CN212159971U - 一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，包括控制系统、天线系统、测量系统和多个脉冲功率源，每个脉冲功率源均为内置有可编程控制器的Marx形式的脉冲功率源，其特征是：所述的多个脉冲功率源的开关控制电路分别与控制系统连接，控制系统通过内置的脉冲功率源切换控制电路控制每个脉冲功率源的开关，所述的天线系统设置在多个脉冲功率源的输出端一侧，天线系统在多个脉冲功率源之间可切换的连接，从而组成模拟不同波形的电磁脉冲模拟器，所述的测量系统包括脉冲功率源参数监测系统、电场测量系统、数据自动采集与处理系统。本实用新型可在一块场地内匹配一个天线系统的情况下实现对多种电磁脉冲的模拟，节省试验成本。

Description

一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统

技术领域

本实用新型涉及电磁脉冲环境模拟实验技术，具体是一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，信息化条件下各种电子信息设备已在军用装备和系统中获得广泛应用，与之伴随的是其电磁易损性阈值在逐步降低，这就对现代化的指挥通信系统和防护保障系统构成了严重威胁。而要进行电磁易损性及防护技术员研究，就必须建立各类电磁脉冲模拟实验系统。

目前，国外建有多种类型、数量众多的电磁脉冲模拟器，可模拟高空核爆炸电磁脉冲、地面核爆炸电磁脉冲、雷电电磁脉冲等，性能指标高，建设规模大。国内的模拟设备主要以模拟高空爆核电磁脉冲为主，辐射场环境指标已与国际水平相当，但模拟器数量和规模与国外还有很大差距，且以有界波模拟器为主；在地面核爆炸电磁脉冲模拟设备方面，建立了小型的地面核爆炸低频强电磁脉冲模拟试验系统，可以满足小、中型受试件的效应与防护试验。

但上述这些系统都是单一功能的模拟系统，只能模拟单一类型的电磁脉冲，无法在一块场地下实现对多种电磁脉冲的模拟，开展设备的抗电磁脉冲性能考核，就只能在多个系统中分别进行试验。为了提高试验效率，节省试验成本，建立一种可共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统就显得非常必要。

发明内容

为了克服背景技术研究中的不足，本实用新型的目的就是提供一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，可满足在一块实验场地模拟多种电磁脉冲环境的要求。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，包括控制系统、天线系统、测量系统和多个脉冲功率源，每个脉冲功率源均为内置有可编程控制器的Marx形式的脉冲功率源，其特征是：所述的多个脉冲功率源的开关控制电路分别与控制系统连接，控制系统通过内置的脉冲功率源切换控制电路控制每个脉冲功率源的开关，所述的天线系统设置在多个脉冲功率源的输出端一侧，天线系统在多个脉冲功率源之间可切换的连接，从而组成模拟不同波形的电磁脉冲模拟器，所述的测量系统包括脉冲功率源参数监测系统、电场测量系统、数据自动采集与处理系统；

所述的天线系统包括上极板、下极板和分布式天线负载，其中，下极板水平设置，上极板通过天线支架设置在下极板的上方，上极板位于下极板中部的部分与下极板平行，构成实验工作空间，分布式天线负载设置在上极板尾端与下极板尾端之间；所述的分布式天线负载由多个并联的电阻链构成，每一个电阻链由多个高压无感大功率电阻串联而成；所述的上极板由多根并联的金属线构成，多根并联金属线的前端与脉冲功率源的高压输出端连接，尾端分别对应连接分布式天线负载的一端，分布式天线负载的另一端分别与下极板尾端连接，下极板的前端与脉冲功率源的零电位端连接；

所述的控制系统采用计算机控制，计算机与脉冲功率源内部的可编程控制器通过光纤进行通讯，所述的控制系统包括气路控制分系统和电气控制分系统；所述气路控制分系统用于对脉冲功率源的多个气腔进行气压预设置、状态监控、气压自动调节；所述电气控制分系统用于对脉冲功率源的主电路或触发电路进行充电电压预设置、自动充电，并实时反馈充电电压值。

所述的脉冲功率源参数监测系统，用于监测运行中的脉冲功率源的工作状态，包括测量触发器输出电压的电阻分压器、测量Marx产生器建立电流的Rogowski线圈、测量Marx产生器输出电压的电阻分压器、测量峰化电容器电压的电阻分压器。

所述的电场测量系统采用基于光纤传输的有源电场测量系统，用于测量电磁脉冲模拟器工作空间的电场信号。

所述的数据采集与处理系统由数字示波器、交换机、计算机、打印机、UPS电源构成，用于自动完成实验数据采集、记录、关键参数读取、批处理及形成报告的功能。

所述的共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，还包括远程人机控制界面及数据处理系统，所述的控制系统通过远程人机控制界面及数据处理系统对实验进行实时监控及调整。

