CN106645395B - 基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统，包括高频噪声模拟器、同轴线缆、同轴测试装置、衰减器和示波器。使用高频噪声模拟器作为信号源，同轴测试装置的信号输出端口连接衰减器，经过衰减的信号通过示波器显示。高频噪声模拟器作为信号注入源，为测试系统提供方波信号输入；为避免强场强导致材料表面放电，测试系统采用了经过绝缘设计的同轴夹具；由于输出方波的电压值达到上千伏，示波器的电压承受范围仅有几十伏，因此在测试装置和示波器之间需要连接相应参数的衰减器，最后，由示波器显示输出波形，通过观察示波器的波形来确定被测材料的相变场强阈值和响应时间。

Description

基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统

技术领域

本发明涉及电磁兼容实验技术领域，尤其涉及一种基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统。

背景技术

理想的场敏感型环境自适应电磁脉冲防护材料在低场强情况下为绝缘材料，对电磁波没有屏蔽作用，当受到外部强电磁脉冲干扰或攻击的时候，即外部电磁场突然显著增加且超过某临界场强的时候，由于材料特有的电化学和能量结构特征，能够感知外部电磁环境的变化，可以在微纳秒时间内发生绝缘/导电相变现象，电导率提升10²～10⁵数量级，使平时为绝缘体的材料迅速变为高导电的类金属材料，对外来电磁波产生高反射和屏蔽，将强电磁脉冲能量阻挡在防护壳体之外，当外部干扰和攻击强场消失以后，材料恢复到原始状态，解决了电子装备正常工作和强场防护之间的矛盾。而基于这种工作机理研制的电磁防护材料能不能在微纳秒的时间内发生相变，不进行相应测试是无法获知的，而这类电磁防护材料本身属于新材料，如何测试其在强电磁脉冲下的绝缘体/导体相变性能还未有相关报道。

材料在发生绝缘体到导体的相变过程中，其动态性能将直接反映在对电磁脉冲的屏蔽效能上。在相变之前，材料是绝缘体，几乎对电磁脉冲不起任何屏蔽作用，电磁脉冲将顺利通过屏蔽体；在相变之后，材料是导体，对电磁脉冲将起到很大的屏蔽作用。因此，预估场致相变材料在相变前后其电磁脉冲屏蔽效能将发生极大的变化。通过测试材料屏蔽效能，便可实现对材料是否存在相变现象的快速判断和初步评价。

现有标准给出的窗口法、同轴法等材料屏蔽效能测试方法只能得到连续波条件下材料的频域屏蔽效能，而对高功率电磁脉冲干扰效果的研究表明，仅凭屏蔽材料的频域屏蔽效能还不能完全表征其对时域脉冲场的屏蔽效果。目前国内外的研究首先是通过时域脉冲在屏蔽前后的波形参数（上升沿、脉宽和峰值等）上的变化以及能量的变化来定义电磁脉冲时域屏蔽效能，然后通过直接或间接的手段获得时域屏蔽效能的值。直接的手段包括：采用TEM喇叭天线等辐射式天线的方法、基于光纤传输系统的电磁脉冲模拟器的方法、采用TEM室或GTEM室的方法以及“试件法”等；间接的手段则主要是已知频域屏蔽效能的值，通过最小相位法或者向量拟合法等进行波形重建的方法。

以上的测试方法均有一个前提，即测试的材料在整个测试过程中并没有发生相变，而且部分测量方法是在弱场或者连续波环境下进行，因此上述方法并不完全适用于场致相变材料的测试，需要进行改进设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统，通过使用该系统对被测材料进行测试，解决现有测试系统不适合于场敏感型电磁防护材料相变性能测试的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统，测试系统包括高频噪声模拟器、同轴线缆、绝缘设计的同轴测试装置、衰减器和示波器，所述高频噪声模拟器信号输出端通过同轴电缆连接同轴测试装置信号输入端口，所述同轴测试装置信号输出端口连接衰减器，衰减器信号输出端连接示波器信号端。

