Электрическое поле источника на базе отрезка четырехпроводной линии передачи с коническими переходами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РГ6 ол

о Г."'

На правах рукописи

Лукьянов Волешф Игоревич

УЩС 537.212.001.24:621.315.1

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ИСТОЧНИКА НА БАЗЕ ОТРЕЗКА ЧЕТЫРЕШРОВОДНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С КОНИЧЕСКИМИ ПЕРЕХОДАМИ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в НПО "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений".

- кандидат физико-математических наук Тищенко В.А.

- доктор физико-математических наук, профессор Айвазян Ю.М.

- кандидат технических наук Александров Н.Л.

- Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений.

Защита диссертации состоится1934 г. в•Ю'-ООчъгт на заседании специализированного совета K063.9I.02 при Московском физико-техническом 1шституте по адресу: 141700. Московская обл., г. Долгопрудный,.Институтский пер., 9.

О диссертацией мозшо ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан 5" \ACCCJL 1994 г.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

УчёниЕ секретарь СпециализарсЕйииого созета к.ф~и.н.

С.М. Коршунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение.уровня электромагнитных полей, излучаемых разнообразными электрорадиотехническими устройствами бытового, промышленного и медицинского назначения, обусловило интенсивное развитие исследований воздействия электромагнитных излучений на радиоэлектронное оборудование и человеческий организм. Интенсивно развиваются техника и методы измерения параметров электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Разрабатываются и вводятся в действие стандарты, санитарные нормы на допустимые уровни электромагнитных излучений. Веб это свидетельствует о том, что измерения параметров электромагнитных полей ттт широкую область приложений в науке, технике, медицине и экологии.

Одним из параметров, характеризующих электромагнитное поле, является напряжённость электрического шля. В настоящее время получили широкое распространение разнообразные источники электрического поля, используемые в качестве эталонных и образцовых для градуировки исследования метрологических характеристик измерителей напряжённости „ поля, а также для создания испытательных полей при измерениях' параметров электромагнитной совместимости. В зависимости от соотношения между размерами источника и длиной электромагнитной волны в свободном пространстве в рабочем диапазоне частот, источники электрического поля можно разделить на три основных типа:.

1 - источники с размерами много меньшими длины волны (конденсаторные структуры с различными формами электродов);

2 - источники, использующие для возбуждения электрического поля . отрезки однородных линий передачи с поперечны?™ размерами меньше длины волны, а продольными сравнимыми с длиной волны (ТЕМ-линия);

3 - антенные системы, излучающие электромагнитную энергию в свободное пространство и имеющие размеры порядка длины волны.

Сравнительно недавно в качестве эталонных и образцовых средств измерения начали использоваться источники электрического поля, относящиеся ко второму типу. Среди них наиболее изучены источники на базе ТЕМ-линий передачи закрытого типа (ТШ-камера). Такой источник состоит из отрезка прямоугольной коаксиальной линии передачи с сужающимися переходами на концах, обеспечивающими выход на стандартный коаксиальные соединители, а электрическое поле с известными параметрами возбуждается в замкнутом объбме между центральным электродом и стенками камеры.

Перспективным средством измерения является источник поля на базе отрезка открытой четырбхпроводной линии передачи. Электрическое поле возбуждается в нём между проводниками, образующими линию передачи. Наиболее важными его особенностями являются: широкая полоса рабочих частот; слабое взаимодействие с объектом помещённым в поле, по сравнению с источниками на базе плоского конденсатора и ТШ-камерами; относительно небольшая связь с окружающим пространством, по сравнению с источниками на основе излучающих антенн; возможность получения однородного электрического поля в достаточно большом объёме. Кроме того, при хорошем'согласовании источника, как отрезка линии передачи, с подводящим трактом и нагрузкой, электрическое поле в н8м должно быть частотно независимо и по своим параметрам сходно с полем плоской волны в свободном пространстве.

В то же время, использование подобных источников затруднено из-за отсутствия теоретической основы, позволяющей проводить их независимую аттестацию. Отсутствует формула преобразования, связывающая напряжённость электрического поля в рабочей зоне с величиной измеряемой в тракте стандартными методами (напряжением, током или мощностью на входе или выходе источника поля), которая учитывала бы отличия реального источника от бесконечной линии. Недостаточно полно исследована структура шля в ближней и дальней зонах источника. Решение этих воп-

росов позволило бы на базе отрезка четырЗхпроводной линии создавать устройства, воспроизводящие электрическое поле на эталонном уровне.

