УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА Российский патент 1994 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в эталонных метрологических комплексах, измеряющих параметры импульсных электромагнитных полей с субнаносекундным фронтом (амплитуда, длительность фронта электромагнитного импульса и др. ).

Известно устройство для измерения параметров электромагнитного импульса, содержащее емкостной первичный измерительный преобразователь в виде двух параллельных и соосных металлических дисков, подключенных с помощью линии связи к активному сопротивлению и регистратору, при этом между дисками расположен диэлектрический материал.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения параметров ЭМИ различной формы, что обусловлено внесением погрешности в результат измерения за счет искажения исследуемого импульса из-за наличия собственной постоянной времени спада переходной характеристики первичного измерительного преобразователя.

Также известно устройство для измерения параметров электромагнитного импульса, являющееся наиболее близким к описываемому, содержащее первичный измерительный преобразователь в виде отрезка двухпроводной линии передачи, один из концов которой разомкнут и обращен к источнику электромагнитного импульса, при этом преобразователь соединен с регистратором согласованной линией связи, двухпроводная линия связи имеет постоянное вдоль длины линии волновое сопротивление за счет того, что электроды линии передачи имеют вдоль длины этой линии постоянную ширину, величина которой является функцией расстояния между электродами линии, диэлектрической проницаемостью диэлектрика между электродами и величины волнового сопротивления двухпроводной линии.

В данном устройстве повышается точность измерения амплитудно-временных параметров электромагнитных импульсов за счет того, что вместо сосредоточенной емкости в устройстве использована распределенная по длине емкость двухпроводной линии, что позволяет более точно повторять форму импульса при регистрации.

Недостатком известного устройства является то, что за счет отсутствия идеальной широкополосности линии связи не обеспечивается достаточная идентичность формы измеряемого импульса форме импульса, поступающего в регистратор, что снижает точность измерения длительности фронта и амплитуды (составляющая погрешности, связанная с искажениями, вносимыми линией связи при измерении ЭМИ с длительностью фронта менее 1 нс составляет 10-15% ), при этом в устройстве не предусмотрены какие-либо технические приемы для уменьшения искажения формы импульса при регистрации.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения параметров электромагнитного импульса, содержащем первичный измерительный преобразователь в виде отрезка двухпроводной линии передачи, один из концов которой обращен к источнику электромагнитного импульса, при этом преобразователь соединен с регистратором согласованной линией связи, указанная двухпроводная линия передачи выполнена в виде несимметричной полосковой линии с переменным вдоль длины линии волновым сопротивлением, при этом пространство между электродами линии заполнено диэлектрическим материалом, диэлектрическая проницаемость которого превышает диэлектрическую проницаемость окружающей среды, один из электродов линии передачи имеет вдоль длины этой линии переменную ширину, при этом наибольшую ширину этот электрод имеет со стороны конца линии передачи, обращенного к источнику электромагнитного импульса, и этот конец линии передачи соединен с регистратором, к противоположному концу линии передачи подключено согласующее сопротивление, а другой электрод линии передачи имеет длину, равную длине линии передачи, а ширину - не менее наибольшей ширины первого электрода, при этом диэлектрический материал между электродами, покрывает всю поверхность второго электрода, причем зависимость ширины W(х) первого электрода от значения текущей координаты Х вдоль линии передачи от ее конца, соединенного с линией связи, определена из выражения
W(x) = (5. . . 22) · [м] , (1) при х > 0, где ε - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика между электродами, 10 ≥ε>1;
Z(x) = R1-erf · - величина волнового сопротивления вдоль длины линии передачи;
R - величина нагрузочного сопротивления, 30 ≅ R [Ом] ;
с - скорость света;
d - расстояние между электродами;
l - длина линии связи;
α - нормированный на частоту коэффициент затухания линии связи, [дБ/м /] .

На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения параметров электромагнитного импульса; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.

