一种新型宽谱电磁脉冲试验系统的研制

一种新型宽谱电磁脉冲试验系统的研制

宽谱电磁脉冲系统位于狭窄带和宽谱之间，具有许多独特的优势。相对于窄带高功率微波系统,宽谱电磁脉冲系统采用LC振荡方式,直接通过天线向空间辐射,不需要产生相对论电子束,减少了系统的中间环节,结构简单,因此可以更容易做到小型化;与超宽谱电磁脉冲系统相比,宽谱电磁脉冲既保留了超宽谱电磁脉冲频谱宽,易于和目标耦合的特点,又具有相对较高的天线辐射效率和能谱密度。因而在高功率微波效应研究领域的应用具有很多研究价值。目前,宽谱电磁脉冲技术已在美国、德国等国得到了深入研究,美国研制了一套警用宽谱电磁脉冲系统,其单个辐射脉宽约50ns,辐射峰值功率约2GW,该系统可用于执法部门阻止在安全检查站逃逸和拒绝合作的车辆。德国研制出以小型化为特色的DS系列宽谱车辆迫停装置。如DS110系统是一款小型箱式装置,其输出脉冲电压300kV、辐射中心频率375MHz、辐射因子150kV、重复频率大于5Hz。本文通过改进分析和实验研究,掌握了快上升时间的重复频率Marx发生器、双极脉冲形成和高功率宽带天线等方面的关键技术,在此基础上,开展了系统集成研究,研制了我国首套辐射场强因子195kV、重复频率20Hz的宽谱电磁脉冲试验系统。1实验平台和原则1.1高压冲击脉冲激光点检测试验系统主要由5个分系统组成:控制系统、初级电源、电感隔离型Marx发生器、双极脉冲形成线、宽带天线,宽谱试验系统如图1所示。控制系统主要完成对初级电源的启动、停止和参数设置。初级电源包括恒流充电分机和触发分机两路高压组件。控制系统启动充电分机,充电分机同时输出正负两路脉冲信号向Marx发生器并联充电,充电结束后送出一路延时可调的同步信号给触发脉冲系统。触发脉冲信号点燃Marx发生器的火花间隙场畸变开关,建立起的高压冲击脉冲通过双极脉冲形成线馈入宽带天线产生宽谱辐射。初级电源、Marx发生器、双极脉冲形成线、宽带天线布置在可移动轮组组成的运动箱体上,实验时,系统根据需要进行移位、转动、粗调到位后实现位置自锁定。在双极脉冲形成线末端设计有旋转关节,可实现宽带天线方位辐射360°旋转。为保证系统操作人员安全,系统还具有运程控制功能。1.2恒流充电及隔离ct全电感隔离型Marx发生器工作原理如图2所示,正负双边充电方式减少了开关数目,只需6个场畸变开关,发生器级数n=12,每级电容量C0=4nF,在开关电源技术中,最适合对脉冲高压电容器充电的电路是串联谐振开关电路,输出近似为恒流源,主要优点是充电效率高。此类电源主要采用高频逆变器技术,使得整流电路尺寸、质量大大减少,而且充电纹波小,电压稳定度高。Marx发生器中电容器的并联充电过程采用正负双边恒流充电与隔离电感相结合方式,既减小了开关数目,又缩短了充电时间,发生器更利于高重复频率运行。高压恒流充电电源输出电流I=50mA,发生器充电等效并联电容Cθ=4nF×6=24nF,充电时间的理论计算公式为:Tc=CθU0/I,其中,U0为充电电压。由于采用恒流充电,充电回路电流变化率比较小,充电过程中充电电感L0近似于短路,且充电效率ηc≈100%。既然充电电感L0大小并不影响充电时间及充电效率,那么可以适当地增大L0(放电回路中L0为隔离电感),这样既可以减小旁路放电损失的能量,又可以增加开关间隙过电压的持续时间,有利于开关击穿动作,能改善发生器的同步性能。从原理图可看出,正负均引入了充电保护电感Lp、限流电阻和高压硅堆。由于采用恒流充电,电感Lp并不影响充电性能,在充电结束后,开关间隙K1瞬间击穿时,电感Lp、限流电阻和高压硅堆的引入起到了隔离保护充电恒流源的作用。恒流充电电源给电容器并联充电到设定电压值后,送出一路延时可调的同步信号(最大延时为5ms,脉宽10μs)给触发脉冲源的外控制系统,启动其产生一定峰值的尖脉冲信号,然后经触发电阻Rk输入发生器第1个和第3个(K1和K3)的触发电极,使带中间圆盘的场畸变开关发生严重场畸变,促使开关迅速导通,其余两电级开关则由过压击穿,实现电容串联放电产生高压冲击脉冲,发生器的工作频率由恒流充电源进行控制。1.3形成线脉冲场宽谱双极脉冲形成系统的输入端为Marx发生器产生的高压冲击脉冲信号,输出端匹配负载为宽带辐射天线。