CN217112580U - 针-板电极放电实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种针‑板电极放电实验系统，包括静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源、吉赫兹横电磁波系统、高功率微波辐射系统、针‑板电极放电模拟装置以及检测单元，所述静电电磁脉冲发射系统或超宽带微波源与所述针‑板电极放电模拟装置对立侧，所述静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源以及所述针‑板电极放电模拟装置放置与所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统内，所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统用于对所述针‑板电极放电模拟装置进行辐照实验，所述检测单元用于对所述针‑板电极放电模拟装置进行检测。所述实验系统能够实现多种诱发辐照环境下的电磁场诱发放电，功能多样，使用便捷。

Description

针-板电极放电实验系统

技术领域

本实用新型涉及电磁场辐照诱发电极结构静电放电装置技术领域，尤其涉及一种针-板电极放电实验系统。

背景技术

当前，随着在轨卫星数量及种类的增加，强电磁场诱发航天器表面结构放电现象愈加明显，静电放电、强电磁场诱发已经成为致使在轨卫星发生故障的重要原因之一。在轨卫星由于所处的环境时刻面临多方向、不同大小的空间辐射，最重要的影响为静电放电、核电磁脉冲、高功率微波及其它环境诱发放电的复杂强电磁场组成，使处于正常工作期间的航天器遭受到由静电放电和二次电子剧增所导致的静电放电影响，强电磁场诱发电极结构静电放电，其产生的瞬间电流会导致航天器表面材料氧化或直接将材料表面击穿，对航天器的通讯、导航等系统造成重大损伤甚至致使航天器遭受到永久性的毁坏。

复杂电磁环境对航天器的影响逐渐引起了人们的高度重视，尤其是高功率微波对航天器的干扰效应。在轨卫星所处空间环境复杂，低轨卫星工作区影响因素有：地球引力、高层中性大气、电离层等离子体、沉降粒子、地磁场、高能粒子、微流星、空间碎片、太阳电磁辐射等，强电磁场主要是受到强耀斑、磁暴、高能电子暴以及太阳质子事件等恶劣空间环境影响，诱发的静电放电可能对航天器中的电子设备、火工品、计算机控制系统、电源系统及航天器的结构/材料造成影响。会直接在轨卫星正常运行以及航天器各系统的工作紊乱。

静电放电是指航天器在轨运行期间，受到空间环境内的等离子体、高能电子以及太阳辐射等影响造成的航天器表面或内部静电荷聚集，当积累的电荷达到一定电位时会造成航天器表面或内部击穿等静电放电，从而对航天器表面及内部器件造成损坏，轻则影响航天器的正常运行，重则对航天器内部仪器、太阳能电池阵、通讯系统等造成工作异常、故障、失灵，甚至导致整个航天器的报废。

为能有效开展强电磁场诱发静电放电防护、掌握静电放电规律，需对强电磁场辐照环境下诱发静电放电进行模拟实验。当前，国内对强电磁场与空间环境相互作用的实验条件缺乏，放电诱发机构及静电放电实验装置数量及种类较少，无法满足实际实验需求，更无法对在轨卫星工作环境及放电现象进行全真模拟，进而导致空间辐射环境下强电磁场诱发静电放电防护方法及放电规律研究受到限制，因此，急需这样一种放电试验系统，去能够实现强电磁场辐射环境和空间辐射环境同时作用下诱发电极机构静电放电研究，试验系统的功能也必须强大，不仅能够开展静电放电、高功率微波、核电磁脉冲、超宽带等电磁脉冲及连续波等强电磁场辐射实验研究，还需满足全方位电磁脉冲辐照、放电样品制作以及放电参数和效应的实时监测等问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种能够实现多种诱发辐照环境下的电磁场诱发放电，功能多样，使用便捷的静电电磁脉冲诱发针-板电极放电实验系统。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种针-板电极放电实验系统，其特征在于：包括静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源、吉赫兹横电磁波系统、高功率微波辐射系统、针-板电极放电模拟装置以及检测单元，所述静电电磁脉冲发射系统或超宽带微波源与所述针-板电极放电模拟装置对立侧，所述静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源以及所述针-板电极放电模拟装置放置与所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统内，所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统用于对所述针-板电极放电模拟装置进行辐照实验，所述检测单元用于对所述针-板电极放电模拟装置进行检测；