Устройство для измерения параметров электромагнитного импульса содержит первичный измерительный преобразователь 1 в виде отрезка двухпроводной линии передачи с электродами 2 и 3 (например, из меди или латуни), выполненной в виде несимметричной полосковой линии. Пространство между электродами 2 и 3 заполнено диэлектрическим материалом 4, диэлектрическая проницаемость которого превышает диэлектрическую проницаемость окружающей среды. Электрод 2 этой линии имеет вдоль линии переменную ширину. При этом наибольшую ширину этот электрод имеет со стороны конца линии передачи, который соединен (в точке а на фиг. 2) с помощью согласованной линии связи 5 (например, радиочастотный кабель, оплетка которого заземлена и подсоединена к электроду 3, а центральная жила - к электроду 2) с регистратором 6. Этот конец двухпроводной линии передачи обращен к источнику электромагнитного испульса (сам источник электромагнитного импульса на чертеже не показан, а показано направление составляющих его векторов электрического () и магнитного () поля), а к противоположному концу двухпроводной линии передачи подключено согласующее сопротивление 7. Второй электрод 3 двухпроводной линии передачи имеет длину, равную длине линии передачи, а ширину - не менее наибольшей ширины первого электрода 2 (как правило, ширина второго электрода превышает наибольшую ширину первого электрода в 3. . . 4 раза). Диэлектрический материал 4 между электродами 2 и 3 покрывает всю поверхность второго электрода 3. Зависимость ширины W(х) первого электрода 2 от значения текущей координаты Х вдоль линии передачи от ее конца, соединенного в линией связи 5, определена из выражения (1). В качестве материала диэлектрика могут быть использованы фторопласт-4 ( ε = 2,0. . . 2,1), стеклотекстолит ( ε = 3,0. . . 4,5), органические диэлектрики типа ПКТ ( ε = 5,0. . . 10,0).

Как известно ширина электрода линии передачи является функцией расстояния между электродами, диэлектрической проницаемостью материала между электродами и величины волнового сопротивления линии. Выражение (1) получено империческим путем из условия обеспечения в линии передачи полной компенсации затухания измеряемого сигнала, вносимого линией связи. Для обеспечения этой компенсации при расчете зависимости (1) с помощью эксперимента и машинной обработки результатов измерения были исследованы различные соотношения расстояний между электродами d , величины согласующего сопротивления R, длин линии связи l с нормированными на частоту коэффициентом затухания - α в линии связи и различными значениями диэлектрических проницаемостей диэлектрика между электродами 2 и 3. Результатом машинной обработки указанных исследований и явилась зависимость (1) ширины W(х) первого электрода линии передачи от значения текущей координаты Х вдоль линии передачи от ее конца, соединенного в точке "а" с линией связи 5.

При определении W(х) указанный предел значения поправочного коэффициента в интервале 5. . . 22 обуславливает достижение заданной точности измерения параметров электромагнитного импульса за счет уменьшения по сравнению с прототипом составляющей погрешности до значения 2. . . 5% , (в прототипе 10. . . 15% ), связанной с обеспечением полной компенсации в устройстве затухания измеряемого сигнала в линии связи путем предварительного соответствующего увеличения измеряемого сигнала в линии передачи.

При уменьшении значения поправочного коэффициента < 5 cуммарная погрешность измерения возрастает за счет увеличения ее составляющей погрешности, связанной с нарушением компенсации затухания измеряемого сигнала до значения > 5% , так как при этом регистрируемые амплитуда и длительность фронта измеряемого электромагнитного импульса (за счет уменьшения ширины первого электрода ниже нижнего ее расчетного значения) будут по амплитуде меньше, а по длительности фронта они будут превышать реальные значения электромагнитного импульса, возбуждающего первичный измерительный преобразователь (недокомпенсация затухания).

При увеличении значения поправочного коэффициента > 22 суммарная погрешность измерения также возрастает за счет увеличения той же ее составляющей погрешности до значения >5% , так как при этом регистрируемые амплитуда и длительность фронта измеряемого электромагнитного импульса (за счет увеличения ширины первого электрода выше верхнего ее расчетного значения) будет соответственно по амплитуде выше, а по длительности фронта - короче реальных значений электромагнитного импульса, возбуждающего первичный измерительный преобразователь (перекомпенсация затухания).

Устройство работает следующим образом.

Устройство помещается в полеобразную систему с волной ТЕМ-типа так, чтобы конец линии передачи, соединенный с линией связи в точке а, был обращен к источнику ЭМИ. При этом вдоль первичного измерительного преобразователя 1 начинает распространяться исследуемый электромагнитный импульс, параметры которого (амплитуда, длительность фронта, длительность импульса либо постоянная времени спада) регистрируются регистратором 6. При этом вдоль линии передачи между электродами 2 и 3 первичного измерительного преобразователя 1 под действием ЭМИ наводится разность потенциалов и возникает волна тока, распространяющаяся по линии связи 5 к регистратору 6. Через время t₁ равное L/с (где L - длина линии передачи) импульс поля достигает согласующего сопротивления 7, что вызывает возникновение обратной волны тока, распространяющейся вдоль линии передачи в направлении в точке а. Поскольку координата Х связана с текущим временем t так t = х/с, то в каждый момент времени t на входное сопротивление регистратора разряжается участок с волновым сопротивлением Z(t /c). Через время t₂, равное L/с, за которое обратная волна тока достигает точки а подсоединения преобразователя 1 с линией связи 5, разность потенциалов между электродами 2 и 3 станет равна 0. Измерительный преобразователь вновь готов к поступлению на него нового импульса. За время t₁ + t₂ в точке а формируется импульс длительностью (1 + )˙L/с с длительностью фронта d /с и амплитудой R_вх˙ U/(Z(х) + R_вх), где R_вх - входное сопротивление регистратора; U - разность потенциалов, наводимая между электродами 2 и 3, электромагнитным импульсом. Сформированный импульс распространяется по линии связи 5 и регистрируется регистратором 6.

За счет того, что первичный измерительный преобразователь выполнен в виде несимметричной полосковой линии с переменным вдоль длины линии волновым сопротивлением, образуемым переменной шириной электрода 2, изменяющейся по указанному закону (1), и наибольшую ширину этот электрод имеет со стороны конца линии передачи, обращенного к источнику ЭМИ, этот конец линии передачи соединен с регистратором с помощью согласованной линией связи, а к противоположному концу линии передачи подключено согласующее сопротивление - форма импульса, поступающего на вход регистратора 6, максимально точно повторяет форму импульса электромагнитного поля, так как в устройстве в каждый момент времени на входе регистратора 6 искусственно поддерживается постоянный коэффициент дeления, образованный при постойнной разности потенциалов в цепи отношением входного сопротивления регистратора 6 к сумме волновых сопротивлений: волнового сопротивления преобразователя 1 и волнового сопротивления линии связи 5, нормированного на ее переходную характеристику, что обеспечивает по сравнению с прототипом повышение точности измерения параметров ЭМИ.

Благодаря введению на противоположном конце линии передачи согласующего сопротивления уменьшается время восстановления рабочего состояния измерительного преобразователя путем исключения паразитных отражений от этого конца линии передачи и возможно измерение импульсов малой скважности или большой частоты следования, т. е. применение устройства по типу исследуемых импульсов расширяется.

Выполнение электрода 3 преобразователя длиной, равной длине линии пепредачи, и шириной - не менее наибольшей ширины электрода 2, при этом диэлектрический материал 4 между электродами 2 и 3 покрываeт всю поверхность второго электрода 3, в сочетании с указанными признаками устройства повышает точность измерения за счет того, что при этом исключено искажение поля, проникающего в пространство между электродами, структура поля внутри полосковой линии повторяет структуру набегающей ТЕМ-волны, при этом образованная указанной конфигурацией электродов и диэлектрика между ними несимметричность полосковой линии хорошо согласуется с несимметричностью линии связи (радиочастотный кабель), устраняя искажения измеряемого сигнала при его передачи от точки а к регистратору. Скорость распространения волны в преобразователе 1 уменьшена в раз. Это расширяет временный диапазон измеряемых импульсов в сторону больших значений длительности, а также повышает технологичность изготовления первичного измерительного преобразователя 1 по сравнению с прототипом, где для взаимной установки электродов необходимы дополнительные крепежные элементы, которые неизбежно технологически усложняют изготовление устройства и вносят непредусмотренные паразитные искажения в исследуемый сигнал.

При реализации устройства была использована следующая аппаратура: генератор ЭМИ (разработка на базе ТЕМ-ячейки), регистратор - стробоскопический осциллограф С7-13, линия связи - радиочастотный кабель РК-50-4-21 с α = 1,46˙10^-5 дб/М/ с двумя вариантами длины: l ₁= = 5 м и l₂ = 10 м; первичный измерительный преобразователь на основе несимметричной полосковой линии с переменным вдоль длины линии волновым сопротивлением, у которого ширина первого электрода определена по зависимости (1), в 5 вариантах. Для всех вариантов одинаковыми являются, длина первичного измерительного преобразователя L = 0,5 м, расстояние между электродами d = 3 мм, материал электродов - медная фольга, ширина второго электрода - 60 мм.

1 вариант: выполнение ширины первого электрода по зависимости (1) с поправочным коэффициентом 4.5, диэлектрический материал - ПКТ-10 ( ε = 10), согласующее сопротивление МЛТ-0,125 Вт 33 Ом, длина линии связи l₁.

2 вариант: выполнение ширины первого электрода по зависимости (1) с поправочным коэффициентом 5.0, диэлектрический материал - ПКТ-10 ( ε = 10), согласующее сопротивление МЛТ-0,125 Вт 33 Ом, длина линии связи l₁.

3 вариант: выполнение ширины первого электрода по зависимости (1) с поправочным коэффициентом 15, диэлектрический материал - гетинакс ( ε = 4.0), согласующее сопротивление МЛТ-0,125 Вт 50 Ом, длина линии связи l₂.

4 вариант: выполнение ширины первого электрода по зависимости (1) с поправочным коэффициентом 22, диэлектрический материал - фторопласт-4 ( ε = 2.2), согласующее сопротивление МЛТ-0,125 Вт 33 Ом, длина линии связи l₂.