Цель работы состоит в создании теоретической основы для разработки эталонных и образцовых источников переменного электрического поля с гармонической временной зависимостью на базе отрезка четырбхпроводной линии передачи с коническими переходами, проведении электродинамического расчёта и экспериментальном исследовании реальной конструкции. Для этого в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) Расчбт напряжённости и потенциалов электрического поля, создаваемого токами и зарядами распределёнными на проводниках простейшей формы (конус, цилиндр, тонкий отрезок).

2) Разработка методов теоретического расчбта напряжённости гармонического электрического поля, создаваемого источником в произвольной области пространства, при задании в качестве исходных величин геометрических размеров источника, импеданса нагрузки и тока через нагрузку, основанных на различных степенях приближения расчетных моделей к реальному источнику.

3) Расчбт распределения токов и зарядов на проводниках источника методом интегрального уравнения.

4) Аналитическое исследование и качественный анализ структуры электрического поля, создаваемого источником.

5) Создание пакета программ, ориентированного на персональную ЭВМ, для проведения вычислен .ей по разработанным методикам. Проведение расчетов поля, возбуждаемого конкретным источником в рабочей зоне и окружающем пространстве. Оценка погрешности расчбта напряжённости поля в рабочей зоне путбм сравнительного анализа результатов, полученных различными методами.

6) Разработка конструкции и изготовление действующего макета источника, экспериментальная проверка на нбм границ применимости, использованных расчетных моделей.

- Б -

Научная новизна и практическая значимость. В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование источников электрического по,.., нового типа, конструируемых на базе отрезка четыр6хпроводно$ линии передачи с коническими переходами. Разработаны методики теоре" тического рзсчбта напряжённости электрического поля, создаваемо« подобными источниками, отличающиеся различными степенями приближений расчётной модели к реальному источнику и имеющие, соответственно* различную погрешность и степень сложности. Проведено аналитическое исследование и качественный анализ электрического поля. Исследована структура электрического поля в случае возбуждения в источнике различных типов Т1М-волн. Разработаны методики расчета распределения токов и зарядов на проводниках источника путём приближённого решения интегральных уравнений. Разработана конструкция и создан действующий макет источника, на котором было экспериментально проверено соответствие принятых расчётных моделей реальному источнику.

Проведённые исследования позволили создать теоретическую основу для разработки прецизионных источников электрического поля на базе отрезка четырёхпроводной линии передачи с коническими переходами. На их осноео были разработаны, изготовлены и аттестованы: образцовая установка воспроизводящая электрическое поле с заданной напряжённостью, предназначенная для поверки и калибровки малогабаритных измерительных антенн; установка, используемая для проведения испытаний на электромагнитную восприимчивость радиоэлектронных средств по электрическому полю; эталонная установка, вошедшая в состав национального первичного эталона напряжённости электрического поля в диапазоне частот 0.00031000 МГц. Эталонная установка, аттестованная с учётом результатов полученных в настоящей работе, использовалась при проведении сличения национальных эталонов напряжённости электрического поля России и США.

Апробация работа. Основные положения .диссертации докладывались и обсувдэлись на научных конференциях М2ТИ 1938 и 1989 годов, на УИ-й

всесоюзной научно-технической конференции "Метрология в радиоэлектронике".

Публикации. По теме диссертации было опубликовано 5 печатных работ. Материалы диссертации излагались в научно-технических отчбтах.

Структура работы. Диссертация состоит из четырЭх глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 144 страницах, включая 71 рисунок, 18 таблиц и список литературы из 27 наименований на 2 страницах. Приложение содержит 17 страниц.

Положения, представляемые к защите.

1. Четырбхпроводная линия передачи - база для построения прецизионных источников электрического поля нового типа, обладающих достоинствами источников на базе ТЕМ-линий передачи (широкополос-ность, слабая связь с окружающим пространством), имеющих относительно большую область однородности поля и отличающихся слабым взаимодействием с объектом, помещённым в пале.

2. Методы расчбта напряжённости электрического поля, создаваемого источником на базе отрезка . четырбхлроводной линии передачи с коническими переходами, основанные на различных степенях приближения расчетной модели к реальному источнику.

3. Результаты численного расчёта, аналитического исследования и качественного анализа структуры электрического поля источника в рабочей, ближней и дальней зонах.

4. Методы экспериментальных исследований источника и результаты сличения с другими структурами, воспроизводящими образцовое электрическое поле.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава представляет собой введение к диссертационной работе, в котором на основе анализа литературных источников и опыта практической работы описаны существующие источники электрического шля', их

основные параметры и области применения, проблемы возникающие при разработке и аттестации источников; кратко сформулированы цели и задачи настоящей работы, состоящей в теоретическом и экспериментальном исследовании электрического поля, создаваемого источником на базе отрезка четырёхпроводной линии передачи с коническими переходами;-дано описание структуры и содержания работы.

