Методы и средства измерений параметров сверхкоротких электромагнитных импульсов в пикосекундном диапазоне Сухов Александр Витальевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Аналитический обзор современных методов и средств измерений параметров электромагнитных импульсов в сверхкоротком временном диапазоне 15

1.1 Анализ существующих методов измерений и типов измерительных преобразователей параметров электромагнитных импульсов 15

1.1.1 Емкостные и индукционные измерительные преобразователи 18

1.1.2 Измерительные преобразователи на основе ТЕМ-рупора 28

1.1.3 Электро- и магнитооптические измерительные преобразователи 32

1.1.4 Измерительные преобразователи на основе полосковой линии 36

1.1.5 Сводные характеристики ИП параметров ЭМИ 41

1.2 Эталонные установки для калибровки средств измерений параметров электромагнитных импульсов 43

1.2.1 Генераторы импульсов для возбуждения полеобразующих систем эталонных установок 44

1.2.2 Полеобразующие системы эталонных установок на основе линий передачи 51

1.2.3 Полеобразующие системы эталонных установок для калибровки измерительных преобразователей в свободном пространстве 59

1.2.4 Сводные характеристики генераторов и полеобразующих систем эталонных установок для воспроизведения ЭМИ 66

1.3 Выводы по разделу 70

2 Теоретические исследования измерительных преобразователей и фидерных устройств эталонных установок для калибровки средств измерений параметров электромагнитных импульсов в сверхкоротком временном диапазоне 71

2.1 Анализ методов расчета измерительных преобразователей и полеобразующих систем для воспроизведения импульсных электрических и магнитных полей 71

2.1.1 Аналитические методы расчета 71

2.1.2 Численные методы расчета 74

2.1.3 Обоснование применения методов расчетов в теоретических исследованиях преобразователей и фидерных устройств 77

2.2 Расчет измерительного преобразователя на основе полосковой линии с временем нарастания переходной характеристики до 10 пс 78

2.3 Расчет фидерного устройства моноконической полеобразующей системы эталонной установки для воспроизведения электромагнитных импульсов с длительностью фронта до 10 пс 2.4 Расчет фидерного устройства высоковольтной полеобразующей системы на основе ТЕМ-ячейки с расщепленным центральным электродом 98

2.5 Выводы по разделу 104

3 Экспериментальные исследования измерительных преобразователей и полеобразующих систем эталонных установок 106

3.1 Экспериментальные исследования измерительного преобразователя и моноконической полеобразующей системы с модернизированным фидерным устройством 106

3.2 Экспериментальные исследования высоковольтной ТЕМ-ячейки с расщепленным центральным электродом 111

3.3 Выводы по разделу 118

4 Разработка измерительной системы для определения электромагнитных характеристик радиопоглощающих материалов 120

4.1 Метод измерений 120

4.2 Расчет приемной и передающей антенн 122

4.3 Методы измерений и обработки измерительной информации 128

4.4 Оценка погрешности измерений 136

4.5 Экспериментальные исследования образцов радиопоглощающих материалов 139

4.6 Выводы по разделу 143

Заключение 145

Список использованных источников

• Емкостные и индукционные измерительные преобразователи
• Обоснование применения методов расчетов в теоретических исследованиях преобразователей и фидерных устройств
• Экспериментальные исследования высоковольтной ТЕМ-ячейки с расщепленным центральным электродом
• Методы измерений и обработки измерительной информации

Введение к работе

Актуальность темы работы. Сверхкороткие электромагнитные импульсы (СК ЭМИ) находят свое применение в радиолокации, системах радиосвязи, в задачах радиомониторинга, радиоэлектронной борьбы и обеспечении электромагнитной совместимости. В традиционных радиосистемах основной тенденцией является повышение рабочих частот. В области связи развиваются системы работающие на частотах единицы-десятки гигагерц, что позволяет передавать большие объемы информации. Соответственно, для работы в высокочастотных диапазонах рассчитываются новые типы приемных и передающих антенн, разрабатываются радиопоглощающие материалы и покрытия. Определение их характеристик во временной области путем зондирования СК ЭМИ является актуальной задачей, решение которой приводит к снижению времени и стоимости измерений.

