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有界波模拟器远场辐射特性仿真研究

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摘要：利用电磁仿真计算软件FEKO对有界波模拟器远场辐射特性进行仿真分析，得到远场的辐射方向图，并指出方向图随激励源频率的变化关系。该结论对开电磁防护研究及快上升沿电磁脉冲场模拟器的设计具有一定的参考意义。

关键词：电磁脉冲；有界波模拟器；电磁辐射；方向图

平行板横电磁波室(Parallel Plates TEM Cell，PPTC)是20世纪6O年代出现的一种用于模拟复杂电磁脉冲环境的实验装置 J。它采用与传输线类似的结构，其内部传播的基本上是TEM波。在波的传播过程中，模拟器结构形成了导波的边界，故又称之为有界波模拟器 J。

由于国际上核电磁脉冲波形新标准的发布，核电磁脉冲上升时间由原来的10 ns缩短到2～3ns_3j，核电磁脉冲上限频率显著提高，因此运用有界波模拟模拟核电磁脉冲，电磁波向外辐射更加严重。笔者从已知的大型有界波模拟器的结构出发，采用电磁仿真计算软件FEKO(它是一种基于矩量法及高频分析方法，为各种高频电磁场应用而开发的全波电磁场分析软件)对有界波模拟器远场辐射特性进行了仿真分析，所得到的结论对开展电磁防护以及快上升沿电磁脉冲场模拟器的设计具有一定的参考意义。

1 有界波模拟器仿真模型

文中分析的有界波模拟器结构尺寸如图1所示。有界波模拟器的全长L=39．65 m，最大高度Hmax= 6 m，按图1所示的结构尺寸在电磁仿真计算

软件CADFEKO中建模：上传输线采用不锈钢细线，11根均匀分布，边缘的2根用PVC等绝缘材料包裹；下传输线采用厚度为3 mm的紫铜板；在源端用不锈钢细线将上下两部分连接，将激励源加在细线的中间结点上；终端并联4根720 Q的电阻作为匹配负载。

2 远场辐射特性分析

对有界波模拟器进行远场辐射特性仿真分析的意义在于：模拟器的周围有电磁波向外辐射，了解其远场辐射特性可以更好地进行防范，尽可能减少电磁泄漏，防止对周围的人体造成伤害。国外有些模拟器就是在其周围的不同方位，设置几块吸波材料来防止其向外辐射 J。

2．1 三维辐射方向图
在有界波模拟器的源端加幅值为300 kV、频率为60 MHz的正弦波激励源，利用电磁仿真计算软件FEKO计算出有界波模拟器的远场方向图(r》A)。如图2、3所示。

图2为有界波模拟器加60 MHz正弦波激励源，在不考虑地面影响时的远场辐射方向图。图中的灰度代表方向系数的大小，这样大体上可以看出它的辐射方向图是沿着Y=0这一平面左右对称的，在有界波模拟器的上方( 方向)，有很小的电磁能量向外辐射。从标尺上的灰度可知：模拟器 =0的负方向方向系数很小，三维方向图的主瓣是偏离轴一定立体角的半个锥状结构，辐射最强的方向出现在终端负载下方的左右两侧。

图3为考虑地面影响时的远场辐射方向图。在进行数值计算时，笔者将oxy平面下方设置为大地( =10， =1， =1．0 X 10 )，可以看出，由于大地的反射及镜像作用的影响，地平面上方的辐射方向图已经有了一定的变化，辐射最强的方向出现在地平面上方轴的左右两侧，模拟器前过渡段的上方同时也出现了副瓣，从电磁防护的角度来说，模拟器上、下两侧都不需要考虑防护。向上的方向虽然存在副瓣，但不会对地面的人员造成伤害，故应将有界波模拟器的左右两侧作为主要防护方向。