Y形结构垂直极化电磁脉冲模拟器特性阻抗.pdf

Y形结构垂直极化电磁脉冲模拟器特性阻抗朱程儒1,2,王绍飞1,2,吴 刚1,谢彦召2(1.强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室,西安7 1 0 0 2 4;2.西安交通大学 电气工程学院,西安7 1 0 0 4 9)摘 要:提出了一种基于时域反射原理的Y形结构垂直极化电磁脉冲模拟器特性阻抗仿真计算方法,基于仿真结果对耦合微带线特性阻抗公式进行了修正,给出了Y形电磁脉冲模拟器特性阻抗的计算公式。在C S T微波工作室建立了耦合微带线的时域反射模型,研究了特性阻抗与线宽w、双线间距s、线地间距h及微带线下极板尺寸的关系。研究结果表明,下极板边缘效应和双线耦合效应均会对耦合微带线的特性阻抗产生影响。结合仿真结果,给出了考虑边缘效应和双线耦合效应的实际Y形模拟器特性阻抗的修正计算公式,计算结果和测量结果的偏差在合理范围内。可为此类电磁脉冲模拟器的设计优化及工作特性研究提供参考。关键词:Y形电磁脉冲模拟器;时域反射;特性阻抗;耦合效应;解析修正中图分类号:T N 0 1 1;O 4 4 1文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 5 0 4收稿日期:2 0 2 2 1 2 0 8;修回日期:2 0 2 3 0 1 1 8基金项目:强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室基金资助项目(S K L I P R 2 0 0 3)通信作者:王绍飞(1 9 8 9-),男,河南新郑人,副教授,博士,主要从事强电磁脉冲技术研究。E-m a i l:s f w a n g 2 0 1 9x j t u.e d u.c nC h a r a c t e r i s t i c I m p e d a n c e o f Y-S h a p e d V e r t i c a l P o l a r i z a t i o nE l e c t r o m a g n e t i c P u l s e S i m u l a t o rZ HU C h e n g r u1 2 WANG S h a o f e i1 2 WU G a n g1 X I E Y a n z h a o2 1 N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f I n t e n s e P u l s e d R a d i a t i o n S i m u l a t i o n a n d E f f e c t X i a n 7 1 0 0 2 4 C h i n a 2 S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 4 9 C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n t i m e d o m a i n r e f l e c t i o n t h e o r y a s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n m e t h o d o f c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f Y-s h a p e d v e r t i c a l p o l a r i z a t i o n e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e s i m u l a t o r Y-V EMP S i s p r o p o s e d A m o d i f i c a t i o n i s a p p l i e d t o t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f c o u p l e d m i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o n l i n e b a s e d o n t h e s i m u l a t i o n r e s u l t a n d a n e w f o r m u l a o f t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f Y-V EMP S i s g i v e n W i t h C S T m i c r o w a v e s t u d i o a s i m u l a t i o n m o d e l o f c o u p l e d m i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o n l i n e i s e s t a b l i s h e d t o s t u d y t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e w i t h t h e l i n e w i d t h w d i s t a n c e s b e t w e e n t w o l i n e s d i s t a n c e h b e t w e e n l i n e s a n d g r o u n d a s w e l l a s t h e s i z e o f t h e b o t t o m e l e c t r o d e p l a t e o f m i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o n l i n e s I t s h o w s t h a t b o t h t h e b o t t o m p l a t e e d g e e f f e c t a n d t h e b i l i n e a r c o u p l i n g e f f e c t w i l l a f f e c t t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f t h e c o u p l e d m i c r o s t r i p l i n e C o m b i n e d w i t h 1-405020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s t h e m o d i f i e d c a l c u l a t i o n f o r m u l a o f t h e c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e o f t h e a c t u a l Y-s h a p e d s i m u l a t o r c o n s i d e r i n g t h e e d g e e f f e c t a n d t h e b i l i n e a r c o u p l i n g e f f e c t i s g i v e n T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e c a l c u l a t e d a n d m e a s u r e d r e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h i s m o d i f i e d f o r m u l a i s w i t h i n a r e a s o n a b l e r a n g e l a y i n g t h e f o u n d a t i o n f o r t h e d e s i g n o p t i m i z a t i o n a n d w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s r e s e a r c h o f s u c h e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e s i m u l a t o r s K e y w o r d s Y-s h a p e d e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e s i m u l a t o r t i m e d o m a i n r e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e c o u p l i n g e f f e c t a n a l y t i c m o d i f i c a t i o n 高空电磁脉冲(h i g h-a l t i t u d e e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e,HEMP)模拟器广泛应用于HEMP对系统和设备的影响研究,其中有界波模拟器研究较为成熟。近期国内外对有界波模拟器的研究主要集中在脉冲源的研制、优化和自动控制13、模拟器传输线栅等结构优化45、模拟空间场分布特性68、外泄场的规律及屏蔽91 2等方面。鉴于有界波模拟器工作空间有限,无法满足飞机等大型系统或设备的垂直极化电磁脉冲效应实验需求,因此亟需研发具备大空间的新型电磁脉冲模拟器。Y形结构垂直极化电磁脉冲模拟器(Y-s h a p e d v e r t i c a l p o l a r i z a t i o n e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e s i m u l a t o r,Y-V EMP S)是一种有利于飞机等大型设备进出的末端开放模拟器,是大型垂直极化电磁脉冲模拟器的可能发展方向之一。模拟器传输线特性阻抗计算的准确度关乎阻抗匹配的设计,进而影响工作区域电磁场的波形1 3。Y-V EMP S与经典有界波模拟器最大的不同是上极板的分叉结构,这为设计模拟器和脉冲源的关键参数特性阻抗的计算带来了新的问题。现有的耦合微带线特性阻抗计算公式用于计算Y形模拟器特性阻抗时,未考虑下极板有限宽度的边缘效应而带来的偏差。因此,本文利用时域反射法1 4对Y-V EMP S传输线特性阻抗进行仿真计算,并对耦合微带线特性阻抗公式进行了修正,给出了实际大型Y形垂直极化有界波模拟器的特性阻抗计算公式。使用此修正公式设计Y-V EMP S的线宽及双线间距等参数,并检验修正公式的准确性,为模拟器的设计优化和空间电磁场特性研究奠定了基础。1 Y-V EMP S特性阻抗仿真计算方法图1为Y-V EMP S结构示意图。Y-V EMP S工作区域在两组从源引出的传输线和下极板之间,传输线所在平面和下极板存在一定夹角。Y-V EMP S横截面如图2所示。上极板为双线结构,线宽w,双线间距s和线地间距h三者的比例沿模拟器长度方向保持不变,U为下极板宽度。图1 Y-V EM P S结构示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f Y-V EMP S s t r u c t u r e图2 Y-V EM P S横截面F i g.2 C r o s s-s e c t i o n o f Y-V EM P S由图2可见,Y-V EMP S横截面与耦合微带线结构相似,电场线和电势分布基本一致。因此,可用C S T微波工作室建立类似耦合微带线模型(下极板宽度有限),仿真研究Y