趙敏,曲兆明,王慶國,周星,陳亞洲

(陸軍工程大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050003)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,電磁脈沖武器作為一種新型武器,其產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖對戰(zhàn)場上的信息化武器裝備具有軟殺傷和硬摧毀的雙重能力。因此,信息化武器裝備的電磁脈沖防護(hù)問題已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)有電磁防護(hù)材料,比如金屬殼體、電磁防護(hù)織物等,是將電磁攻擊信號與被保護(hù)的電子設(shè)備通過屏蔽的方式隔離開來,進(jìn)而起到對敏感電子設(shè)備的電磁防護(hù)效果。而在實(shí)際裝備中,預(yù)警、火控、通信、數(shù)據(jù)鏈以及全球定位系統(tǒng)等用頻裝備均存在電子信息的收發(fā)過程,此時(shí)傳統(tǒng)的被動電磁防護(hù)方法會造成用頻裝備由于不能與外界進(jìn)行信息互通而無法正常工作,因此,如何處理常規(guī)條件下用頻裝備電子信息的正常收發(fā)與強(qiáng)電磁脈沖攻擊條件下的防護(hù)之間的矛盾是當(dāng)前電磁防護(hù)領(lǐng)域急需突破的技術(shù)難題。場致絕緣-金屬相變材料具有場致相變效應(yīng),可以應(yīng)用于電磁防護(hù)領(lǐng)域,如某些導(dǎo)電納米粒子填充型聚合物復(fù)合材料、壓敏金屬氧化物晶體薄膜等,這些材料通過感知外界電磁場的變化,快速調(diào)節(jié)其電磁性能,在微納秒時(shí)間內(nèi)發(fā)生絕緣-金屬相變現(xiàn)象,電導(dǎo)率可以提升10～10數(shù)量級,使平時(shí)為絕緣體的材料迅速變?yōu)楦邔?dǎo)電的類金屬材料,對外來電磁波產(chǎn)生高反射和屏蔽,將強(qiáng)電磁脈沖能量阻擋在防護(hù)殼體之外,從而保護(hù)內(nèi)部的用頻裝備不受干擾和毀傷,在當(dāng)外部干擾強(qiáng)場消失后,材料恢復(fù)至原始狀態(tài)。此類材料相比金屬殼體、屏蔽織物等傳統(tǒng)電磁防護(hù)材料,具有場致導(dǎo)電和電磁屏蔽特性,可以實(shí)現(xiàn)用頻裝備正常工作和強(qiáng)場攻擊下的電磁防護(hù)雙重功能,因而成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[4-5]。

目前國內(nèi)外對場致絕緣-金屬相變材料的研究主要集中在材料的相變機(jī)理和制備技術(shù)等方面,材料測試一般作為驗(yàn)證手段,常采用靜態(tài)場直流測試的方法?，F(xiàn)有材料電磁性能的靜態(tài)測試方法主要包括自由空間法、諧振法、同軸傳輸/反射法和四探針法,前兩種方法主要用來測試材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,同軸傳輸/反射法主要用于材料屏蔽效能的測試,這些方法均是在單一恒定狀態(tài)下的測量,無法觀測到此類材料在不同場強(qiáng)下電阻從絕緣到導(dǎo)體動態(tài)變化的過程和時(shí)間;半導(dǎo)體材料的電阻率測試通常采用四探針法,但由于其測試電壓較低,且只能用于直流激勵下的材料電阻率測試,無法滿足強(qiáng)電磁脈沖激勵下材料的電阻率測試要求。電磁脈沖具有快上升沿、窄脈寬的特性,材料需要在電磁脈沖到達(dá)時(shí)快速完成相變過程,從而起到保護(hù)電子設(shè)備的效果,因此相變響應(yīng)時(shí)間是決定材料電磁脈沖防護(hù)性能的核心指標(biāo)。而有關(guān)響應(yīng)時(shí)間的測試研究較少,且多集中在二氧化釩兩端器件的相變機(jī)理和響應(yīng)時(shí)間研究方面,文獻(xiàn)[25 -26]報(bào)道了一種基于硅基片的二氧化釩半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性,研究了絕緣-導(dǎo)體在低電壓脈沖作用下發(fā)生相變的延遲時(shí)間和相變后的電阻,但是缺乏理論計(jì)算層面上的分析。文獻(xiàn)[27]提出了一種簡單的電阻電容熱電路模型,給出了熱致相變的二氧化釩兩端器件的最小開關(guān)時(shí)間。文獻(xiàn)[28]提出了一種雙脈沖法,通過調(diào)整兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔確定二氧化釩從低阻態(tài)到高阻態(tài)的恢復(fù)時(shí)間。文獻(xiàn)[29]對制備的二氧化釩進(jìn)行了超快太赫茲脈沖場下的相變特性研究,主要利用了太赫茲泵浦800 nm 探針對太赫茲脈沖場進(jìn)行了測試。上述測試方法均存在一定的局限性,在最能直接判斷材料電磁脈沖防護(hù)性能的快沿強(qiáng)電磁脈沖響應(yīng)測試方面還缺乏深入的研究,限制了此類材料在電磁脈沖防護(hù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因此,場致絕緣-金屬相變材料的脈沖響應(yīng)測試方法成為亟待解決的理論課題。

