基于网拍天线的抗辐照电场传感器研制_刘驰骋.pdf

技术专栏592023 年第 1 期 安全与电磁兼容0引言瞬态电离辐射能激励强电磁脉冲。这类电磁脉冲环境峰值场强高、频谱范围宽、作用范围广，有时与瞬态电离辐射同时存在1。所以测量这种电磁脉冲的设备要有抗辐照能力。激光惯性约束聚变装置等大科学装置的物理过程中也存在类似的瞬态强电磁脉冲，可能造成设备失效、数据丢失甚至控制设备死机等问题2。为了保护设备不受损坏并提供环境检测手段，需要对瞬态强电磁脉冲场进行准确测量。高功率电磁环境能够严重干扰或破坏信息电子设备，人为制造高功率电磁环境可以对车联网、物联网等新一代信息系统构成潜在威胁3。为提高装备抗电磁干扰的能力，需要对有意电磁干扰的电场进行准确测量。综上所述，研制性能优越的电场传感器，准确测量待测电场十分重要。且激光惯性约束聚变装置等大科学装置中有电磁脉冲与 X 射线、射线、电子等，这种环境会在电场传感器上造成较大的干扰电流，产生误差。所摘 要：为了在强辐照环境下准确测量电场，研制了一种基于网拍天线的抗辐照电场传感器。在测量原理的基础上利用 CST 软件对其频响特性等关键性能进行仿真，得到网拍天线性能与平行板电场传感器接近、网拍天线尺寸应该控制在厘米量级等结论；利用 MCNP5 软件计算其抗辐照性能，得到网拍天线有较强抗辐照能力等结论；在仿真的指导下自行设计并制作了两版网拍天线，经过校准能够较好地测量电场，可为抗辐照电场传感器的发展提供帮助。关键词：网拍天线；抗辐照；传感器校准引用格式:刘驰骋，张茂兴，冯博伦,等.基于网拍天线的抗辐照电场传感器研制 J.安全与电磁兼容,2023(1):59-65.LiuChicheng,ZhangMaoxing,FengBolun,etal.ResearchonAnti-irradiationElectricFieldSensorBasedonParallelMeshDipoleSensorJ.SAFETY&EMC,2023(1):59-65.(inChinese)Abstract：Inordertoaccuratelymeasuretheelectricfieldinthestrongradiationenvironment,thispaperdevelopedananti-irradiationelectricfieldsensorbasedonparallelmeshdipolesensor.Basedonthemeasurementprinciple,theCSTsoftwareisusedtosimulateitskeyperformance,andtheconclusionisdrawnthattheperformanceoftheparallelmeshdipolesensorisclosetothatoftheparallelplateelectricfieldsensor,andthesizeoftheparallelmeshdipolesensorshouldbecontrolledatthecentimeterlevel;UsingMCNP5softwaretocalculateitsradiationresistance,itisconcludedthattheparallelmeshdipolesensorhasstronganti-irradiationability;Undertheguidanceofthesimulation,wedesignedtheparallelmeshdipolesensorwhichcanmeasuretheelectricfieldwellaftercalibration,whichprovidedhelpforthedevelopmentofanti-irradiationelectricfieldsensor.Keywords：parallelmeshdipolesensor;radiationhardening;calibration基于网拍天线的抗辐照电场传感器研制ResearchonAnti-irradiationElectricFieldSensorBasedonParallelMeshDipoleSensor清华大学工程物理系 刘驰骋 张茂兴 冯博伦 孟萃以需要研制能够抗辐照的电场传感器。