所述同轴测试装置包括宽带连续导体同轴夹具、有机玻璃圆筒、端盖和加固圆环，所述有机玻璃圆筒两端分别嵌装端盖，宽带连续导体同轴夹具水平支撑于有机玻璃圆筒内、且贯穿端盖的两端分别借助于加固圆环固定，宽带连续导体同轴夹具包括同轴安装的内导体和外导体，内导体借助于聚四氟乙烯介质支撑体同轴支撑在外导体轴向通孔中，所述外导体包括对称设置的外导体支撑段、外导体左连接段和外导体右连接段，外导体左连接段和外导体右连接段同轴螺纹连接，两段外导体支撑段分别固定安装在外导体左连接段左端和外导体右连接段右端，所述内导体包括轴向对接的内导体左连接段和内导体右连接段，内导体左连接段与外导体左连接段的内孔之间安装聚四氟乙烯介质支撑体，内导体右连接段与外导体由连接段的内孔之间安装聚四氟乙烯介质支撑体，内导体左连接段的左端和内导体右连接段的右端分别对接内导体连接段。

所述外导体支撑段侧壁上设有径向通孔，所述有机玻璃圆筒两端面上均设置用于安装O形密封圈的第一环形沟槽，所述加固圆环的内端面上设有用于安装O形密封圈的第二环形沟槽，加固圆环(1)与外导体支撑段穿出端盖的一端螺纹连接。

所述内导体外径为5.65mm，外导体内孔直径为13mm，宽带连续导体同轴夹具末端使用N型同轴连接器与同轴线缆连接。

外导体与内导体之间的聚四氟乙烯介质支撑体的支撑位置处同轴线的阻抗为50Ω，在支撑介质与空气交界面上挖一个环形凹槽，形成小电感来补偿不连续电容，环形凹槽的深度和宽度分别为0.46mm和3.42mm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）脉冲源采用高频噪声模拟发生器，能够产生峰值≤4.1kV，上升沿时间＜1ns，脉宽可选的方波脉冲。该发生器自带保护装置，可以保证在材料发生相变成为导体后，即使脉冲全反射回来，也不会打坏脉冲源。

（2）同轴测试装置为经过绝缘设计的新型同轴夹具，由可以充高压绝缘气体的密闭有机玻璃圆筒和置于其中的同轴夹具组成，该测试装置频域性能良好：上限频率10.23GHz，在0~8GHz范围内，回波损耗小于20dB，可以有效地传输电磁脉冲。同时，该测试装置具有较大的动态范围：脉冲源输出脉冲峰值电压为10V~4.1kV，经计算同轴装置内部的电场强度范围约为2kV/m~871kV/m。由于场敏感型电磁脉冲防护材料内部多掺杂金属离子，在同轴夹具内受到强电磁脉冲时容易导致材料表面放电而影响材料相变性能的判断，而新型同轴夹具内充有绝缘气体，可以有效地避免这一现象，保证在大动态范围内对材料在强电磁脉冲下的相变特性进行准确测量。

（3）该测试系统可以方便地判断材料相变现象，计算材料相变场强阈值和响应时间。材料在未相变之前是绝缘介质，在同轴夹具内不影响电磁脉冲的传输，所以在示波器上显示的波形应与脉冲源输出波形一致；材料在相变以后是具有一定电导率的导体，对电磁脉冲具有一定的屏蔽效能，因此在示波器上显示的波形将会发生变化，根据变化时刻的输入脉冲电压峰值可以方便地计算得到材料相变场强阈值，而根据变化后的波形可以测量得到材料的响应时间。示波器高达20GHz的采样率，可以分辨ps量级的上升沿，足以追踪测量材料的相变响应时间。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的使用流程图；

图2是测试系统原理框图；

图3是同轴测试装置结构示意图；

其中：1、加固圆环；2、端盖；3、有机玻璃圆筒；4、外导体支撑段；5、内导体连接段；6、聚四氟乙烯介质支撑体；7、外导体左连接段；8、内导体左连接段；9、外导体右连接段；10、内导体右连接段；11、充气孔；12、气压表安装孔；13、第一环形沟槽；14、第二环形沟槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明中的技术方案进行具体描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图2所示，本发明公开了一种基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统，包括高频噪声模拟器、新型同轴测试装置、衰减器和示波器，所述高频噪声模拟器信号输出端通过同轴电缆连接同轴测试装置信号输入端口，所述测试装置信号输出端口连接衰减器，衰减器信号输出端连接示波器信号端。