本文提出一種基于微帶線原理的時(shí)域脈沖響應(yīng)測試方法,構(gòu)建一套強(qiáng)電磁脈沖場環(huán)境下的材料相變響應(yīng)測試系統(tǒng),建立測試系統(tǒng)的等效電路模型,并從理論上推導(dǎo)出響應(yīng)脈沖波形的時(shí)域函數(shù),最后對制備的場致絕緣-金屬相變材料進(jìn)行實(shí)際測試,確定強(qiáng)電磁脈沖場誘導(dǎo)的相變閾值、相變后電阻以及響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間等參數(shù),為場致絕緣-金屬相變材料的測試提供理論方法和技術(shù)支撐。

1 微帶線法的原理分析

1.1 測試系統(tǒng)

基于微帶線法的測試裝置,并結(jié)合電磁脈沖發(fā)生設(shè)備和顯示設(shè)備,構(gòu)建了場致絕緣-金屬相變材料的測試系統(tǒng),如圖1 所示。圖1 中:為兩個(gè)銅片邊緣之間的距離;為電場。該系統(tǒng)由日本三基公司生產(chǎn)的INS 4040 型高頻噪聲模擬器、美國安捷倫公司生產(chǎn)的54845A 型測試裝置和示波器組成,其中測試裝置主要包括場形成裝置、微帶線(包括導(dǎo)體帶、背面接地板和襯底)、接地過孔、屏蔽殼體和同軸接頭。高頻噪聲模擬器產(chǎn)生的方波電磁脈沖作為輸入波形注入到測試裝置的輸入端,利用傳輸線匹配理論,綜合考慮微帶線襯底的介電常數(shù)、導(dǎo)體帶寬度以及印制電路板(PCB)襯底的厚度等參數(shù),使微帶線的特性阻抗為50 Ω,保證和高頻噪聲模擬器的輸出阻抗以及示波器的輸入阻抗相匹配,且具有小于1 dB 的插入損耗。利用該微帶線為電磁脈沖提供傳輸通道,保證電磁脈沖的無失真?zhèn)鬏?。微帶線設(shè)計(jì)在PCB 基板中間位置,上下部分留出接地過孔與PCB 底板的地平面相連,將該P(yáng)CB 電路板放置在屏蔽殼體中,并與之良好搭接,確保高頻噪聲模擬器、測試裝置和示波器共地。在微帶線中間斷開,兩端分別焊接兩個(gè)柱形電極,柱形電極直徑與微帶線寬度一致,以保證不影響微帶線的傳輸特性,此時(shí),微帶線中傳輸?shù)碾姶挪闄M電磁波。在電極上分別固定兩個(gè)表面光滑、邊緣磨邊處理且具有一定寬度的銅片作為場形成裝置,通過調(diào)節(jié)柱形電極和銅片的連接裝置來夾持被測材料,為其提供均勻的電場。當(dāng)兩個(gè)銅片都放置在被測材料上方時(shí),電場方向與被測材料平行,形成水平極化電場,如圖1 所示的微帶線結(jié)構(gòu)及場分布,其產(chǎn)生電場的最大值為注入電壓最大值與兩個(gè)銅片邊緣之間距離的比值。輸出端口通過相應(yīng)的衰減器與高性能的數(shù)字示波器連接以實(shí)時(shí)顯示輸出波形。