Преднамеренно созданные СК ЭМИ могут эффективно нарушать работу вычислительной техники и радиоэлектронных средств, сетей связи, систем контроля доступа и видеонаблюдения. Современные излучатели способны воспроизводить СК ЭМИ амплитудой сотни киловольт на метр на расстоянии десятков метров, а минимальная длительность фронта импульса при этом может составлять десятки пикосекунд. Это диктует необходимость проведения испытаний радиоэлектронного оборудования на стойкость к воздействию СК ЭМИ, которые осуществляются в специальных имитаторах. Метрологическая аттестация имитаторов и измерительных комплексов требует средств измерений (СИ), адекватных по своим характеристикам параметрам измеряемых полей.

Вопросам разработки и совершенствования средств измерений параметров сверхкоротких электромагнитных импульсов, эталонных установок для их калибровки, а также методам и средствам испытаний на стойкость к воздействию ЭМИ посвящены работы ряда известных отечественных и зарубежных специалистов: А.А. Соколова, С.А. Подосенова, К.Ю. Сахарова, Н.В. Балюка, Л.Н. Кечиева, Л.О. Мыровой, К. Баума, Э. Фарра, Д. Гири, М. Канды и других.

К настоящему времени разработана широкая номенклатура типов средств
измерений параметров ЭМИ: емкостные и индукционные антенны, ТЕМ-
рупорные, полосковые, электро- и магнитооптические преобразователи. Время
нарастания переходной характеристики самых быстродействующих

преобразователей ограничивается 20-30 пс. Однако, активное освоение

4 радиотехникой (локаторами, системами связи и т.п.) К_а-диапазона (26,5 - 40 ГГц)

требует наличия средств измерений с меньшим временем нарастания переходной характеристики, так как частоте 40 ГГц соответствует верхняя граничная частота спектра СК ЭМИ с длительностью фронта 10 пс. Уменьшение времени нарастания переходной характеристики средств измерений также обостряет вопрос их калибровки: эталонные установки должны воспроизводить импульсы поля с длительностью фронта существенно меньше времени нарастания переходной характеристики калибруемого СИ. Для обеспечения единства измерений параметров электромагнитных импульсов в пикосекундной области в России применяется Государственный первичный специальный эталон ГЭТ 178-2010. Длительность фронта воспроизводимых импульсов в эталоне составляет не более 20 пс, что уже сейчас недостаточно для определения времени нарастания переходной характеристики самых быстродействующих СИ, требуется хотя бы вдвое меньше.

Многие средства измерений снабжаются активной частью:

оптоволоконной линией связи, усилителями, аттенюаторами, интеграторами и другими дополнительными устройствами, чувствительными к характеристикам измеряемого сигнала. Подобные средства измерений должны калиброваться в полном динамическом диапазоне, исходя из характеристик имитаторов — до 300 кВ/м при максимально короткой длительности фронта импульсов (порядка 100-150 пс). Единство измерений параметров мощных ЭМИ обеспечивается с помощью Государственного первичного специального эталона ГЭТ 148. Эталон функционирует в двух режимах: в первом – воспроизводятся наносекундные мощные ЭМИ с большой длительностью фронта (до 250 кВ/м при длительности фронта – 1 нс), а во втором – субнаносекундные импульсы небольшой амплитуды, но с коротким фронтом (до 150 В/м при длительности фронта – 300 пс). Для устранения разрыва в амплитудно-временном диапазоне воспроизведения единиц и выполнения требования калибровки СИ в полном динамическом диапазоне необходимо совершенствование эталона – увеличение амплитуды воспроизводимых импульсов до 300 кВ/м при длительности фронта до 100 пс.

Таким образом, ряд новых задач, связанных с освоением

радиоэлектронными средствами пикосекундного временного диапазона и ужесточением параметров нагружения при испытаниях объектов, требует разработки новых типов быстродействующих средств измерений параметров ЭМИ и эталонных установок, обеспечивающих возможность их калибровки.

5 Исходя из изложенного выше, можно указать, что актуальными

являются следующие исследования по теме работы:

разработка средств измерений амплитудно-временных параметров импульсных сигналов с длительностью фронта до 10 пс в широком динамическом диапазоне;

исследования путей модернизации Государственного первичного специального эталона единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей ГЭТ 178 с целью обеспечения возможности воспроизведения импульсов с длительностью фронта до 10 пс и калибровки новых быстродействующих средств измерений;

исследования путей модернизации Государственного первичного специального эталона единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей ГЭТ 148 с целью расширения амплитудно-временного диапазона воспроизводимых единиц до 300 кВ/м (800 А/м) при минимально возможной длительности фронта.

