УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
APPARATUS FOR EMITTING ELECTROMAGNETIC PULSES

Изобретение относится к устройствам излучения электромагнитных импульсов. Устройство используется в сверхширокополосной радиосвязи с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов, а также при тестировании аппаратуры и объектов, защищаемых от воздействия импульсных электромагнитных излучений (например, по ГОСТ Р 52863-2007).
И
И
Известно устройство для излучения электромагнитных импульсов, содержащее так называемую плоскую биконическую антенну, [1]. Как показано в [1], плоская биконическая антенна обладает теми же свойствами излучения в дальней зоне, что и традиционная биконическая антенна, имеющая круглое основание. Плоская биконическая антенна является более компактной по сравнению с традиционной и позволяет эффективно излучать импульсы длительностью Т=l/с, где l - высота конуса, а с - скорость света [2]. Однако плоская биконическая антенна, как правило, является высокоомным устройством (с волновым сопротивлением 150-200 Ом [1]), а возбуждающий генератор, как правило, имеет выходное сопротивление 50 Ом, поэтому в силу рассогласования системы нельзя достичь максимальной энергии излучения, которая определяется произведением квадрата напряженности амплитуды излучаемого импульса на его длительность Т.
Из уровня техники известно также устройство для излучения электромагнитных импульсов в виде набора вибраторных антенн (коническая антенна превращается в вибраторную при угле конуса, стремящемся к нулю), возбуждаемых от одного источника с целью согласования их с генератором [3]. За счет лучшего согласования такое устройство имеет лучшие характеристики по излучаемой энергии. Однако, как показали экспериментальные исследования, в случае компактного размещения конических антенн вследствие их взаимного влияния уменьшается длительность излучаемого импульса, а следовательно, уменьшается энергия излучения.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении отсутствия взаимного влияния плоских биконических антенн. За счет этого длительность импульса излученного сигнала определяется только их длиной.
а
И
Поставленная цель достигается за счет подбора определенных геометрических параметров устройства. Предлагаемое нами устройство схематически представлено на Фиг.1. Устройство представляет собой набор из n одинаковых по высоте l плоских конических антенн, каждая из которых обозначена цифрой 1. Расстояние между соседними вершинами конусов составляет величину . Нами экспериментально установлено, что цель изобретения, состоящая в излучении максимальной энергии при заданных (минимальных) габаритах антенны, достигается при определенном соотношении геометрических параметров установки, а именно: расстояние между соседними вершинами антенн должно быть равно высоте конуса. Длительность излучаемого импульса при этом составит величину Т=l/с [2].
Ф
Фиг.2. иллюстрирует схему подключения (вид сбоку) каждой из плоских биконических антенн. Цифрой 2 обозначен фидер, соединяющий генератор 3 с антенной 1. По фидеру 2 передается импульс напряжения от генератора с амплитудой U. - вектор напряженности импульсного электрического поля.
Один из вариантов осуществления изобретения состоит в том, что в качестве фидеров используется «Устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну» [4], где вместо рупоров используются плоские биконические антенны, так как биконическая антенна является частным случаем ТЕМ-рупора при угле его раскрыва 180 градусов [5].
Пример 1.
а
2
Был изготовлен макет устройства, состоящий из 6-и плоских биконических антенн (см. Фиг.1, n=6). Высота l каждого конуса составляет 150 мм, а расстояние между соседними вершинами конусов =116 мм, то есть а≠l. Размер апертуры антенны: 660×300 мм. Материал электродов - медная фольга.
Генератор 3 (см. Фиг.2) в рассматриваемом варианте осуществления изобретения представляет собой генератор импульсов Г5-84 с амплитудой импульса напряжения 10 В. В качестве фидера 2 (см. Фиг.2) используется устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в ТЕМ-рупорную антенну [4], состоящую из n биконических антенн.
Излучение поступает на измерительный полосковый датчик [6] и регистратор Tektronix CSA8000.
И
По данным измерений зарегистрированная длительность импульса поля по уровню 0,5 от установившегося значения амплитуды составила Т=380 пс. Напряженность поля на расстоянии 0,5 м по оси антенной системы составила E=16,4 В/м.
Пример 2.
а
а
2
Был изготовлен макет устройства, состоящий из 4-х плоских биконических антенн (см. Фиг.1, n=4). Высота l каждого конуса составляет 150 мм, а расстояние между соседними вершинами конусов =150 мм, то есть =l. Размеры апертуры антенны такие же, как в примере 1: 660×300 мм. Материал электродов - медная фольга.
В качестве фидера 2 (см. Фиг.2) используется устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в ТЕМ-рупорную антенну [4], состоящую из n биконических антенн.
а
Для согласования антенн с фидером, волновое сопротивление (определяемое геометрическими размерами) каждой плоской биконической антенны выбрано равным 200 Ом. Кроме того, выполняется равенство =1. При этом оказалось, что электроды плоских биконических антенн перекрывают друг друга. Однако экспериментальные исследования показали, что, если образующие перекрывающихся конусов делят друг друга в отношении не более 2/3, то существенных изменений в излучении сигнала не происходит.
Генератор 3 (см. Фиг.2) в данном варианте осуществления изобретения - генератор импульсов Г5-84, а амплитуда импульса напряжения составляет 10 В.
Излучение поступает на измерительный полосковый датчик [6] и регистратор Tektronix CSA8000.
И
По данным измерений зарегистрированная длительность импульса поля по уровню 0,5 от установившегося значения амплитуды составила Т=500 пс. Напряженность поля на расстоянии 0,5 м по оси антенной системы составила E=16,1 В/м.
а
И
Вывод: сравнение результатов измерений в примерах 1 и 2 показывает, что устройство, в котором геометрические параметры подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось равенство l= (см. Фиг.1), позволяет излучить электромагнитный импульс с длительностью, равной Т=l/с.
ЛИТЕРАТУРА
1. С.Н.Скляров, А.А.Соколов. Экспериментальное исследование излучателей коротких электромагнитных импульсов // Вопросы излучения и измерения нестационарных электромагнитных полей: Сб. статей. Научные труды ВНИИОФИ. - М.: 1980. - С.4-11.
2. Соколов А.А. О метрологическом обеспечении измерений напряженности импульсных электрических и магнитных полей // Вопросы излучения и измерения нестационарных электромагнитных полей: Сб. статей. Научные труды ВНИИО-ФИ. - М.: 1980. - С.31-47.
3. С.Р.Кельнер, А.А.Соколов. Нестационарное излучение системы из двух тонких симметричных вибраторов // Исследование нестационарных электромагнитных полей: Сб. статей. - М.: Атомиздат, 1977. - С.17-25.
4. Пат. 2185012 РФ, МКИ H01Q 13/04, Н01Р 5/12. Устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в ТЕМ-рупорную антенну / К.Ю.Сахаров, О.В.Михеев, А.А.Соколов и др. (РФ). - 2001111370/09; Заявлено 26.04.2001; Опубл. 10.07.2002. Бюл. 19. Приоритет 26.04.2001.
5. Евтихеев Н.Н., Сахаров К.Ю., Соколов А.А., Алешко А.И., Засовин Э.А., Черепанов А.К. Биконическая антенна как базовая структура для излучения испытательных и эталонных сверхкоротких электромагнитных импульсов в нестационарных задачах ЭМС // Технологии электромагнитной совместимости. - 2006. - №4. - С.3-9.
6. Пат. 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.