垂直极化EMP辐射波模拟器辐射场的计算模型及其构建方法与流程

本发明涉及一种垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的计算模型，具体为“辐射场满足iec-61000-4-25标准”的一种“与峰化电容器一体化”的垂直极化电磁脉辐射波冲模拟器辐射场计算模型及其构建方法。

背景技术：

垂直极化电磁脉冲(electromagneticspulse,emp)辐射波模拟器(朱湘琴等人发表在《计算物理》期刊2019年第36卷第349-356页，“离散电阻加载的大型垂直极化emp辐射波模拟器的并行fdtd模拟”；blackburnrf等人发表在“ieeetran.onelectromagneticcompatibility”期刊1978年第emc-20卷第240-247页“ontheelectromagneticfieldsfromahybridtypeofempsimulator”)由于能为emp效应及加固措施提供垂直极化的电磁脉冲环境而得到广泛的研究。在垂直极化emp辐射波模拟器的工程实施中，模拟器的馈电部分通常采用一级或二级脉冲压缩技术方案，峰化电容器是脉冲压缩的关键器件之一。考虑到峰化电容器的耐压需求，及为减小放电过程中的放电回路的电感，同时减少单锥天线的不连续段，通常将含有多层薄膜结构的同轴型峰化电容器与单锥天线进行一体化设计(baileyv等人发表在“ieeetrans.plasmascience”期刊2010年第38卷第2555-2556页，“a6-mvpulsertodrivehorizontallypolarizedempsimulators”)。目前，针对这种“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的理论模拟研究中，主要采用“理想导通柱”代替“输出开关”的计算模型(朱湘琴等人发表在《现代应用物理》期刊2020年第11卷第030501-8页，“含有峰化电容器的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的初步模拟研究”；chenzq等人发表在2019ieee2ndinternationalconferenceonelectronicinformationandcommunicationtechnology(iceict2019)会议上的论文“influenceofthepeakingcapacitorwithdifferentinnercoreontheradiating-fieldofabiconicalantenna”)。但根据朱湘琴等人及chenzq等人给出的初步计算模型，即令导通柱的导通延迟时间与激励源达到峰值的时间一致、并令导通柱的电导率在1ns之内线性增长到理想金属导体的电导率(约3.7×10¹⁰s/m)，则计算得到的模拟器辐射场的半高宽及上升沿均不满足iec-61000-4-25标准(electromagneticcompatibility(emc)-part4-23:testingandmeasurementtechniques-testmethodsforprotectivedevicesforhempandotherradiateddisturbances,iec61000-4-25:31,2001)所提出半高宽“(23±5)ns”、上升沿“(2.5±0.5)ns”的技术指标要求，且计算得到的辐射场的时域波形峰值之后会出现明显的振荡叠加现象(朱湘琴等人发表在《现代应用物理》期刊2020年第11卷第030501-8页，“含有峰化电容器的垂直极化empemp辐射波模拟器辐射场的初步模拟研究”的图5；chenzq等人发表在2019ieee2ndinternationalconferenceonelectronicinformationandcommunicationtechnology(iceict2019)会议上的论文“influenceofthepeakingcapacitorwithdifferentinnercoreontheradiating-fieldofabiconicalantenna”的图6)。此外，辐射场的时域波形还可能会出现明显的“双峰”现象(chenzq等人发表在2019ieee2ndinternationalconferenceonelectronicinformationandcommunicationtechnology(iceict2019)会议上的论文“influenceofthepeakingcapacitorwithdifferentinnercoreontheradiating-fieldofabiconicalantenna”的图6)。因此，有必要对朱湘琴等人及chenzq等人提出的初步计算模型进行改进。但目前为止，国内外也没有相关的报道。

