Приборы и техника эксперимента, 2019, № 1, стр. 36-45

ВВЕДЕНИЕ

Мощные источники сверхширокополосного (с.ш.п.) излучения разрабатываются для исследований восприимчивости электронного оборудования к воздействию электромагнитных полей, биологических эффектов и радаров с распознаванием объектов [1]. Важной задачей здесь является расширение спектра мощных импульсов излучения. Выделим два направления решения данной задачи.

Первое направление связано с уменьшением длительности импульса излучения. В рамках этого направления созданы мощные источники с.ш.п.-излучения на основе антенн типа IRA [2]. Нами предложено [3] расширять спектр излучения за счет сложения мощных электромагнитных импульсов в свободном пространстве при возбуждении решетки комбинированных антенн биполярными импульсами напряжения разной длительности.

Первый мощный источник синтезированного излучения [4] состоял из решетки 2 × 2 комбинированных антенн, возбуждаемой от четырехканального формирователя биполярных импульсов длительностью 2 и 3 нс. Для формирования диаграммы направленности с максимумом в главном направлении [5, 6] антенны, возбуждаемые биполярными импульсами одинаковой длительности, располагались по диагонали.

Цель данной работы – разработка и исследование мощного источника синтезированного излучения в более высоком диапазоне частот на основе возбуждения решетки комбинированных антенн биполярными импульсами длительностью 0.5 и 1 нс.

В отличие от источника [4], где использовались разные комбинированные антенны, оптимизированные для биполярных импульсов длительностью 2 и 3 нс, в данном источнике использовались одинаковые антенны с расширенной полосой согласования для излучения биполярных импульсов длительностью 0.5 и 1 нс.

1. КОНСТРУКЦИЯ МОЩНОГО ИСТОЧНИКА СИНТЕЗИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Источник с.ш.п.-импульсов синтезированного излучения (рис. 1) состоит из генератора биполярных импульсов и четырехэлементной антенной решетки. В состав четырехканального генератора биполярных импульсов напряжения входят: генератор высоковольтных монополярных импульсов “Синус-160” (1), промежуточная ступень обострения 2 и четырехканальный формирователь биполярных импульсов 3. Элементами решетки 4 служат комбинированные антенны, которые подключаются к выходам генератора коаксиальными кордельными кабелями РК 50-17-51, заполненными элегазом (SF₆) с давлением 5 атм. Расстояние между центрами элементов решетки в двух плоскостях было одинаковым и равнялось d = 16 см. Решетка находилась в безэховой камере, где и проводились измерения.

2. ЧЕТЫРЕХКАНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР БИПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Для получения высоковольтных биполярных импульсов напряжения мы используем коаксиальные отрезки линий и двухэлектродные газовые разрядники высокого давления, собранные по схеме с разомкнутой линией [7]. В созданном ранее [4] четырехканальном формирователе длительность фронтов биполярных импульсов напряжения длительностью 2 и 3 нс равна 0.4–0.6 нс, что недостаточно для получения биполярных импульсов длительностью 1 и 0.5 нс. Обострить фронты биполярных импульсов можно увеличением скорости нарастания напряжения на электродах разрядников формирователя.

В данной работе для обострения фронтов биполярных импульсов 0.5 и 1 нс мы использовали промежуточную ступень обострения. Она состоит из коаксиальной линии и двухэлектродного разрядника и включена между генератором монополярных импульсов и блоком из четырех формирователей.

На принципиальной схеме генератора биполярных импульсов напряжения (рис. 2) генератор “Синус-160” представлен выходной формирующей линией FL₀ и разрядником S₀. Эта линия заряжалась от вторичной обмотки трансформатора Тесла до напряжения –360 кВ с частотой следования импульсов 100 Гц и коммутировалась разрядником S₀ через разделительную линию FL₁ и ограничительное сопротивление R₀ на линию FL₂ промежуточной ступени обострения. Линия FL₁ состоит из набора коаксиальных линий с волновыми сопротивлениями от 45 до 88 Ом и суммарной электрической длиной 2.5 нс.

Формирователи F₁–F₄ собраны по схеме с разомкнутой линией и позволяют формировать биполярные импульсы напряжения c длительностями 1 нс на двух нагрузках по 50 Ом каждая и 0.5 нс на двух других аналогичных нагрузках. При срабатывании разрядника S₁ при напряжении, близком к максимальному, происходит зарядка линий FL₅₁–FL₅₄ в режиме бегущих волн через разделительные линии FL₄₁–FL₄₄.