所述针-板电极放电模拟装置包括底座，伸缩杆的一端与底座固定连接，伸缩杆的另一端与旋转轴承的内圈固定连接，所述旋转轴承的外周固定连接有水平板，所述旋转轴承的外圈的上端面上固定有U型支架，所述水平板以及U型支架能够围绕所述旋转轴承的轴心转动，绝缘框的下端与所述U型支架可转动的连接到一起，放电针可左右滑动的设置到所述绝缘框的镂空式移动滑轨上，且所述镂空式移动滑轨水平设置，所述放电针下侧的绝缘框上固定有金属板，且所述金属板与所述放电针之间保持有一定距离，且该距离可通过调整所述金属板的位置或调整放电针的位置进行调整，滑动导轨的一端与所述底座固定连接，支撑杆的下端与所述滑动导轨滑动连接，所述支撑杆的上端与金属耦合板固定连接，所述金属耦合板与所述U型支架相对设置，放电枪通过所述金属耦合板产生静电电磁脉冲，通过所述金属耦合板辐照静电电磁脉冲模拟空间电磁场；所述放电枪与所述针-板电极放电模拟装置的垂直金属耦合板共同配合产生静电电磁场辐照环境，工作时将所述放电枪垂直指向于所述垂直金属耦合板，所述放电枪与所述静电放电模拟器的输出端相连接，所述垂直金属耦合板接地，所述静电放电模拟器可输出正、负极性电压0.2kV-30kV。

进一步的技术方案在于：所述底座的上端面固定有插环卡扣，所述伸缩杆的下端固定到所述插环卡扣的内圈，通过所述插环卡扣固定到所述底座上；所述伸缩杆包括气动伸缩器，所述伸缩杆上设有长度标记，可通过所述气动伸缩器实现旋转轴承在垂直方向上的高度调整。

进一步的技术方案在于：所述水平板的上表面上设有角度刻度标记，所述旋转轴承的外圈上固定有第一指针，且所述第一指针位于所述角度刻度标记的上侧，旋转所述U型支架即可转动所述旋转轴承，所述第一指针与所述U型支架同步转动，根据所述角度刻度标记可改变指定水平旋转角度，水平角度调节范围为0°-360°；所述放电针通过旋紧螺母卡扣可调节的设置到所述镂空式移动滑轨上，通过调节所述旋紧螺母卡扣可调节所述放电针的高低，从而改变所述放电针与所述金属板的距离，放电针与金属板之间的放电间距范围为0cm-2cm。

进一步的技术方案在于：所述绝缘框的底部设有第二指针，所述U型支架设有角度刻度标记，所述绝缘框的下端与所述U型支架的外侧之间通过转轴连接，且所述转轴外周的U型支架上形成有角度标记，旋转所述绝缘框即可改变放电针与金属板构成的放电机构的竖直角度，可根据所述U型支架上的角刻度标记实现竖直角度0°-180°内任意角度调节。

进一步的技术方案在于：所述镂空式移动滑轨的内槽上设有刻度标记，所述旋紧螺母卡扣能够在所述镂空式移动滑轨上滑动，进而改变所述放电针与所述金属板放电的中心点位置；所述滑动导轨上设有刻度标记，所述移动滑索可沿所述滑动导轨滑动，进而调节所述金属耦合板与针-板电极结构的诱发放电距离，可调节长度为0-1m；所述滑动导轨的末端设有防脱节，用于防止所述移动滑索滑出所述滑动导轨；所述支撑杆、水平板、U形支架、滑动导轨、镂空式移动滑轨、旋紧螺母卡扣、绝缘框、第一指针和第二指针均使用尼龙材料制作而成。

进一步的技术方案在于：所述检测单元包括示波器、电场强度检测组件和电流测量器件，所述电流测量器件用于测量金属板与地之间的电流，用以对针-板电极静电放电判断及其放电阈值检测，所述电场强度检测组件用于测量针-板电极放电模拟装置的电磁场强度，所述电流测量器件和所述电场强度检测组件与所述示波器的信号输入端连接；

所述电场强度检测组件包括电场强度测量探头及光电转换器，所述电场强度测量探头安装于所述针-板电极放电模拟装置侧部，所述光电转换器的输入端连接所述电场强度测量探头，所述光电转换器的输出端与所述示波器相连接；

所述电流测量器件包括环式电流采集器和衰减器，所述针-板电极放电模拟装置的金属接地线穿过所述环式电流采集器内嵌于采流环中，所述衰减器的输入端连接至所述环式电流采集器，输出端与所述示波器相连接。

进一步的技术方案在于：所述超宽带微波源包括紧凑Tesla型初级脉冲功率源、Peaking-Chopping型高功率UWB亚纳秒脉冲产生器和抛物反射面UWB辐射天线，实验时配合工作产生0.5～4.5ns脉冲宽度、320ps脉冲上升前沿、230ps脉冲后沿的UWB电磁脉冲，其频谱范围可从50MHz一直延伸到2GHz，峰值功率可达1GW。

进一步的技术方案在于：所述吉赫兹横电磁波系统包括吉赫兹横电磁波室、信号源、定向耦合器、功率放大器、功率计、电磁辐射分析仪、计算机控制系统、摄像头及监视控制器，所述摄像头和电磁辐射分析仪位于所述吉赫兹横电磁波室内，所述摄像头与所述监视控制器连接，所述电磁辐射分析仪与所述计算机控制系统连接，通过所述摄像头及监视控制器，能够实时监测GTEM室内的放电情况及放电现象，对放电图像进行及时存储；所述信号源的信号输出端与所述功率放大器的信号输入端连接，所述功率计的信号输出端以及功率放大器的输出端与所述定向耦合器连接，所述定向耦合器的输出端与所述吉赫兹横电磁波室的信号输入端连接，通过功率计及电磁辐射分析仪可对电磁辐射环境进行测量，及时反馈实验环境中的各项参数大小，并通过计算机控制系统进行进一步的调节，以改变辐射环境的电磁场大小。

