34

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА ІНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГІЧНА АКАДЕМІЯ

УДК 621.396.12

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Метод захисту радіоприймальних пристроїв від дії електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Капура Ігор Анатолійович

Хмельницький - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Хмельницькому Національному університеті, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук, професор Коняхін Григорій Фатеєвич, Українська інженерно-педагогічна академія, професор кафедри радіоелектроніки та комп'ютерних систем.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Чумаков Володимир Іванович, Академія воєнно-морських сил ім. П.С. Нахімова, завідувач кафедри захисту інформації

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Лонін Юрій Федорович, Науково-дослідний центр Харківського фізико-технічного інституту, начальник відділу

Захист відбудеться «04» жовтня 2011 року о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 70.052.04 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, тел. (03822) 2-20-43.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий «___» _______ 2011 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доцент Мартинюк В.В.

електромагнітний випромінювання радіоелектронний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У цей час в технологічно розвинених країнах світу спостерігається інтенсивна робота з розробки й створення генераторів, що мають потужність випромінювання порядку 1 ГВт і вище з тривалістю імпульсів в одиниці наносекунд. Енергетичні можливості таких генераторів дають змогу вивести з ладу будь-які радіоелектронні системи (РЕС) на відстанях до десятків і сотень кілометрів. Такі генератори фактично є засобами функціонального ураження РЕС.

Найнебезпечнішим по своєму впливі на радіоелектронну апаратуру (РЕА) є електромагнітний імпульс ультракороткої тривалості (ІУКТ) Це обумовлено малим часом впливу на електронні структури РЕА і її компоненти, а також специфічним нелінійним характером реакції системи в цілому. Крім того, цей вид впливаючого фактору через малу тривалість імпульсу характеризується великою широкосмуговістю, що обумовлює високу проникаючу здатність і специфічну реакцію РЕА на сигнали в вигляді ІУКТ.

РЕС є складовою безлічі складних систем різного призначення. Виходячи із цього, стає очевидною необхідність вирішення завдання захисту радіоелектронної апаратури від впливу потужних імпульсних електромагнітних випромінювань.

Одними з найефективніших можуть бути пристрої захисту на основі смужкових плівкових структур, виготовлених з високотемпературних надпровідників (ВТНП). Конструктивно такі пристрої можуть бути досить простими, представляючи собою відрізок надпровідної лінії передачі відповідного типу. При цьому вхідний НВЧ сигнал сам керує ослабленням за рахунок переходу лінії в нормально провідний стан. Перепад опорів при цьому може досягати 10⁵ і більше, при цьому відповідно буде мінятися перехідне затухання.

Однак, незважаючи на простоту захисного пристрою, фізична природа переходу високотемпературного надпровідника в нормальний стан, під впливом мікрохвильового сигналу, дотепер досконально не з'ясована. Це вимагає вирішення ряду завдань, пов'язаних з дослідженням основних властивостей високотемпературних надпровідників, необхідних для створення швидкодіючих мікрополоскових (МПЛ) і копланарних (КПЛ) ліній передач. Також завдань пов'язаних з дослідженням проходження сигналів у лініях передач, виконаних з використанням ВТНП, з оцінкою ефективності застосування швидкодіючих МПЛ і КПЛ передач для захисту радіоелектронної апаратури від потужних електромагнітних випромінювань.

Таким чином, тема дисертаційної роботи спрямована на забезпечення живучості радіоприймальних пристроїв при впливі потужних імпульсних електромагнітних випромінювань на основі використання фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач із ВТНП, є своєчасною й актуальною.

Наукове завдання роботи ? розробка методу забезпечення живучості радіоелектронної апаратури при впливі потужних імпульсних електромагнітних випромінювань на основі використання фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач із використанням високотемпературних надпровідників.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно з поточними та перспективними планами наукової роботи Української інженерно - педагогічної академії (м. Харків) за тематикою подальшого розвитку засобів радіоелектроніки, інформаційних технологій та телекомунікаційних систем, а також з планами наукової роботи Метрологічного центру військових еталонів Збройних Сил України, м. Харків.