исследования путей внедрения быстродействующих средств измерений при создании измерительных систем, использующих сверхкороткие электромагнитные импульсы.

Цель работы - исследование и разработка методов и средств измерения амплитудно-временных параметров сверхкоротких электромагнитных импульсов в пикосекундном диапазоне, а также эталонных установок для их калибровки в пикосекундном и субнаносекундном диапазонах.

Для достижения данной цели решались следующие основные задачи:

проведен аналитический обзор современных методов и средств измерений параметров электромагнитных импульсов в пикосекундном временном диапазоне (единицы-десятки пикосекунд);

выполнены теоретические исследования измерительных преобразователей и фидерных устройств эталонных установок для калибровки средств измерений;

проведены экспериментальные исследования измерительных преобразователей и полеобразующих систем в расширенном амплитудно-временном диапазоне;

создана измерительная система для определения электромагнитных характеристик радиопоглощающих материалов, использующая разработанные быстродействующие средства измерений.

6 Научная новизна работы. При решении задач, поставленных в

диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования первичного измерительного преобразователя на основе полосковой линии с начальным участком в виде линии без потерь и последующим диэлектрическим участком. Оценено значение неоднородности в месте стыковки участков и ее влияние на форму переходной характеристики преобразователя. Получены геометрические соотношения элементов преобразователя, при которых обеспечивается измерение параметров сверхкоротких электромагнитных импульсов с длительностью фронта не более 10 пс.

2. Экспериментально установлено, что фидерное устройство моноконической системы, рассчитанное методом заданных токов без учета изломов электродов в тракте фидерного устройства, не позволяет обеспечить воспроизведение в ней импульсов поля с длительностью фронта не более 10 пс. Применение модифицированного метода заданных токов, учитывающего изломы в проводах, к расчету фидерного устройства моноконической системы позволило получить оптимальные геометрические параметры фидера (с учетом его длины) для воспроизведения импульсов с длительностью фронта не более 10 пс. Результаты расчета подтверждены экспериментально.

3. С целью согласования и обеспечения электрической прочности в тракте фидерного устройства ТЕМ-ячейки с расщепленным электродом проведен синтез нерегулярного коаксиального волновода с центральным проводником эллиптической формы. Показано совпадение результатов расчета фидерного устройства с результатами экспериментальных исследований.

4. Обоснованы требования к типам и характеристикам приемных и передающих антенн при реализации метода определения коэффициента пропускания радиопоглощающих материалов с помощью зондирования сверхкороткими электромагнитными импульсами. Определено, что для минимизации погрешности измерения, обусловленной шумами, образец следует располагать на границе прожекторной зоны излучающей антенны при соблюдении условия временной селекции паразитных сигналов (безэховости).

Практическая значимость работы

1. Разработаны и серийно выпускаются измерительные преобразователи напряженности импульсного электрического поля ИППЛ-Л, имеющие время нарастания переходной характеристики до 10 пс (номер в государственном

7 реестре средств измерений № 46946-11. Потребителями быстродействующих

ИППЛ-Л являются ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г.Саров, ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова», г. Нижний Новгород, ФГУП «ГосНИИПП», г. Санкт-Петербург, ОАО «КПЗ «Каскад», г. Краснодар, ОАО «МКБ «Компас», г. Москва.

2. Разработаны и серийно выпускаются малогабаритные мощные
излучатели «Комплект ИСМ» для исследований радиоэлектронных средств на
стойкость к воздействию СК ЭМИ (заказчик ЗАО «Эврика», г. Санкт-
Петербург). В конструкциях излучателей использованы фидерные устройства и
антенны, рассчитанные и исследованные в настоящей диссертации.

Результаты диссертационного исследования, касающиеся разработки фидерных устройств полеобразующих систем внедрены при выполнении НИР «Исследование путей создания вторичного эталона единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей со сверхкороткой длительностью фронта» (заказчик ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова», г. Нижний Новгород);

3. Полеобразующая система на основе ТЕМ-ячейки с расщепленным центральным электродом и модернизированным фидерным устройством введена в состав Государственного первичного специального эталона единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей с длительностью фронта импульсов в диапазоне 0,1 - 10,0 нс ГЭТ 148-2013.

4. Результаты разработки фидерного устройства моноконической полеобразующей системы внедрены при совершенствовании Государственного первичного специального эталона ГЭТ 178 с целью уменьшения длительности фронта воспроизводимых импульсов до 10 пс. В настоящее время эталон готовится к государственным испытаниям (первичной аттестации) и утверждению.