圖1 微帶線法材料電磁脈沖響應(yīng)測試系統(tǒng)圖Fig.1 Test system for electromagnetic pulse response by micro-strip line method

1.2 測試方法

當(dāng)施加的電磁脈沖場未達(dá)到被測材料的相變場強(qiáng)閾值時(shí),被測材料處于絕緣狀態(tài),呈現(xiàn)出較大的阻抗,此時(shí)微帶線開路,輸入信號產(chǎn)生全反射致使輸出端無輸出信號顯示;逐漸增大輸入電壓,當(dāng)電磁脈沖場達(dá)到被測材料的相變場強(qiáng)閾值時(shí),被測材料在外界電磁脈沖場的激勵下發(fā)生能帶結(jié)構(gòu)的變化,電子間關(guān)聯(lián)能與費(fèi)米能級滿足一定條件時(shí),被測材料則會發(fā)生絕緣-金屬相變,此時(shí)被測材料阻抗急劇變小,微帶線的特性阻抗與被測材料阻抗呈現(xiàn)出串聯(lián)關(guān)系,整個(gè)測試系統(tǒng)處于阻抗失配狀態(tài)。基于傳輸線理論,根據(jù)輸出波形的特性參數(shù),結(jié)合反射系數(shù)、輸出電壓的幅值變化以及波形類型等定量分析,得到被測材料的動態(tài)脈沖響應(yīng)特性參數(shù)。在理想情況下,一旦被測材料的阻抗發(fā)生變化,該測試系統(tǒng)就可以通過輸出波形的類型、電壓幅值等參數(shù)得到其電阻率變化以及響應(yīng)時(shí)間。而實(shí)際上,受制于測試設(shè)備的噪聲等因素的影響,其被測材料阻抗測試范圍需要通過試驗(yàn)確定。

2 測試系統(tǒng)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 等效電路模型的建立

在強(qiáng)場電磁環(huán)境下,被測材料的電阻(電阻率或電導(dǎo)率)不再是一個(gè)常數(shù),而是一個(gè)與外界電磁場大小有關(guān)的物理量,根據(jù)電流密度與場強(qiáng)之間一般表達(dá)式,在強(qiáng)場環(huán)境下材料的電阻率會在一定條件下隨著場強(qiáng)的增加迅速減小,使原本絕緣或?qū)щ娦圆畹牟牧献兂蓪?dǎo)電性好的類金屬材料。因此,被測材料可以等效為一個(gè)電阻,它會隨著外界場強(qiáng)環(huán)境的改變而變化。當(dāng)極化方向?yàn)樗綐O化時(shí),夾持被測材料的柱形電極等效電容小,可以忽略。因此整個(gè)測試裝置可以由一個(gè)變化的來等效。結(jié)合高頻噪聲模擬發(fā)生器和示波器的等效電路,圖2給出了整個(gè)測試系統(tǒng)的等效電路模型。

圖2 測試系統(tǒng)的等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of test system