Дослідження тісно пов'язано з розробкою науково-дослідних робіт, в яких автор приймав безпосередню участь, а саме:

«Забезпечення функціонування радіоелектронної апаратури при впливі потужних імпульсних електромагнітних випромінювань на основі використання перемикаючих властивостей високотемпературних надпровідників», номер державної реєстрації 0109U008666. В даній роботі автором розроблено загальні вимоги до пристроїв захисту прийомних трактів від впливу потужних електромагнітних випромінювань, проведена оцінка ефективності застосування швидкодіючих МПЛ і КПЛ передач для захисту радіоприймальних пристроїв від потужних електромагнітних випромінювань і розроблено практичні рекомендації з їхнього використання в радіоприймальних пристроях.

В даній роботі автором досліджено процес розповсюдження електромагнітного сигналу по надпровідної полоски в момент S-N переходу, визначено ступінь ослаблення небезпечного сигналу захисним пристроєм, який знаходиться у нормальному стані.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності захисту радіоприймальних пристроїв від дії потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості за рахунок використання перемикаючих властивостей МПЛ і КПЛ передач на основі високотемпературних надпровідників.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішено наступні взаємопов'язані часткові завдання:

1.Аналіз впливу електромагнітних випромінювань на елементну базу РЕА і фізичних механізмів порушення функціонування елементів і блоків електронної апаратури.

2.Дослідження фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач на основі високотемпературних надпровідників під впливом потужних електромагнітних випромінювань ультракороткої тривалості.

3.Дослідження основних властивостей високотемпературних надпровідників, необхідних для створення швидкодіючих МПЛ і КПЛ передач.

4.Дослідження проходження сигналів у лініях передачі, виконаних з використанням високотемпературних надпровідників.

5.Оцінка ефективності застосування швидкодіючих МПЛ і КПЛ передач для захисту радіоприймальних пристроїв від потужних електромагнітних випромінювань і розробка практичних рекомендацій з їхнього використання в РЕА.

6.Розробка пристрою для захисту радіоприймача від впливу потужних електромагнітних випромінювань.

Об'єкт дослідження - процес забезпечення функціонування (працездатності) радіоприймальних пристроїв при дії потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості.

Предмет дослідження -методи захисту радіоприймальних пристроїв на основі перемикаючих властивостей МПЛ и КПЛ передач, виконаних з високотемпературних надпровідників.

Методи дослідження визначаються сукупністю розв'язуваних завдань і включають методи теорії ймовірності, положення теорії кореляційно-спектрального аналізу випадкових процесів, методи чисельного моделювання, які проведені із використанням систем автоматизованого проектування (програмних продуктів «MathCAD i MatLab» ).

Використання перерахованих методів досліджень в ході вирішення поставлених наукових завдань дозволило одержати ряд нових наукових результатів.

Наукова новизна одержаних результатів: У результаті проведеного дисертаційного дослідження здобувачем особисто отримано наступні нові наукові результати:

1. Одержала подальший розвиток математична модель опису фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач на основі високотемпературних надпровідників, сутність якої полягає в більш повному формалізованому описі закону зміни поверхневого імпедансу високотемпературних надпровідників під впливом потужних електромагнітних випромінювань ІУКТ. Особливість моделі, що визначає її новизну, укладається в урахуванні змін поверхневого імпедансу ліній передач на основі ВТНП під впливом потужних електромагнітних випромінювань ультракороткої тривалості.

2. Одержала подальший розвиток методика розрахунку МПЛ і КПЛ передачі, що на відміну від відомих, заснована на урахуванні змін поверхневого імпедансу, виникаючого під впливом електромагнітного імпульсу (ЕМІ) різного рівня.

3. Одержав подальший розвиток метод захисту радіоелектронної апаратури від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості, що на відміну від відомих, заснований на використанні перемикаючих властивостей ВТНП, виникаючих за рахунок зміни поверхневого імпедансу під впливом ЕМІ.

4. Запропоновано критерій і вперше отримано аналітичний вираз для визначення ефективності втрат у МПЛ і КПЛ передачі на основі ВТНП, що на відміну від відомих, враховує зміни поверхневого імпедансу ліній залежно від рівня потужності діючого ЕМІ, при якому здійснюється фазовий перехід ВТНП.

Практичне значення одержаних результатів дослідження полягає в наступному:

розробити засоби захисту радіоприймальних пристроїв від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості;

визначати структури й параметри засобів захисту;

знизити енерговитрати та масогабаритні характеристики засобів захисту;

оцінювати властивості об'єктів РЕА у випадку застосування для їхнього захисту МПЛ і КПЛ передачі;

оцінювати ефективність застосування засобів захисту при впливі потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості.

