有界波模拟器波形仿真与实验研究
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传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
２０１８年 第 ３７卷 第 ２期
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１８）０２－００７６－０４
有界 波模 拟 器 波 形 仿 真 与 实 验研 究
段 泽 民 ，郝 凤柱 ，张 松 ， ，朱 博 ，姚 志成。
０ 引 言 评估 电子 电气设备／系统 电磁脉 冲的敏感度 ，研究 电磁
（１．合肥 工 业大 学 电气 与 自动 化 工 程 学 院 ，安 徽 合 肥 ２３０００９； ２．安徽省飞机雷 电防护省级实验室 ，安徽 合肥 ２３００３１；
３．强 电磁 环 境 防 护 技 术 航 空 科技 重 点 实验 室 ，安徽 合 肥 ２３００３１）
摘 要 ：以传输线 型有界波 电磁脉冲模拟器为研究对象 ，分析脉冲波形 畸变因素 ，分别对 电磁脉 冲模拟器 及其等效电路进行 了建模仿 真分析 ，并使用 瞬态 电磁 脉冲测量系统测试 实验 区域 电场 波形 。实验与仿 真 结果表明 ：仿真结果与实验结果吻合较好 ，验证 了仿真模 型的正确性 与有效性 。分 布电感 对 脉 冲波形 的畸变影响很 小 ，而对地电容值 Ｃ 的变化对脉 冲波形 的畸变影响很大 ，传 输线特征 阻抗 与终端 阻抗匹配 情况直接影响着脉冲波形 的畸变 ，匹配越差 ，脉冲畸变越大 。模拟器外 围金属板处于其 侧面时 ，对波形 畸 变影响较大 ，金属板距离模拟器越远影 响越小 ，金属板面积越 大影 响越大 。仿真分析的结果可以为有界 波 模拟系统的优化设计提供依据。 Fra Baidu bibliotek关键词 ：有界波模拟器 ；畸变因素 ；瞬态 电场 ；特征 阻抗 中图分 类号 ：ＴＭ７４３ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１０００－９７８７（２０１８）０２－００７６－０４
２．Ａ ｎｈｕｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｈ ｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ； ３．Ａ ｖｉａｔｉｏｎ Ｋ ｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｈ ｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｍ ａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，
Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ（ＥＭＰ）
ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ ＥＭ Ｐ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｆｏｕｎｄｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｂｏｕｎｄｅｄ—ｗａｖｅ ＥＭＰ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍ ｐｌｅ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉＳ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｅｌｅｅｔｒｉｅ ｆ ｉｅｌｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｒｅａ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｅａｔｅｓ ｔｈａｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｉｎｃｉｄｅ ｔｏ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｃｏｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉＳ ｖｅｒｉｆ ｉｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｒａｒｅｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｏｎ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆ ｏｒｍ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｂｕｔ ｇｒｏｕｎｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｆｆｅｃｔ ｇｒｅａｔｌｙ；Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｈａｖｅ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆｏｒｎｌ ｄｉｓｔｏｒ ｔｉｏｎ．Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｍｅｔａｌ ｐｌａｔｅ ｏｎｓｉｄｅ，ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ｇｒ ｅａｔ．Ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｍｅｔａ ｌ ｐｌａｔｅ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｓｍａ ｌｌｅｒ ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｉｓ；ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｎｆｌ ｕｅｎｃｅ ｉＳ．Ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂｏｕｎｄｅｄ—ｗａｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｂｏｕｎｄｅｄ—ｗａｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ｄｉｓｔｏｒ ｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃｆ ｉｅｌｄ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ
Ｗ ａｖｅｆｏｒｍ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ
ｂｏｕｎｄｅｄ．ｗａｖｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｏｒ
ＤＵＡＮ Ｚｅ．ｍｉｎ ， ，ＨＡＯ Ｆｅｎｇ－ｚｈｕ ．ＺＨＡＮＧ Ｓｏｎｇ ， ．ＺＨＵ Ｂｏ 。ＹＡＯ Ｚｈｉ．ｃｈｅｎｇ。 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ；
