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 проница- емостью диэлектрика между электродами и величины волнового сопротивления двухпроводной линии.

В этом 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%), а в устройстве не предусмотрено каких-либо технических приемов для уменьшения искажения формы импульса при регистрации. При этом само устройство может быть использовано только при измерении параметров ЭМИ длительностью не более 15 нс, так как при измерении импульсов большей длительности линия передачи должна иметь длину более 2 м, а при такой длине измерительного преобразователя (что само по себе практически нереально) практически невозможно достигнуть строгой параллельности электродов линии, что и вызывает недопустимое увеличение погрешности, т.е. делает известное устройство неработоспособным при длительности импульса более 15 нс.

Целью изобретения является повышение точности измерения и обеспечение возможности измерения импульсов большей длительности.

Это 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, пространство между электродами которой заполнено диэлектрическим материалом, диэлектрическая проницаемость ε₁ которого больше диэлектрической проницаемости окружающей среды, и один из электродов этой линии покрывает всю поверхность диэлектрического материала, а другой электрод расположен на диэлектрическом материале по меандрической кривой и покрыт сверху также диэлектрическим материалом, диэлектрическая проницаемость ε₂ которого не меньше диэлектрической проницаемости материала, расположенного между электродами, при этом подключение линии связи к преобразователю для указанного соединения с регистратором осуществлено в серединах длин первого и второго электродов, на каждом конце линии передачи установлена распределенная согласующая емкость, при этом второй электрод линии имеет вдоль своей длины L переменную высоту относительно поверхности диэлектрического материала между электродами, высота второго электрода симметрична по обе стороны от его середины и максимальна в его середине, а зависимость высоты h(x) второго электрода от значения текущей координаты х вдоль длины линии передачи от середины к соответствующему концу второго электрода определена из выражения
h(x) = [м], (1) при 0<х≅L/2, где d - расстояние между электродами;
h_к - высота второго электрода на конце линии передачи;
n = - параметр, зависящий от типа линии связи;
l - длина линии связи;
ε = ;
α- нормированный на частоту коэффициент затухания линии связи, [дБ/м/];
c - скорость света.

На фиг. 1 представлена схема предложенного 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 один из концов которого обращен к источнику ЭМИ (на чертеже) сам источник ЭМИ не показан, а показано направление вектора скорости , а также составляющих его векторов электрического и магнитного полей). Линия передачи имеет электроды 2 и 3 (например из меди, латуни, серебра) и выполнена в виде несимметричной полосковой линии. Пространство между электродами 2 и 3 заполнено диэлектрическим материалом 4, диэлектрическая проницаемость ε₁ которого больше диэлектрической проницаемости окружающей среды (например, стеклотекстолит, флан, и т.п.). Электрод 2 этой линии покрывает всю поверхность диэлектрического материала 4. Электрод 3 расположен на диэлектрическом материале 4 по меандрической кривой (см. фиг.2) и покрыт сверху также диэлектрическим материалом 5 (см. фиг.1 и 2), диэлектрическая проницаемость ε₂ которого по крайней мере не меньше диэлектрической проницаемости материала 4 (например стеклотекстолит, гетинакс, ситал и т.п.). Электрод 3 линии передачи имеет вдоль своей длины L переменную высоту h(x) относительно поверхности диэлектрического материала 4. Высота электрода 3 симметрична по обе стороны от его середины и максимальна в его середине (точка а). Подключение линии связи 6 (например, в виде радиочастотного кабеля) к преобразователю 1 для соединения с регистратором 7 осуществлено в серединах длин электродов 2 и 3 (точки а, b на фиг.1). На каждом конце линии передачи установлена соответствующая согласующая емкость 8 и 9, распределенная по длине соответствующего конца, как на фиг.2. Зависимость высота h(x) электрода 3 от значения текущей координаты х вдоль длины линии передачи от ее середины (точка а) к соответствующему концу определена из выражения (1).

Приведенное 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 d - расстояния между электродами, h_к - высоты электрода 3 на конце линии передачи, ε₁, ε₂ - диэлектрической проницаемости материала диэлектриков 4 и 5, l - длин линии связи с нормированным на частоту коэффициентом затухания α.

Устройство работает следующим образом.