Волновые сопротивления и длительности разделительных линий рассчитывались по методике, предложенной в работе [8], и подобраны таким образом, чтобы иметь более высокое зарядное напряжение линий FL₅₁–FL₅₄ с коэффициентом увеличения напряжения 1.3–1.5. При срабатывании разрядников S₁₁–S₁₄, а затем и разрядников S₂₁–S₂₄ с относительными задержками, равными двойным пробегам волны по линиям FL₆₁–FL₆₄, в передающих линиях FL₈₁–FL₈₄, нагруженных на согласованные нагрузки R₁₁–R₁₄, формируются биполярные импульсы напряжения. Формирователи F₁ и F₂ позволяют формировать импульсы длительностью 1 нс, а F₃ и F₄ – длительностью 0.5 нс.

Конструкция промежуточной ступени обострения и блока формирователей биполярных импульсов F₁–F₄, представленная на рис. 3, состоит из шести газовых объемов. В первом объеме с внутренним диаметром 78 мм в среде азота под давлением 40 атм размещены линии FL₁–FL₃, разрядник S₁ и емкостный делитель зарядного напряжения D₁. В четырех независимых объемах с внутренними диаметрами 25 мм, ограниченных изоляторами 1 и 2, в среде азота под давлениями 30–40 атм расположены все кроме правых частей FL₈₁–FL₈₄, разрядники S₁₁–S₁₄ и S₂₁–S₂₄ и емкостные делители зарядного напряжения D₂₁–D₂₄.

Линии FL₇₁–FL₇₄ имеют изоляцию из капролона. Электродами кольцевого разрядника S₁ являются концы внутренних проводников линий FL₂ и FL₃. Межэлектродный зазор в разряднике S₁ равен 1.4 мм. Электроды обостряющих разрядников S₁₁–S₁₄ встроены в концы линий FL₅₁–FL₅₄ и FL₆₁–FL₆₄, межэлектродные расстояния равны 1.2–1.4 мм. Электродами срезающих разрядников S₂₁–S₂₄ служат диски 3 толщиной 2 мм и цилиндрические вставки, установленные на наружных проводниках линий FL₆₁–FL₆₄ с зазорами 0.7 мм.

Материал электродов разрядников S₁, S₁₁–S₁₄ и S₂₁–S₂₄ – медь. Оси четырех формирователей расположены в диаметрально противоположных точках на окружности ∅53 мм. Давление азота в объемах промежуточной линии и в формирователях F₁–F₄ автоматически поддерживалось с точностью 0.5 атм с помощью системы контроля и регулировки давления, выполненной на базе 5 датчиков давления модели PSD-30 и 10 клапанов напуска и сброса газа. Идентичные по конструкции правые части передающих линий FL₈₁–FL₈₄ с встроенными делителями напряжения на связанных линиях D₃₁–D₃₄ и нагрузки R₁₁–R₁₄ имеют элегазовую изоляцию под давлением 5 атм.

Импульс зарядного напряжения на линию FL₂ поступал от генератора “Синус-160” по линии FL₁, а выходные биполярные импульсы после срабатывания разрядников S₁, S₁₁–S₁₄ и S₂₁–S₂₄ передавались по четырем передающим линиям FL₈₁–FL₈₄ с волновым сопротивлением 50 Ом каждая в согласованные резистивные нагрузки либо в передающие антенны.

Для регистрации выходных биполярных импульсов с делителей напряжения D₃₁–D₃₄ и импульсов с делителей зарядных напряжений на линиях FL₂ и FL₅₁–FL₅₄ использовался осциллограф TDS 6604 с полосой пропускания до 6 ГГц. Делители D₃₁–D₃₄ калибровались при помощи подачи биполярных импульсов напряжения с длительностями 1 и 0.5 нс на входы правых частей линий FL₈₁–FL₈₄ от низковольтных генераторов. Эксперимент показал хорошее согласие форм импульсов на выходах линий и восстановленных с коэффициентом ослабления 65 импульсов с делителей напряжения D₃₁–D₃₄. Емкостные делители D₂₁–D₂₄ не калиброваны и служат для оценки времени зарядки напряжения на линиях FL₅₁–FL₅₄.

Разрядник S₁ пробивался при напряжении 170 кВ с задержкой 4.3 нс. Регулировкой давлений и зазоров в разрядниках S₁₁–S₁₄ и S₂₁–S₂₄ добивались симметрии формы биполярных импульсов напряжения с делителей D₃₁–D₃₄ и синхронизации моментов перехода через ноль по отдельности для формирователей F₁, F₂ и F₃, F₄. Времена зарядки линий FL₅₁–FL₅₄ до моментов коммутации разрядников S₁₁–S₁₄ составили 800–950 пс.