进一步的技术方案在于：所述高功率微波辐射系统包括高功率微波源、辐射天线、功率检测装置，所述功率检测装置用于对实验舱内的磁场环境大小进行检测，实现进一步调节以满足不同场强辐射环境下的诱发实验；所述高功率微波辐射系统还包括平面吸波材料、诱发放电实验平台及反射聚焦面，平面吸波材料形成腔体结构，所述辐射天线部分位于所述平面吸波材料形成腔体结构内，诱发放电实验平台以及反射聚焦面位于所述腔体结构内，平面吸波材料会对作用波进行吸收；反射聚焦面用于对作用波行进行反射聚焦，以增强高功率微波辐射环境，放电模拟装置置于诱发放电实验平台上，反射聚焦面反射高功率微波全部作用于诱发放电实验平台；信号源以及高功率微波源与所述辐射天线的信号输入端连接，所述功率检测装置用于检测所述高功率微波源输出的功率。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：使用所述实验系统进行强电磁场诱发针-板电极放电实验时，可通过静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源、吉赫兹横电磁波系统及高功率微波辐射系统模拟四种不同电磁场辐照环境，通过高压直流电源可调节放电针的电极电压，诱发针-板电极结构发生静电放电，通过电场强度检测组件可测量针-板电极结构的空间电磁场强度，通过电流测量器件可采集金属板上的电流，以及放电针的放电电流，从而判断针-板电极结构是否放电及放电阈值，示波器用于显示电场检测组件测量的电场强度与电流测量器件所测量的电流值；通过滑动导轨设定金属耦合板与针-板放电电极结构的间距，通过调整旋紧螺母卡扣设定放电针与金属板的放电间距，通过镂空式移动滑轨固定放电针与金属板的中心点位置，通过放电枪产生静电电磁脉冲并通过金属耦合板进行耦合，对针-板电极结构进行辐照。

由于装置包含放电枪及金属耦合板，可对电极结构进行电磁场辐照，并可通过滑动导轨改变金属耦合板与电极结构的耦合作用间距；由于U型支架连接旋转轴承外环与水平板为转动连接，第一指针固定于旋转轴承外环表面，且水平板设有角刻度，可通过转动U型支架可以改变针-板电极的水平角度，设定实验水平角度；由于放电针通过旋紧螺母卡扣固定，可通过旋紧螺母卡扣更改锁定放电针与金属板的间距；由于旋紧螺母卡扣内嵌于镂空式滑轨中，可通过滑动旋紧螺母卡扣沿镂空式滑轨水平移动，改变放电针置于金属板上方的中心点位置；由于绝缘框与U型支架转动连接，第二指针固定于绝缘框转动连杆上，位于U型支架有角刻度的一侧，转动绝缘框可改变针-板电极的竖直角度，并根据实验要求可设定竖直角度；通过以上操作，可使静电电磁脉冲诱发针-板电极放电实验装置实现不同电磁辐照距离下针-板电极结构任意角度且不同间距下的静电放电，能够使针-板电极结构在磁场环境中实现全方位放电，满足复杂空间环境的全真模拟，从而对电磁防护方法及放电规律进行全面研究。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例提供的静电电磁脉冲诱发针-板电极放电实验系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的静电电磁脉冲诱发针-板电极放电模拟装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中超宽带（UWB）电磁脉源的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中吉赫兹横电磁波系统（GTEM）的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中高功率微波（HPM）辐射系统的结构示意图；

其中：1、静电放电模拟器；2、放电枪；3、金属耦合板；4、针-板电极放电模拟装置；401、旋紧螺母卡扣；402、镂空式移动滑轨；403、绝缘框；404、放电针；405、金属板；406、U型支架；407、第二指针；408、水平板；409、旋转轴承；410、第一指针；411、气动伸缩器；412、伸缩杆；413、插环卡扣；414、底座；415、支撑杆；416、移动滑索；417、滑动导轨；418、防脱节；5、示波器；6、电场强度测量探头；7、光电转换器；8、衰减器；9、环式电流采集器；10、高压源；11、Tesla变压器；12、抛物面天线；13、亚纳秒脉冲产生器；14、摄像头；15、监视控制器；16、计算机控制系统；17、电磁辐射分析仪；18、定向耦合器；19、功率放大器；20、信号源；21、功率计；22、屏蔽控制系统室；23、高功率微波源；24、辐射天线；25、功率检测器；26、大气环境调节系统；27、诱发放电实验平台；28、平面吸波材料；29、反射聚焦面。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实用新型实施例公开了一种针-板电极放电实验系统，包括静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源、吉赫兹横电磁波系统、高功率微波辐射系统、针-板电极放电模拟装置以及检测单元，所述静电电磁脉冲发射系统或超宽带微波源与所述针-板电极放电模拟装置对立侧，所述静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源以及所述针-板电极放电模拟装置放置与所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统内，所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统用于对所述针-板电极放电模拟装置进行辐照实验，所述检测单元用于对所述针-板电极放电模拟装置进行检测。