Устройство помещают в полеобразующую систему с волной ТЕМ-типа так, чтобы один конец линии передачи (на чертеже конец 8) 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 7. При этом между электродами 2 и 3 первичного измерительного преобразователя 1 под действием ЭМИ наводится разность потенциалов и возникает волна тока, распространяющаяся по линии связи 6 к регистратору 7 от конца 8 линии передачи к ее середине в точках а и b. Затем через время t₁, равное (где L_п - длина первичного измерительного преобразователя, равная длине электрода 2) импульс поля от середины линии достигает согласующей емкости 9, что вызывает возникновение обратной волны тока, распространяющейся вдоль линии передачи в направлении к точкам а и b. Поскольку координата х связана с текущим временем t как t = , то в каждый момент времени t на входное сопротивление регистратора 7 через линию связи 6 разряжается участок линии передачи, заряженный до потенциала U = d+ , где Е - напряженность электрического поля ЭМИ. Через время t₂, равное (где L - длина меандрического электрода 3), за которое обратная волна тока от конца 9 достигнет точек а и b подсоединения преобразователя 1 с линией связи 6, разность потенциалов между электродами 2 и 3 станет равна нулю. За время t₁+t₂ на входе линии связи 6 формируется импульс длительностью с длительностью фронта . Сформированный импульс распространяется по линии связи 6 и регистрируется регистратором 7.

За счет того, что электрод 3 линии передачи имеет вдоль своей длины переменную высоту h(x) относительно поверхности диэлектрического материала 4, изменяющуюся по указанному закону (1), форма импульса, поступающего на вход регистратора 7, максимально точно повторяет форму импульса элекромагнитного поля, так как в устройстве скомпенсированы потери, возникающие в линии связи за счет скин-слоя, путем предварительного искажения (усиления) заданным образом от времени измеряемого импульса в первичном преобразователе 1.

За счет того, что двухпроводная линия передачи выполнена в виде несимметричной полосковой линии, пространство между электродами 2 и 3 которой заполнено диэлектрическим материалом 4, и электрод 2 этой линии покрывает всю поверхность диэлектрического материала 4, а электрод 3 расположен на диэлектрическом материале 4 по меандрической кривой и покрыт сверху также диэлектрическим материалом 5, диэлектрическая проницаемость которого по крайней мере не меньше диэлектрической проницаемости материала, расположенного между электродами 2 и 3, достигается повышение точности так как 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 передаче от точек а, b к регистратору, а также уменьшая время нарастания переходной характеристики устройства до его предельного теоретического значения. Значительное увеличение физической длины электрода 3 (за счет его меандрической формы, позволяющей многократно увеличить длину L электрода 3 при минимальной длине L_п преобразователя) и уменьшение скорости распространения волны в преобразователе 1 в раз дает также дополнительные преимущества устройства за счет расширения временного диапазона измеряемых импульсов в сторону больших значений длительности (от 15 нс до мкс) и 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 в линию передачи, непредусмотренные паразитные искажения в исследуемый сигнал.

Подключение линии связи с преобразователем для указанного соединения с регистратором, осуществленное в серединах длин первого и второго электродов, которые симметричны относительно своих середин исключает паразитные выбросы, связанные с возбуждением участков меандрического электрода 3, перпендикулярных вектору магнитного поля ЭМИ, магнитным полем, так как эти выбросы, одинаковы по амплитуде и противоположны по знаку в симметричных относительно середины участках электрода 3.

Указанное введение на каждом конце линии передачи соответствующей распределенной согласующей емкости 8, 9 в сочетании с указанными признаками повышает точность измерения за счет обеспечения максимально гладкой переходной характеристики устройства.

При реализации устройства была использована следующая аппаратура: генератор ЭМИ, разработки 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/ длиной 10 м; первичный измерительный преобразователь на основе несимметричной полосковой линии с переменной вдоль длины линии высотой меандрического электрода, высота которого определена по зависимости (1).

Ниже приведены данные для двух вариантов выполнения преобразователя. Для всех вариантов одинаковыми являются: длина первичного измерительного преобразователя L_п=0,2 м, ширина первичного измерительного преобразователя 0,1 м, расстояние между электродами d=1 мм, материал электродов - медный провод диаметром 1 мм, шаг меандрической укладки провода по длине измерительного преобразователя 2 мм.

1 вариант: в качестве диэлектрических материалов 4 и 5 использован стеклотекстолит ( ε_1,2=3,5).