Выходные биполярные импульсы, полученные с делителей D₃₁–D₃₄, показаны на рис. 4. Импульсы имеют амплитуду до 80 кВ и длительности 1 и 0.5 нс при частоте следования 100 Гц. Длительность импульсов определялась путем аппроксимации фронтов и спадов до пересечений с нулевыми линиями. Среднеквадратичный разброс времени моментов перехода биполярных импульсов через ноль между каналами не превышает 50 пс. Среднеквадратичный разброс амплитуды зарядного напряжения генератора “Синус-160” относительно ее среднего значения равно около 1%. При этом среднеквадратичный разброс амплитуд биполярных импульсов относительно их среднего значения для всех формирователей F₁–F₄ составляет не более 5–6%.

Из энергии, запасенной в формирующей линии FL₀, 3.6 Дж в промежуточную линию передается 36%, а в нагрузку – 4% (0.14 Дж). Анализ показал, что основные потери энергии связаны с пробоем разрядников при напряжении ниже максимального и потерями в самих разрядниках при коммутации. Выходная пиковая мощность биполярных импульсов достигала 500 МВт.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Предварительно для оценки характеристик синтезированных импульсов были проведены численные расчеты. Для моделирования с.ш.п.-импульса, излученного комбинированной антенной, использовалась производная суммы двух гауссовых функций [5]:

где τ – длительность биполярного импульса напряжения, возбуждающего антенну, по уровню 0.1 амплитуды. Формула (1) достаточно хорошо моделирует реальные импульсы E(t), излученные комбинированными антеннами, оптимизированными для излучения биполярных импульсов 0.5 нс [9] и 1 нс [10] и их спектры S(  f  ). Импульсы, рассчитанные по формуле (1), приведены на рис. 5а, а их спектры показаны на рис. 5б.

При сложении импульсов излучения результат определяется как характеристиками импульсов, так и их временными задержками относительно друг друга. Таким образом, изменяя задержку между импульсами излучения с разной длительностью (шириной спектра), можем получать импульсы с разными характеристиками: длительностью, амплитудой и шириной спектра.

Будем оптимизировать синтезированный импульс по двум параметрам: максимальной амплитуде поля и максимальной ширине спектра. Заметим, что спектр импульса можно характеризовать следующими параметрами [11]:

1) шириной спектра Δf = f_в – f_н, где f_н – нижняя, а  f_в – верхняя граничные частоты спектра излучения, оцененные по уровню –10 дБ;

2) относительной шириной спектра Δf/f₀, где f₀ = (  f_в + f_н)/2 – центральная частота спектра излучения;

3) отношением верхней и нижней граничных частот b = f_в/f_н.

Для анализа характеристик синтезированного импульса построим зависимости пиковой напряженности поля E_п и ширины спектра по уровню ‒10 дБ от задержки между импульсами (рис. 6).

Максимальная пиковая напряженность поля (рис. 6а) достигается при задержке Δt = 0.376 нс, соответствующей синхронизации положительных максимумов импульсов. При этом амплитуды импульсов суммируются, а отношение верхней и нижней граничных частот суммарного импульса по сравнению с импульсами, излученными при возбуждении антенн биполярными импульсами длительностью 0.5 и 1 нс, увеличивается примерно на 27%.

Из рис. 6б видно, что для всех трех параметров, характеризующих спектр импульса, максимальные значения соответствуют задержкам –0.16 и 0.91 нс.

На рис. 7 приведены суммарный импульс для задержки Δt = –0.16 нс и его спектр. По сравнению с одиночным импульсом отношение верхней и нижней граничных частот суммарного импульса увеличилось в 2.26 раза и составило более трех октав. При этом амплитуда поля суммарного импульса по отношению к амплитуде исходных импульсов излучения не уменьшилась. В табл. 1 приведены частотные характеристики для одиночных импульсов (рис. 5) и суммарных импульсов для задержек 0.376 и –0.16 нс (рис. 7).

Численные расчеты, аналогичные [5], показали также, что для получения симметричной диаграммы направленности для обоих режимов синтеза (максимальная амплитуда и максимальная ширина спектра), что удобно в экспериментальных исследованиях, антенны в решетке 2 × 2, возбуждаемые биполярными импульсами одинаковой длительности, должны располагаться по диагонали.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕШЕТКИ КОМБИНИРОВАННЫХ АНТЕНН

Элементами решетки служили комбинированные антенны размерами 15 × 15 × 17 см. В отличие от других наших источников с.ш.п.-излучения [1], в этом источнике одна и та же антенна использовалась для излучения биполярных импульсов длительностью 1 нс и 0.5 нс. Для этого разработанная ранее базовая комбинированная антенна [10] для импульсов длительностью 1 нс была модифицирована (полоса согласования расширена в высокочастотную область) для более эффективного излучения импульса длительностью 0.5 нс. Это достигалось уменьшением диаметра коаксиала на входе антенны и изменением геометрии электродов антенны.