双极脉冲形成线的示意图如图3所示。Marx发生器放电时等效为一个电容Cm和一个电感Lm串联,通过主开关给形成线T1充电,形成线T1再通过开关S2对形成线T2放电,形成单极脉冲,脉冲宽度由形成线T1的电长度决定。形成的单极脉冲传输到阻抗为Z的形成线T2末端时,脉冲波一部分不改变极性而反射,形成反射波1;一部分则进入阻抗为Z的形成线T3,极性反转后形成入射波;其余的进入阻抗为2Z的传输线T4,形成双极脉冲的一个峰,则反射波1到达反向开关S3后,产生极性相反的全反射波2,沿形成线T2向负载传播;此时入射波也到达形成线T3开路端,极性不变而全反射,形成反射波3,沿形成线T3向负载传播。此后反射波2和反射波3同时到达双极脉冲形成线的终端,进入传输线T4,叠加形成双极脉冲的另一峰,最终在匹配负载上形成双极脉冲。形成线T2的电长度决定双极脉冲的半周期。2结果与分析2.1发生器稳定性鼓励Marx发生器的自建立稳定性较差,为了获得短的建立时间和小的建立时间抖动,本文采用K1火花间隙场畸变开关和K3火花间隙场畸变开关经触发电阻Rk并联引入触发信号,而其余4个开关经对地电阻Rk引入地电位方式,提高发生器建立的稳定性。触发连接方式如图2中所示,具体描述为:在前次发生器建立起来后,触发圆盘上的残余电荷可以通过接地电阻Rk释放出来,地电位的引入改善了发生器正负同时充电时开关间隙电场分布,使触发圆盘在充电阶段与中心等位面一致,只在触发阶段才能产生场畸变,避免了三电极火花开关误击穿。再者,发生器通过开关串联放电瞬间,没有引入触发信号的开关间隙不仅可以靠自然过电压而逐个击穿,而且也可以通过开关间的对地电阻,形成前一级开关触发下一级开关的触发模式,改善了6个开关串联放电的同步性能,促使6个开关迅速导通,使发生器快速建立起来。触发电压波形如图4所示,触发脉冲前沿约100ns,触发电压-85kV。2.2自然参数对复杂点多通道开关输出的影响本文设计的三电极场畸变开关间隙距离不可调,采用高绝缘强度的SF6气体来提高间隙击穿电压。为实现开关同步,加大了触发脉冲的幅值。在发生器充电电压较高的情况下,为保证电绝缘可靠,不发生闪络或击穿现象,Marx发生器封闭在充满变压器油的圆筒性金属容器中。Marx发生器的输出并联接入高阻负载(900Ω无感电阻),当连接双极脉冲形成装置的主开关没有导通时,发生器中的储能可以通过负载电阻释放。双极脉冲形成装置可等效为负载电容C,则在负载电容C与放电等效串联电容Cm间产生振荡放电,如图5(a)所示。图5(a)为发生器的充电电压|U0|=50kV、开关气压p(SF6)=0.11MPa、触发脉冲峰值85kV状态下高阻负载上测20个波形的重叠,由此可看出Marx发生器的输出很稳定。发生器输出电压UL=500kV(取多次测量的平均值),发生器储能W=43J。输出脉冲电压波形前沿τr=20ns(10%~90%)。发生器可以在重复频率20Hz下稳定运行,图5(b)为Marx发生器输出端连接双极脉冲形成线时,Marx发生器重复频率测试波形。2.3测试线路及结果分析发射天线采用宽带振子天线,接收天线采用组合振子TEM喇叭天线。沿主辐射方向,在远场范围内由接收天线测得脉冲波形后,经高频微波测试电缆、衰减器接入示波器直接测量。辐射场频谱中心频率和百分比带宽根据辐射波形由软件分析给出。图6为辐射场的测试线路,其中r为接收天线与发射天线间的距离,h为天线距地面的高度。为了排除地面反射对辐射场的影响,在同一点分别测试垂直极化以及水平极化场,如果两者一致,则可判定此处辐射场未受地面反射影响,所测场值比较准确。在h=1.65m,r=6m处,主辐射方向上水平及垂直极化辐射场波形如图7所示,示波器测量采用的是余辉显示(多个波形叠加),可以将多次采集到的波形显示在同一屏幕上。从图中可以看出,两种极化方式下辐射场值一致,且稳定,确定此处场测试结果不受地面反射影响,为真实的宽谱辐射信号。图8(a)为垂直极化下,h=1.65m,r=6m处的辐射场波形,单峰为多次测量的平均值32.5kV/m,辐射因子为195kV。图8(b)是分析得到的频谱曲线,其中心频率为200MHz,百分比带宽为37%。3我国宽谱电磁脉冲试验系统本文在初步掌