值得注意的是，本实用新型提供了四种不同的诱发装置，静电电磁脉冲发射装置、超宽带电磁脉冲发射试验装置、GTEM平面波辐照装置以及高功率微波辐射系统，通过四种不同的诱发实验装置用以模拟不同条件下的强电磁场诱发环境，对强电磁场诱发针-板电极放电实验展开全面研究，有利于实验人员对磁场辐照环境下的静电放电进行探索分析。

如图1-图2所示，所述针-板电极放电实验装置包括底座414，所述底座414可以可以使用金属材料或非金属材料进行制作，需要其质量较大，可以使其更稳固；伸缩杆412的一端与底座414固定连接，伸缩杆412的另一端与旋转轴承409的内圈固定连接，所述伸缩杆412可以包括气动伸缩器411，所述伸缩杆412上设有长度标记，可通过所述气动伸缩器411实现旋转轴承409在垂直方向上的高度调整，需要说明的是，所述气动伸缩器411还可以为其它类型的伸缩器，比如，电动伸缩器，油动伸缩器等等，只要能够满足伸缩要求的器件即可；所述旋转轴承409的外周固定连接有水平板408，所述旋转轴承409的外圈的上端面上固定有U型支架406，所述水平板408以及U型支架406能够围绕所述旋转轴承409的轴心转动，绝缘框403的下端与所述U型支架406可转动的连接到一起。

放电针404可左右滑动的设置到所述绝缘框403的镂空式移动滑轨2上，且所述镂空式移动滑轨2水平设置，放电针404使用金属材料进行制作，所述放电针404下侧的绝缘框403上固定有金属板5，且所述金属板5与所述放电针404之间保持有一定距离，且该距离可通过调整所述金属板5的位置或调整放电针404的位置进行调整；滑动导轨417的一端与所述底座414固定连接，支撑杆415的下端与所述滑动导轨417滑动连接，所述支撑杆415的上端与金属耦合板16固定连接，所述金属耦合板16与所述U型支架406相对设置，放电枪15通过所述金属耦合板16产生静电电磁脉冲，放电枪15与金属耦合板16相互作用可产生静电电磁脉冲对针-板电极结构进行辐照，模拟复杂空间环境中的强电磁场，便于实验人员对磁场辐照环境下的静电放电进行研究分析。

进一步的，如图1、图3和图4所示，所述底座414的上端面固定有插环卡扣413，所述伸缩杆412的下端固定到所述插环卡扣413的内圈，通过所述插环卡扣413固定到所述底座414上，需要说明的是，所述伸缩杆412与所述底座414之间还可以通过其它结构连接到一起，比如相互配合的卡扣结构或其它具体结构，在此不做赘述。此外，通过插环卡扣413可实现伸缩杆412与底座414之间的拆装，避免实验人员由于装置较大无法实现装置移动搬运，方便了所述装置的使用。

进一步的，如图1所示，所述水平板408的上表面上设有角度刻度标记，所述旋转轴承409的外圈上固定有第一指针410，且所述第一指针410位于所述角度刻度标记的上侧，旋转所述U型支架406即可转动所述旋转轴承409，所述第一指针410与所述U型支架406同步转动，根据所述角度刻度标记可改变指定水平旋转角度，水平角度调节范围为0°-360°，即全周可调，便于实验人员对放电电极的水平角度进行精准调节，方便后期测量使用。

进一步的，如图1所示，所述放电针404通过旋紧螺母卡扣401可调节的设置到所述镂空式移动滑轨2上，通过调节所述旋紧螺母卡扣401可调节所述放电针404的高低，从而改变所述放电针404与所述金属板5的距离，放电针404与金属板5之间的放电间距范围为0cm-2cm，便于实验人员进行不同放电间距下的实验研究。所述镂空式移动滑轨2的内槽上设有刻度标记，所述旋紧螺母卡扣401能够在所述镂空式移动滑轨2上滑动，进而改变所述放电针404与所述金属板5放电的中心点位置。所述放电针404左右调整范围的始端为绝缘框403设有第二指针407的一端，末端为与之对应的另一端，长度调节范围为0cm-10cm，一般实验时通过滑动固定于刻度为5.5cm位置，即中心点位置。需要说明的是，所述放电针404还可以通过其它具体形式的连接到所述镂空式移动滑轨2，实现上下左右位置的调节。

