高压纳秒电磁脉冲衰减器的研制

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电磁脉冲(EMP)是一种瞬变电磁现象,从时域波形看,具有陡峭的前沿,较窄的脉冲宽度;从频域看,则覆盖了较宽的频带,是电信号测量技术中的重点也是难点。电磁脉冲能通过各种耦合途径使电子元器件、线路和设备受到严重的干扰和破坏。衰减器可以让高压脉冲源实现大范围输出可调;可以保护电路;可以用于匹配负载;调节快脉冲波形;超宽带源或EMP模拟源甚至有时也要永久接入一个阻抗匹配的衰减器;还可用于快速脉冲群发生器波形校准。在EMP模拟技术中,经常会有峰值几十千伏,几百千伏的高压脉冲,研究这种高压纳秒级脉冲时,高响应度,高衰减量的衰减器更是必不可少。因此,衰减器的研制具有重要意义。本文应用已有的理论和技术对电磁脉冲衰减技术进行研究,详细地分析了衰减器的性能影响因素,介绍传输线的相关理论以及驻波比,阻抗匹配的概念,在传输过程中出现衰减损耗的基本原因,并对阻抗匹配的原理及方法做了介绍。同时,研究了衰减器的参数选择,探索高压脉冲衰减器的设计及性能改善方法。对于电磁仿真,选用了基于微分方程的有限元方法;采用高频电磁场计算的专用软件HFSS进行建模,仿真计算过渡段驻波比对衰减特性的影响,确定了两端锥形过渡结构和尺寸、主体段直线过渡的结构设计方式及分流电阻的接地方式。仿真分析了衰减器内部电场分布,采用ANSYS计算了截面阻抗。根据仿真计算及结构优化结果,采用了具有良好特性并适用于较大功率回路的金属氧化膜电阻,制作了衰减器的样机。实验测量了衰减器的衰减特性,实验证明,高压脉冲经衰减器传输前后波形一致性良好,实现了30%和40%的脉冲幅值衰减效果,可满足实际测量系统的需要。高压脉冲经衰减器衰减后上升沿陡峭,下降沿波形较为光滑,25kV以下未见明显反射,说明衰减器阻抗匹配;而25kV以上脉冲波形下降沿有反射,说明高压下系统分布电容电感都对测量系统产生影响。总体来说,样机试制合格,整套系统能够满足实验要求,适用于高压纳秒电磁脉冲的衰减。
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