而基于目前对“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的计算模型的研究，本领域技术人员通常是在原有计算模型的基础上，通过调整导通柱的导通延迟时间及导通柱的电导率在一定时间内线性增长到理想金属导体电导率(约3.7×10¹⁰s/m)的方式来进行计算模型的改进。但是得到的模拟器辐射场的半高宽与上升沿还是不能同时满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”技术指标要求；且也无法避免“计算得到的模拟器辐射场的时域波形在峰值之后出现的明显的振荡叠加现象”及“计算得到的辐射场的时域波形可能出现的‘双峰’现象”。

技术实现要素：

本发明的目的是提供“辐射场满足iec-61000-4-25标准”的一种“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场计算模型及其构建方法，解决通过“现有的初步计算模型”计算得到模拟器辐射场的半高宽及上升沿均不满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”技术指标问题，同时解决通过“现有的初步计算模型”计算得到模拟器辐射场的时域波形在峰值之后出现的明显的振荡叠加现象、及计算得到模拟器辐射场的时域波形可能出现的明显的“双峰”现象。本发明主要对计算模型中导通柱参数进行设计，采用合适的导通柱导通延迟时间及合适的导通柱电导率变化表达式，使得当采用本发明计算模型计算时，计算得到的模拟器辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”的技术指标要求，且计算得到的模拟器辐射场的时域波形在峰值之后不出现振荡叠加现象、辐射场的时域波形也不出现“双峰”现象，从而达到了有效计算“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的效果。

本发明的构思是：

考虑到实际实验模型中影响模拟器辐射场半高宽及上升沿的主要因素为输出开关开始放电的时间及输出开关导通过程所用的时间，同时考虑到“模拟计算时导通柱的电导率在小于10²量级范围内取值时，导通柱的导通性能才可能与理想金属导体有明显区别”，本发明令导通柱的导通延迟时间与“从激励源平面出发直接到达模拟器尖端导通柱处”的“与电压源波形相同”的电磁波达到峰值的时间基本一致，并采用导通柱的电导率在“满足iec-61000-4-25标准所提出的上升沿“(2.5±0.5)ns”的技术指标所对应的最快上升沿2.0ns”时间范围内，线性增长到10²量级的电导率表达式。

与朱湘琴等人及chenzq等人提出的初步计算模型的模拟结果相比，本发明在没有增加计算量的基础上，使得模拟器辐射场的半高宽和上升沿分别约为18ns～19ns及2.2ns左右，确保模拟器辐射场的半高宽和上升沿同时满足iec-61000-4-25标准所提出的技术指标要求，同时确保“计算得到的模拟器辐射场的时域波形在峰值之后不出现明显的振荡叠加现象”及“计算得到的辐射场的时域波形不出现‘双峰’现象”。

本发明的技术方案是提供“辐射场满足iec-61000-4-25标准”的一种垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的计算模型，上述垂直极化emp辐射波模拟器与峰化电容器为一体化设计；

其特殊之处在于：包括单锥、与单锥一体化的含有多层薄膜结构的同轴型峰化电容器、位于单锥尖端下方无限大的金属底板、位于单锥尖端与金属底板之间且与金属底板垂直的导通柱及设置在单锥内部且位于同轴型峰化电容器上方的激励源平面；

其中：

激励源平面用于加载电压源，该电压源的时域波形(简称电压源波形)由整个“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的等效电路仿真得到，且在该仿真过程中，设置该垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”的技术指标要求；

导通柱用于代替输出开关，导通柱的导通延迟时间td与“从激励源平面出发直接到达单锥尖端导通柱处”的“与电压源波形相同”的电磁波达到峰值的时间一致；

导通柱的电导率模型σ(t)满足：在iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场最快上升沿所对应的时间2.0ns范围内，导通柱的电导率线性增长到10²量级。