Реалізація результатів дисертаційної роботи. Наукові результати використані у науково-дослідних та дослідно-конструкторських роботах:

- Метрологічного центру військових еталонів Збройних Сил України (акт реалізації вх.№121 від 11 серпня 2011р);

- Української інженерно-педагогічної академії (акт реалізації №114 від 4 серпня 2011р).

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати отримані автором особисто. Зі спільних публікацій особисто здобувачу належить таке: у статті [1] - розроблена математична модель опису фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач на основі високотемпературних надпровідників під впливом потужних електромагнітних випромінювань ультракороткої тривалості; у статті [2] - запропонована методика розрахунку МПЛ і КПЛ передачі, що заснована на урахуванні перемикаючих властивостей високотемпературних надпровідників, що виникають за рахунок зміни поверхневого імпедансу; у статті [3] - отриманий аналітичний вираз для визначення ефективності МПЛ і КПЛ передач на основі ВТНП, що враховує поверхневий імпеданс ліній, при якому здійснюється фазовий перехід ВТНП залежно від рівня потужності ЕМІ; у статті [4] - отримані результати чисельних розрахунків моделі захисного пристрою на основі високотемпературних надпровідників; у статті [5] - отримані результати експериментальних досліджень захисного пристрою на основі ВТНП ліній передач; у патенті [6] розроблена структурна схема пристрою для захисту приймача від впливу потужних електромагнітних випромінювань ультракороткої тривалості імпульсу.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на трьох міжнародних науково-практичних конференціях: Науково-технічні конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (Линии передачи на основе високотемпературных сверхпроводников. / 3-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития.-МРФ-2008.-Х.: Электромагнитная совместимость, 2008. - Т.6. - С. 67-68); науково-технічних конференціях Харківського національного університету радіоелектроніки (Разработка методики расчета високотемпературного сверхпроводника СВЧ линии передач. / Материалы ХШ Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в ХХ1 веке. - Харьков: ХНУРЭ, 2009. - С.68; Оценка эффективности защитного устройства на основе сверхпроводящей пленки; ; науково-технічних конференціях Української інженерно-педагогічної академії (2009-2011р.), а також на 15-му міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка та молодь в 21 сторіччі” (Харків - 2011).

Публікації. Основні наукові результати по темі дисертації опубліковані в 5 статтях збірників наукових праць і наукових журналів, які входять у перелік ВАК України. Крім того, вони опубліковані в 3 тезах доповідей на НТК, 1 патенті на корисну модель.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, один додаток. Загальний обсяг дисертації складає 157 сторінок, з них 38 сторінок рисунків, 5 сторінок таблиць, 8 сторінок списку використаних джерел у кількості 85 найменувань, 2 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі показана актуальність вирішення наукової задачі розробки методу забезпечення працездатності радіоелектронної апаратури при впливі потужних імпульсних електромагнітних випромінювань на основі використання фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач із використанням високотемпературних надпровідників.

Сформульоване протиріччя між рівнем розвитку засобів можливого впливу на РЕА і забезпеченням живучості (працездатності) РЕА при впливі потужних електромагнітних випромінювань. Визначене наукове завдання, вирішення якого в роботі пропонується на основі використання фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач із використанням високотемпературних надпровідників.

Показано взаємозв'язок проведених досліджень з планами наукової та науково-технічної діяльності, визначені об'єкт і предмет досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень. Визначено наукову новизну й практичну цінність результатів досліджень, дана інформація про публікації, апробації та особистий внесок автора.

У першому розділі дисертації (Аналіз і обґрунтування вимог до забезпечення захисту від потужних електромагнітних випромінювань і визначення шляхів їхньої реалізації) проведено аналіз особливостей впливу засобів потужного електромагнітного випромінювання на РЕА. Проведено аналіз характеристик засобів потужного електромагнітного випромінювання й обґрунтовані вимоги до захисних пристроїв РЕА від них. Наведено результати аналізу методів і засобів захисту радіоприймальних пристроїв від потужних електромагнітних випромінювань і шляхів їхньої реалізації. Проведено аналіз можливості застосування ВТНП матеріалів для створення захисних пристроїв. Відповідно до сформульованих вимог, визначені основні задачі й шляхи розробки ефективних засобів захисту. Перший розділ закінчується висновками, з яких випливають подальші задачі досліджень.