圖2 中:為高頻噪聲模擬器內(nèi)部的直流充電電源;為其內(nèi)阻,主要起限流作用,其阻值約為兆歐數(shù)量級;為測試裝置的注入電壓;為示波器的內(nèi)阻;為輸出電壓。圖2 中的連接線纜是特性阻抗為50 Ω 的同軸線,其長度為20 cm,用于與測試裝置的電氣連接。由于高頻噪聲模擬器采用傳輸線原理來產(chǎn)生不同脈沖寬度的方波脈沖,其內(nèi)部還存在與脈沖寬度相關(guān)長度的同軸線。當(dāng)高頻噪聲模擬器的開關(guān)K 閉合時(shí),會產(chǎn)生單個(gè)電壓幅值為的方波脈沖。

2.2 理論分析

根據(jù)傳輸線反射原理,當(dāng)被測材料呈現(xiàn)低阻態(tài)時(shí),電路處于失配狀態(tài),被測材料電阻和示波器內(nèi)阻串聯(lián)之后作為負(fù)載阻抗,即=+,輸入脈沖經(jīng)過被測材料后會在負(fù)載端產(chǎn)生反射脈沖,其反射系數(shù)為

式中:為微帶線特性阻抗。

由于和均為50 Ω,負(fù)載阻抗始終大于微帶線特性阻抗,即恒為正數(shù)。輸入脈沖在負(fù)載端產(chǎn)生反射后,會通過同軸線纜返回至高頻噪聲模擬器內(nèi)部而再次在源端產(chǎn)生反射,其反射系數(shù)為

由于的阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于,近似為1,即經(jīng)過源端信號幅值基本不會產(chǎn)生改變,可以不考慮源端的反射,但由于同軸線纜的存在,需要考慮信號的延遲時(shí)間。

根據(jù)傳輸線理論,當(dāng)有反射存在時(shí),終端輸出電壓為輸入信號和反射信號的疊加,此時(shí)在負(fù)載端產(chǎn)生的第1 個(gè)輸出電壓為

當(dāng)由負(fù)載阻抗失配導(dǎo)致的反射信號到達(dá)源端時(shí),源端的反射系數(shù)為1,就會發(fā)生全反射。當(dāng)反射信號再次到達(dá)負(fù)載端時(shí),于是又出現(xiàn)了第2 個(gè)反射信號,第1 個(gè)反射信號和第2 個(gè)反射信號之間存在延遲時(shí)間。它由兩部分構(gòu)成:一部分是高頻噪聲模擬器內(nèi)部的同軸線產(chǎn)生的延遲時(shí)間,該延遲時(shí)間實(shí)際上就是輸入信號的脈沖寬度;另一部分是圖2 中的連接線纜所產(chǎn)生的延遲時(shí)間,該延遲時(shí)間可以通過(4)式計(jì)算得到

式中:為輸出同軸線的長度;為電磁波傳播速度,其值為3 ×10m/s;為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的相對介電常數(shù)。

因此,經(jīng)過延遲時(shí)間后,可以得到第2 個(gè)輸出電壓為

而入門的小學(xué)生和初中低年級學(xué)生，處境就比較尷尬。從國外引進(jìn)的童書繪本中，以外研出版社引進(jìn)的偏文字英語故事書為主，對英語入門級學(xué)生而言難度偏高；其他出版社，更多為直接出中文譯作。而承載著認(rèn)知啟蒙、培養(yǎng)語言興趣使命的入門級英語原版繪本，市面上實(shí)在是少之又少（漆秋香，2015），視聽資源更是缺乏。偶爾出現(xiàn)，價(jià)格還偏高。正版資源少，盜版也是無源之水。

依次類推,根據(jù)(6)式可以得到第個(gè)輸出電壓的值,

由于＞0,＞,可以得出輸出電壓的最大值為第1 個(gè)輸出電壓幅值,這也是在實(shí)際測試中最為關(guān)心的電壓參數(shù)。最終,給出總的輸出電壓與輸入電壓以及材料等效電阻的時(shí)域表達(dá)式為