进一步的，如图1所示，所述绝缘框403的底部设有第二指针407，所述U型支架406设有角度刻度标记，所述绝缘框403的下端与所述U型支架406的外侧之间通过转轴连接，且所述转轴外周的U型支架406上形成有角度标记，旋转所述绝缘框403即可改变放电针404与金属板5构成的放电机构的竖直角度，第二指针407垂直指向水平板408的位置为零刻度，逆时针转动调节为正，刻度标记范围为0°-90°，顺时针转动调节为负，刻度标记范围为0°-90°，由此针-板电极放电结构在竖直方向上的可旋转调节范围为0°-180°，便于实验人员能够对针-板电极结构进行竖直方向上的转动角度精准调节。

进一步的，如图1所示，所述滑动导轨417上设有刻度标记，所述移动滑索416可沿所述滑动导轨417滑动，进而调节所述金属耦合板16与针-板电极结构的诱发放电距离，可调节长度为0-1m。所述滑动导轨417的末端设有防脱节418，用于防止所述移动滑索416滑出所述滑动导轨417，对金属耦合板造成毁坏，便于实验人员对辐照距离进行预判。

因为通过所述装置进行静电诱发放电等实验，因此所述装置中，所述支撑杆415、水平板408、U型支架406、滑动导轨417、镂空式移动滑轨2、旋紧螺母卡扣401、绝缘框403、第一指针410和第二指针407优选使用尼龙材料制作而成。

所述放电枪2与垂直金属耦合板3共同配合产生静电电磁场辐照环境，工作时将所述放电枪2垂直指向于所述垂直金属耦合板3，所述放电枪2与所述静电放电模拟器1的输出端相连接，所述垂直金属耦合板3接地，所述静电放电模拟器1可输出正、负极性电压0.2kV-30kV。

如图1所示，所述检测单元包括示波器5、电场强度检测组件和电流测量器件，所述电流测量器件用于测量金属板405与地之间的电流，用以对针-板电极静电放电判断及其放电阈值检测，所述电场强度检测组件用于测量针-板电极放电模拟装置的电磁场强度，所述电流测量器件和所述电场强度检测组件与所述示波器5的信号输入端连接；所述电场强度检测组件包括电场强度测量探头6及光电转换器7，所述电场强度测量探头6安装于所述针-板电极放电模拟装置侧部，所述光电转换器7的输入端连接所述电场强度测量探头6，所述光电转换器7的输出端与所述示波器5相连接；所述电流测量器件包括环式电流采集器9和衰减器8，所述针-板电极放电模拟装置的金属接地线穿过所述环式电流采集器9内嵌于采流环中，所述衰减器8的输入端连接至所述环式电流采集器9，输出端与所述示波器5相连接。

如图3所示，所述超宽带微波源包括紧凑Tesla型初级脉冲功率源11、Peaking-Chopping型高功率UWB亚纳秒脉冲产生器13和抛物反射面UWB辐射天线24，实验时配合工作产生0.5～4.5ns脉冲宽度、320ps脉冲上升前沿、230ps脉冲后沿的UWB电磁脉冲，其频谱范围可从50MHz一直延伸到2GHz，峰值功率可达1GW。

如图4所示，所述吉赫兹横电磁波系统包括吉赫兹横电磁波室、信号源20、定向耦合器18、功率放大器19、功率计21、电磁辐射分析仪17、计算机控制系统16、摄像头14及监视控制器15，所述摄像头14和电磁辐射分析仪17位于所述吉赫兹横电磁波室内，所述摄像头14与所述监视控制器15连接，所述电磁辐射分析仪17与所述计算机控制系统16连接，通过所述摄像头14及监视控制器15，能够实时监测GTEM室内的放电情况及放电现象，对放电图像进行及时存储；所述信号源20的信号输出端与所述功率放大器19的信号输入端连接，所述功率计21的信号输出端以及功率放大器19的输出端与所述定向耦合器18连接，所述定向耦合器18的输出端与所述吉赫兹横电磁波室的信号输入端连接，通过功率计21及电磁辐射分析仪17可对电磁辐射环境进行测量，及时反馈实验环境中的各项参数大小，并通过计算机控制系统16进行进一步的调节，以改变辐射环境的电磁场大小。

如图5所示，所述高功率微波辐射系统包括高功率微波源23、辐射天线24、功率检测装置25，所述功率检测装置25用于对实验舱内的磁场环境大小进行检测，实现进一步调节以满足不同场强辐射环境下的诱发实验；所述高功率微波辐射系统还包括平面吸波材料28、诱发放电实验平台27及反射聚焦面29，平面吸波材料28形成腔体结构，所述辐射天线24部分位于所述平面吸波材料28形成腔体结构内，诱发放电实验平台27以及反射聚焦面29位于所述腔体结构内，平面吸波材料28会对作用波进行吸收；反射聚焦面29用于对作用波行进行反射聚焦，以增强高功率微波辐射环境，放电模拟装置置于诱发放电实验平台27上，反射聚焦面29反射高功率微波全部作用于诱发放电实验平台27；信号源20以及高功率微波源23与所述辐射天线24的信号输入端连接，所述功率检测装置25用于检测所述高功率微波源23输出的功率。