本实用新型的有益效果：本发明提供的一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，可在一块场地内匹配一个天线系统的情况下实现对多种电磁脉冲的模拟，可大幅提高试验效率，节省试验成本。

附图说明

图1为实施例1的系统示意图。

图2为本发明的天线系统示意图。

图3为实施例1的天线系统俯视示意图。

图中，1、上极板，2、下极板，3、电阻链，5、电阻。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。需要说明的是，实施例仅是按照本实用新型所提供的技术方案所进行的一个代表性示例；根据实施例进行任何不脱离本实用新型的范围和精神而进行的改动和修改，均在本实用新型的保护范围之内。

实施例1

如图1所示，一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，包括控制系统、天线系统、测量系统和三个脉冲功率源，每个脉冲功率源均为内置有可编程控制器的Marx形式的脉冲功率源，所述的三个脉冲功率源的开关控制电路分别与控制系统连接，控制系统通过内置的脉冲功率源切换控制电路控制每个脉冲功率源的开关，所述的天线系统设置在多个脉冲功率源的输出端一侧，天线系统在三个脉冲功率源之间可切换的连接，从而组成模拟不同波形的电磁脉冲模拟器，所述的测量系统包括脉冲功率源参数监测系统、电场测量系统、数据自动采集与处理系统；

在本实施例中，所述的脉冲功率源1采用低电感快Marx产生器，所述的低电感快Marx产生器包括高压低电感脉冲电容器、高压大功率电阻器、低电感气体火花开关、脉冲陡化系统、高压脉冲触发器和高压直流电源；所述的高压低电感脉冲电容器由14个低电感电容器串联组成，每个电容器4.2nF，最高充电电压设计为±55kV，则串联电容的总容值为0.3nF，最高输出电压770kV；所述的高压大功率电阻器包括火花电阻、引线电阻和接触电阻，均采用高压固体电阻，总阻值为2kΩ±30%范围，耐压值为800kV；所述的低电感气体火花开关为低电感三电极场畸变气体火花开关，开关为圆柱形，尺寸为Φ144mm×60mm，开关工作介质为氮气或SF6气体，外绝缘介质为SF6，电感值小于40nH，耐压120kV；所述的脉冲陡化系统有陡化电容器、陡化电感和陡化开关组成，其输出波形上升前沿小于2.5ns；所述的高压脉冲触发器采用用脉冲变压器加陡化间隙的方案；变压器原边电压约1kV，变压器变比1：120，输出电压约120kV，经陡化间隙陡化后输出前沿不大于200ns；所述的高压直流电源采用工频半波整流电源，输出电压最高±75kV，功率容量为10kVA；

在本实施例中，所述的脉冲功率源2采用低电感快Marx产生器，所述的低电感快Marx产生器包括高压低电感脉冲电容器、高压大功率电阻器、低电感气体火花开关、脉冲陡化系统、高压脉冲触发器和高压直流电源；所述的高压低电感脉冲电容器由12个低电感电容器串联组成，总容量为10μF，则每个电容器需要达到120μF，最高充电电压设计为±25kV，Marx产生器最高输出电压300kV；所述的高压大功率电阻器包括充电、接地和限流电阻，均采用KCl溶液水电阻，充电电阻和限流电阻阻值控制在1kΩ±30%范围，接地电阻阻值控制在5kΩ±30%范围，耐压值为300kV，耐流值为1.3kA，吸收的最大能量达到450kJ，且自身电感在1µH以下，承受的最大瞬时功率为400MW；所述的低电感气体火花开关为三电极场畸变火花开关，电极采用高密度石墨材料，圆柱型密封有机玻璃内，内部充有空气，用于控制开关导通，外部利用8根直径为10mm的尼龙棒结合金属固定圆盘对火花开关进行固定，方便与电容器的连接，工作介质压强范围为0.1MPa~0.6Mpa，工作电压范围为7kV~25kV，使用寿命不小于10000次；所述的脉冲陡化系统有陡化电容器、陡化电感和陡化开关组成，其输出波形上升前沿小于10ns；所述的高压脉冲触发器采用脉冲变压器加陡化间隙的方案，变压器原边电压约3kV，变压器变比1：40，输出电压约60kV，经陡化间隙陡化后输出前沿不大于200ns；所述的高压直流电源用于给Marx产生器充电，采用工频半波整流电源，输出电压最高±30kV，功率容量为10kVA；

