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电磁脉冲衰减器的设计毕业论文.doc

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电磁脉冲衰减器的设计毕业论文.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I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......................................62.3Helmholtz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..................................................123.1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..............................................241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。21.2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dB6。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

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