УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА СО СВЕРХКОРОТКОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ФРОНТА
DEVICE FOR MEASURING PARAMETERS OF ELECTROMAGNETIC PULSE WITH ULTRASHORT RISE TIME

Изобретение относится к импульсной технике и используется в задачах измерения параметров электромагнитных импульсов (ЭМИ), а также при тестировании аппаратуры и объектов, защищаемых от воздействия импульсных электромагнитных излучений (например, по ГОСТ Р 52863-2007).
Известно устройство для измерения параметров ЭМИ с длительностью фронта в сотни пикосекунд [1]. Это устройство содержит первичный измерительный преобразователь в виде отрезка двухпроводной несимметричной полосковой линии, пространство между электродами которого заполнено диэлектрическим материалом с диэлектрической проницаемостью, которая превышает диэлектрическую проницаемость окружающей среды. В данном устройстве диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего линию, не изменяется вдоль ее длины. Один из концов отрезка полосковой линии обращен к источнику ЭМИ, и он одновременно является выходом измерительного преобразователя, соединенным с регистратором посредством согласованной коаксиальной линии связи. Причем внутренний электрод коаксиальной линии соединен с потенциальным электродом полосковой линии, а наружный электрод - с заземленным электродом полосковой линии.
Недостатком такого устройства является то, что оно не позволяет измерять параметры ЭМИ со сверхкороткой длительностью фронта (порядка единиц-десятков пикосекунд). Этот недостаток обусловлен тем, что диэлектрический материал, заполняющий полосковую линию, обладает высокочастотными потерями, а также тем, что при поступлении фронта измеряемого ЭМИ на вход измерительного преобразователя (торец полосковой линии) происходит переходной процесс их взаимодействия, который приводит к искажению (увеличению длительности) фронта преобразуемого импульса.
ф
ф
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в обеспечении возможности измерять параметры электромагнитных импульсов со сверхкороткой длительностью фронта (в единицы-десятки пикосекунд). Этот технический результат достигается за счет того, что в конструкцию вышеописанного устройства добавлены новые конструктивные элементы, один из которых представляет собой часть полосковой линии с воздушным заполнением (без диэлектрика) длиной L≥T·c, где T - длительность фронта измеряемого ЭМИ, c - скорость света.
Другой конструктивный элемент представляет собой продолжение заземленного электрода за конец отрезка полосковой линии в сторону источника электромагнитного импульса на длину не менее L. Добавление этих конструктивных элементов приводит к тому, что в одном случае при преобразовании сигнала поля в сигнал напряжения на выходе преобразователя в течение длительности фронта ЭМИ участвует только воздушная часть отрезка полосковой линии, поэтому диэлектрические потери отсутствуют. А в другом случае, как показывают экспериментальные исследования, существенно снижается влияние вышеуказанного переходного процесса (не выявляется с точностью до погрешности измерений).
На Фиг.1 представлена схема заявляемого устройства (вид сбоку). Даны следующие обозначения элементов:
1 - источник ЭМИ;
2 - потенциальный электрод части полосковой линии с воздушным заполнением;
3 - потенциальный электрод части полосковой с заполнением диэлектриком;
4 - диэлектрик, заполняющий полосковую линию с относительной диэлектрической проницаемостью ε>1;
5 - заземленный электрод полосковой линии;
6 - коаксиальная линия связи;
7 - осциллографический регистратор импульсных сигналов с полосой пропускания F≥50 ГГц;
8 - согласующая нагрузка.
Участок А представляет собой один из новых конструктивных элементов, а именно - продолжение заземленного электрода за конец отрезка полосковой линии в сторону источника электромагнитного импульса на длину не менее L. Участок Б представляет собой другой новый конструктивный элемент, а именно - часть полосковой линии с воздушным заполнением (без диэлектрика) длиной L.
a
Фиг.2 представляет вид устройства сверху. Ширина W заземленного электрода 5 полосковой линии выбирается по отношению к ширине а потенциального электрода 2 из условия несимметричной полосковой лини W>> [2].
а
Устройство работает следующим образом. От источника 1 электромагнитного импульса измеряемый сигнал поля первоначально поступает на участок А, на котором силовые линии напряженности электрического поля измеряемого ЭМИ перпендикулярны плоскости продолжения заземленного электрода полосковой линии. Поэтому на этом участке взаимодействие измеряемого ЭМИ с измерительным преобразователем отсутствует. Затем измеряемый ЭМИ поступает на начало участка Б и начинается съем сигнала в регистратор 7 через коаксиальную линию 6. В этот же момент начинается взаимодействие измеряемого ЭМИ с преобразователем. Длительность данного взаимодействия (переходного процесса) определяется поперечным размером а полосковой линии. В случае отсутствия участка А длительность взаимодействия определяется поперечным размером W заземленного электрода полосковой линии. В силу вышеуказанного условия W>> достигается один из заявляемых технических результатов, а именно отсутствие влияния переходного процесса взаимодействия фронта измеряемого ЭМИ с торцом полосковой линии, а следовательно, отсутствие искажения (увеличения длительности) фронта преобразуемого импульса.