优选的，所述超宽带微波源辐照装置包括紧凑Tesla型初级脉冲功率源、Peaking-Chopping型高功率UWB亚纳秒脉冲产生器和抛物反射面UWB辐射天线，实验时配合工作产生0.5～4.5ns脉冲宽度、320ps脉冲上升前沿、230ps脉冲后沿的UWB电磁脉冲，其频谱范围可从50MHz一直延伸到2GHz，峰值功率可达1GW。

进一步的，所述超宽带微波源可辐射出单次UWB电磁脉冲，也可辐射出最高重复频率达100Hz的UWB电磁脉冲串，能满足不同重复频率下超宽带电磁脉冲诱发放电规律研究的需求。

优选的，如图4所示，所述吉赫兹横电磁波室总长度为10米，最大高度为2米，主要采用垂直极化方式，主要信号样式是连续波及其调制信号，可产生9kHz-18GHz范围内的频率。

所述高功率微波辐射系统可实现单次脉冲、脉冲串和多种重频工作方式，输出频率为2.92GHz，输出功率可调，重频在1-1000Hz内可调，脉冲宽度10ns到20us可调。所述高功率微波辐射系统中大气环境调节系统26为尾部可打开的封闭柱形腔体，附带真空、温度、湿度调节系统，可提供气压10^-3pa到10⁵pa可调、热沉温度-40到60度可调、湿度可控、有效体积不小于4m²的柱形腔体大气环境。

所述超宽带电磁脉冲发射装置底部设有滑动轮，便于运输搭建实验系统，滑动轮设有卡扣制动，提高了超宽带电磁脉冲发射装置的稳定性。

所述GTEM平面波作为诱发装置诱发针-板电极结构进行放电时，示波器5、高压源10等器件通过接线置于GTEM小室外，减小了电磁干扰等影响，提高了试验系统的准确性。

所述高功率微波辐射系统采用多模圆口径喇叭天线，起波束对称性好，易于形成圆周对称的聚焦场区，主波束具有很好的旋转对称性，绝大部分的辐射功率集中于主波内。

所述电流测量器件由环式电流采集器9与衰减器8共同组成，所述针-板电极放电模拟装置的金属的接地线穿过所述环式电流采集器9内嵌于采流环中，所述衰减器8的输入端连接至所述环式电流采集器9，输出端与所述示波器5相连接。

使用方法

使用所述实验系统进行强电磁场诱发针-板电极进行放电实验时，通过滑动导轨设定金属耦合板与针-板放电电极结构的间距，通过调整旋紧螺母卡扣设定放电针与金属板之间的放电间距，通过镂空式移动滑轨固定放电针与金属板的中心点位置，将放电针接入高压电源，将金属板接地。

使用静电电磁脉冲作为诱发装置对针-板电极结构进行诱发放电时，环式电流采集器套接于金属板接地线上，并连接至衰减器，经过衰减器衰减后连接至示波器；电场强度测量探头置于针-板电极结构放电间隙一侧，与光电转换器相连接，经光电转换器转换后连接至示波器，通过示波器观察针-板电极结构的放电情况。使放电枪接于静电放电模拟器，并将放电枪枪头指向金属耦合板，通过金属耦合板产生静电电磁脉冲辐照环境，对放电电极结构进行诱发放电，可通过滑动导轨改变金属耦合板与针-板电极结构的耦合作用间距；

使用超宽带电磁脉冲作为诱发源诱发针-板电极结构进行静电放电时，需将静电电磁脉冲发射装置进行替换，移除静电放电模拟器及放电枪，卸下金属耦合板及支撑杆，将超宽带电磁脉冲发射装置放置于静电电磁脉冲辐照位置，通过调节变压器电压，由亚纳秒脉冲产生器发射脉冲，并经抛物面天线进行辐照，模拟不同电磁场诱发环境；

利用GTEM平面波进行辐照实验时，需将针-板电极放电模拟装置放置于GTEM小室内，并通过连接线将检测设备放置于GTEM小室外，首先采用信号源产生小功率连续波或其调制信号，其次利用宽带功率放大器将小功率信号进行放大，然后通过定向耦合器将大功率信号馈入到GTEM室输入端口，最后GTEM室将大功率信号转化为辐射场信号，对针-板电极放电模拟装置进行诱发放电；

利用高功率微波辐射系统进行辐照实验时，需将针-板电极放电模拟装置放置于诱发放电实验平台区域，调节放电装置高度，使得放电电极间隙正好处于微波反射聚焦的焦点处，微波源采用固态放大器推动多注速调管放大器的两级放大链方案，用标准微波信号源作为激励源至固态功放，固态功放放大后经环形器推动速调管，最终输出1MW 峰值功率至负载，辐射场计算先用小信号微波标定出腔体内聚焦反射后形成的辐射场分布，再利用微波传输特性，实时在线监测微波源输出功率。

