功率在吉瓦级,辐射功率在100MW以上,它能摧毁来袭导弹或破坏雷达、通信系统和武器系统中电子设备或扰乱人的大脑神经系统、使人暂时失去知觉,特别在对付隐身武器(如隐身巡航导弹和隐身飞机) 方面具有明显的优势。电磁脉冲武器由初级能源、能量转换装置、射频脉冲产生器和发射天线等几部分组成。目前发展的电磁脉冲武器主要有电磁脉冲弹、微波炸弹和非核电磁脉冲产生器等。通过各种渠
21、道耦合进入系统金属壳体内的HPM(含UWB)能量,将对电子器件产生破坏效应,造成干扰、翻转、闭锁甚至烧毁,使其功能下降以致失效。损伤模式有热二次击穿,瞬时热效应引起的金属化失效,电压击穿和复杂波形引起的其他失效。损伤的严重程度与功率密度有关,有关数据见表1.18。表1. 1 高功率微波武器效应损伤作用功率密度效 应干扰作用(0.011) mW/cm2使相应工作频段上的雷达、通信设备不能正常工作(0.011) W/cm2通信、雷达、导航等系统的微波器件性能显著下降或失效,使小型计算机芯片失效软杀伤作用(10100) W/cm2壳体产生瞬态电磁场,进入壳体内部电路,产生感应电压,使其功能紊乱;如果
22、感应电流过大,将烧坏电路中的器件,任何工作频段的电子系统都失效硬杀伤作用(103104) W/cm2强场作用引起非线性效应,能在瞬间摧毁目标,引爆炸弹、导弹、核弹等武器对人员的影响(310) mW/cm2人员产生神经错乱,行为失误80 mW/cm2持续1s可使人死亡高功率超宽带技术除了用于军事领域外,超宽带雷达能精确地显示目标的细节,且具有更高的抗噪和抗扰性能,因而在地球物理探测方面将发挥巨大的作用;在医疗方面,超宽带短脉冲(脉冲宽度为ps 量级的陡脉冲)可用于治疗癌症和肿瘤。采用定向传播的短脉冲波束,俗称“电磁导弹”, 是一种增加电磁能穿透深度的方法之一,因为它比脉冲调制的载波在人体内的衰减
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