超寬譜脈沖電場產(chǎn)生裝置饋電結(jié)構(gòu)對脈沖響應(yīng)特性的影響

超寬譜脈沖電場產(chǎn)生裝置饋電結(jié)構(gòu)對脈沖響應(yīng)特性的影響

單錐形tem室是ae139-2005推薦的用于磁體傳感器和探測校正的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。在俄羅斯和美國，已經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)單帶電池生成裝置的研究。單錐TEM室一般由錐體、鏡面板和脈沖發(fā)生器組成,脈沖發(fā)生器生成激勵(lì)脈沖,通過同軸傳輸線并經(jīng)饋電結(jié)構(gòu)后饋入至單錐TEM室,產(chǎn)生波形和幅度等參數(shù)已知的脈沖電場,可實(shí)現(xiàn)傳感器響應(yīng)性能的時(shí)域測試與分析。單錐TEM室內(nèi)部阻抗呈純電阻特性,在一定時(shí)間窗口內(nèi)電場為行波,電場脈沖幅值與波形可基于激勵(lì)電壓、傳輸線特征阻抗、單錐TEM室特征阻抗、觀察點(diǎn)到饋電點(diǎn)距離和夾角等參數(shù)由麥克斯韋方程嚴(yán)格求解。實(shí)際上,即使單錐TEM室與傳輸線特征阻抗匹配,但由于饋電結(jié)構(gòu)在機(jī)械設(shè)計(jì)上不可避免地存在著不連續(xù)性,從而激勵(lì)脈沖在饋電點(diǎn)處產(chǎn)生反射,可能影響單錐TEM室內(nèi)部電場的幅度和波形,造成脈沖源輸出脈沖電壓不等于鏡面板和錐體間的激勵(lì)電壓,增加了傳感器標(biāo)定結(jié)果的不確定度。因而,開展超寬譜短脈沖電場標(biāo)準(zhǔn)裝置饋電結(jié)構(gòu)研究,減小其對TEM室內(nèi)脈沖電場影響是裝置研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。從已有研究結(jié)果來看,饋電點(diǎn)結(jié)構(gòu)突變是引起激勵(lì)脈沖在傳輸通路反射的主要原因,以結(jié)構(gòu)漸變來實(shí)現(xiàn)阻抗連續(xù)過渡,從而減小饋電點(diǎn)電壓反射系數(shù),這不僅在設(shè)計(jì)上難度較高,加工成本也較大。本文開展了超寬譜短脈沖電場標(biāo)準(zhǔn)裝置饋電結(jié)構(gòu)的研究工作,先后采用等效電路法和時(shí)域有限差分法分析了饋電結(jié)構(gòu)阻抗不連續(xù)性及其時(shí)域反射特性,結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了饋電結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)特性的驗(yàn)證測試。1單錐體室及其電源結(jié)構(gòu)1.1饋電法蘭裝置超寬譜短脈沖電場參考標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生裝置尺寸為3.3m×3.0m×2.6m。其中,錐體由大小錐體兩部分構(gòu)成:大錐體為鋁合金鑄件精加工而成;小錐體為不銹鋼棒料加工件,外表面鍍金處理。大錐體與小錐體的裝配外沿縫隙小于0.15mm,裝配完成后,錐體母線長1.5m,半錐角47°,理論阻抗約50Ω,鏡面板為3m正方形鋁合金拼焊平板,平面度小于0.10mm,距地面高度1.4m。單錐TEM室饋電結(jié)構(gòu)如圖1所示。饋電法蘭端采用SMA-KFD結(jié)構(gòu),長約35mm,法蘭內(nèi)導(dǎo)體孔徑及介質(zhì)層厚度與SMA插接件結(jié)構(gòu)參數(shù)相同,分別為1.1mm和4.1mm。TEM室鏡面板上表面與法蘭上端面平齊并保持良好的電接觸,頂部針尖直徑為1.0mm,通過插入SMA饋電法蘭內(nèi)導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)錐體和同軸線電連接。可以看出,從同軸電纜到TEM室之間存在明顯的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性,從而會(huì)引起饋電端激勵(lì)脈沖的反射。1.2饋電結(jié)構(gòu)單連續(xù)性的數(shù)值計(jì)算考慮饋電結(jié)構(gòu)電尺寸較小,初步建立了饋電結(jié)構(gòu)的等效電路模型,如圖2所示。