由于针-板放电模拟装置的U型支架连接旋转轴承外环与水平板为转动连接，第一指针固定于旋转轴承外圈表面，且水平板设有角刻度，可通过转动U型支架改变针-板电极的水平角度，设定实验水平角度；可通过旋紧螺母卡扣更改锁定放电针与金属板之间的间距，可通过滑动旋紧螺母卡扣沿镂空式滑轨水平移动，改变放电针置于金属板上方的中心点位置；由于绝缘框与U型支架转动连接，第二指针固定于绝缘框转动连杆上，位于U型支架有角刻度的一侧，转动绝缘框可改变针-板电极的竖直角度，并根据实验要求可设定竖直角度；通过以上操作，可使所述装置实现不同电磁辐照距离下针-板电极结构任意角度且不同间距下的静电放电实验，能够使针-板电极结构在磁场环境中实现全方位放电，满足复杂空间环境的全真模拟，从而对电磁防护方法及放电规律进行全面研究。

具体的，在此详细说明如何通过本实用新型设定辐照角度：设定辐照角度为γ，旋转轴承沿水平板旋转第一指针指向的角度为α，即水平角度，绝缘框沿U型支架旋转第二指针指向的角度为β，即垂直角度，则辐照角度γ的求解公式为：

，通过改变α与β的角度即可改变辐照角度，进行任意辐照角度的强电磁场与针-板电极结构相互作用实验，便于研究人员对电磁防护方法及放电规律进行全面研究。

Claims (9)

1.一种针-板电极放电实验系统，其特征在于：包括静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源、吉赫兹横电磁波系统、高功率微波辐射系统、针-板电极放电模拟装置以及检测单元，所述静电电磁脉冲发射系统或超宽带微波源与所述针-板电极放电模拟装置对立侧，所述静电电磁脉冲发射系统、超宽带微波源以及所述针-板电极放电模拟装置放置与所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统内，所述吉赫兹横电磁波系统或高功率微波辐射系统用于对所述针-板电极放电模拟装置进行辐照实验，所述检测单元用于对所述针-板电极放电模拟装置进行检测；

所述针-板电极放电模拟装置包括底座（414），伸缩杆（412）的一端与底座（414）固定连接，伸缩杆（412）的另一端与旋转轴承（409）的内圈固定连接，所述旋转轴承（409）的外周固定连接有水平板（408），所述旋转轴承（409）的外圈的上端面上固定有U型支架（406），所述水平板（408）以及U型支架（406）能够围绕所述旋转轴承（409）的轴心转动，绝缘框（403）的下端与所述U型支架（406）可转动的连接到一起，放电针（404）可左右滑动的设置到所述绝缘框（403）的镂空式移动滑轨（402）上，且所述镂空式移动滑轨（402）水平设置，所述放电针（404）下侧的绝缘框（403）上固定有金属板（405），且所述金属板（405）与所述放电针（404）之间保持有一定距离，且该距离可通过调整所述金属板（405）的位置或调整放电针（404）的位置进行调整，滑动导轨（417）的一端与所述底座（414）固定连接，支撑杆（415）的下端与所述滑动导轨（417）滑动连接，所述支撑杆（415）的上端与金属耦合板（3）固定连接，所述金属耦合板（3）与所述U型支架（406）相对设置，放电枪（2）通过所述金属耦合板（3）产生静电电磁脉冲，通过所述金属耦合板（3）辐照静电电磁脉冲模拟空间电磁场；所述放电枪（2）与所述针-板电极放电模拟装置的垂直金属耦合板（3）共同配合产生静电电磁场辐照环境，工作时将所述放电枪（2）垂直指向于所述垂直金属耦合板（3），所述放电枪（2）与静电放电模拟器（1）的输出端相连接，所述垂直金属耦合板（3）接地，所述静电放电模拟器（1）可输出正、负极性电压0.2kV-30kV。

2.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述底座（414）的上端面固定有插环卡扣（413），所述伸缩杆（412）的下端固定到所述插环卡扣（413）的内圈，通过所述插环卡扣（413）固定到所述底座（414）上；所述伸缩杆（412）包括气动伸缩器（411），所述伸缩杆（412）上设有长度标记，可通过所述气动伸缩器（411）实现旋转轴承（409）在垂直方向上的高度调整。

3.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述水平板（408）的上表面上设有角度刻度标记，所述旋转轴承（409）的外圈上固定有第一指针（410），且所述第一指针（410）位于所述角度刻度标记的上侧，旋转所述U型支架（406）即可转动所述旋转轴承（409），所述第一指针（410）与所述U型支架（406）同步转动，根据所述角度刻度标记可改变指定水平旋转角度，水平角度调节范围为0°-360°；所述放电针（404）通过旋紧螺母卡扣（401）可调节的设置到所述镂空式移动滑轨（402）上，通过调节所述旋紧螺母卡扣（401）可调节所述放电针（404）的高低，从而改变所述放电针（404）与所述金属板（405）的距离，放电针（404）与金属板（405）之间的放电间距范围为0cm-2cm。