网拍天线是一种抗辐照电场传感器。它的大致结构与平行板电场传感器4类似，但极板是网栅结构。1973 年，F.B.Brumley 等用铜和聚乙烯制作了一个网拍天线，分析了它的等效电路，计算了电场分布并实验校准5。1978 年，C.Baum 等总结了网拍天线的特点和 需求6。2012 年，西北核技术研究所的赵墨等应用网拍天线和差分装置设计了一套脉冲电场测量系统，并得到网拍天线幅度响应曲线，该网拍天线的校准曲线基本上是直线7。2017 年，中国工程物理研究院电子工程研究所的罗学金利用网拍天线测量了小腔体内的内电磁脉冲，在强 射线和 X 射线辐照的环境下顺利得到了小腔体内的电场波形8。1网拍天线原理与 CST 仿真1.1 网拍天线原理网拍天线有两个相互平行的极板，当电场 E 垂直Technical Column60SAFETY&EMC No.1 2023于网拍天线极板向下时，上极板与下极板间的电势差 U与电场强度大小 E、两极板间距 d 应该有如下关系：U=Ed （1）如果在两极板间接上负载，则负载两端的电压与两极板间的电场 E 有对应关系。如果能够测量得到负载两端的电压，通过合适的数据处理手段，就能得到待测的电场强度信息。图 1 为网拍天线的原理图。可见网拍天线与平行板电场传感器的结构和原理相似6，但与平行板电场传感器相比，网拍天线的极板不是平板，而是类似于网球拍的、中间有大孔隙的网栅结构。由于网栅结构的存在，辐照到两个极板上的光子、电子等射线数量相近、分布均匀，产生的次级效应和共模信号输出相近，有利于消除共模信号。此外，极板暴露在辐照中的面积小，使极板材料上电子的发射和收集尽可能地减少。从而相比于平行板电场传感器提高了抗辐照性能。网拍天线的两个极板类似于平行板电容器，构成一个电容。图 1 的等效电路如图 2 所示。其中网拍天线可以等效为电压源 U 和电容 C 的串联，C 一般小于 0.1 nF，R 是 负 载。令 U(s)、E(s)、UO(s)分 别 是 U(t)、E(t)、UO(t)的拉普拉斯变换。则可以得到：U(t)=E(t)d （2）U(s)=E(s)d （3）()()o1sRCUsU ssRC=+（4）当 s 和 R 的取值满足 sRC 1 时，式（4）可化简为：Uo(s)=U(s)sRC （5）所以当 sRC 1 时，输出信号 Uo(t)是被测信号U(t)的微分信号。所以上限频率应为：H1fRC=（6）网拍天线电容 C 一般略大于 1 pF，如果 R 为 50，则其上限频率大于 1 GHz，频带宽度足够，满足测量 需求。1.2 网拍天线 CST 仿真利用电磁仿真软件 CST 工作室研究网拍天线的频响特性等关键指标。1.2.1 CST 仿真模型建立在 CST 中建立的网拍天线仿真模型如图 3 所示。其中网拍天线材料特性设置为铝，上下两极板栅网完全对称。两极板间的负载为 50，仿真测量负载电压，并将负载电压波形与入射电场波形比较。入射的电磁波为均匀平面波，电场方向垂直极板。因为高斯脉冲频率成分相对集中，频响幅值大，能很好地抑制主峰旁的小峰，所以采用的主要入射电场波形为高斯脉冲。1.2.2 平板极板和网拍极板的特性对比除了网拍天线的两极板是网栅结构而平行板电场传感器的两极板为平板外，二者的结构几乎相同。平行板电场传感器是实践证明的性能优越的电场传感器6，如果在 CST 仿真中能够证明网拍天线和平行板电场传感器的频响特性等关键指标相似，则说明网拍天线也是性能足够的电场传感器。对比半径 16 mm、间距 5 mm 的极板分别为平板和网拍的电场传感器。它们所接的负载为 50，入射电场是高斯脉冲，最大电场强度为 200 V/m。