5. Полеобразующая система на основе ТЕМ-ячейки с расщепленным центральным электродом и модернизированным фидерным устройством применялась при испытаниях в целях утверждении типа средств измерений параметров импульсного электрического поля: ИЭМИ-6-2, ИКО-3-ЕН (ЗАО НПП «ЭРА» г. Истра Моск. обл.), оптоэлектронного измерительного канала напряженности магнитного поля (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г. Саров).

6. Разработанные средства измерений и фидерные устройства внедрены при создании установки для экспресса диагностики электромагнитных параметров наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов (Соглашение с Минобрнауки России в рамках

8 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития

научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы»).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на следующих конференциях:

1. 4-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (Харьков, Украина, 10-13 октября 2011 г.).

2. IX Всероссийская научно-техническая конференция «Метрология в радиотехнике» (пос. Менделеево, Моск. обл., 17-19 июня 2014 г.).

3. American Electromagnetics Symposium AMEREM-2014 (Albuquerque, USA, 27-31 July 2014).

4. 7th International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals UWBUSIS-2014 (Kharkiv, Ukraine, 15-19 September 2014).

5. II Всероссийская научно-практической конференция «Академические Жуковские чтения» (Воронеж, 25-27 ноября 2014 г.).

6. 14th Conference on Microwave Techniques COMITE 2015 (Pardubice, Czech Republic, 21-23 April 2015).

7. II Всероссийская научно-техническая конференция «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости ТЕХНОЭМС 2015» (Москва, 1-2 апреля 2015 г.).

8. XXIX Всероссийский симпозиум «Радиолокационное исследование природных сред» (г. Санкт-Петербург, 25-26 марта 2015 г.).

9. Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение фотоники» (Москва, 14-17 апреля 2015 г.).

10. III Всероссийская научно-техническая конференция «Технологии,
измерения и испытания в области электромагнитной совместимости
ТЕХНОЭМС 2016» (Москва, 18-20 апреля 2016 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе 17 статей в журналах (из них 16 в журналах, включенных в перечень ВАК) и 14 тезисов докладов на конференциях и симпозиумах. Получены 2 патента на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы

Емкостные и индукционные измерительные преобразователи

В силу своей малой инерционности и малой степени влияния на измеряемое поле электрооптические ИП являются перспективными средствами измерений в пикосекундном диапазоне длительностей. Из таблицы 1.5 видно, что электрооптические ИП имеют широкую полосу рабочих частот и значительный динамический диапазон. Причем, порог чувствительности ИП может быть достаточно низким. На настоящий момент ширина полосы пропускания электрооптических ИП фактически ограничена шириной полосы пропускания фотоприемника и фотопреобразователя.

Главным недостатком электрооптических ИП, ограничивающим их применение, на настоящий момент является их высокая температурная нестабильность. Например, фирма Seikoh Giken указывает диапазон рабочих температур от 20 до 30 градусов Цельсия при относительной влажности от 40 до 90 %. Это ограничивает применение электрооптических ИП только лабораторными условиями и необходимостью применять системы термостабилизации.

В 1988 году в работе [41] для измерения параметров импульсного электрического поля предложено использовать L-антенну, форма которой показана на рисунке 1.18. Такой измерительный преобразователь является системой с распределёнными параметрами и реализует волновой метод измерения [1]. Главное достоинство подобного ИП в том, что выходной сигнал по форме повторяет сигнал измеряемого ЭМИ в течение времени двойного пробега сигнала по линии. Время нарастания переходной характеристики фактически определяется геометрическими размерами линии и применяемыми материалами.

В работах [33,42,43] проведен подробный анализ приемной L-антенны во временной области, получены аналитические выражения, описывающие токи в нагрузках на ее концах, при помещении антенны во внешнее импульсное электромагнитное поле. Предложены конкретные типы измерительных преобразователей, в частности, на основе полосковой линии [33,44]. Далее рассмотрены ИП на основе полосковой линии. Конструкция ИП на основе полосковой линии показана на рисунке 1.19. Длина линии составляет l, ширина – b, зазор между потенциальным и заземленным электродом составляет h и заполнен диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью 1. На концах линии расположены нагрузки Z1 и Z2, волновое сопротивление составляет W.

Полезный измерительный сигнал снимается с конца полосковой линии, обращенного к источнику излучения, причем нагрузкой Z1 в этом случае служит входное сопротивление осциллографического регистратора. Эпюра напряжения на нагрузке Z1 показана на рисунке 1.20.