Во второй главе получены расчётные формулы для напряжённости и потенциалов электрического 'поля, создаваемого токами и зарядами, распределёнными на проводниках простейшей формы. Эти соотношения используются в следующей главе при расчёте электрического поля, создаваемого источником на базе четырёхпроводной линии передачи. Глава состоит из трёх параграфов.

В первом параграфе получены выражения, описывающие вектор-функции напряжённости и потенциала статического электрического поля, создаваемого равномерно заряженным отрезком, в .зависимости от радиус-вектора точки наблюдения, непрерывные во всём пространстве, окружающем отрезок.

Во втором параграфе проведён расчёт потенциала статического электрического поля на оси усечённого конуса, поверхность которого заряжена с постоянным значением эквивалентной линейной плотности заряда. Введено понятие эквивалентной линейной плотности заряда для проволочных проводников. Рассмотрены частные случаи, когда точка наблюдения лежат посредине между сечениями конуса и когда конус вырождается в цилиндр.

Третий параграф содержит вывод выражений для комплексной амплитуды напряжённости электрического поля, создаваемого прямолинейным элементом тока, произвольно расположенным в пространстве и заданным в виде суперпозиции бегущей и отражённой волн. Полученные выражения позволяют вычислять напряжённость поля в произвольной точке пространства, окружающего элемент тока.

Третье глава состоит из пяти параграфов, в которых описаны методики расчбта напряженности электрического поля, создаваемого источником на базе отрезка четырбхпроводной линии передачи с коническими переходами, для различных моделей расчбта.

В первом параграфе описана базовая модель исследуемого источника, используемая далее при расчбтах. Сформулирована задача расчбта • электрического поля, создаваемого источником. Базовая модель источника включает геометрическое описание расположения осей проводников источника в пространстве и его электрическую схему. В качестве измеряемой величины, через которую производятся вычисления напряжённости поля по абсолютной величине, взят ток через сопротивление нагрузки источника поля. Кроме него, в виде параметров в расчётные формулы вошли импёданс нагрузки и изометрические размеры источника.

Во втором параграфе описан способ расчёта напряжённости электрического поля, создаваемого источником, основанный на замене базовой модели бесконечной линией передачи для предельного случая, когда продольные размеры источника много больше поперечных. Расчёт позволяет, используя достаточно простые математические выражения, сделать приближённые вычисления напряжённости электрического поля вблизи центра источника конечных размеров, определить поляризацию электрического поля, оценить влияние импеданса нагрузки на величину и форму распредьленкя поля.

В третьем параграфе получены выражения для расчбта напряжённости электрического поля, создаваемого источником в произвольной области пространства вне проводников, при распределении тока на проводниках, заданном в виде суперпозиции бегущей и отражённой волн. В расчёте используется осевое приближение, учитывается влияние конических переходов и импеданса нагрузки источника. Приведённый способ расчёта позволяет вычислять абсолютные значения и частотные зависимости напряжённости поля в заданных точках пространства, а такч?

исследовать пространственные распределения поля. Проведён анализ структуры поля для четырёх основных типов ТБМ-волн, способных возбуждаться в источнике, как многопроводной линии передачи из четырёх проводников; для них Он-и получены 'соотношения симметрии поля. Получено разложение поля, создаваемого источником, в виде суперпозиции сферических волн возбувдаемых точечными источниками, действующими в точках излома проводников.

В четвёртом параграфе описана методика расчёта в квазистатическом приближении напряжённости электрического шля, создаваемого источником, с предварительным вычислением распределения зарядов на проводниках, исходя из граничных условий на их поверхности. Для нахождения распределения зарядов был применен метод площадок, основанный на приближенном численном решении иштрального уравнения относительно плотности заряда и приспособь -нный для расчёта эквивалентной линейной плотности заряда на про*, -лочных проводниках. Проводники источника, при этом, разбивались на ь.ементариыэ отрезки. На каждом отрезке величина эквивалентной линб.'.г й плотности заряда полагалась постоянной и относительно этих плс яостей составлялась система линейных алгебраических уравнений. В рее"льтате решения системы находилось кусочно-постоянное представ ение распределения эквивалентной линейной плотности заряда на пр водниках источника. Используя полученное распределение зарядов, вичУ' чение напряжённости поля далее проводилось, в осевом приближении, кг сумма напрякбннос-тей полей от отдельных отрезков.