观察它们的输出。所求的平行板电场传感器和网拍天线的 CST 模型如图 4 所示。当入射电场均为上限频率 0.01 GHz 的高斯脉冲时，极板为平板和极板为网拍时的输出和重建结果如图 5 所示，包括归一化后的原始波形、归一化后的输出信号积图 1 网拍天线原理图图 2 网拍天线等效电路图 3 网拍天线 CST 仿真模型（a）平行板电场传感器 （b）网拍天线线模型图 4 相同条件下的平行板电场传感器和网拍天线模型技术专栏612023 年第 1 期 安全与电磁兼容分波形、输出信号波形。此情况下平行板电场传感器和网拍天线的输出信号积分波形如图6所示。由图6可知，平行板电场传感器、网拍天线的输出信号都是入射电场信号的微分信号，输出信号归一化后的积分波形形状和原始波形非常接近，且平行板电场传感器与网拍天线的输出信号积分波形很相似。改变入射高斯脉冲电场的上限频率，按照同样的方法继续仿真多次之后，得到以下结论：（1）极板形状是网拍或平板在现有条件下对输出结果的影响不大。极板为平板时最高可以测量上限频率为 4.8 GHz 的高斯脉冲；极板为网拍时最高可以测量上限频率为 5 GHz 的高斯脉冲。入射电场上限频率为 0.01 GHz 时输出积分波形与原始波形均接近重合，随着入射电场上限频率的增大，输出积分波形与原始波形均开始出现分离。（2）网拍天线与平行板电场传感器输出结果相近，说明可以利用网拍天线测量电场强度，且可以测量的上限频率都大于 1 GHz，能够满足测量高功率电场的带宽要求。所以网拍天线可用作电场传感器。1.2.3 几何因素对网拍天线测量结果的影响各种几何因素，如网拍天线两极板间距、极板面积等因素都可能对网拍天线的输出特性产生影响。采用控制变量法，按照 1.2.2 节中的方法，使用 CST 仿真软件，研究各种几何因素对网拍天线输出特性的影响。1.2.3.1 极板间距网拍天线两极板间的电势差 U 与电场强度大小 E、两极板间距 d 的关系如式（1）所示，所以两极板间距d 增大后的输出幅度将增大。且由于平行板电容器电容C 与两极板间距 d 成反比，所以当两极板间距增大时平行板电容器的电容将减小，这同样会影响输出的幅度和相位。所以有必要利用 CST 仿真软件对不同极板间距下的网拍天线的输出进行研究。入射高斯脉冲电场上限频率为 1 GHz、网拍天线极板半径为 16 mm、极板间距为 2.5 mm、5 mm、30 mm 的网拍天线的响应如图 7 所示。进行多组仿真，可以得到以下结论：第一，极板间距增大，网拍天线两极板电势差增大，电容减小，输出的积分波形幅度增大，天线的上限频率增大；第二，当极板间距较大时输出波形将会有明显的振荡，不适合测量。在图 7 入射高斯脉冲电场上限频率 1 GHz、网拍天线极板半径 16 mm 的情况中，改变极板间距，进行多组仿真。综合观察多组仿真结果可知，两极板间距大于10 mm 时积分波形尾部即会有较为明显的振荡，说明设计半径为 16 mm 的网拍天线时应该保证两极板间距不超过 10 mm。1.2.3.2 极板面积平行板电容器的电容和极板面积成正比，所以当两极板面积增大时平行板电容器的电容将增大，这同样会影响输出的幅度和相位。进行多组仿真，可以得到以下结论：第一，极板面积增大，网拍天线两极板电容增大，输出的积分波形幅度增大，天线的上限频率减小。且由 2.4 节的抗辐照性能计算可知，网拍天线极板面积增大时抗辐照性能将减小。所以在设计网拍天线时极板面积不宜过大。第二，相对于平行板电场传感器，网拍天线极板面积更小，上限频率更高。这既与 1.2.2 节网拍天线和平行板电场传感器分别最高可测量上限频率为5 GHz 和 4.8 GHz 的高斯脉冲的仿真结果相吻合，也说（b）网拍天线（a）平行板电场传感器图 5 输入上限频率 0.01GHz 的高斯脉冲时平板极板和网拍极板的响应图 6 平行板电场传感器与网拍天线的输出信号积分波形Technical Column62SAFETY