В другому розділі (Дослідження основних властивостей високотемпературних надпровідників, необхідних для створення швидкодіючого захисного пристрою) проведений аналіз основних властивостей високотемпературних надпровідників, таких як критична температура, критичний струм, критичне магнітне поле, виконано дослідження процесу поширення електромагнітної хвилі по поверхні надпровідної плівки, проведене дослідження поверхневого імпедансу тонкої надпровідної плівки, а також особливості фазового переходу з надпровідного в нормальний стан у ВТНП плівці, пов'язані з можливими механізмами руйнування надпровідного стану, тривалістю фазового S N переходу, формуванням нормальних областей у тонкій надпровідній плівці й збільшенням нормальних областей у тонкій надпровідній плівці. Проведено оцінку ефективності захисного пристрою на основі надпровідної смужки.

Показано, що критичну температуру ВТНП можна охарактеризувати співвідношенням:

T_c ~ M^??, (1)

де ? 0,1 0,35 (чим вище T_c - тим менше ??.

Співвідношення (1) показує, що така залежність критичної температури від маси іона не відповідає теорії БКШ (Бардин, Купер, Шриффер). Тому, в роботі під критичною температурою буде розуміти експериментально отримане значення T_c для даного ВТНП.

Проникнення електромагнітної хвилі у ВТНП-плівку, розташовану на діелектричній підложці, розглянуто на основі дворідинної моделі. Суть моделі полягає в тому, що всі носії заряду в матеріалі розділяються на дві групи: носії заряду, що перебувають у нормальному стані з концентрацією n_n, і носії заряду, що перебувають у надпровідному стані з концентрацією n_s. Сумарна концентрація носіїв заряду n при цьому дорівнює:

n = n_n + n_s. (2)

Задача розглядалася в припущенні, що в надпровіднику існує змінне в часі електричне поле з напруженістю .

Показано, що щільність струму надпровідних носіїв заряду можна представити в наступному вигляді:

(3)

де - лондоновська глибина проникнення, ?_o - магнітна постійна.

Стосовно до носіїв заряду, що перебувають в нормальному стані, щільність струму j на підставі першого рівняння Максвелла можна записати:

, (4)

де ?_N - питома провідність ВТНП в N-стані.

Отримані вирази для j_n і j_s справедливі для випадку локального зв'язку струму і поля, тобто виключені з розгляду аномальний скін-ефект і надпровідники I роду.

Для опису поширення хвилі в плівці, що перебуває в надпровідному стані, знайдений хвильовий опір Z:

Z = . (5)

Отримане співвідношення справедливе для випадку, коли T < Tc. У випадку, якщо T > T_c, хвильовий опір надпровідної плівки, що перебуває в нормальному стані, можна визначити в такий спосіб:

(6)

Дана модель справедлива за умови, що частота поля сигналу не перевищує критичне значення ?_кр, що визначається енергією зв'язку носіїв заряду при T<T_c. Для ВТНП ?_кр = 10¹³ -10¹⁴ с^-1, тобто лежить значно вище частот НВЧ діапазону.

При T < Tc, як правило, виконується умова:

, ----d_sk = - глибина скін-шару. (7)

Якщо плівка являє собою відрізок розімкнутої лінії передачі, то поверхневий імпеданс плівки можна визначити як:

. (8)

Тоді, для плівки, що перебуває в надпровідному стані, ґрунтуючись на (7), поверхневий імпеданс описується виразом:

, (9)

де w - частота зміни електромагнітного поля, , , h - товщина надпровідної плівки.

Якщо надпровідна плівка використовується як основа захисного пристрою (елементу, що перемикається), який має два стійких стани - надпровідне й нормальне, то в цьому випадку зручно ввести параметр якості:

Kк = (10)

де R₁, R₂, X₁, X₂ - активна й реактивна складові повного опору захисного пристрою у двох станах (надпровідному й нормальному).