4.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述绝缘框（403）的底部设有第二指针（407），所述U型支架（406）设有角度刻度标记，所述绝缘框（403）的下端与所述U型支架（406）的外侧之间通过转轴连接，且所述转轴外周的U型支架（406）上形成有角度标记，旋转所述绝缘框（403）即可改变放电针（404）与金属板（405）构成的放电机构的竖直角度，可根据所述U型支架（406）上的角刻度标记实现竖直角度0°-180°内任意角度调节。

5.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述镂空式移动滑轨（402）的内槽上设有刻度标记，旋紧螺母卡扣（401）能够在所述镂空式移动滑轨（402）上滑动，进而改变所述放电针（404）与所述金属板（405）放电的中心点位置；所述滑动导轨（417）上设有刻度标记，移动滑索（416）可沿所述滑动导轨（417）滑动，进而调节所述金属耦合板（3）与针-板电极结构的诱发放电距离，可调节长度为0-1m；所述滑动导轨（417）的末端设有防脱节（418），用于防止所述移动滑索（416）滑出所述滑动导轨（417）；所述支撑杆（415）、水平板（408）、U型支架（406）、滑动导轨（417）、镂空式移动滑轨（402）、旋紧螺母卡扣（401）、绝缘框（403）、第一指针（410）和第二指针（407）均使用尼龙材料制作而成。

6.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述检测单元包括示波器（5）、电场强度检测组件和电流测量器件，所述电流测量器件用于测量金属板（405）与地之间的电流，用以对针-板电极静电放电判断及其放电阈值检测，所述电场强度检测组件用于测量针-板电极放电模拟装置的电磁场强度，所述电流测量器件和所述电场强度检测组件与所述示波器（5）的信号输入端连接；

所述电场强度检测组件包括电场强度测量探头（6）及光电转换器（7），所述电场强度测量探头（6）安装于所述针-板电极放电模拟装置侧部，所述光电转换器（7）的输入端连接所述电场强度测量探头（6），所述光电转换器（7）的输出端与所述示波器（5）相连接；

所述电流测量器件包括环式电流采集器（9）和衰减器（8），所述针-板电极放电模拟装置的金属接地线穿过所述环式电流采集器（9）内嵌于采流环中，所述衰减器（8）的输入端连接至所述环式电流采集器（9），输出端与所述示波器（5）相连接。

7.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述超宽带微波源包括紧凑Tesla型初级脉冲功率源（11）、Peaking-Chopping型高功率UWB亚纳秒脉冲产生器（13）和抛物反射面UWB辐射天线（24），实验时配合工作产生0.5～4.5ns脉冲宽度、320ps脉冲上升前沿、230ps脉冲后沿的UWB电磁脉冲，其频谱范围可从50MHz一直延伸到2GHz，峰值功率可达1GW。

8.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述吉赫兹横电磁波系统包括吉赫兹横电磁波室、信号源（20）、定向耦合器（18）、功率放大器（19）、功率计（21）、电磁辐射分析仪（17）、计算机控制系统（16）、摄像头（14）及监视控制器（15），所述摄像头（14）和电磁辐射分析仪（17）位于所述吉赫兹横电磁波室内，所述摄像头（14）与所述监视控制器（15）连接，所述电磁辐射分析仪（17）与所述计算机控制系统（16）连接，通过所述摄像头（14）及监视控制器（15），能够实时监测GTEM室内的放电情况及放电现象，对放电图像进行及时存储；所述信号源（20）的信号输出端与所述功率放大器（19）的信号输入端连接，所述功率计（21）的信号输出端以及功率放大器（19）的输出端与所述定向耦合器（18）连接，所述定向耦合器（18）的输出端与所述吉赫兹横电磁波室的信号输入端连接，通过功率计（21）及电磁辐射分析仪（17）可对电磁辐射环境进行测量，及时反馈实验环境中的各项参数大小，并通过计算机控制系统（16）进行进一步的调节，以改变辐射环境的电磁场大小。

9.如权利要求1所述的针-板电极放电实验系统，其特征在于：所述高功率微波辐射系统包括高功率微波源（23）、辐射天线（24）、功率检测装置（25），所述功率检测装置（25）用于对实验舱内的磁场环境大小进行检测，实现进一步调节以满足不同场强辐射环境下的诱发实验；所述高功率微波辐射系统还包括平面吸波材料（28）、诱发放电实验平台（27）及反射聚焦面（29），平面吸波材料（28）形成腔体结构，所述辐射天线（24）部分位于所述平面吸波材料（28）形成腔体结构内，诱发放电实验平台（27）以及反射聚焦面（29）位于所述腔体结构内，平面吸波材料（28）会对作用波进行吸收；反射聚焦面（29）用于对作用波行进行反射聚焦，以增强高功率微波辐射环境，放电模拟装置置于诱发放电实验平台（27）上，反射聚焦面（29）反射高功率微波全部作用于诱发放电实验平台（27）；信号源（20）以及高功率微波源（23）与所述辐射天线（24）的信号输入端连接，所述功率检测装置（25）用于检测所述高功率微波源（23）输出的功率。

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