該電路主要包括饋電端插針串聯(lián)電感L,以及插針和鏡面板之間并聯(lián)電容C兩個(gè)參數(shù),其中,插針自身電感L由導(dǎo)體自感產(chǎn)生,為L=μ0b2π(ln2br?1+4rπb?r22b2)(1)L=μ0b2π(ln2br-1+4rπb-r22b2)(1)式中:b為插針外露長度;r為插針截面半徑;μ0為真空磁導(dǎo)率。饋電結(jié)構(gòu)中可以由對偶能量法,利用變分原理近似求出并聯(lián)電容的均值,并聯(lián)電容C的大小主要與插針外露長度、介質(zhì)厚度及相對介電常數(shù)相關(guān)。在給定聚四氟乙烯填充介質(zhì)、插針直徑1.1mm、介質(zhì)層厚度4.1mm的條件下,計(jì)算了饋電結(jié)構(gòu)與鏡像板間插針外露長度b分別為2.0,1.5,1.0和0.5mm四種情況下,饋電結(jié)構(gòu)的等效電容C和電感L等參數(shù),如表1所示。由圖2可以看出,并聯(lián)電容C和串聯(lián)電感L構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)回路,拉氏域中饋電點(diǎn)等效阻抗Z=sL/(1+s2LC)(2)Ζ=sL/(1+s2LC)(2)式中:s為拉氏算子。當(dāng)假定單錐TEM室特征阻抗為z時(shí),饋電結(jié)構(gòu)脈沖反射響應(yīng)函數(shù)Γ(s)在拉氏域表達(dá)式為Γ(s)=sL2z(s2LC+1)+sL(3)Γ(s)=sL2z(s2LC+1)+sL(3)通過拉氏反變換得到脈沖反射響應(yīng)函數(shù)時(shí)域表達(dá)式為Γ(t)=12zCexp(?t4zC)[?1fsinh(ft4zC)+cosh(ft4zC)](4)Γ(t)=12zCexp(-t4zC)[-1fsinh(ft4zC)+cosh(ft4zC)](4)式中:f=(1-16z2C/L)0.5。當(dāng)給定激勵(lì)脈沖V(t)時(shí),饋電點(diǎn)反射脈沖的時(shí)域表達(dá)式為Vr(t)=Γ(t)*V(t)(5)Vr(t)=Γ(t)*V(t)(5)圖3給出了單錐TEM室饋電結(jié)構(gòu)的電壓反射波形計(jì)算結(jié)果,其中,TEM室特征阻抗為50Ω,采用脈沖幅度1V、脈寬300ps的高斯脈沖進(jìn)行激勵(lì),將表1結(jié)果代入式(5)進(jìn)行計(jì)算,可以看出,當(dāng)饋電點(diǎn)插針長度由2.0mm變化至0.5mm時(shí),電壓反射系數(shù)由2%減小至1%之后又增至3%,饋電點(diǎn)由電容不連續(xù)性逐漸過渡至電感不連續(xù)性。圖4給出了采用時(shí)域有限差分法計(jì)算的饋電點(diǎn)電壓反射波形,計(jì)算模型參數(shù)與單錐TEM室裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)一致,采用幅度1V、脈寬300ps的高斯脈沖進(jìn)行激勵(lì)。可以看出,計(jì)算結(jié)果與圖3所示結(jié)果基本相同,但反射脈沖后沿出現(xiàn)拖尾,原因可能是理論分析采用的電路模型在表征饋電點(diǎn)時(shí)域響應(yīng)特性上仍存在一定局限性。綜上可以看出,單錐饋電結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性會(huì)引起單錐TEM激勵(lì)脈沖的反射,通過調(diào)節(jié)單錐插針深度可以改變饋電結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。當(dāng)插針深度從2.0mm變化至0.5mm時(shí),饋電點(diǎn)阻抗不連續(xù)性由感性變至容性,電壓反射系數(shù)在減小后再次上升,在控制插針外露長度在1.0～1.2mm范圍內(nèi)時(shí),饋電結(jié)構(gòu)對激勵(lì)脈沖傳輸通路的影響可減至最小。2電力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)2.1饋電點(diǎn)脈沖響應(yīng)測試采用安捷倫E8362B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對單錐TEM室饋電點(diǎn)脈沖響應(yīng)進(jìn)行了測試,分析儀內(nèi)置了時(shí)域分析模塊,其頻域測試數(shù)據(jù)可以通過逆Chirp-Z變換至?xí)r域,從而獲得饋電結(jié)構(gòu)的時(shí)域響應(yīng)測試結(jié)果。