传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
２０１８年 第 ３７卷 第 ２期
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１８）０２－００７６－０４
有界 波模 拟 器 波 形 仿 真 与 实 验研 究
段 泽 民 ，郝 凤柱 ，张 松 ， ，朱 博 ，姚 志成。
０ 引 言 评估 电子 电气设备／系统 电磁脉 冲的敏感度 ，研究 电磁
（１．合肥 工 业大 学 电气 与 自动 化 工 程 学 院 ，安 徽 合 肥 ２３０００９； ２．安徽省飞机雷 电防护省级实验室 ，安徽 合肥 ２３００３１；
３．强 电磁 环 境 防 护 技 术 航 空 科技 重 点 实验 室 ，安徽 合 肥 ２３００３１）
摘 要 ：以传输线 型有界波 电磁脉冲模拟器为研究对象 ，分析脉冲波形 畸变因素 ，分别对 电磁脉 冲模拟器 及其等效电路进行 了建模仿 真分析 ，并使用 瞬态 电磁 脉冲测量系统测试 实验 区域 电场 波形 。实验与仿 真 结果表明 ：仿真结果与实验结果吻合较好 ，验证 了仿真模 型的正确性 与有效性 。分 布电感 对 脉 冲波形 的畸变影响很 小 ，而对地电容值 Ｃ 的变化对脉 冲波形 的畸变影响很大 ，传 输线特征 阻抗 与终端 阻抗匹配 情况直接影响着脉冲波形 的畸变 ，匹配越差 ，脉冲畸变越大 。模拟器外 围金属板处于其 侧面时 ，对波形 畸 变影响较大 ，金属板距离模拟器越远影 响越小 ，金属板面积越 大影 响越大 。仿真分析的结果可以为有界 波 模拟系统的优化设计提供依据。 Fra Baidu bibliotek关键词 ：有界波模拟器 ；畸变因素 ；瞬态 电场 ；特征 阻抗 中图分 类号 ：ＴＭ７４３ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１０００－９７８７（２０１８）０２－００７６－０４
２．Ａ ｎｈｕｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｈ ｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ； ３．Ａ ｖｉａｔｉｏｎ Ｋ ｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｈ ｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｍ ａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，
Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ（ＥＭＰ）
ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ ＥＭ Ｐ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｆｏｕｎｄｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｂｏｕｎｄｅｄ—ｗａｖｅ ＥＭＰ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍ ｐｌｅ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉＳ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｅｌｅｅｔｒｉｅ ｆ ｉｅｌｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｒｅａ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｅａｔｅｓ ｔｈａｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｉｎｃｉｄｅ ｔｏ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｃｏｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉＳ ｖｅｒｉｆ ｉｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｒａｒｅｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｏｎ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆ ｏｒｍ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｂｕｔ ｇｒｏｕｎｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｆｆｅｃｔ ｇｒｅａｔｌｙ；Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｈａｖｅ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆｏｒｎｌ ｄｉｓｔｏｒ ｔｉｏｎ．Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｍｅｔａｌ ｐｌａｔｅ ｏｎｓｉｄｅ，ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｍｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ｇｒ ｅａｔ．Ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｍｅｔａ ｌ ｐｌａｔｅ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｓｍａ ｌｌｅｒ ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｉｓ；ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｎｆｌ ｕｅｎｃｅ ｉＳ．Ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂｏｕｎｄｅｄ—ｗａｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｂｏｕｎｄｅｄ—ｗａｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ｄｉｓｔｏｒ ｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃｆ ｉｅｌｄ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ
Ｗ ａｖｅｆｏｒｍ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ
ｂｏｕｎｄｅｄ．ｗａｖｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｏｒ
ＤＵＡＮ Ｚｅ．ｍｉｎ ， ，ＨＡＯ Ｆｅｎｇ－ｚｈｕ ．ＺＨＡＮＧ Ｓｏｎｇ ， ．ＺＨＵ Ｂｏ 。ＹＡＯ Ｚｈｉ．ｃｈｅｎｇ。 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ；