СВЕРХПРОВОДЯЩЕЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ С АВТОКОМПЕНСАТОРОМ

Настоящая полезная модель относится к области ограничения мощных электромагнитных помех в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) защитными устройствами, построенными на основе тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
Одной из особенностей радиоприемных устройств является высокая чувствительность входных цепей для обеспечения приема радиосигналов, обладающих сверхмалой энергией. В случае воздействия мощными электромагнитными излучениями (МЭМИ), во входных цепях будет наводиться энергия, уровень которой превышает уровень критической энергии. Превышение критической энергии приведет к деструктивным необратимым нарушениям чувствительных элементов радиоприемных устройств. [1-7].
Наряду с этим следует отметить тенденцию увеличения плотностей, частотного спектра и уровней электромагнитных излучений естественного (разряд молнии грозового разряда) и искусственного (мощные радиопередающие средства, высоковольтные линии электропередач, контактная сеть железных дорог и др.) происхождения в условиях которых функционирует современная РЭА. [1-2, 5, 7-8].
В настоящее время для защиты РЭА от воздействия МЭМИ различного происхождения существует необходимость использования защитных устройств входных цепей, способных снизить уровни энергий, наводимых МЭМИ до допустимого значения.
Основными элементами, которые используются для создания современных защитных устройств (ЗУ), являются полупроводниковые и газоразрядные приборы. Однако данные ЗУ не способны обеспечить надежную защиту в случае воздействия МЭМИ ультракоротких длительностей, ввиду инерционности их срабатывания превышающей длительность воздействующих МЭМИ. Поэтому необходимо применение ЗУ, обладающих меньшим временем срабатывания. [1, 7]
Анализ существующих публикаций [7-14] показывает, что обеспечить необходимое время срабатывания и стойкость к высоким уровням энергии могут защитные устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников. Также следует отметить, что применение высокотемпературной сверхпроводимости на данном этапе технически реализуемо. [7, 9-11]
Известен модуль сверхпроводящего ограничителя тока и ограничитель тока (Патент RU 2576243. Опубликовано 27.02.2016. Бюл. №6), характеризующийся тем, что модуль ограничителя тока на основе высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения включен в электрическую цепь и помещен в контейнер с криогенной теплопроводящей средой в виде спирали. Данное устройство обладает критическим током порядка 160 А, что позволяет применять его в силовых электрических цепях, но его применение недопустимо во входных цепях радиоприемных устройств, обладающих высоким уровнем чувствительности из-за специфики их функционирования.
Наиболее близким техническим решением, выбранным как прототип, является активный датчик-ограничитель на основе тонкой высокотемпературной сверхпроводящей пленки [12], главный защитный элемент которого выполнен в виде микрополосковой линии (МПЛ) передачи, подключаемой к коаксиальному кабелю входной цепи антенно-фидерного устройства последовательно при помощи коаксиально-полоскового перехода и помещается в термостат с жидким азотом, при этом ускорение начала перехода из сверхпроводящего S в нормальное N состояние инициируется внешним магнитным полем, источником которого служит катушка с независимым источником постоянного тока, при этом тонкая ВТСП пленка расположена на диэлектрической подложке меандром.
Данное устройство функционирует в автоматизированном режиме, то есть уровень чувствительности варьируется оператором вручную или корректирующим устройством, при заданных оператором условиях внешнего подмагничивания катушкой с независимым источником постоянного тока. Что не всегда способно обеспечить выбор оптимального уровня чувствительности защитного условия.
Также данное устройство утратит возможность варьирования внешнего тока подмагничивания в случае выхода из строя независимого источника питания постоянного тока, управляющего катушкой внешнего подмагничивания, и, как следствие, время срабатывания ЗУ может превысить длительность воздействующего МЭМИ, что недопустимо для защиты входных цепей радиоприемных устройств, так как это может привести к деструктивным необратимым нарушениям чувствительных элементов.
Защитные свойства датчика-ограничителя прототипа определяются:
1) геометрическими размерами тонкой ВТСП пленки, определяющими величину критического тока, при котором защитное устройство срабатывает.
Изменение величины критического тока для ЗУ возможно двумя способами:
изменив геометрические размеры пленки, что в ходе эксплуатации невозможно;
воздействием внешнего подмагничивания тонкой ВТСП пленки, величина критического тока пленки напрямую зависит от величины внешнего магнитного поля (при увеличении величины магнитного поля снижается величина критического тока в пленке), для варьирования величиной критического тока в устройстве-прототипе применяется катушка подмагничивания.
2) параметрами тока, протекающего через тонкую ВТСП пленку (ток наводится от антенны и напрямую зависит от параметров МЭМИ, при этом параметры МЭМИ (тока) заранее неизвестны, но они напрямую влияют на время срабатывания ЗУ).
Тактико-технические характеристики устройства-прототипа напрямую зависят от источника питания постоянного тока, подключенного в цепь катушки подмагничивания, вследствие этого данный датчик-ограничитель имеет ряд существенных недостатков:
1. невозможность обеспечения защиты входных цепей радиоприемника при воздействии МЭМИ ультракороткой длительности в случае выхода из строя независимого блока питания катушки подмагничивания;
2. применение постоянного тока в катушке подмагничивания не обеспечивает адаптивность к воздействующим МЭМИ при срабатывании ЗУ;
3. выбор режима защиты определяет только оператор, ошибка при выборе режима может внести нежелательные шумы в основной тракт при приеме полезного сигнала;
4. автоматическая регулировка чувствительности ЗУ невозможна.
Для устранения вышеперечисленных технических недостатков в ходе эксплуатации, при защите РЭА в условиях негативного воздействия на нее мощными электромагнитными излучениями естественного и искусственного происхождения предлагается сверхпроводящее защитное устройство радиоприемных устройств с автокомпенсатором.
Целью полезной модели является повышение эффективности защитного устройства от токовых перегрузок входных цепей радиоприемных устройств путем автокомпенсации внешним магнитным полем сопротивления тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводящего элемента в режиме срабатывания.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое сверхпроводящее защитное устройство радиоприемных устройств с автокомпенсатором, состоящее из тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводника в виде микрополосковой линии передачи, которая подключается к коаксиальному кабелю входной цепи антенно-фидерного устройства последовательно при помощи коаксиально-полосковых переходов и помещается в термостат с жидким азотом, при этом переход из сверхпроводящего в нормальное состояние ускоряется внешним подмагничиванием, отличающееся тем, что источником внешнего магнитного поля является цепь автокомпенсатора, состоящая из независимой от радиоприемного устройства вспомогательной антенны последовательно соединенной с катушкой подмагничивания, способной функционировать при переменных токах, наводимых мощными электромагнитными излучениями на вспомогательной антенне с техническими характеристиками и условиями установки идентичными основной антенне радиоприемника.
Суть полезной модели поясняется схемой построения сверхбыстродействующего защитного устройства входных цепей радиоприемных устройств, представленной на фиг. 1, на которой обозначены: 1 - высокотемпературное сверхпроводящее защитное устройство; 2 - термостат; 3 - жидкий азот; 4 - антенна радиоприемного устройства, 5 - катушка внешнего подмагничивания; 6 - клапан для заливки жидкого азота и стравливания давления; 7 - отверстия ввода и вывода коаксиального кабеля; 8 - отверстия для цепи автокомпенсатора; 9 - вспомогательная антенна.
На фиг. 2 представлен главный защитный элемент устройства 1, представленного на фиг. 1, который содержит: 10 - тонкую высокотемпературную сверхпроводящую пленку; 11 - подложку; 12 - металлический экран.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от прототипа [12] вместо независимого источника питания с измерительными приборами, вводится вспомогательная антенна, которая подключается к катушке подмагничивания, которая имеет стойкость к высоким уровням энергии [7]. Полоса пропускания и чувствительность вспомогательной антенны должны быть идентичны основной антенне приемника.
Быстродействие срабатывания защитного устройства обеспечивается изменением чувствительности тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводника, путем воздействия на нее внешним магнитным полем, наводимым в катушке подмагничивания. Магнитное поле в катушке индуцируется переменным током, который наводится в цепи вспомогательной антенны за счет ее реакции на воздействие МЭМИ. Ток в катушке подмагничивания напрямую зависит от параметров МЭМИ. Чем интенсивней степень воздействующего МЭМИ на основную антенну, тем интенсивней степень воздействия внешнего магнитного поля катушки подмагничивания, что будет определять скорость аннигиляции сверхпроводящих носителей в тонкой ВТСП пленке и появление нормальнопроводящих носителей зарядов, определяющих скорость срабатывания. [7-8, 9-12]
Необходимо отметить, что цепь автокомпенсатора (вспомогательной антенны и катушки подмагничивания) обладает некоторой инерционностью реакции, поэтому необходимо выбирать вспомогательную антенну из расчета, что время задержки вспомогательной линии должно быть меньше времени задержки антенно-фидерного тракта основной антенны приемного устройства.
Автоматический режим подстройки ЗУ, определяющий скорость его срабатывания, обеспечивается за счет реакции вспомогательной и основной антенн на воздействующее МЭМИ. [7-8, 12]
c1
с2
ВТСП являются сверхпроводниками второго рода. Это значит, что для них существуют два значения критического тока I и I.
с1
I - величина тока при которой в сверхпроводящей полоске начнется переходный процесс из сверхпроводящего состояния в нормальнопроводящее (фазовый S-N переход).
c2
I - величина тока при которой в сверхпроводящей полоске переходный процесс завершается и пленка полностью переходит в нормальное состояние N.
c1
c2
Принцип работы защитного устройства, построенного на основе ВТСП, связан с возможностью осуществления в нем обратимого фазового S-N перехода, в случае, если значение протекающего через защитное устройство тока, превышает значения первого (I) и второго (I) критических токов, характерных для данного устройства.
c1
Таким образом, тонкая ВТСП пленка, которая находится в сверхпроводящем состоянии способна без искажений пропускать ток (транспортный ток), величина которого меньше I.
c1
c2
В случае достижения транспортным током величины I проникновение магнитного поля данного тока в пленку увеличивается, что вызывает увеличение объема областей нормальной проводимости на ее краях и инициирует разрушение сверхпроводимости, следовательно, уменьшается зона сверхпроводящих носителей заряда в тонкой ВТСП пленке. При достижении током значения I переходный процесс завершается и пленка полностью переходит в нормальное состояние N.
-11
-12
В работах [7, 12-14] экспериментально установлено, что длительность фазового S-N перехода в тонких ВТСП пленках под воздействием входных сигналов не превышает 10-10 с, что определяет скорость срабатывания ЗУ построенного на основе тонкой ВТСП пленки.
r2,
Микрополосковая линия передачи, основным элементом которой является тонкая высокотемпературная сверхпроводящая пленка 10 ленточного типа прямоугольного сечения (тонкая пленка) располагается на подложке 11 с диэлектрической проницаемостью ε на обратной стороне которой располагается металлический экран 12. Сопротивление ВТСП в нормальнопроводящей фазе определяется по формуле:
где ρ - удельное сопротивление ВТСП, Ом×м;
- длина тонкой пленки ВТСП, м;
2
S- площадь поперечного сечения тонкой пленки ВТСП, м.
2
Для того чтобы свести к минимуму искажения в линии, необходимо тонкую ВТСП пленку располагать на подложке 11 без дефектов. Технологически в настоящее время возможно вырастить данную подложку с площадью 1×2 см.
-6
2
Для того, чтобы в нормальной фазе получить максимально возможное сопротивление, тонкую ВТСП пленку располагают в виде меандра, что позволит увеличить длину тонкой пленки ВТСП с 2 см до 25 см. При этом сверхпроводник длиной =25 см и шириной W=40⋅10 м компактно размещается на подложке площадью а×b=2 см, что позволяет достичь сопротивления в сотни кОм в нормальной фазе.
-6
Реализация механизма быстрого токового разрушения сверхпроводимости, обеспечивающая малую длительность существования смешанного состояния, становится возможной в случае, если толщина тонкой ВТСП пленки h не превышает 0,2⋅10 м.
Устройство 1 (состоящее из элементов изображенных на фиг. 2) подключается к коаксиальному кабелю входной цепи антенны 4 (фиг. 1) последовательно при помощи коаксиально-полоскового перехода и помещается в термостат 2 с жидким азотом 3, температура кипения которого составляет 77 К. В термостате обязательно предусматриваются технологические отверстия, а именно: клапан для заливки жидкого азота и стравливания давления 6, а также отверстия ввода и вывода кабелей 7.
Для снижения опасных уровней энергии необходимо ускорить переход из сверхпроводящего в нормальнопроводящее состояние (S-N переход), поместив ВТСП пленку во внешнее магнитное поле, источником которого является автокомпенсатор. Автокомпенсатор состоит из вспомогательной антенны 9, которая подключена последовательно к катушке внешнего подмагничивания 5. Катушка помещается в термостат в котором предусмотрены технологические отверстия для цепи автокомпенсатора 8. Катушка внешнего подмагничивания 5 и будет являться источником внешнего магнитного поля, индуцированного переменным током, наводимым мощными электромагнитными излучениями в цепи вспомогательной антенны 9.
н
н
Таким образом, при работе в штатном режиме, полезный сигнал через антенну приемника 4 практически без искажений поступает на его входную цепь R. Полезный сигнал также будет поступать на антенну автокомпенсатора 9, однако уровень магнитного поля, наводимого на катушке внешнего подмагничивания 5, существенного влияния на прохождение полезного сигнала в антенно-фидерном тракте (антенна 4, высокотемпературное сверхпроводящее защитное устройство 1, входная цепь приемника R) оказывать не будет.
c1
с2
В случае прихода МЭМИ, в цепи антенны 4 наведется ток (транспортный ток), который будет нарастать. Достигнув значения первого критического тока (I) в тонкой ВТСП пленке 10 магнитное поле транспортного тока, проникая в сверхпроводник, инициирует разрушение сверхпроводимости на краях пленки, формируя нормальнопроводящие области. С дальнейшим ростом транспортного тока будет увеличиваться величина магнитного поля и нормальнопроводящие области с краев пленки будут соответственно увеличиваться к ее середине. При достижении транспортным током значения второго критического тока (I) ВТСП пленка полностью перейдет в нормальнопророводящее состояние. Параллельно с этим МЭМИ в цепи автокомпенсатора на антенне 9 также будет наводить ток, магнитное поле которого, проникая в тонкую пленку 10 будет выталкиваться на ее края. При этом на краях пленки магнитное поле транспортного тока и автокомпенсатора будут суммироваться, инициируя ускорение нарастания нормальнопроводящих областей в пленке, в следствие чего возрастает скорость срабатывания самого устройства. При этом, скорость переключения будет тем быстрее, чем круче скорость нарастания воздействующего МЭМИ.
Технический результат достигается за счет того, что сверхпроводящее защитное устройство радиоприемных устройств с автокомпенсатором в режиме срабатывания за счет высокого значения сопротивления в линиях антенно-фидерных устройств будет препятствовать прохождению больших токов и напряжений, наводимых негативными мощными электромагнитными излучениями. Защита осуществляется за счет рассогласования линии передачи с волновым сопротивлением. Данное защитное устройство в качестве схемотехнических элементов защиты не только значительно уменьшает воздействие высоких энергий МЭМИ на РЭА, но и обладает значительно меньшим временем срабатывания, чем у полупроводниковых и газоразрядных приборов. Кроме того, время срабатывания защитного устройства напрямую будет зависеть от параметров внешнего магнитного поля, индуцируемого в катушке автокомпенсатора переменным током на вспомогательной антенне наводимого мощными электромагнитными излучениями.
2
3
7
Современный уровень развития элементной базы, на основе которой предлагается данная полезная модель: высокотемпературные сверхпроводящие элементы (наиболее широкое распространение получили YВаСuO); возможность получения температуры, при которой ВТСП переходит в сверхпроводящее состояние (применение жидкого азота); технологическая возможность получения ВТСП в виде пленок с размерами в микроны - позволяют заявить, что данная полезная модель технически реализуема. Поэтому техническое применение рассмотренных высокотемпературных сверхпроводниковых устройств для осуществления быстродействующей защиты РЭА от МЭМИ является перспективным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. - М.: Радиосвязь, 1987. - 251 с.
2. Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. М.: Радио и связь, 1988. - 296 с.
3. Чумаков В.И. Методы моделирования тепловых повреждений полупроводниковых приборов // Радиоэлектроника и информатика, 1999. №2, с. 31-37.
4. Антипин В.В., Годовицын В.А., Громов Д.В., Кожевников А.С., Раваев А.А. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы // Зарубежная радиоэлектроника, 1995, №1. - С. 37-53.
5. Риккетс Л.У., Бриджес Дж., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты. Пер. с англ. / Под ред. Н.А. Ухина - М.: Атомиздат, 1979. - 328 с.
6. Алешин И.Н., Андрющенко М.С. Стойкость систем вооружения к воздействию электромагнитного оружия - требование сегодняшнего дня // Труды XX Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». Т. 3. «Бронетанковая техника и вооружение». СПб.: РАРАН. 2017. С. 104-108.
7. Кучер Д.Б. Мощные электромагнитные излучения и сверхпроводящие защитные устройства. - Севастополь: Ахтиар, 1997. - 188 с.
8. Bardeen J., Cooper L.N., Schriffer J.R. Microscopie theory of superconductiveity //Phys. Rev., 1957.
9. Кучер Д.Б., Харланов А.И., Степанова M.B. Особенности применения высокотемпературных сверхпроводников для защиты линий передачи информации от влияния мощных электромагнитных излучений // Сборник научных трудов. - Евпатория, Крым, 2006. - Том 3. - С. 32-37
10. Кучер Д.Б., Зайцев С.А., Харланов А.И., Степанова М.В. Основные аспекты повышения чувствительности сверхпроводящих датчиков-ограничителей // Сборник научных трудов. - Харьков: ХУПС. - 2006. - Вып. 6(55). - С. 88-93.
11. Кучер Д.Б., Зайцев С.А., Харланов А.И., Степанова М.В. Особенности варьирования чувствительности сверхпроводниковых датчиков-ограничителей // Сборник научных трудов. - Севастополь: СВМИ. - 2006. - Вып. 1(9). - С. 112-117.
12. Д.Б. Кучер, А.И. Харланов, М.В. Степанова Экспериментальная оценка влияния внешнего подмагничивания тонкой высокотемпературной сверхпроводящей пленки на характеристики активных датчиков-ограничителей / Сборник научных трудов «Радиотехника, радиолокация, электроника, связь». Харьков: ХУПС им. И. Кожедуба. - 2007. - Вып. 1(13). - С. 36-39.
13. Юдин П.Н., Вендик И.Б. Извлечение параметров модели поверхностного импеданса ВТСП из экспериментальных характеристик микрополоскового резонатора // Письма в ЖТФ, 2003. - Т. 29. - Вып. 10. - С. 62-69.
14. И.А. Капура, Г.Ф. Коняхин, А.М. Сотников. Результаты экспериментальных исследований защитного устройства на основе ВТСП-линий передачи / Системы обработки информации. Харьков.: ХУПС, 2010. - Вып. 9 (90). - С. 47-50.