在本实施例中，所述的脉冲功率源3采用Marx产生器形式，所述的Marx产生器主要由高压电容、带触发高压快速开关、负载电阻、调波电感，充电系统组成；高压电容选用容量600 nF、耐压100kV的脉冲电容；带触发高压快速开关采用带中间平面的场畸变开关，触发电极处在两个圆柱平球头电极之间的对称平面上，并取圆盘形式，中心开孔，耐流值10kA，耐压值为百千伏级；负载电阻为10kΩ无感水电阻长度为23cm，溶质为氯化铵，电极选用黄铜电极；调波电感变化范围为1H-5H之间。充电系统采用高压变压器升压方式，高压变压器选用100kV、10kw的交流高压变压器、高压硅堆选用200kV、0.2A、100ns高频高压二极管、限流电阻选用10MΩ、10KVA线绕电阻；

如图2和图3所述的天线系统包括上极板1、下极板2和分布式天线负载，其中，下极板2水平设置，上极板1通过天线支架设置在下极板2的上方，上极板1位于下极板2中部的部分与下极板2平行，构成实验工作空间，分布式天线负载设置在上极板1尾端与下极板2尾端之间；所述的分布式天线负载由多个并联的电阻链3构成，每一个电阻链3由多个高压无感大功率电阻5串联而成；所述的上极板1由多根并联的金属线构成，多根并联金属线的前端与脉冲功率源的高压输出端连接，尾端分别对应连接分布式天线负载的一端，分布式天线负载的另一端分别与下极板2尾端连接，下极板2的前端与脉冲功率源的零电位端连接；

在本实施例中，所述的天线系统的整体结构由前锥段、平行段、分布式负载段三部分组成，其中，前锥长30m，平行段长15m、宽15m，高10m，分布式负载段长约15m，天线总长度60m，宽度15m，宽高比1.5：1，天线阻抗约150Ω；天线系统架设在户外，天线支架采用玻璃钢缠绕管，横梁采用金属桁架结构，天线上极板采用金属线，金属线间距不大于10cm，天线下极板采用不锈钢网，网格尺寸约为1cm×1cm，固定在水泥地面上；分布式负载共分为10份锥形段，每一份锥形段连接一条电阻链3，每一个电阻链3由多个高压无感大功率电阻5串联联结组成，阻值1.5 kΩ，10份并联的总电阻为150 Ω；

所述的控制系统采用计算机控制，计算机与脉冲功率源内部的可编程控制器通过光纤进行通讯，所述的控制系统包括气路控制分系统和电气控制分系统；所述气路控制分系统用于对脉冲功率源的多个气腔进行气压预设置、状态监控、气压自动调节；所述电气控制分系统用于对脉冲功率源的主电路或触发电路进行充电电压预设置、自动充电，并实时反馈充电电压值。在本实施例中，上述功能均在远程测控计算机上操作，测控计算机与脉冲功率源控制系统的主控器件可编程控制器（PLC）通过光纤进行通讯；控制系统通过远程人机控制界面及数据处理系统对各气腔的气体压力进行实时监控及调整，控制精度优于目标气压值的1.5%，对于电容器直流充电电压的控制精度优于目标电压值的1%；控制系统采用工业级控制计算机与大屏幕显示器组成人机界面，采用可编程控制器作为核心控制器件，内部程序实现逻辑及数据处理功能。

所述的脉冲功率源参数监测系统，用于监测运行中的脉冲功率源的工作状态，包括测量触发器输出电压的电阻分压器、测量Marx产生器建立电流的Rogowski线圈、测量Marx产生器输出电压的电阻分压器、测量峰化电容器电压的电阻分压器。在本实施例中，测量触发器输出电压的电阻分压器，响应时间小于20ns，耐压能力不小于150kV；测量Marx产生器建立电流的Rogowski线圈测量，响应时间小于10ns，测电流能力不小于6kA；测量Marx产生器输出电压的电阻分压器测量，响应时间小于10ns，耐压能力不小于800kV；测量峰化电容器典雅的电阻分压器，响应时间小于10ns，耐压能力不小于800kV。

所述的电场测量系统采用基于光纤传输的有源电场测量系统，用于测量电磁脉冲模拟器工作空间的电场信号。在本实施例中，电场测量系统采用基于光纤传输的有源电场测量系统，主要由接收天线、前置电路、电光转换电路、传输光纤和光电转换电路等组成，测量系统上升时间应小于1ns，可用半高宽不小于100ns，量程覆盖50V/m～200kV/m范围。