式中:(·)表示階躍函數(shù);為注入方波的脈寬。通過(7)式可以確定輸出波形是由不同延時(shí)時(shí)間且電壓幅值逐漸遞減的個(gè)方波組成。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該等效電路模型和理論的準(zhǔn)確性,在1 Ω～30 kΩ 范圍內(nèi)選擇了13 個(gè)不同阻值的電阻代替被測材料,分為較低阻值、中等阻值和較高阻值3 種等級,開展等效電阻驗(yàn)證試驗(yàn)研究,輸入脈沖的電壓設(shè)為1 kV,表1 給出了不同阻值下的輸出波形類型、脈沖寬度和前3 個(gè)輸出電壓的幅值。

由表1 可以看出,在同樣的示波器設(shè)置下,隨著等效電阻的增大,波形由原來方波脈沖逐漸變?yōu)殡p指數(shù)脈沖,脈寬明顯展寬,負(fù)載端的反射系數(shù)隨之增大,反射次數(shù)增多,第1 個(gè)輸出電壓幅值逐漸減小。因此,當(dāng)電阻為1 Ω 時(shí),達(dá)到最大值,當(dāng)電阻為30 kΩ 時(shí),最小。第2 個(gè)和第3 個(gè)反射電壓的最大值分別出現(xiàn)在50 Ω 和220 Ω,與(5)式和(6)式的計(jì)算結(jié)果一致。電阻大于1 kΩ 之后,前3 個(gè)輸出電壓幅值不再出現(xiàn)明顯變化。因此,隨著反射次數(shù)增加和輸出電壓減小,只觀測前3 個(gè)輸出電壓不容易看出其變化趨勢。但是通過觀測其輸出波形,可以看出各輸出電壓值呈現(xiàn)遞減的變化趨勢。

表1 等效電阻與波形類型、脈沖寬度和前3 個(gè)輸出電壓的關(guān)系Tab.1 Relation between R and waveform shape,tw,Vo,1,Vo,2 and Vo,3

圖3 給出了等效電阻在1 Ω～30 kΩ 的輸出波形,圖中輸出電壓值是衰減60 dB 后得到的實(shí)測值。由于不同等效電阻反射次數(shù)的差異性,導(dǎo)致其輸出波形脈沖寬度差別較大,因此分別由圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分段顯示。由圖3 可以看出,隨著等效電阻的增加,其波形由方波逐漸變?yōu)殡p指數(shù)波形。根據(jù)(3)式可知,該電阻值繼續(xù)增大還可以觀測到的微小變化,而當(dāng)示波器底噪與該微小變化相比擬時(shí),輸出電壓波形會被示波器的底噪淹沒,無法觀測到輸出波形的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)示波器的采樣速率為20 GS/s、注入電壓為1 kV 時(shí),其最大可測電阻約為30 kΩ,最小可測電阻為1 Ω,即當(dāng)被測材料相變后的電阻為1 Ω～30 kΩ 時(shí),可以根據(jù)輸出波形的形狀、幅值和脈沖寬度來得出其電阻的大致范圍。實(shí)際上被測材料相變后電阻值過大已經(jīng)失去了相變的意義,因此該測試范圍完全能夠滿足材料測試需求。

對比(7)式和圖3 的輸出波形可以看出,其輸出波形是由多個(gè)逐漸遞減的方波組成的,其方波數(shù)量由反射次數(shù)決定,該實(shí)測結(jié)果與理論分析一致。進(jìn)一步對比表1 中的前3 個(gè)輸出電壓值和(6)式得出的理論計(jì)算值以及測量誤差,如表2 所示。

圖3 不同等效電阻條件下測試系統(tǒng)的時(shí)域輸出波形Fig.3 Time domain output waveform of test system under the condition of different equivalent resistances

表2 前3 個(gè)實(shí)測輸出電壓的絕對誤差Tab.2 Absolute errors of Vo,1,Vo,2 and Vo,3 measured by test system