В течение времени t=L/c прохождения измеряемым ЭМИ участка Б в преобразовании ЭМИ участвует только воздушная часть полосковой линии, чем достигается отсутствие диэлектрических потерь. В силу условия выбора длины L фронт ЭМИ не искажается, чем достигается другой заявленный технический результат: отсутствие искажения при преобразовании измеряемого сигнала в течение длительности фронта.
Устройство выполняется таким образом, чтобы обеспечить согласование участка Б с оставшейся частью полосковой линии, заполненной диэлектриком. Условие согласования определяется известными выражениями для волнового сопротивления несимметричной полосковой линии, приведенными, например, в [3, 4].
На Фиг.1 показан вариант согласования за счет изменения межэлектродного расстояния полосковой линии (расстояния d1 и d2).
Примеры осуществления изобретения
Часть полосковой линии (см. Фиг.1, Фиг.2), заполненной диэлектриком 4, выполнена на основе двухстороннего фольгированого стеклотекстолита (его относительная диэлектрическая проницаемость ε=5). Потенциальный электрод 2 воздушной части полосковой линии представляет собой полоску фольги толщиной 0,2 мм. Заземленный электрод полосковой линии выполнен из латуни толщиной 2 мм.
а
а
Для согласования полосковой линии с коаксиальной линией связи 6 (волновое сопротивление Z=50 Ом) и со входом регистратора 7 геометрические размеры заполненного диэлектриком участка полосковой линии выбраны следующим образом: толщина потенциального электрода 0,035 мм, ширина потенциального электрода =1,5 мм, толщина диэлектрика d2=1 мм. Геометрические размеры воздушного участка полосковой линии выбраны из тех же соображений: ширина потенциального электрода =1,5 мм, толщина потенциального электрода 0,2 мм, толщина диэлектрика d1=0,4 мм.
В качестве коаксиальной линии связи 6 используется радиочастотный кабель длиной l=1,0 м (волновое сопротивление кабеля составляет 50 Ом). В качестве регистратор импульсных сигналов 7 используется стробоскопический осциллограф Tektronix CSA 8000 В с полосой пропускания F=50 ГГц. Согласующая нагрузка 8 имеет сопротивление 50 Ом.
Остальные геометрические размеры устройства выбраны следующим образом:
вариант 1: L=4 мм; W=50 мм;
вариант 2: L=15 мм; W=50 мм;
вариант 3: L=15 мм; W=10 мм.
В экспериментальных исследованиях описанного устройства использовался Государственный первичный специальный эталон единиц напряженностей импульсных электрического и магнитного полей с длительностью фронта импульсов до 20 пс ГЭТ 178-2010. При экспериментальных исследованиях длительность фронта ЭМИ в эталоне составила 15 пс. На выходе устройства были получены следующие результаты измерения длительности фронта преобразованного импульса между уровнями 0,1-0,9 от установившегося значения:
ф
вариант 1: T=27 пс;
ф
вариант 2: T=15 пс;
ф
вариант 3: T=31 пс.
ф
а
На Фиг.3 представлена сравнительная осциллограмма импульса поля, воспроизводимого в эталоне (кривая G1), импульса, преобразованного измерительным преобразователем, выполненным по варианту 2 (кривая G2), и импульса, преобразованного прототипом описанного устройства (кривая G3, длительность фронта импульса - 40 пс). В силу того, что масштаб по оси ординат для кривых G3, G1 и G2 разный, слева от оси ординат дан масштаб для кривых G1 и G2, а справа - для кривой G3. Сравнение результатов измерений показывает, что при выборе геометрических размеров устройства по варианту 2, а именно при выполнении условий L≥T·c и W>>, длительность фронта импульса на выходе устройства совпадает с длительностью фронта ЭМИ в эталоне. Это говорит о том, что достигается заявляемый технический результат: обеспечивается возможность измерять ЭМИ со сверхкороткой длительностью фронта в единицы-десятки пикосекунд.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 2013780 РФ, МКИ G01R 29/08. Устройство для измерения параметров электромагнитного импульса / К.Ю.Сахаров, Я.Г.Свекис, А.А.Соколов (РФ). - 4932308/09; Заявлено 29.04.91; Опубл. 30.05.94. Бюл.10. Приоритет 29.04.91.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнич. спец. вузов. // М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.
3. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И.Бахарев, В.И.Вольман, Ю.Н.Либ и др.; Под ред. В.И.Вольмана. // М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.
4. Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ / Пер. с англ. Под ред. А.З.Фрадина. // М.: Связь, 1976. - 150 с.
5. С.В.Тихомиров, Сахаров К.Ю., Михеев О.В., Туркин В.А., Сухов А.В., Алешко А.И. Эталонный комплекс сверхкоротких электромагнитных импульсов с длительностью фронта 20 пс // Измерительная техника. - 2010. - №7. - С.57-59.