Пятый параграф содержит описание методики электродинамического расчёта электрического" поля источника, включающей нахождение распределения комплексной амплитуда электрического тгча на проводниках, исходя из граничных условий на их поверхности. Ток на проводниках записывается в виде суммы двух составляющих: начального приближения заданного в виде суперпозиции бегущей и отраж'Чтшой волн, и тока

поправки. Начальное приближение для тока на проводниках вычисляется полагая источник отрезком однородной линии передачи. Далее в осевом приближении вычисляется тангенциальная составляющая электрического поля на поверхности проводников, создаваемая начальным приближением для тока. Для нахождения тока поправки используется граничное условие равенства нулю тангенциальной компоненты электрического поля на поверхности проводников, т.е. компенсации тангенциальной компоненты поля тока начального приближения компонентой поля, создаваемого током поправки. Полученное в результате удовлетворения этому условию интегральное уравнение сводится к системе линейных алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами. Решая которую, в свою очередь, ток поправки находится в виде разложения по системе базисных функций. В качестве базисных функций взяты прямолинейные элементы тока с постоянной амплитудой и фазой, изменяющейся по закону бегущей волны. Для решения системы линейных уравнений использовался метод Гаусса с выделением главного элемента по столбцу матрицы системы. Используя найденное распределение тока (в виде суммы тока начального приближения и тока поправки), величина напряжённости электрического по;.л в настоящем параграфе определяется в осевом приближении о формулам выведенным во второй главе для прямолинейных элементов тока.

В четвёртой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований электрического поля, создаваемого источником с размерами: в поперечном -вчвтш - 449-260 мм; длина цилиндрического участка - 1050 мм; длина конических переходов - 376 мм. Дано сравнение результатов теоретических расчётов по методикам, изложенным в третьей главе, между собой и экспериментальными данными. Глава состоит из двух параграфов.

В первом параграфе представлены результаты расчётов электрического поля по методикам, изложенным в третьей главе, на персональной ЭВМ при помощи программ, написанных на языке "Quick Basic 4.0". Приведены

распределения напряжённости электрического поля вдоль осей декартовой системы координат, связанной с источником, вычисленные на различных частотах при трёх значениях сопротивления нагрузки источника (сопротивление нагрузки на 10% меньше, равно и на 10% больше волнового сопротивления . линий передачи, составляющих источник). Вычислены частотные зависимости напряжённости электрического поля в трёх точках на продольной оси источника. Определена поляризация электрического поля в центре источника. Вычислены диаграммы направленности излучения источника для дальней зоны. Определена зависимость от частоты полной мощности, излучаомой источником в пространство. Из сравнения между собой результатов расчёта напряжённости поля в центре источника по различным методикам, определены погрешности разработанных методик.

Во втором параграфе содержатся результаты экспериментальных исследований источника поля на базе отрезка четырёхпроЕодной линии передачи с коническими переходами. Дано краткое описание конструкции исследуемого источника, а так же принципа действия и назначения его основных составных частей. В качестве экспериментальной. проверки соответствия расчётных моделей реальному источнику, проводились измерения напряжённости электрического поля в центре источника в диапазоне частот 5-300 МГц. На частотах 5-30 МГц измерение напряжённости поля проводилось антенной отградуированной в источнике поля на базе плоского конденсатора. В диапазоне частот 20-300 МГц измерение напряжённости поля проводилось при помощи дшольных биконических антенн с расчётными параметрами. П решность измерения коля не превышала 3 %. Изучено влияние св< ств помещения на характеристики поля в источнике. Определён размер рабочей зоны источника. Исследовано взаимодействие источнигп с измерительными антеннами, помещаемыми в рабочую зону.

В заключении сформулированы основные результаты проделанной работы, и на;/эч«ны направления дальнейших исследований.

В приложении приведены тексты программ, использованных при расчёте напряжённости электрических полей, создаваемых источником. Программы написаны на языке "Quick BASIC 4.0" в соответствии с методиками, разработанными в третьей главе. Программы имеют универсальную форму, позволяющую использовать их для расчёта источников имеющих произвольные размеры и импеданс нагрузки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование прецизионного источника переменного электрического поля на базе отрезка четырёхпроводной линии передачи с коническими переходами. При этом были получены следующие основные результаты:

1. Решена задача расчёта напряжённости электрического поля, создаваемого источником в произвольной области пространства, при задании в качестве исходных величин геометрических размеров источника, импеданса нагрузки и тока через нагрузку. Предложено несколько методик расчёта напряжённости электрического поля, отличающихся различной степенью подробности описания источника расчётной моделью. Для практических расчётов по разработанным методикам написаны программы, ориентированные на персональную ЭВМ.