在對被測材料進(jìn)行實(shí)際測試時(shí),根據(jù)被測材料相變后的輸出波形,可以得到其反射次數(shù),結(jié)合讀取的第1 個(gè)輸出電壓值,利用(3)式可計(jì)算得出其相變后的電阻。但是,前面提到被測材料并不完全等同于一個(gè)具有固定阻值的電阻,其只有相變后的導(dǎo)通狀態(tài)是一個(gè)穩(wěn)定值。因此,以上理論分析在材料未恢復(fù)為絕緣狀態(tài)之前是準(zhǔn)確的。該方法除了可以反映材料的相變過程,理論上也可以反映材料的恢復(fù)過程,此時(shí)被測材料電阻是一個(gè)變化量,設(shè)被測材料在第個(gè)輸出電壓值的電阻為R,其反射系數(shù)為

此時(shí),第個(gè)輸出電壓的值為

式中:為第-1 個(gè)輸出電壓時(shí)的輸入電壓。當(dāng)被測材料電阻發(fā)生變化時(shí),設(shè)第-1 個(gè)輸出電壓時(shí)的電阻為R,則第個(gè)輸出電壓與第-1 個(gè)輸出電壓的比值為

當(dāng)被測材料電阻未發(fā)生變化即R=R時(shí),則(10)式可簡化為

此時(shí),為常數(shù);當(dāng)被測材料電阻發(fā)生了從小到大的變化時(shí),即R?R,從(10)式可以看出,急劇減小,此時(shí)＜。因此,當(dāng)被測材料電阻突然增大時(shí),會導(dǎo)致第個(gè)輸出電壓與第-1 個(gè)輸出電壓相比,急劇減小,此時(shí)不再符合相變時(shí)的等比例減小的規(guī)律。例如相變時(shí)被測材料電阻為50 Ω,此時(shí)為13,當(dāng)被測材料從相變狀態(tài)恢復(fù)至1 MΩ 時(shí),約為5 ×10,該值明顯減小。該值的變化量主要與被測材料相變前后電阻值的突變程度有關(guān)。

3 材料性能測試與分析

高頻噪聲模擬器的脈沖寬度選擇為1 μs,脈沖前沿為1 ns,輸出電壓范圍為0～4 kV;示波器帶寬為1.5 GHz,采樣速率為20 GS/s,脈沖衰減器為60 dB。極化方式為水平極化,其兩電極的距離為3 mm。具有場致絕緣-金屬相變特性的二氧化硅修飾銀納米線填充型聚合物基復(fù)合材料,如圖4 所示。利用本文提出的脈沖響應(yīng)測試方法對該被測材料進(jìn)行實(shí)際測試,其相變后的輸出波形如圖5 所示。圖5 中為電壓峰值。

圖4 二氧化硅修飾銀納米線填充型聚合物基復(fù)合材料Fig.4 Polymer composites containing SiO2-decorated silver nanowire hybrids

圖5 被測材料相變后的輸出波形Fig.5 Output waveform of the tested material after phase transition

測試過程中,注入電壓從100 V 開始,步進(jìn)值為100 V,逐漸增大輸出電壓,觀測輸出波形變化。當(dāng)電壓增大至1 300 V 時(shí),輸出波形由被測材料相變前的0 V 波形輸出變?yōu)槿鐖D5 所示的輸出波形,輸出電壓較注入電壓明顯減小,此時(shí)可確定發(fā)生相變的電壓為1 300 V,對應(yīng)的電場為433 kV/m。從圖5 中可以看出,注入的方波波形和輸出波形在波形形狀上發(fā)生了較大變化,這是因?yàn)椴ㄐ卧趥鬏斶^程中由于阻抗失配發(fā)生了多次正反射,形成了由多個(gè)不同時(shí)延、不同電壓幅值方波疊加的波形。其中,第1 個(gè)輸出電壓幅值最大,相鄰兩個(gè)方波的延時(shí)約為注入方波的脈寬加上,由于這里采用的連接線纜較短,為20 cm,根據(jù)(4)式可計(jì)算出時(shí)延為1 ns,而這對于1 μs 的而言,可以忽略不計(jì)。兩個(gè)方波的時(shí)延近似為方波的脈寬,進(jìn)而形成了多個(gè)相同脈寬的方波疊加的輸出波形。因此,無論是在波形的形狀和時(shí)延上都與2.2 節(jié)的理論分析相吻合。