Показано, що найбільше значення коефіцієнта якості K_m реалізується при товщині плівки менше або порядку лондоновської глибини проникнення ?_l:

K_m . (11)

Під впливом потужного імпульсного сигналу, у початковий момент часу, через надпровідну смужку протікає транспортний струм, поки його величина не досягне I_c1. Магнітне поле транспортного струму, проникаючи в надпровідник, викликає руйнування надпровідності на краях плівки в області шириною ?_l , тобто формуються нормально провідні області. Для опису цього стану надпровідника введений, ґрунтуючись на дворідинній моделі, показник K_S, що характеризує надпровідний фазовий стан тонкої плівки:

, (12)

де V_S - обсяг надпровідної області, обумовлений як:

,V_o- загальний обсяг надпровідника, V_N - обсяг нормальної області, ; l - довжина тонкої плівки.

Наявність нормальних областей на краях тонкої плівки не викликає руйнування її надпровідності, тому що їхня ширина не перевищує величину глибини проникнення ??_l для даного надпровідника. У випадку досягнення струмом величини I_c1, проникнення магнітного поля в плівку збільшується, що викликає збільшення обсягу нормальних областей на її краях і руйнування надпровідності.

З ростом величини струму, що протікає через надпровідну смужку, на краях збільшуються зони нормальної провідності, отже обсяг області надпровідних носіїв заряду V_S буде зменшуватися, викликаючи зменшення загальної щільності надпровідних носіїв заряду в тонкій ВТНП плівці. Зміна V_S і характеризує стан фазового S-N переходу тонкої плівки. При досягненні струмом значення I_c2 , величини V_S і дорівнюють нулю - плівка повністю перейшла в нормальний стан. Тоді показник фазового стану можна визначити як:

. (13)

З огляду на те, що зменшення надпровідної області визначається руйнуванням надпровідності на краях смужки в області ??_N, вираз для V_S(t) буде мати вигляд:

. (14)

Фазові стани тонкої плівки у випадку впливу потужного імпульсного сигналу можна записати:

(15)

де t_c1, t_c2 - часи досягнення струмом величин I_c1 і I_c2 відповідно; t_и - тривалість імпульсу.

Ґрунтуючись на виразі (15), визначена тривалість фазового S-N переходу:

. (16)

Для форми імпульсного впливу відповідно до виразу:

(17)

де a₁ = 0,7/t_и, a₂ = 3,25/t_ф - частотні характеристики імпульсу, які зв'язані із тривалістю фронту імпульсу t_и й тривалістю фронту імпульсу t_ф, струм, що протікає через надпровідну полоску, можна представити в наступному вигляді:

(18)

де R_н , R_N - опір навантаження (50 Ом) і опір тонкої плівки в нормальному стані відповідно; .

У цьому випадку, тривалість фазового S-N переходу буде мати вигляд:

. (19)

Тривалість фазового переходу залежить від конструктивних параметрів тонкої плівки, амплітуди й частотних характеристик вхідного сигналу.

Для оцінки ефективності захисного пристрою на основі надпровідної полоски, в роботі сформульовані основні умови підвищення живучості радіоприймального пристрою за рахунок застосування захисного пристрою: технічні характеристики й параметри захисних пристроїв при відсутності ЕМІ не повинні впливати на функціональні характеристики пристроїв, у яких вони використовуються; рівень напруги й струму під час дії ЕМІ на виході захисного пристрою повинен бути максимально близьким до нормального рівня напруги й струму, що діє до перевантаження; швидкодія захисного пристрою повинна бути максимально можливою, щоб забезпечити якісний захист при більших швидкостях зміни напруги й струму в ланцюзі, викликаної ЕМІ.

Ґрунтуючись на вище перерахованих умовах підвищення живучості РЕА й використовуючи основні властивості високотемпературних надпровідників і проведені дослідження тривалості фазового S-N переходу, запропоновані основні умови підвищення захищеності РЕА, за рахунок включення захисного пристрою, побудованого на основі надпровідної смужки:

(20)

де v_ф(t) - фазова швидкість поширення електромагнітної хвилі уздовж надпровідної смужки; v(t) - швидкість збільшення нормальної області; Ps-n(t) - потужність електромагнітного сигналу на виході надпровідної смужки в момент фазового S-N переходу; t_c1, t_c2 - часи досягнення струмом величин I_c1 і I_c2 , відповідно; P_n (t) - потужність електромагнітного сигналу на виході надпровідної смужки, яка знаходиться в нормальному стані.

Співвідношення фазової швидкості поширення електромагнітної хвилі уздовж надпровідної смужки в момент фазового S-N переходу й швидкості руху N-області характеризує інерційність захисного пристрою. Тому виконання першої нерівності у виразі (20) є необхідною умовою здійснення захисту.

