电磁脉冲衰减器的设计.doc

毕业论文(设计) 题 目 电磁脉冲衰减器的设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 X年X月X日目 录引言 11 衰减器简介 11.1 基本工作原理 11.2 衰减器的技术指标 21.3 衰减器的类型 21.3.1 光衰减器 21.3.2 吸收式衰减器 31.4 研究现状 31.5 电阻衰减器 42 有限元方法以及HFSS概述 52.1 有限元方法原理 52.2 分片插值与基函数的选取 72.3 Helmholtz方程的有限元解 82.4 电磁场有限元计算软件HFSS介绍 103 衰减器设计 133.1 结构形式 133.2 仿真模型建立 133.3 结构仿真 144 样机制作 194.1电阻材料的选择 194.2其他材料选择 204.3 具体样机结构 205 总结 22参考文献 22ABSTRACT 24电磁脉冲衰减器的设计摘要：电磁脉冲及其工程防护的理论和技术一直是当今世界各大国研究的热点之一。

在分析衰减器的性能影响因素的基础上，采用高频电磁场计算软件HFSS进行建模分析和尺寸结构仿真优化，设计了用于电磁脉冲衰减的衰减器，制作衰减器的样机，衰减率为33.3％，试验结果表明衰减器的性能符合使用要求，可以用于上升沿大于2.5ns电磁脉冲的衰减关键词：电磁脉冲；衰减技术；衰减器；结构设计引言20世纪60年代初，由于量子辐射物理、加速器技术、介质中放电现象的发展，研究高功率脉冲的性质成了急待解决的问题典型的高功率电磁脉冲包括：核爆炸电磁脉冲（NEMP）[1]，非核电磁脉冲武器产生的脉冲，雷电电磁脉冲（LEMP），静电放电（ESD）脉冲以及大功率电子、电气开关的动作产生的电磁脉冲等[2]电磁脉冲（EMP）是一种瞬变电磁现象，从时域波形看，一般具有陡峭的前沿，宽度较窄；从频域看，则覆盖了较宽的频带[3]电磁脉冲能使晶体管、集成电路、电阻及电容、滤波器和继电器等电子元器件受到损坏；可以把电磁脉冲的能量传递给电子设备，引起电子设备的失效或损坏、电路开关跳闸和触发器翻转；能使根据磁通工作的存贮器消磁或失真，破坏元器件或抹去存贮的信息电磁脉冲还可以使飞机和导弹等的金属外壳上产生很大的感生电流，并通过壳体上的缝隙或舱口耦合到壳内，使电子元器件、线路和设备受到不同程度的干扰和破坏。

所以研究电磁脉冲的衰减技术具有较高的理论意义和重要的应用价值1 衰减器简介1.1 基本工作原理衰减器是一类用在传输系统中降低信号电平，而不使信号产生显著畸变的无源网络它可以用于对信号源去藕，目的是为了调节电路的传输电平，或用以缓冲阻抗变换的影响，有时也为了改善阻抗匹配现在，衰减器已经极为广泛地应用于无线电测试仪器、仪表、传输线、标准衰减器及邮电、通讯、信号载波、广播电视、计算机等系统之中[4]在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路，一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求，如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种，有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中；无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器，固定衰减器由电阻组成，不影响频率特性，常用T型或π型网络组成；可调衰减器由电位器组成在调试中及电平调整中使用，要求衰减器的输入、输出阻抗应和接口端匹配以有线电视为例，其系统里都应为75Ω；而在电磁脉冲高压测量系统中，阻抗都为50Ω衰减器的频率特性要满足系统的频率范围要求，在频率范围内衰减器的衰减量应和频率无关，因此常采用电阻元件来组成[5]。

频率范围不同，衰减器的形式也不同有用同轴线作衰减器；在波导系统中，常用吸收电场能量的膜片作衰减器；也有采用固态二极管（如PIN二极管）在微波频段内制成波导或同轴线系统的可以电调谐的衰减器1.2 衰减器的技术指标衰减量是指输入功率对输出功率的之比，表示为dB[6]衰减器的技术指标包括衰减器的工作频带、衰减量、功率容量、回波损耗1）工作频带衰减器的工作频带是指在给定频率范围内使用衰减器，衰减器才能达到指标值由于射频/微波结构与频率有关，不同频段的元器件，结构不同，也不能通用现代同轴结构的衰减器使用的工作频带相当宽，设计或使用中要加以注意，采用固态二极管（如PIN二极管）在微波频段内制成波导或同轴线系统的可以电调节的衰减器[7]2）衰减量信号输入端的功率为P1，而输出端得功率为P2，衰减器的功率衰减量为A（dB）若P1、P2以分贝毫瓦（dBm）表示，则两端功率间的关系为：P2（dBm）＝P1（dBm）－A（dB） （1.1）可以看出，衰减量描述功率通过衰减器后功率的变小程度衰减量的大小由构成衰减器的材料和结构确定。

衰减量用分贝作单位，便于整机指标计算3）功率容量衰减器是一种能量消耗元件，功率消耗后变成热量可以想象，材料结构确定后，衰减器的功率容量就确定了如果让衰减器承受的功率超过这个极限值，衰减器就会被烧毁设计和使用时，必须明确功率容量4）回拨损耗回拨损耗就是衰减器的驻波比，要求衰减器两端的输入输出驻波比应尽可能小我们希望的衰减器是一个功率消耗元件，不能对两端电路有影响，也就是说，与两端电路都是匹配的设计衰减器时要考虑这一因素1.3 衰减器的类型1.3.1 光衰减器常见的光衰减器有位移型光衰减器、薄膜型光衰减器和衰减片型光衰减器下面介绍一下这几种光衰减器的原理1）位移型光衰减器当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小的损耗传输过去[8]反过来，如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制其衰减量位移型光衰减器就是根据这个原理，有意让光纤在对接时，发生一定的错位使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的位移型光衰减器又分为两种：横向位移型光衰减器、轴向位移型光衰减器横向位移型光衰减器是一种比较传统的方法，由于横向位移参数的数量级均在微米级，所以一般不用来制作可变衰减器，仅用于固定衰减器的制作中，并采用熔接或粘接法，到目前仍有较大的市场，其优点在于回波损耗高，一般都大于60dB。