雖然被測材料等效為電阻,但由于被測材料發(fā)生電阻變化需要一定的響應(yīng)時(shí)間,輸出波形初始時(shí)刻的暫態(tài)狀態(tài)可以用來觀測被測材料的響應(yīng)時(shí)間,而讀取其相變后穩(wěn)定狀態(tài)下的電壓輸出幅值可以計(jì)算得到其相變后的電阻,如圖5 所示,輸出波形的第1 個(gè)輸出電壓波形前沿部分出現(xiàn)了一個(gè)過沖,過沖之后波形變?yōu)槠教沟姆讲?其平坦部分的電壓就是第1 個(gè)輸出電壓。關(guān)于響應(yīng)時(shí)間的確定,考慮到文獻(xiàn)[26]中被測材料的類型與本文相同,均為場致相變材料,且響應(yīng)波形的電壓峰值均小于施加的輸入電壓峰值,這說明當(dāng)施加的輸入電壓還來不及上升至高頻噪聲模擬器的電壓幅值時(shí),被測材料就已經(jīng)發(fā)生了相變,響應(yīng)電壓瞬間下降至。因此,參考文獻(xiàn)[26]對被測材料的響應(yīng)時(shí)間定義,即瞬態(tài)脈沖電壓上升至電壓峰值10%～90%的時(shí)間間隔,如圖5 所示,得到被測材料的響應(yīng)時(shí)間為40 ns。第1 個(gè)輸出電壓為218 V,、的電壓值分別為200 V 和170 V,通過(3)式可以計(jì)算得出該材料相變后的等效電阻為491 Ω,其相變前的阻抗通過萬用表測得為200 MΩ,其電阻率為4 ×10,通過觀測其后面波形沒有出現(xiàn)變化的趨勢,因此判斷該材料在25 μs 的時(shí)間未恢復(fù)為絕緣狀態(tài)。

4 結(jié)論

基于微帶線原理,本文構(gòu)建了一種寬動態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間快的場致相變電磁脈沖防護(hù)材料性能測試系統(tǒng)。建立串聯(lián)微帶線法測試系統(tǒng)的等效電路模型,推導(dǎo)出輸出波形和相變后電阻的時(shí)域表達(dá)式,開展了等效電阻驗(yàn)證試驗(yàn)和材料性能的實(shí)際測試,從理論和試驗(yàn)上驗(yàn)證了測試方法的準(zhǔn)確性和可行性,測試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果較好吻合。得出以下主要結(jié)論:

1)配合構(gòu)建的材料性能測試系統(tǒng),該測試方法可以測試材料相變后的電阻范圍為1 Ω～30 kΩ;測試系統(tǒng)總誤差主要由輸入電壓值的誤差所決定,在測試范圍內(nèi),相變后的電阻值與測試誤差大體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

2)通過對所制備場致絕緣-金屬相變材料的實(shí)際測試,驗(yàn)證了該測試方法可以用來測試和評估材料相變后的電阻率和響應(yīng)時(shí)間。

3)根據(jù)材料相變后的輸出波形,在理論層面上可以確定場致絕緣-金屬相變材料的恢復(fù)時(shí)間。

基于研制的測試裝置所構(gòu)建的測試系統(tǒng)以及提出的測試方法,為場致絕緣-金屬相變材料脈沖響應(yīng)特性的定量評價(jià)和新材料設(shè)計(jì)提供了理論和技術(shù)支撐。受限于被測材料的實(shí)際性能,未能實(shí)測到材料的恢復(fù)過程,下一步將提升材料的各項(xiàng)性能指標(biāo),以完成此類材料完整參數(shù)的實(shí)際測試。