Для исследования пространственно-временных характеристик излучения антенн использовались низковольтные биполярные импульсы напряжения. На рис. 8 для сравнения приведены осциллограммы импульсов, излученных модифицированной и базовой [10] комбинированными антеннами, возбуждаемыми биполярным импульсом длительностью 0.5 нс. Видно, что амплитуда импульса, излученного модифицированной антенной, увеличилась на 40%.

Диаграмма направленности модифицированной антенны (рис. 9) измерялась по пиковой мощности ($E_{{\text{п }}}^{2}$) при возбуждении антенны импульсами 1 и 0.5 нс в E- и H-плоскостях. Е-плоскости соответствовал угол места δ, а Н-плоскости – азимутальный угол φ. При измерениях комбинированную антенну вращали вокруг ее центра, а неподвижная приемная антенна находилась на расстоянии 4.4 м от нее. По сравнению с базовой антенной ширина диаграммы направленности на полувысоте при возбуждении биполярным импульсом 1 нс увеличилась на 10° в H-плоскости и на 20° в E-плоскости. Диаграмма направленности при возбуждении антенны импульсом 0.5 нс ýже. Как и в предыдущих наших работах [1], для измерения излученных импульсов использовалась приемная TEM-антенна, представляющая собой половину TEM-рупора с высотой раскрыва 8 см. Сигнал с выхода приемной TEM-антенны регистрировался осциллографом LeCroy WaveMaster 830Zi с полосой пропускания 16 ГГц.

Диаграммы направленности по пиковой мощности решетки 2 × 2 приведены на рис. 10а для случая возбуждения импульсами с задержками, оптимизированными для максимальной амплитуды поля, на рис. 10б – для максимальной ширины спектра. Благодаря тому, что элементы, возбуждаемые импульсами одинаковой длительности, расположены по диагонали, максимумы диаграмм направленности расположены на оси (δ = φ = 0), перпендикулярной плоскости решетки.

5. ИЗЛУЧЕНИЕ МОЩНЫХ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ИМПУЛЬСОВ

На рис. 11 приведены осциллограммы импульсов (rE), излученных комбинированными антеннами при возбуждении высоковольтными биполярными импульсами напряжения длительностью 0.5 и 1 нс, и их спектры. Измерения проводились в дальней зоне на расстоянии от решетки r = 4.4 м.

Измерив формы импульсов излучения (рис. 11) и их относительные задержки, мы рассчитали задержки, необходимые для получения синтезированных импульсов с максимальной амплитудой и максимальной шириной спектра. На рис. 12 приведена осциллограмма синтезированного импульса с задержками, оптимизированными для получения максимальной амплитуды поля, и его спектр, рассчитанный при помощи быстрого преобразования Фурье. Получены импульсы излучения с эффективным потенциалом (произведением пиковой напряженности электрического поля E_п на расстояние r в дальней зоне) rE_п = 600 кВ.

На рис. 13 приведена осциллограмма синтезированного импульса с задержками, оптимизированными для получения максимальной ширины спектра. Эффективный потенциал синтезированного излучения rE_п с расширенной полосой частот составляет 200 кВ. Пиковая плотность мощности излучения в главном направлении (δ = = φ = 0) на расстоянии 4.4 м составила 50 МВт/м² для варианта синхронизации импульсов с максимальной напряженностью поля и 5.5 МВт/м² для варианта с максимальной шириной спектра. Измеренные частотные характеристики импульсов приведены в табл. 2.

Ширина спектра Δf синтезированного импульса увеличена в 1.1–1.4 раза, а по отношению крайних частот в 2.9–3.2 раза. Отличие полученных экспериментальных результатов от численных расчетов (табл. 1) обусловлено различием модельных и измеренных форм импульсов излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан источник мощных импульсов синтезированного излучения на основе решетки 2 × 2 комбинированных антенн, возбуждаемых биполярными импульсами напряжения длительностью 0.5 и 1 нс. Реализовано два режима синтеза: максимальная напряженность поля и максимальная ширина спектра. В первом режиме получены импульсы излучения с эффективным потенциалом 600 кВ, а во втором – 200 кВ. Режимы изменялись за счет изменения времени задержки между импульсами. Отношение крайних частот спектра синтезированного импульса во втором режиме было увеличено в 3 раза по сравнению с импульсами, излучаемыми комбинированными антеннами, возбуждаемыми биполярными импульсами одинаковой длительности.

Разработан новый четырехканальный формирователь биполярных импульсов разной длительности. На частоте повторения 100 Гц получены биполярные импульсы длительностью 0.5 и 1 нс с амплитудой до 80 кВ при разбросе 5–6% и временной нестабильности импульсов между каналами 50 пс.

Работа была поддержана Российским научным фондом, проект № 16-19-10081.