所述同轴测试装置（参见附图3）包括宽带连续导体同轴夹具、有机玻璃圆筒3、端盖2和加固圆环1，所述有机玻璃圆筒3两端分别嵌装端盖2，宽带连续导体同轴夹具水平支撑于有机玻璃圆筒内、且贯穿端盖的两端分别借助于加固圆环1固定，宽带连续导体同轴夹具包括同轴安装的内导体和外导体，内导体借助于聚四氟乙烯介质支撑体6同轴支撑在外导体轴向通孔中，所述外导体包括对称设置的外导体支撑段4、外导体左连接段7和外导体右连接段9，外导体左连接段7和外导体右连接段9同轴螺纹连接，两段外导体支撑段4分别固定安装在外导体左连接段7左端和外导体右连接段9右端，所述内导体包括轴向对接的内导体左连接段8和内导体右连接段10，内导体左连接段8与外导体左连接段7的内孔之间安装聚四氟乙烯介质支撑体6，内导体右连接段10与外导体由连接段9的内孔之间安装聚四氟乙烯介质支撑体6，内导体左连接段8的左端和内导体右连接段10的右端分别对接内导体连接段5。通过充气气嘴为有机玻璃圆筒内充入高压绝缘气体，气压表显示充入的气体压力。在外导体和绝缘支撑件上均打有小孔，可以保证气体完全包围内导体和受试材料，从而避免材料表面放电现象。

同轴夹具的内导体外径为5.65mm、外导体内径为13mm，上限频率为10.23GHz。同轴线夹具末端使用N型同轴连接器底座与线缆连接，本发明选用N-50KF连接器，其内导体芯的直径为3.04mm，外导体内径为7mm。同轴线尺寸突变的地方会产生不连续阶梯电容，处理不好会引起强烈反射，降低同轴线夹具的性能。本发明对内导体采用轴向阶梯错位方式形成的小电感来补偿不连续电容。在内外导体半径发生变化位置，对棱边倒圆角，以削弱其位置处的场强，防止尖端放电。

支撑介质采用聚四氟乙烯，相对介电常数，厚度d=4 mm。由于支撑介质的存在，改变了放置支撑介质位置处的特征阻抗。为保证同轴夹具特征阻抗为50Ω，支撑介质浸入外导体和内导体的深度分别设为0.7mm和0.64mm。为进一步减小不连续电容，降低在宽频带上的反射，在支撑介质与空气交界面上挖一个环形凹槽，形成小电感来补偿不连续电容，环形凹槽的深度W和宽度L经过计算和仿真优化分别设为0.46mm和3.42mm。

为方便夹持材料和保持材料与同线夹具间良好的电连接，以夹持材料为中心将内外导体分成可拆卸的两部分，两部分的外导体通过螺纹的旋紧来固定材料，两部分的内导体则通过栓舌和同样深度的凹槽保持连接。同轴夹具可以测试内径为3mm，外径41mm，厚度小于5mm的圆环状材料。

在进行测试前，需要先进行验证试验，判断测试装置本身对测试结果是否产生影响，判断的方法是：在测试装置不带材料的情况下，给测试装置的信号输入端口输入一个方波信号，如果测试装置具有良好的阻抗匹配以及耐高压特性，那么通过测试装置信号输出端口在示波器上显示的输出信号应该与原输入方波完全一致，这也证明该测试装置不会影响到被测材料特性的测试。通过试验验证，输入波形和输出波形的幅值、脉冲宽度、上升沿均一致。