2. Для конкретного источника проведены расчёты на ЭВМ пространственных распределений и частотных зависимостей электрического поля. Вычислена зависимость от частоты полной мощности электромагнитного излучения источника в окружающее его пространство. Получено, что мощность, излучаемая источником в пространство, пренебрежимо мала на частотах менее 30 МГц и представляет заметную величину на частотах более 50 МГц (на частоте ГОО МГЦ уже составляет около 15% от мощности поступающей в источник). Для дальней зоны определены диаграммы излучения источника. Показано, что поляризация электрического поля ь

центре источника линейная и не зависит от частоты и сопротивления нагрузки. Получено также, что даже в случав наличия в источнике поля только бегущей волны, вдоль оси совпадающей с направлением распространения волны будет наблюдаться асимметрия поля относительно центра источника и будет иметь место частотная зависимость напряженности поля в рабочей зоне.

3. Сделаны оценки погрешностей, разработанных методик расчёта. Для квазистатического'приближения, рассмотренного в четвёртом параграфе, получена погрешность не более 0.7 %. А для методики расчета с вычислением распределения тока на проводниках, описанной в пятом параграфе, получены следующие значения погрешности: на частотах до 30 МГц -не более 0.7 %; в диапазоне 30-100 МГц - не более I %\ в диапазоне 100-300 МГц - не более 10 %. Для более грубого способа, основанного на задании тока в виде суперпозиции бегущей и отражённой волн, описанного в третьем параграфе, на частотах до 100 МГц получена погрешность не более 4 %, а в диапазоне 100-300 МГц - не более 30 %. И, наконец, наиболее простой способ расчёта, описаннгЧ во втором параграфе, основанный на замена реального источника бесконечной четырёх-проводной линией, в диапазоне частот до .100 МГц обеспечил погрешность не более 5 %, а в диапазоне частот 100-300 МГц - не более 13 %.

4. Выведаны формулы для расчёта напряжённости и потенциалов электрического поля, создаваемого токами и зарядами, распределёнными на проводниках простейшей формы. Расчётные соотношения получены в виде, позволяющем их самостоятельное использование в других приложениях, кроме рассмотренного в настоящей работе.

5. Создан действующий макет источника на котором было экспериментально проверено соответствие расчётной модели реальной конструкции. Разработаны методики и проведены сличения макета источника, с установкой на базе плоского конденсатора (в диапазоне частот 5-30 МГц) и Сиконическши антеннами с расчётными параметрами (в диапазоне частот

20-300 МПО. Погрешность эксперимента не превышала 2.7 %, при сличении с плоским конденсатором, и 4 %, при сличении с биконическими антеннами. На-частотах до 70 МГц в >феделах погрешности эксперимента было получено совпадение единиц напряженности электрического поля, воспроизводимых сличаемыми мерами.

6. Результаты диссертационной работы были использованы яри разработке изготовлении и аттестации образцовой установки УЗП0- 4Л, установки для проведения испытаний на электромагнитную восприимчивость радиоэлектронных средств по электрическому полю, а также при разработке Российского национального первичного эталона напряженности электрического поля в диапазоне частот 0.0003+1000 МГц. На их основе, на базе отрезка четырёхпроводной линии передачи была создана эталонная установка УЭЮ-ЛП4, предназначенная для воспроизведения линейно поляризованного переменного электрического поля. Установка явилась промежуточным звеном, объединившим низкочастотный источник эталонного поля на базе плоского конденсатора с комплектом эталонных измерительных биконических антенн; позволила повысить точность и метрологическую надёжность эталона; использовалась при проведении сличения национальных эталонов напряжённости электрического поля России и США.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лукьянов В.И. Измерение характеристик широкополосных симметрирующих трансформаторов на линиях передачи. VII всесоюзная н-техн. конф. "Метрология в радиоэлектронике". Тезисы доклада. - М. -1988. - с.226.

2. Лукьянов В.И., Тищенко В.А. Электрическое поле двухпроводной линии с коническими переходами. // Метрология. - М. - 1990. - № 7 - с.57-63.

3. Лукьянов В.И. Электрическое поле линий передачи с коническими переходами. // Исследования в области прецизионных радиотехтшческих измерений. Сб. науч. тр. / ВНИИФТРИ. - М. - 1989. - с.54-59.

4. Лукьянов В.И. Электрическое поле источника ла базе двухпроводной линии. // Измерительная техника. - 1991. - № I. - с.43.

5. Лукьянов В.И. Электрическое поле источника на базе отрезка четы-рбхпроводной линии передачи. // Измерительная техника. - 1991. -* 7. - с.42.

МФТИ 29.03.ЭЬ ЗАК М ТИР ЮО экз,

Соискатель