进一步地，导通柱的导通延迟时间td由加载在激励源平面上电压源波形到达峰值的时间tv及激励源平面与金属底板的间距hs所决定：

即td＝tv+tq+a，其中，tq＝hs/c，c为真空中的光速；a为误差参数，可取为0～0.5ns。

进一步地，导通柱的电导率模型σ(t)为：

式中，t为计算时间，其初始值与在激励源平面上加载电压源的初始时刻相同；tr为iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的最快上升沿所对应的时间2.0ns，t、td与tr的单位均为ns；k＝(6.2ns/tr)+b，b为误差参数，b可取为0～0.1，k的单位为s/m。

本发明还提供一种上述垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的计算模型的构建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、确定计算模型结构；

步骤1.1、设计算模型由单锥、与单锥一体化的含有多层薄膜结构的同轴型峰化电容器、位于单锥尖端下方无限大的金属底板及位于单锥尖端与金属底板之间且与金属底板垂直的导通柱所构成；

步骤1.2、在单锥内部且位于同轴型峰化电容器的上方，设置一个激励源平面，该激励源平面与金属底板的间距为hs；

步骤2、确定计算模型设计参数：

该计算模型中，使用导通柱模型代替输出开关，并引入了导通柱的导通延迟时间td，实现对实验中输出开关导通前及导通后放电过程的模拟。其中，导通延迟时间td由加载在激励源平面上的电压源波形到达峰值的时间tv及激励源平面与金属底板的间距hs所决定，导通柱的电导率σ随时间变化。

具体参数确定过程如下：

步骤2.1、加载在激励源平面上的电压源波形，由整个“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的等效电路仿真得到，且在仿真过程中，设置该垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”技术指标要求；

步骤2.2、为使得“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的半高宽满足技术指标要求，导通柱的导通延迟时间td与“从激励源平面出发直接到达单锥尖端导通柱处”的“与电压源波形相同”的电磁波达到峰值的时间一致；

为使得“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的上升沿至少为tr，其中tr为iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的最快上升沿所对应的时间2.0ns，导通柱的电导率模型σ(t)满足：在iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场最快上升沿所对应的时间(tr＝2.0ns)范围内，导通柱的电导率线性增长到10²量级。

进一步地，步骤2.2中：设置导通柱的导通延迟时间td约为“加载在激励源平面上的电压源波形到达峰值的时间tv”与“该电压源从激励源平面出发最快到达导通柱所需的时间tq”之和，即td＝tv+tq+a，其中，tq＝hs/c，c为真空中的光速；a为误差参数，可取为0～0.5ns。

进一步地，步骤2.2中：令导通柱的电导率模型为导通柱的电导率模型σ(t)为：

式中，t为计算时间，其初始值与在激励源平面上加载电压源的初始时刻相同；tr为iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的最快上升沿所对应的时间2.0ns；t、td与tr的单位均为ns；k＝(6.2ns/tr)+b，b为误差参数，b可取为0～0.1，k的单位为s/m。

采用上述“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的计算模型进行计算，得到的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的半高宽和上升沿同时满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”技术指标要求，且辐射场的时域波形在峰值之后不出现明显的振荡叠加现象、辐射场的时域波形不出现“双峰”现象。

本发明的有益效果为：

(1)采用“加载在激励源平面上的电压源波形到达峰值的时间”与“该电压源从激励源平面出发最快到达导通柱所需的时间”来共同决定计算模型中导通柱的导通延迟时间，不仅使得辐射场的半高宽满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”技术指标要求，而且使得“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场不出现“双峰”现象。

(2)通过导通柱电导率的特殊模型设计，使得“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的上升沿满足iec-61000-4-25标准所提出的“(2.5±0.5)ns”技术指标要求。

(3)与过去的计算模型相比，本发明同时考虑了导通柱的导通延迟时间及导通柱的电导率对“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的影响，因此根据本发明模拟得到的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场，不仅其半高宽和上升沿同时满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”技术指标要求，而且辐射场的时域波形在峰值之后没有出现明显的振荡叠加现象，辐射场的时域波形也没有出现“双峰”现象。