Чувствительный элемент ИП соединяется с регистратором посредством коаксиальной линии связи. Это приводит к затуханию сигнала по мере его распространения по линии и ухудшению быстродействия ИП. Затухание зависит от типа используемого коаксиального кабеля и его длины. Оценка затухания может быть произведена, например, на основе следующих выражений [8,45]: переходная характеристика кабеля, / - длина кабеля, со - круговая частота, а - коэффициент затухания кабеля, р - коэффициент фазы, L0 и С0 -погонные индуктивность и емкость кабеля соответственно, Ro - погонное активное сопротивление, Go - погонная проводимость изоляции.

Для компенсации эффекта затухания производят коррекцию волнового сопротивления полосковой линии в месте съема сигнала, например, за счет ее ширины, высоты или с помощью диэлектрических накладок [46].

Разработаны ИП подобного типа, в которых потенциальный электрод полосковой линии выполняется в виде меандра или зигзага. Это позволяет значительно расширить временное окно, однако ведет к увеличению времени нарастания переходной характеристики. Характерное время нарастания переходной характеристики линейного ИП на основе полосковой линии из фольгированных стеклотекстолитов и фторопластов составляет от 30 до 50 пс. При этом значения коэффициента преобразования, лежат в пределах от 210-4 до 510-4 ВВ-1м. Длительность переходной характеристики (временного окна) может составлять от единиц до сотен наносекунд.

На рисунке 1.21 показан внешний вид измерительного преобразователя на основе полосковой линии ИППЛ-Л (линейный) и приведена его переходная характеристика, полученная при калибровке.

К достоинствам ИП на основе полосковой линии можно отнести следующее: - сигнал на выходе ИП в течение длительности временного окна по форме повторяет сигнал измеряемого поля, без необходимости интегрирования или других преобразований; - так как съем сигнала осуществляется с конца полосковой линии, расположенного ближе к источнику излучения, паразитная наводка на линию связи достигнет регистратора после полезного сигнала.

На рисунке 1.22 показана зависимость длительности переходной характеристики (временного окна) от параметров полосковой линии. Из рисунка 1.22 и формул (1.21) видно, что для расширения временного окна необходимо либо увеличивать длину полосковой линии, либо использовать диэлектрик с большей относительной диэлектрической проницаемостью. Последнее приведет к нежелательному увеличению времени нарастания переходной характеристики. С другой стороны, уменьшение времени нарастания ПХ возможно за счет использования диэлектрика с меньшим , либо за счет уменьшения зазора h. При первом подходе, очевидно, уменьшится длительность временного окна, а при втором значительно уменьшится чувствительность ИП. Кроме того, для согласования волновых сопротивлений полосковой линии и кабеля придется значительно уменьшать ширину потенциального электрода b, что является нетехнологичным.

Обоснование применения методов расчетов в теоретических исследованиях преобразователей и фидерных устройств

Несмотря на развитие численных методов, аналитические методы по-прежнему имеют важнейшее значение при расчете электродинамических структур во временной области. Выражения, полученные в результате аналитических методов расчета, позволяют варьировать входные параметры и оперативно находить напряженности полей, длительности фронтов и другие параметры импульсных сигналов. Некоторые аналитические выражения, например, для напряженности электрического поля, создаваемого биконической антенной, получают из геометрических соображений о распространении сферической волны [86]. Однако, для получения точных выражений, учитывающих подключение фидера и другие особенности геометрии, используют метод связанных струн и метод заданных токов [33,95]. Во многих аналитических методах раскладывают импульсный сигнал на суперпозицию монохроматических сигналов, проводят анализ традиционными методами, а затем восстанавливают импульсный сигнал с помощью обратного преобразования Фурье. Такой подход предполагает погрешности, связанные с особенностями распространения импульсных сигналов и неточностью восстановления результирующего сигнала. Методы связанных струн и заданных токов отличает именно расчет во временной области, без использования преобразования Фурье.

Метод связанных струн (вариационный метод, метода нестационарных волноводных уравнений) разработан В.И. Корозой в работах [95,97–99] для анализа распространения импульсных сигналов в нерегулярных волноводах. Метод основан на использовании функционала, сводящего решение краевой задачи электродинамики на некоторой поверхности к его варьированию в определенном диапазоне расстояний и длительностей. Подробные математические выкладки при анализе распространения импульсных сигналов в нерегулярных волноводах (в частности, гофрированных) приводятся в [98].

