快沿电磁脉冲模拟器内部垂直极化场分布仿真研究

    有界波电磁脉冲模拟器是20世纪60年代出现的一种广泛应用于电磁兼容/电磁干扰(EMC/EMI)的实验装置[1]。当把连续波或脉冲波信号源加在模拟器的一端,另一端加负载时,模拟器内部就建立起一定极化形式的电磁场,可供各种效应实验之用。针对IEC(国际电工委员会)61000-4-25标准中制定的高空核爆电磁脉冲波形新标准的发布[2],核电磁脉冲波形上升时间由原来的10 ns缩短到1.8~2.8 ns,相应的高空核电磁脉冲(HEMP)试验装置也有了新的技术要求[3],而目前的HEMP模拟装置一般难以完全满足这一要求,因此研制脉冲前沿为1.8~2.8 ns的快沿电磁脉冲模拟器有着非常重要的作用。仿真研究是设计并建造模拟器的理论依据,也是利用模拟器进行效应研究的基础,只有搞清了模拟器空间场分布结构,才能对设计模拟器提供理论依据,才能在各种效应实验中正确地获取和分析实验数据[4]。

　　矩量法( MoM )是一种基于严格积分方程的方法,结合各种快速算法,它无需对传播空间进行网格划分;由于积分方程基于格林函数构建,也无需设置吸收边界条件;只要硬件条件许可,矩量法可以求解任意复杂结构的电磁场问题[5-7]。笔者采用电磁仿真计算软件FEKO(一种基于矩量法及高频分析方法,为各种高频电磁场应用而开发的全波电磁场分析软件),对快沿电磁脉冲模拟器内部垂直极化场分布进行了分析。

　　1　电磁脉冲模拟器的仿真模型的建立

　　1.1　几何模型的建立

　　20世纪70年代末以来,锥形电磁脉冲模拟器传输线结构被广泛采用,它使得脉冲的高频部分可以辐射到模拟器的终端而不形成驻波,提高了模拟器的频率上限[8],所以本文模拟器传输线采用锥形结构,模拟器示意图如图1所示。模拟器传输线宽高比为1∶1,特性阻抗约为180Ω,模拟器的前锥角α=15°[9],最大高度Hmax=2m,源端高度为0.2 m,由此可以计算出模拟器的长度L=6.718 m,上传输线采用直径为3 mm,11根均匀分布的细导线,下传输线采用厚度为3 mm的薄紫铜板,终端负载采用3根垂直于下传输线的电阻并联,3根电阻阻值均为540Ω,并联后阻值为180Ω,以保证终端负载匹配。

　　1.2　仿真模型的建立

　　仿真模型的建立在电磁仿真计算中是非常重要的一步,它直接关系到计算所花费的时间和计算的精度。因此在建模时,既要注重模型的简化以减小计算量,又要考虑到关键点的细化以减小计算误差。模拟器的仿真模型如图2所示,由于模拟器是关于y=0平面对称的,建模时可以只建y>0部分的模型,其它的部分通过对称来建模,不仅可以减少建模的工作量,更重要的是还可以减少计算时间和计算机内存的使用。