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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38ABSTRACT3939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HEMP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 =