К достоинству метода связанных струн следует отнести строгое решение электродинамической задачи с контролируемой погрешностью. Если задать W(t) как погонную плотности энергии импульса в поперечном сечении рассматриваемого волновода, то точное решение задачи может быть получено при условии W(t) = W(0) = W0 = const. Тогда погрешность вычислений может быть оценена по разбросу расчетных значений W(t) относительно W0. В работе [98] в вычислительном эксперименте с гофрированным волноводом получена погрешность не хуже 10-4 (в относительных единицах). Метод пригоден для расчета осесимметричных систем (коаксиальных волноводов, полеобразующих систем на основе биконической антенны и т.п.). Однако, метод ограничен для применения, когда излом в системе составляет 90 градусов и более. То есть данный метод неприменим, например, для расчета моноконической полеобразующей системы.

Метод заданных токов разработан С.А. Подосеновым и А.А. Соколовым в работах [33,94,100]. В работе [94] авторами выведены во временной области уравнения, связывающие ток, текущий по криволинейному проводу и напряженности электрического и магнитного полей, создаваемые этим током. Для анализа электродинамических структур предлагается заменять их наборами бесконечно тонких проводов, в которых в соответствии с определенной зависимостью распределяется ток. Результирующее поле в заданной точке пространства является суперпозицией полей, создаваемых каждым проводом. В общем случае выражения получены в тензорной форме, но также приводятся формулы для нахождения напряженностей полей в векторном виде. На рисунке 2.1 приводится геометрия двух симметричных участков криволинейного провода по которому распространяется ток J(t).

Провода условно можно разделить на три участка: начало прямолинейного участка до излома, излом и конец прямолинейного участка после излома. Расстояния от начала координат до этих трех участков обозначены s1, s0 и s2 соответственно. Единичные векторы п1 и Я2 задают направления токов. Единичные векторы т0, щ и т2 направлены от излома, начала прямолинейного участка до излома и конца прямолинейного участка после излома соответственно в точку наблюдения. Расстояния от точки наблюдения до точек s0, s1 и s2 равны Д0, R1 и R2 соответственно. Напряженность электрического поля можно найти по выражению (2.1): где Z0 – характеристическое сопротивление волны в вакууме, с – скорость света. Напряженность магнитного поля можно найти по выражению (2.2). 1-m2-n2

Численные методы расчета электродинамических структур, как правило, реализуются с помощью ЭВМ. В общем случае, все численные методы решения задач электродинамики сводятся к разбиению рассматриваемого объема на элементы, заданию граничных условий и последовательному решению уравнений Максвелла в дифференциальной форме на границах элементов. Главное достоинство численных методов в том, что рассматриваемая электродинамическая структура может быть сколь угодно сложна, включая нелинейные характеристики материалов и т.п. В качестве основных численных методов для решения электродинамических задач можно выделить метод конечных элементов, метод конечных разностей и метод моментов.

Экспериментальные исследования высоковольтной ТЕМ-ячейки с расщепленным центральным электродом

В главах 1-3 предложены конструкции, выполнены расчеты и проведены экспериментальные исследования приемников и излучателей, оперирующих со сверхкороткими электромагнитными импульсами с фронтом длительностью до 10 пс. На их основе была разработана измерительная система, обеспечивающая измерение коэффициента пропускания радиопоглощающих материалов (РПМ) методом зондирования сверхкороткими электромагнитными импульсами.

Традиционно образцы РПМ исследуют волноводным и резонаторными методами или в свободном пространстве в частотной и временной областях. При волноводных измерениях коэффициент отражения образца получают путем сравнения режима работы волновода в отсутствие РПМ и при его помещении в концевую нагрузку. Недостатками данного метода являются невозможность определения коэффициента отражения при различных углах падения волны, а также его непригодность для РПМ, имеющих неоднородную поверхность. Кроме того, чтобы обеспечить измерение в диапазоне, например, до 40 ГГц, требуется несколько волноводных датчиков разных размеров. Все это ограничивает применение данного метода при поточном производстве.