圖5為饋電點(diǎn)脈沖響應(yīng)測試結(jié)果?？梢钥闯?激勵(lì)脈沖反射主要發(fā)生在SMA連接器和同軸饋電結(jié)構(gòu)兩個(gè)位置,對應(yīng)波程差約為0.3ns,與饋電結(jié)構(gòu)電長度基本一致。當(dāng)饋電點(diǎn)插針長度由2.0mm變化至0.5mm時(shí),電壓反射系數(shù)由4%減至2%后再增至3%,插針長度在1.0mm時(shí)饋電點(diǎn)電壓反射系數(shù)達(dá)到最小值,約2%。圖6給出了饋電點(diǎn)脈沖響應(yīng)測試結(jié)果的實(shí)部表達(dá)格式,其顯示了饋電點(diǎn)阻抗不連續(xù)性的類型,可以看出,當(dāng)饋電點(diǎn)插針長度由2.0mm變化至0.5mm時(shí),饋電點(diǎn)阻抗不連續(xù)性逐漸由電容不連續(xù)性過渡至電感不連續(xù)性,該測試結(jié)果與圖3,4所示理論及數(shù)值計(jì)算結(jié)果變化趨勢一致。2.2饋電點(diǎn)對不同脈沖源的電壓反射系數(shù)單錐TEM室饋電結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)測試(TDR)包括脈沖和階躍兩部分,饋電結(jié)構(gòu)中插針長度調(diào)節(jié)至1.0mm,根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果,在該插入深度下饋電點(diǎn)電壓反射系數(shù)可以達(dá)到最小。測試系統(tǒng)由寬帶示波器、脈沖源、微波電纜及待測單錐TEM室組成。其中,示波器帶寬為6GHz、采樣頻率20GHz;3臺(tái)脈沖源可分別輸出單極高斯脈沖、雙極高斯脈沖和階躍脈沖。為比較饋電點(diǎn)對不同脈寬激勵(lì)脈沖的響應(yīng)特性,后續(xù)數(shù)據(jù)處理均已進(jìn)行了歸一化處理。圖7給出了脈寬為0.3,1.0和1.5ns單極高斯脈沖激勵(lì)下饋電點(diǎn)響應(yīng)波形?？梢钥闯?反射脈沖的幅度不大于2%。即使考慮了測試傳輸線插入損耗后,饋電點(diǎn)對上述激勵(lì)脈沖的電壓反射系數(shù)仍小于3%。此外,從圖中不同脈寬激勵(lì)脈沖反射電壓幅度比較結(jié)果來看,脈寬0.3ns激勵(lì)脈沖的電壓反射系數(shù)高于其他激勵(lì)脈沖,分析原因可能是受饋電點(diǎn)的高頻響應(yīng)特性所限。圖8給出了峰-峰值時(shí)間差為0.5ns和1.5ns雙極高斯脈沖激勵(lì)下饋電點(diǎn)響應(yīng)波形?？梢钥闯?在考慮測試傳輸線插入損耗后,饋電點(diǎn)對雙極高斯脈沖的電壓反射系數(shù)小于4%。圖9給出了階躍脈沖激勵(lì)下饋電點(diǎn)響應(yīng)波形?？梢钥闯?饋電點(diǎn)對上升沿時(shí)間0.4ns階躍脈沖具有良好的響應(yīng)特性,測試結(jié)果同時(shí)也表明,單錐TEM室特征阻抗與傳輸線特征阻抗基本一致。3傳感器測試波形采用D-dot傳感器對TEM室內(nèi)部電場波形進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的傳感器為自研的漸近圓錐偶極子型D-dot傳感器,其有效接收面積為0.5cm2、工作頻率DC6GHz,脈沖源輸出雙極高斯脈沖,脈沖幅度2kV、峰-峰值時(shí)間差0.5ns。圖10給出了傳感器測試波形經(jīng)積分后與源波形輸出波形的對比結(jié)果?？梢钥闯?單錐TEM室內(nèi)測試波形與源波形一致性較好,說明現(xiàn)有饋電點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的,不會(huì)對激勵(lì)脈沖的傳輸造成明顯影響。4饋電結(jié)構(gòu)脈沖特性本文分析了饋電點(diǎn)插針在不同插入深度下等效電路的分布參數(shù),得到了饋電結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)特性,計(jì)算結(jié)果與時(shí)域有限差分法數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致性較好。分別設(shè)計(jì)了以網(wǎng)