(4)本发明所述计算模型的构建方法不受构成“与单锥一体化”的峰化电容器的绝缘介质薄膜总层数的影响。

(5)根据本发明的原理，可以预期当“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的尺寸参数变化时，本发明同样适用。

附图说明

图1是本发明“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的计算模型结构示意图。

图中，1-单锥(也可称“单圆锥”)，2-多层绝缘介质薄膜，3-同轴型峰化电容器，4-金属底板，5-激励源平面，6-导通柱，h为构成模拟器单锥的高度；αc为单锥的半锥角；hs为激励源平面的高度。

图2是本发明实施例中为使得模拟器辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”技术指标要求而加载在激励源平面上电压源的时域波形，由整个“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的等效电路仿真得到。

图3(a)是“构成同轴型峰化电容器的绝缘介质薄膜的总层数为18层”时本发明实施中与朱湘琴等人及chenzq等人的初步计算模型模拟得到的a点(6.5,0,0)m电场z分量时域波形的对比。

图3(b)是“构成同轴型峰化电容器的绝缘介质薄膜的总层数为18层”时本发明实施例与朱湘琴等人及chenzq等人的初步计算模型模拟得到的b点(9,0,0)m电场z分量时域波形的对比。

图4是“构成同轴型峰化电容器的绝缘介质薄膜的总层数为13层”时本发明实施例得到的测点a点(6.5,0,0)m和b点(9,0,0)m电场z分量时域波形。

具体实施方式

为了使得计算得到的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”技术指标要求、辐射场的时域波形在峰值之后不出现明显的振荡叠加现象、且辐射场的时域波形不出现“双峰”现象，在确保模型计算量不增加的情况下，本发明采用了特殊的计算模型，包括特定的导通柱导通延迟时间及对应的导通柱电导率模型。下面结合附图，通过实施例对本发明进一步说明。

本实施例中，设“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的计算模型结构主要由单锥1、“与单锥一体化”且包含多层绝缘介质薄膜2的同轴型峰化电容器3、及无限大金属底板4所构成。在单锥1的内部且位于同轴型峰化电容器3的上方，设置了一个激励源平面5。在单锥1的尖端与金属底板4之间设有“与金属底板4垂直”的导通柱6。图1给出了该计算模型的示意图。图中，构成模拟器的单锥1的高度h＝7.200m；单锥1的半锥角αc＝32°；构成同轴型峰化电容器的绝缘介质薄膜2的总层数为18层或者13层；激励源平面5的高度hs＝2.063m。图2是本发明实施例中为使得模拟器辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”的技术指标要求而加载在激励源平面上电压源的时域波形，由整个电磁脉冲模拟器的等效电路仿真得到；该激励源的上升沿约为34.670ns，峰值对应的时间为49.662ns。导通柱的导通延迟时间td与“从激励源平面出发直接到达单锥尖端导通柱处”的“与电压源的时域波形相同”的电磁波达到峰值的时间一致；导通柱的电导率模型σ(t)满足：在iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场最快上升沿所对应的时间2.0ns范围内，导通柱的电导率线性增长到10²量级。

计算模型的具体构建过程如下：

(1)设“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器的计算模型由“与峰化电容器一体化”的单锥及位于单锥下方无限大的金属底板所构成。

(2)该计算模型中，在单锥内部且位于峰化电容器的上方，设置了一个激励源平面，该激励源平面与金属底板的间距hs＝2.063m。加载在该激励源平面上的电压源的时域波形如图2所示，该时域波形通过整个电磁脉冲模拟器的等效电路仿真得到，且等效电路仿真时设置了辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出的“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”的技术指标要求。此时，要求模拟器的辐射场的上升沿至少为2.0ns。