所述的数据采集与处理系统由数字示波器、交换机、计算机、打印机、UPS电源构成，用于自动完成实验数据采集、记录、关键参数读取、批处理及形成报告的功能。在本实施例中，数据采集与处理系统支持多种协议，支持多台、多型示波器组网，具有自动完成实验数据采集，记录，关键参数读取，批处理，形成报告等功能。主要配置有系统设置、用户管理、信息录入、示波器状态设置与数据采集模块、数据存储与处理、报表生成、数据库管理以及帮助等模块；系统设置模块主要用于设置软件中的各种配置与处理参数，一般需要有管理员权限才能够更改；用户管理模块保证实验数据的准确安全，软件设立了不同权限的用户，主要包括管理员用户、数据录入用户和查询用户等，其中管理员具有增删用户、设定用户组权限、设定设备IP段、录入数据、访问数据库等权限，数据录入员具有数据录入和数据库访问的权限，而查询用户仅具有数据库查询的权限；信息录入模块主要用于录入各类实验信息，采用一种表格化窗体，录入的信息主要是测量链路信息、示波器信息、测点信息以及其它实验所要求记录的信息等，这些录入信息系统会自动继承，在重复发次实验中，实验人员无需对已录入信息进行重复录入，只需要修改部分变动信息即可；示波器状态设置与数据采集模块主要用于远程对示波器的参数进行设置，如垂直刻度、时间刻度、触发通道、触发电平、存储长度、带宽、耦合方式等等，并可以将示波器设置文件存储到本地，以便下次设置时调用，示波器触发后，各通道数据自动采集回测控计算机，并按照设置的名称存储到指定的位置，可根据用户实际情况，集成不同支持不同型号的示波器；数据存储与处理主要用于采集后数据的存储与后处理，示波器各个通道的数据可以按照配置文件已设定的名称、格式存储到计算机指定位置，可以编制预定程序对数据进行处理，可视化显示。

所述的共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，还包括远程人机控制界面及数据处理系统，所述的控制系统通过远程人机控制界面及数据处理系统对实验进行实时监控及调整。

本实用新型未详述部分为现有技术。

Claims (5)

1.一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，包括控制系统、天线系统、测量系统和多个脉冲功率源，每个脉冲功率源均为内置有可编程控制器的Marx形式的脉冲功率源，其特征是：所述的多个脉冲功率源的开关控制电路分别与控制系统连接，控制系统通过内置的脉冲功率源切换控制电路控制每个脉冲功率源的开关，所述的天线系统设置在多个脉冲功率源的输出端一侧，天线系统在多个脉冲功率源之间可切换的连接，从而组成模拟不同波形的电磁脉冲模拟器，所述的测量系统包括脉冲功率源参数监测系统、电场测量系统、数据自动采集与处理系统；

所述的天线系统包括上极板（1）、下极板（2）和分布式天线负载，其中，下极板（2）水平设置，上极板（1）通过天线支架设置在下极板（2）的上方，上极板（1）位于下极板（2）中部的部分与下极板（2）平行，构成实验工作空间，分布式天线负载设置在上极板（1）尾端与下极板（2）尾端之间；所述的分布式天线负载由多个并联的电阻链（3）构成，每一个电阻链（3）由多个高压无感大功率电阻（5）串联而成；所述的上极板（1）由多根并联的金属线构成，多根并联金属线的前端与脉冲功率源的高压输出端连接，尾端分别对应连接分布式天线负载的一端，分布式天线负载的另一端分别与下极板（2）尾端连接，下极板（2）的前端与脉冲功率源的零电位端连接；

所述的控制系统采用计算机控制，计算机与脉冲功率源内部的可编程控制器通过光纤进行通讯，所述的控制系统包括气路控制分系统和电气控制分系统；所述气路控制分系统用于对脉冲功率源的多个气腔进行气压预设置、状态监控、气压自动调节；所述电气控制分系统用于对脉冲功率源的主电路或触发电路进行充电电压预设置、自动充电，并实时反馈充电电压值。

2.根据权利要求1所述的一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，其特征是：所述的脉冲功率源参数监测系统，用于监测运行中的脉冲功率源的工作状态，包括测量触发器输出电压的电阻分压器、测量Marx产生器建立电流的Rogowski线圈、测量Marx产生器输出电压的电阻分压器、测量峰化电容器电压的电阻分压器。

3.根据权利要求1所述的一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，其特征是：所述的电场测量系统采用基于光纤传输的有源电场测量系统，用于测量电磁脉冲模拟器工作空间的电场信号。

4.根据权利要求1所述的一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，其特征是：所述的数据自动采集与处理系统由数字示波器、交换机、计算机、打印机、UPS电源构成，用于自动完成实验数据采集、记录、关键参数读取、批处理及形成报告的功能。

5.根据权利要求1所述的一种共用天线的多功能电磁脉冲模拟实验系统，其特征是：还包括远程人机控制界面及数据处理系统，所述的控制系统通过远程人机控制界面及数据处理系统对实验进行实时监控及调整。

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