Системы для измерений характеристик РПМ в свободном пространстве в частотной области обычно содержат две антенны (излучающую и приемную), подключенные к векторному анализатору цепей. Для определения коэффициента отражения исследуемый материал помещают на некотором расстоянии под углом к антеннам и затем выполняют сканирование по частоте, вычисляя отношение амплитуд падающей и отраженной волн. Следует отметить ограничения данного метода. Прежде всего, необходим набор из нескольких излучающих и приемных антенн, так как невозможно использовать одну антенну в указанном диапазоне частот. Это, в свою очередь, вызывает погрешности при стыковке результатов на границах поддиапазонов. Кроме того, следует обеспечить низкий уровень отражений от окружающих объектов, поэтому измерения проводят в дорогостоящих безэховых камерах. Поскольку измерять следует в дальней зоне излучения, требуются безэховые камеры значительных размеров. Наконец, ширина и высота исследуемых образцов должны превышать длину волны, т. е. десятки метров на низкой частоте, что неприемлемо.

Альтернативным подходом являются измерения во временной области методом сверхкороткоимпульсного зондирования. В его основе лежит анализ реакции исследуемого образца на измерительный импульс электромагнитного поля [124]. Главное достоинство метода в том, что за одно измерение можно получить результат, соответствующий реакции объекта в широком диапазоне частот. Например, для зондирующего гауссова импульса с длительностью фронта Тфр верхняя граничная частота спектра/в (0,3…0,4) / тфр [7]. Соответственно, при тфр «10 пс будет достигнута /в = 40 ГГц. При измерениях нет необходимости в безэховых камерах, поскольку отражения от окружающих объектов попадут в измерительный канал позднее полезного сигнала (т. е. существует временная селекция сигналов). Также из-за высокой локализации импульса в пространстве не требуются образцы больших размеров. При разработке новых типов РПМ метод сверхкороткоимпульсного зондирования может служить для экспресс-диагностики, т. е. изменив параметры смеси, можно оперативно проследить изменение отражающих и поглощающих характеристик. Очевидна актуальность использования данного метода при контроле на поточном производстве или в процессе эксплуатации.

На рисунке 4.1 показана схема измерений коэффициента пропускания РПМ. Измерительная система включает излучающий модуль, состоящий из сверхширокополосной антенны, возбуждаемой генератором перепада напряжения, и приемный модуль, в его состав входят измерительный преобразователь и сверхширокополосный стробоскопический осциллограф. Измерения проводятся в два этапа, вначале измеряется излучаемый импульс, а затем импульс, рассеянный образцом. Частотная характеристика коэффициента пропускания определяется как отношение амплитудных спектров этих импульсов. Рисунок 4.1. Измерение коэффициента пропускания радиопоглощающего материала При разработке измерительной системы необходимо было решить следующие задачи: - определить типы и выполнить расчёт передающих и приемных антенн; - определить условия измерений и методы обработки измерительной информации; - провести оценку погрешности и определить пути ее минимизации; - изготовить макет системы, провести экспериментальные исследования образцов радиопоглощающих материалов и сравнить результаты измерений с полученными другими методами.

В качестве приемной антенны было предложено использовать комбинированный быстродействующий преобразователь, рассмотренный в гл. 2 и 3. Выбор передающей антенны в данном случае обусловлен: максимальной широкополосностью, направленностью излучения, минимальной длительностью фронта излучаемых импульсов.

К сверхширокополосным антеннам, обладающим узкой диаграммой направленности, относится ТЕМ-рупорная антенна. Она является топологической разновидностью биконической антенны. Достоинством данной антенны является также то, что в дальней зоне излучения сигнал поля пропорционален производной сигнала на входе. Это позволяет получать импульсы максимально короткой длительности.

Импульсное излучение апертурной антенны (на примере параболического рефлектора, облучаемого из фокуса скрещенной V-образной антенной) подробно анализируется во временной области в ближней и дальних зонах в работах [33,125]. Получено, что для рефлектора диаметром D можно выделить зону излучения («прожекторную»), в которой сигнал поля не изменяется по амплитуде, но уменьшается по длительности. По мере удаления от апертуры длительность сигнала уменьшается до того момента, как не сравняется с длительностью фронта возбуждающего импульса (то есть не станет первой производной по времени). Затем длительность импульса не меняется, а амплитуда уменьшается как 1/r, где r - расстояние. Такое явление связано с отражением токов от края рефлектора (или зеркального изображения облучателя) и приходом сигнала в точку наблюдений (см. рисунок 4.2). где D - диаметр рефлектора (апертура антенны), г - длительность фронта возбуждающего антенну импульса.

Аналогично можно определить границу прожекторной зоны для других типов апертурных антенн. В работе [100] выполнен расчет излучения ТЕМ-рупорной антенны, где полагалось, что на концах рупора происходит отражение тока. При этом антенна согласована с генератором и отражения происходит только один раз.