测试时将测试材料固定在同轴夹具内，同时充入高压绝缘气体，调节高频噪声模拟器的输出电压和脉冲宽度，为测试装置提供输入波形，使被测材料处在一个均匀场强下，通过示波器观察输出波形，如果输出波形和原输入波形一致，那就是被测材料还处于绝缘状态，被测材料在测试电路中未其作用，然后逐步调高输入波形的电压，进而提高被测材料所处的场强，如果输出波形发生了变化，就说明被测材料由原来的MΩ级在很短的时间内下降到百Ω级，通过观察输出波形的变化可以计算其响应时间，发生变化的场强就是能够使被测材料发生相变的场强阈值（参见附图1）。

总之，本发明通过采用经过绝缘设计的同轴夹具，避免了由于材料表面在强场电磁脉冲作用下放电而影响对材料相变特性进行判断的问题。使用高频噪声模拟器提供方波信号，示波器作为显示装置，方便测试，与现有测试系统相比，具有结构简单、体积小、频带范围宽，动态范围大、可用于强场脉冲测试以及测试结果重复性好和稳定度高的优点。

Claims (3)

1.一种基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统，其特征在于：测试系统包括高频噪声模拟器、同轴线缆、绝缘设计的同轴测试装置、衰减器和示波器，所述高频噪声模拟器信号输出端通过同轴电缆连接同轴测试装置信号输入端口，所述同轴测试装置信号输出端口连接衰减器，衰减器信号输出端连接示波器信号端；

所述同轴测试装置包括宽带连续导体同轴夹具、有机玻璃圆筒（3）、端盖（2）和加固圆环（1），所述有机玻璃圆筒（3）两端分别嵌装端盖（2），宽带连续导体同轴夹具水平支撑于有机玻璃圆筒内、且贯穿端盖的两端分别借助于加固圆环（1）固定，宽带连续导体同轴夹具包括同轴安装的内导体和外导体，内导体借助于聚四氟乙烯介质支撑体（6）同轴支撑在外导体轴向通孔中，所述外导体包括对称设置的外导体支撑段（4）、外导体左连接段（7）和外导体右连接段（9），外导体左连接段（7）和外导体右连接段（9）同轴螺纹连接，两段外导体支撑段（4）分别固定安装在外导体左连接段（7）左端和外导体右连接段（9）右端，所述内导体包括轴向对接的内导体左连接段（8）和内导体右连接段（10），内导体左连接段（8）与外导体左连接段（7）的内孔之间安装聚四氟乙烯介质支撑体（6），内导体右连接段（10）与外导体由连接段（9）的内孔之间安装聚四氟乙烯介质支撑体（6），内导体左连接段(8)的左端和内导体右连接段（10）的右端分别对接内导体连接段（5）；

所述外导体支撑段（4）侧壁上设有径向通孔，所述有机玻璃圆筒（3）两端面上均设置用于安装O形密封圈的第一环形沟槽（13），所述加固圆环（1）的内端面上设有用于安装O形密封圈的第二环形沟槽（14），加固圆环(1)与外导体支撑段（4）穿出端盖的一端螺纹连接；

测试时将测试材料固定在同轴夹具内，同时充入高压绝缘气体，调节高频噪声模拟器的输出电压和脉冲宽度，为测试装置提供输入波形，使被测材料处在一个均匀场强下，通过示波器观察输出波形，如果输出波形和原输入波形一致，那就是被测材料还处于绝缘状态，被测材料在测试电路中未其作用，然后逐步调高输入波形的电压，进而提高被测材料所处的场强，如果输出波形发生了变化，就说明被测材料由原来的MΩ级在很短的时间内下降到百Ω级，通过观察输出波形的变化可以计算其响应时间，发生变化的场强就是能够使被测材料发生相变的场强阈值。

2.根据权利要求1所述的基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统，其特征在于：所述内导体外径为5.65mm，外导体内孔直径为13mm，宽带连续导体同轴夹具末端使用N型同轴连接器与同轴线缆连接。

3.根据权利要求2所述的基于同轴测试装置的场敏感型电磁脉冲防护材料测试系统，其特征在于：外导体与内导体之间的聚四氟乙烯介质支撑体的支撑位置处同轴线的阻抗为50Ω，在支撑介质与空气交界面上挖一个环形凹槽，形成小电感来补偿不连续电容，环形凹槽的深度和宽度分别为0.46mm和3.42mm。