2 вариант: в качестве диэлектрических материалов 4 и 5 использованы материалы ПКТ-5 ( ε₁=5) и ПКТ-10 ( ε₂=10), соответственно.

Были проведены сопоставительные исследования описанного устройства и прототипа. При исследовании характеристик прототипа были использованы те же генератор ЭМИ, регистратор, та же линия связи длиной 10 м, расстояние между электродами d=3 мм, материал электродов - медь, ширина электродов 12 мм.

Все варианты устройств и прототип были предварительно аттестованы по ГОСТу 8.207-76.

Были измерены амплитуда и время нарастания фронта импульсов поля с амплитудой 500 В/м и длительностью фронта 250 пс при длительности импульса 5 нс и 25 нс, определены значения составляющих погрешности измерения, связанных с затуханием сигнала в линии связи (ниже для краткости данные составляющие погрешности обозначены как "погрешность измерения").

1 вариант устройства. Результаты измерения для обеих длительностей импульса: амплитуда 501 В/м, погрешность измерения 4%, время нарастания 280 пс, погрешность измерения 5%.

2 вариант устройства. Результаты измерения для обеих длительностей импульса: амплитуда 498 В/м, погрешность измерения 3%, время нарастания 270 пс, погрешность измерения 5%.

Прототип. Результаты измерения для длительности импульса 5 нс: амплитуда 485 В/м, погрешность измерения 10%, время нарастания 420 пс, погрешность измерения 15%.

Импульс длительностью 25 нс превышает длительность переходной характеристики первичного преобразователя, что не позволяет его зарегистрировать устройством-прототипом.

Таким образом, как показали экспериментальные исследования, предложенное устройство обеспечивает повышение точности измерения (погрешность измерения 3...5%) по сравнению с прототипом (погрешность измерения 10...15% ), при этом с помощью описанного устройства осуществ- л яются прецизионные измерения параметров ЭМИ с субнаносекундным фронтом в широком временном диапазоне (>15 нс) длительностей импульсов.

Использование: измерение параметров электромагнитного импульса (ЭМИ). Сущность изобретения: устройство содержит первичный измерительный преобразователь в виде отрезка двухпроводной линии передачи - несимметричной полосковой линии. Вдоль линии второй электрод имеет переменную высоту, рассчитываемую по приведенной зависимости, причем высота второго электрода симметрична по обеим сторонам от его середины. Пространство между электродами заполнено диэлектрическим материалом с диэлектрической проницаемостью выше, чем у окружающей среды. Первый электрод покрывает всю поверхность диэлектрического материала, находящегося между электродами, а второй электрод расположен на диэлектрическом материале по меандрической кривой и покрыт сверху также диэлектрическим материалом, диэлектрическая проницаемость которого не меньше диэлектрической проницаемости материала, расположенного между электродами. На каждом конце линии передачи установлена распределенная согласующая емкость. Преобразователь одним концом обращен к источнику ЭМИ, а в серединах длин первого и второго электродов с помощью согласованной линии связи соединен с регистратором. 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 согласованной линией связи, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров импульсов и обеспечения измерения импульсов большей длительности, двухпроводная линия передачи выполнена в виде несимметричной полосковой линии, пространство между электродами которой заполнено диэлектрическим материалом, диэлектрическая проницаемость ε₁ которого больше диэлектрической проницаемости окружающей среды, и один из электродов этой линии покрывают всю поверхность диэлектрического материала, а второй электрод выполнен в виде меандра и покрыт сверху также диэлектрическим материалом, диэлектрическая проницаемость ε₂ которого по крайней мере не меньше диэлектрической проницаемости материала, расположенного между электродами, при этом середина в длинах первого и второго электродов является выходом преобразователя, на каждом из концов линии передачи установлена распределенная согласующая емкость, при этом второй электрод линии имеет вдоль своей длины L переменную высоту относительно поверхности диэлектрического материала между электродами, высота второго электрода симметрична по обе стороны от его середины, а зависимость высоты h /x/ второго электрода от значения текущей координаты x вдоль линии передачи от середины к соответствующему концу второго электрода определена из выражения:
h(x) = , м,
при 0 < x ≅ L/2,
где d - расстояние между электродами;
где h_к - высота второго электрода на конце линии передачи;
n = - параметр, зависящий от типа линии связи;
ε = ,
l - длина линии передачи;
α - нормированный на частоту коэффициент затухания линии связи, дБ/м/;
c - скорость света.