Методы измерений и обработки измерительной информации

Основной задачей при проведении измерений является минимизация погрешности. Соответственно, исходя из этого, должны подбираться все параметры измерительной системы. Основная причина погрешности -собственные шумы аппаратуры, накладывающиеся на измеряемые сигналы. Если излучаемый импульс имеет достаточную амплитуду, то рассеянный образцом может быть в сто раз меньше и сравним по амплитуде с собственными шумами осциллографа.

Увеличение отношения сигнал-шум возможно за счет уменьшения расстояния между излучателем и приемником. Однако, в этом случае должно соблюдаться условие прожекторной зоны, или образец будет облучаться импульсом с другим спектральным составом. Кроме того, за границей прожекторной зоны излучение соответствует реальным случаям, в которых эксплуатируются радиопоглощающие материалы. Соответственно, первое условие осуществления измерений сводится к следующему: R RP, (4.4) где R - расстояние от апертуры излучающей антенны до образца. В то же время удаление за границу прожекторной зоны также возможно лишь до определенного предела. В противном случае на измеряемый сигнал накладывается огибающий образец паразитный сигнал. Данная ситуация

Сигнал, рассеянный образцом, достигнет приемника за время t2R = 2R/c, а огибающий сигнал за время t2L = 2L/c. Условие безэховости состоит в том, чтобы огибающий сигнал достиг приемника позже полезного сигнала. Для гауссовского сигнала в соответствии с выражениями (2.11)-(2.12) длина импульса по основанию равна ґи0 = 1,6ґи. Учитывая переходные процессы, девиации формы импульсов и размер образца, условие безэховости можно задать следующим образом: где В - размер исследуемого образца.

Исходя из изложенного выше, условие выполнения измерения состоит в следующем: для минимизации погрешности измерений расстояние от апертуры излучающей антенны до образца должно быть равно границе прожекторной зоны излучения при выполнении условия безэховости.

Обработка измерительной информации должна включать: фильтрацию шумов, выполнение время-частотного преобразования, вычисление частотной характеристики коэффициента пропускания, вычисление погрешности измерений. При измерениях на вход математической модели обработки измерительной информации поступают две выборки: иРПМ ={a0,a1,...,aN_1}, UЭ={b0,b1,...,bN_1}, (4.6) где UРПМ - соответствует рассеянному радиопоглощающим материалом импульсу и UЭ -соответствует зондирующему или отраженному от эталонной пластины импульсу, а также переменная , содержащая известный шаг по времени между элементами выборки. Длина выборок должна быть одинаковой и составлять N элементов.

Для фильтрации шумов может применяться различные методы: цифровой фильтр нижних частот [126-128], сглаживающий фильтр Савицкого-Голея [129,130], время-частотный метод коррекции фазовой характеристики спектральной плотности сигнала [131], ядерное сглаживание [132,133]. Подробно выбор алгоритма фильтрации обоснован автором настоящей диссертации в работе [134].

Достоинством цифрового фильтра является высокая точность, стабильность характеристик и простота прецизионной настройки частоты среза. Недостатком является трудность работы с высокочастотными сигналами, так как частота среза ограничена частотой Найквиста. Цифровой фильтр устраняет шум, наложенный на видеоимпульсный сигнал, но при этом искажает его форму: длительность и амплитуду, что приводит к последующему искажению спектральной характеристики.

Для достижения приемлемого уровня шумов при сглаживании по Савицкому-Голею необходимо использовать фильтр с большой шириной (более 15 точек), что также приводит к искажению формы исследуемого видеоимпульса.

Применение сглаживающего метода время-частотной коррекции фазовых спектральных характеристик осложнено необходимостью автоматизации линеаризации и вычисления коэффициентов запаздывания. При этом также существенно затрудняется нормирование погрешности измерений.

При использовании ядерного сглаживания возможно подобрать форму ядра и ширину окна, при которой шумы будут устранены, а форма сигнала останется прежней. Выполнение сглаживания без перехода в частотную область позволяет нормировать погрешность.

Для получения сглаженной оценки Uсглаж используют формулу Надрая-Ватсона [133]. Из выражения (4.7) видно, что в общем случае, функция Uсглаж является непрерывной, а ее аргументами являются произвольное действительное число x, обучающая выборка U(xi,yi), которую требуется сгладить и ширина окна сглаживания h.