轴向位移型光衰减器在工艺设计上只要用机械的方法将两根光纤拉开一定距离进行对中，就可实现衰减的目的这种原理主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作2）薄膜型光衰减器这种衰减器利用光在金属薄膜表面的反射光强与薄膜厚度有关的原理制成如果玻璃衬底上蒸镀的金属薄膜的厚度固定，就制成固定光衰减器如果在光纤中斜向插入蒸镀有不同厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底，使光路中插入不同厚度的金属薄膜，就能改变反射光的强度，即可得到不同的衰减量，制成可变衰减器[9]（3）衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，达到衰减光信号的目的，这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器1.3.2 吸收式衰减器衰减器是应用于很广的一种波导元件，如用于振荡器和负载间的去耦，用于测试中控制信号电平等等，吸收式衰减器是吸收波导中能量的一部分并以热量的形式散发掉，从而得到对能量的衰减，图1-1是两种形式的吸收式可变衰减器图1-1 吸收式可变衰减器可变衰减器就是在波导段内置有可移动位置的吸收片在图a中，为保证片子和输入/输出波导相匹配，把两段做成了劈状调节吸收片在波导内的位置，便可改变其衰量。

显然，当吸收片在临近窄边处，衰减量最小；位于宽边中央处，衰减量最大在图b中，片子被做成刀形，并位于宽边中央当片子全部转进波导内时，衰减量最大；当片子全部转出时，衰减量最小这类吸收式衰减器的最大衰减量约为30dB[7]1.4 研究现状众所周知，各类高频信号发生器的输出电平均需要在足够宽的范围内调节，又输出端应具有准确而固定的源阻抗，故衰减器必不可少鉴于频率范围、衰减量、衰减精度、体积、重量等技术参数的特定要求及元器件货源、成本等经济要素，常见的电阻连续调节式衰减器都不适用于军事探测仪所用，为此朱君豪[10]自行设计制作了一种高频衰减器，该方法可供设计军用与民用整机中的高频衰减器作参考其中提出采用钮子开关式电阻步进可变的衰减器方案，两只信号发生器的输出端口处合用一只衰减器考虑到其工作频带的上限要达90MHz，其内电路选取T形四端网络，而不用π形或桥T形四端网络[11]武汉大学电子信息学院蒋铁珍，石振华等[12]根据高频电路阻抗匹配的原则，利用微型真空继电器和贴片电阻网络以及单片机控制技术，设计和制作了一种数码控制的衰减器通过一个4×4的数字键盘对衰减量的大小进行设置，并可提供衰减量的数字显示，具有体积小、工作频率高、可靠性好、功能强、操作方便、适用面广等优点，它的主要技术指标如下：频率范围0～1GHz，衰减范围0～120dB，步进为1dB，特性阻抗50Ω，驻波系数≤1.2～1.4，衰减误差≤1%，最大输入电压5V。

企业管理创新研究所的袁德昌[12]对电阻性组合衰减器提出了采用厚、薄膜混合集成电阻工艺制作的优越性以及主要工艺措施之后，中国电子科技集团公司第十三研究所的杨强、周全等[4]采用微波薄膜混合集成电路工艺设计并实现了一种砷化镓场效应管电压可变衰减器[13]，在DC～20GHz带宽内插入损耗小于3dB，最大衰减量22dB，输入输出端口驻波比小于2.0，衰减动态范围在10dB以内时衰减平坦度小于1dB该衰减器采用单电压源控制衰减量变化，控制电压在-2～0V内变化时，控制端口电流的实测值低于5μA，具有显著的低功耗优点上海应用技术学院机械与自动化工程学院的周争鸣[14]对滤波器与测量仪器之间的阻抗匹配问题加以讨论，提出了LPF匹配衰减器的设计方法在相关的发表文献中提出了利用阻抗变换的概念，根据归一化参数的计算值设计出的T型、π型阻抗变换器日前，安捷伦[15]推出的J7211A/B/C衰减控制器，其工作频率范围从直流到6GHz、18GHz、26.5GHz，衰减率达到101dB/121dB，衰减步长1dB，可插入损耗重复的<0.03dB，达到了五百万周期的工作寿命，确保精确的测量，同时减少校准成本适用于实验室应用、室外现场解决方案和ATE测试。

1.5 电阻衰减器电阻型厚、薄膜衰减器具有设计灵活、性能稳定、高频性能好、装配方便、可靠性高、特性阻抗与衰减量精度高等特点近年来，广大整机设计人员正从“T”型结构过渡到使用厚薄膜电阻型衰减器和组合衰减器由于厚薄膜电阻在工艺制作过程中可以根据需要调整电阻值，衰减器参数设计非常灵活，特别是组合衰减器的电阻温度系数一致性很好，用户使用十分方便厚膜电阻生产设备和工装夹具成本低，能连续大批量生产，电阻值范围极宽，其发展的重点是大电流、大功率、耐高温、耐高压的衰减器系列薄膜电阻工艺尺寸的公差小，电阻温度系数低，使用工作频率高，利于低噪声、高精密、高稳定的衰减器系列衰减器分无源衰减器和有源衰减器两种。