5 вариант: выполнение ширины первого электрода по зависимости (1) с поправочным коэффициентом 22.5, диэлектрический материал - фторопласт-4 ( ε = 2.2), согласующее сопротивление МЛТ-0,125 Вт 50 Ом, длина линии связи l₂.

Были проведены сопоставительные исследования описанного устройства и прототипа. При исследовании характеристик прототипа были использованы те же генератор ЭМИ, регистратор, та же линия связи длиной 5 м, расстояние между электродами d= 3 мм, материал электродов - медь, ширина электродов - 12 мм.

Все варианты устройств и прототип были предварительно аттестованы, используя ГОСТ 8.207-76.

Были измерены амплитуда и время нарастания фронта импульсов поля экспоненциальной формы с амплитудой 500 В/м и длительностью фронта 250 пс, определены значения составляющих погрешности измерения, связанных с затуханием сигнала в линии связи (ниже для краткости данные составляющие погрешности обозначены как "погрешность измерения").

1 вариант. Результаты измерения: амплитуда 491 В/м, погрешность измерения 7% , время нарастания 360 пс, погрешность измерения 9% .

2 вариант. Результаты измерения: амплитуда 497 В/м, погрешность измерения 4% , время нарастания 300 пс, погрешность измерения 5% .

3 вариант. Результаты измерения: амплитуда 501 В/м, погрешность измерения 2% , время нарастания 270 пс, погрешность измерения 3% .

4 вариант. Результаты измерения: амплитуда 502 В/м, погрешность измерения 5% , время нарастания 270 пс, погрешность измерения 5% .

5 вариант. Результаты измерения: амплитуда 508 В/м, погрешность измерения 8% , время нарастания 260 пс, погрешность измерения 10% .

Прототип. Результаты измерения: амплитуда 485 В/м, погрешность измерения 10% , время нарастания 420 пс, погрешность измерения 15% .

Таким образом, как показали экспериментальные исследования, устройство с описанными признаками обеспечивает повышение точности измерения (погрешность измерения 2. . . 5% ) по сравнению с прототипом (погрешность измерения 10. . . 15% ), при этом с помощью описанного устройства осуществляются прецизионные измерения параметров ЭМИ с субнаносекундным фронтом.

Использование: измерение параметров электромагнитного импульса (ЭМИ). Сущность изобретения: устройство содержит первичный измерительный преобразователь в виде отрезка двухпроводной линии передачи - несимметричной полосковой линии. Вдоль длины линии один из электродов имеет переменную ширину, рассчитываемую по приведенной зависимости. Второй электрод имеет длину, равную длине линии передачи, а ширину - не менее наибольшей ширины первого электрода. Между электродами выведен диэлектрический материал с диэлектрической проницаемостью выше, чем у окружающей среды. Преобразователь со стороны наибольшей ширины первого электрода обращен к источнику ЭМИ и с помощью согласованной линии связи соединен с регистратором, а с другой стороны первого электрода нагружен на согласующее сопротивление. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА, содержащее первичный измерительный преобразователь в виде отрезка двухпроводной линии передачи, один из концов которой обращен к источнику электромагнитного импульса, при этом выход преобразователя соединен с регистратором посредством согласованной линии связи, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, упомянутая двухпроводная линия передачи выполнена в виде несимметричной полосковой линии с переменным вдоль длины линии волновым сопротивлением, при этом пространство между электродами линии заполнено диэлектрическим материалом, диэлектрическая проницаемость которого превышает диэлектрическую проницаемость окружающей среды, один из электродов линии передачи имеет вдоль длины этой линии переменную ширину, при этом наибольшую ширину этот электрод имеет со стороны конца линии передачи, обращенного к источнику электромагнитного импульса, и одновременно этот конец линии передачи является выходом преобразователя, к противоположному концу линии передачи подключено согласующее сопротивление, а второй из электродов линии передачи имеет длину, равную длине линии передачи, а ширину - не менее наибольшей ширины первого электрода, при этом диэлектрический материал между электродами покрывает всю поверхность второго электрода, причем зависимость ширины W (x) первого электрода от значения x текущей координаты вдоль линии передачи от ее конца, соединенного с линией связи, определена из выражения
W(x) = (5-22) × /м/,
при x > 0,
где ε - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика между электродами, 10 ≥ ε > 1;
Z(x) = R1-erf · - величина волнового сопротивления вдоль длины линии передачи;
R - величина согласующего сопротивления, 30 ≅ R, Ом;
c - скорость света;
d - расстояние между электродами;
l - длина линии связи;
α - нормированный на частоту коэффициент затухания линии связи, дБ/м/.