(3)该计算模型中，使用位于“单锥尖端与其下方的金属底板之间”且与金属底板垂直的导通柱模型代替输出开关，并引入了导通柱的导通延迟时间td，实现对实验中输出开关导通前及导通后放电过程的模拟。其中，导通柱的导通延迟时间td与“从激励源平面出发直接到达单锥尖端导通柱处”的“与电压源的时域波形相同”的电磁波达到峰值的时间一致，即td由加载在激励源平面上电压源的时域波形到达峰值的时间tv及激励源平面与金属底板的间距hs所决定；导通柱的电导率σ随时间变化，电导率模型σ(t)需满足：在iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场最快上升沿所对应的时间2.0ns范围内，导通柱的电导率线性增长到10²量级。

本实施例中具体的模型设计参数为：

(a)为使得“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的半高宽满足“(23±5)ns”的技术指标要求，设置导通柱的导通延迟时间td约为“加载在激励源平面上的电压源的时域波形到达峰值的时间tv”与“该电压源从激励源平面出发最快到达导通柱所需的时间tq”之和，即td＝tv+tq+a，其中，tq＝hs/c，c为真空中的光速；a为误差参数，可取为0～0.5ns。本实施例中，考虑到tv＝49.662ns、hs＝2.063m，并设a＝0.462ns，故导通柱的导通延迟时间td＝56.538ns。

(b)为使得“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的上升沿至少为tr，令导通柱的电导率模型为：

考虑到iec-61000-4-25标准所提出的上升沿“(2.5±0.5)ns”的技术指标对应的最快上升沿为2.0ns，故上式中取tr＝2.0ns。此外，考虑到在iec-61000-4-25标准所提出的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场最快上升沿所对应的时间2.0ns范围内，导通柱的电导率线性增长到10²量级，即令k＝(6.2ns/tr)+b，b为误差参数，可取为0～0.1，k的单位为s/m。在本实施例中，设b＝0.1，故k＝3.2s/m。

根据(1)～(3)构成的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的计算模型进行计算，得到“构成同轴型峰化电容器的绝缘介质薄膜的总层数为18层”时，“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器在测点a(6.5,0,0)m及b(9.5,0,0)m辐射场的时域波形分别如图3(a)及图3(b)所示，对应的两个测点场的峰值、半高宽和上升沿分别如表1所示。作为比较，图中和表中均给出了朱湘琴等人及chenzq等人初步计算模型的模拟结果。

表1

从图3(a)、图3(b)及表1可以看出，当“构成同轴型峰化电容器的绝缘介质薄膜的总层数为18层”时，采用本发明计算得到的模拟器在测点a及测点b的辐射场的半高宽和上升沿同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”的技术指标要求，且在上述两个测点辐射场时域波形峰值之后均没有出现明显的振荡叠加，两个测点的辐射场时域波形也都没有出现“双峰”现象；而根据朱湘琴等人及chenzq等人的初步计算模型计算得到的测点a及测点b的辐射场的半高宽和上升沿不仅不满足上述技术指标要求，而且在这两个测点辐射场时域波形峰值之后均出现了明显的振荡叠加，测点b的辐射场时域波形还出现了明显的“双峰”现象。从而说明本发明的有效性。

同时，本发明所述计算模型的构建方法不受构成“与单锥一体化”的峰化电容器的绝缘介质薄膜总层数的影响。如图4所示，当构成峰化电容器的绝缘介质薄膜总层数为13层时，采用本发明计算得到的“与峰化电容器一体化”的垂直极化emp辐射波模拟器在测点a(6.5,0,0)m的半高宽和上升沿分别为18.88ns及2.25ns，测点b(9.5,0,0)m的辐射场的半高宽和上升沿分别为18.88ns及2.30ns，即这两个测点辐射场的半高宽和上升沿均同时分别满足iec-61000-4-25标准所提出“(23±5)ns”及“(2.5±0.5)ns”的技术指标要求；且这两个测点辐射场时域波形峰值之后均没有出现明显的振荡叠加，辐射场的时域波形也都没有出现“双峰”现象。

本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各组件的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。