Іншим критерієм ефективності захисного пристрою є співвідношення вхідної й вихідної потужностей захисного пристрою в момент фазового S-N переходу. Даний критерій ефективності обумовлений нелінійною зміною величини активного опору надпровідної полоски від нуля до величини R_N, що допускає можливість проникнення небезпечного сигналу у вхідні пристрої РЕА на інтервалі часу, коли RS-N(t) < R_N.

Потужності електромагнітного впливу на вході (рис. 1) захисного пристрою (тонкої надпровідної плівки) у момент фазового S-N переходу можна визначити на підставі виразу:

. (21)

Рис. 1. Часова залежність потужності вхідного сигналу

Згідно (21), для надпровідного захисного пристрою в момент фазового S-N переходу виконується нерівність PS-N(t) << P_вх(t).

Залежність від для розрахункових значень, представлена на рис. 2.

Останнім критерієм ефективності є співвідношення потужностей електромагнітного впливу на вході захисного пристрою в момент N-стану й на виході. Даний критерій ефективності обумовлений визначенням ступеня ослаблення небезпечного сигналу захисним пристроєм, що перебуває в не надпровідному стані:

P_N(t) = P_вх(t). (22)



Рис. 2. Залежність ослаблення потужності вхідного сигналу тонкою надпровідною плівкою, що перебуває в змішаному стані

Тобто, ступінь ослаблення вхідного сигналу визначається величиною активного опору надпровідної полоски в N стані, чого можна досягти, збільшивши її довжину.

У третьому розділі (Дослідження проходження сигналів у лініях передачі з урахуванням включення надпровідних захисних пристроїв) розроблено метод захисту радіоелектронної апаратури від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості та пристрої для його реалізації на основі ВТНП.

Малий поверхневий опір, а отже і малі втрати, дозволяють досягти дуже високих значень добротності пристрою на ВТНП. Відсутність частотної залежності глибини проникнення поля в провідник у надпровідників приводить до того, що вони не збільшують дисперсію пристроїв (визначати дисперсійні властивості буде геометрія конструкції й вхідні в неї діелектрики).

Параметром, що безпосередньо визначає високочастотні властивості ВТНП матеріалів, є їхній поверхневий опір. У звичайних металах поверхневий опір збільшується пропорційно квадратному кореню із частоти, тоді як у надпровідників - пропорційно її квадрату. Але тому, що початкове значення поверхневого опору (на постійному струмі) у ВТНП матеріалів, що перебувають у надпровідному стані, на кілька порядків нижче, ніж у металів, високоякісні надпровідники зберігають перевагу в порівнянні з останніми при частотах до кілька сотень гігагерц.

Основна перевага ВТНП для НВЧ або імпульсної техніки - здатність проводити струм високої щільності без помітного нагрівання. Тонкі ВТНП-плівки дозволяють формувати лінії передачі різної конфігурації. Конструктивно надпровідні захисні пристрої можуть бути виконані у вигляді будь-якої лінії передачі (полоскової, коаксіальної, хвилеводної системи й т.д.). Основою такого захисного пристрою є високотемпературний надпровідник (тонка ВТНП - плівка), розташований на діелектричній підложці. Очевидно, що фазовий стан надпровідних захисних пристроїв визначається фазовим станом тонкої ВТНП- плівки.

При рівності інших параметрів найбільш краща полоскова лінія, тому що вона бездисперсивна, принаймні, до міліметрових хвиль. Однак при її створенні необхідно нанести три провідні шари, розділених діелектриками. Мікрополоскова й копланарна лінії мають дисперсію, зате при їхньому виготовленні ВТНП-плівка осідає тільки на одну сторону діелектричної підложки. Копланарна лінія найбільш проста у виготовленні - для неї потрібний усього один ВТНП-шар.

Виходячи з проведених в попередніх розділах досліджень фазових станів тонкої ВТСП плівки, можна сформулювати загальний метод захисту РЕА, характерний для будь-якого надпровідного захисного пристрою.

При прийманні антенними пристроями корисних сигналів через захисний пристрій (ЗП) (тонку ВТСП плівку) протікає транспортний струм, що забезпечує перебування ЗП у надпровідному фазовому стані. При цьому формування нормальних областей на краях тонкої плівки не викликає руйнування надпровідності, тому що їхня ширина не перевищує величину глибини проникнення для даного надпровідника. У випадку прийому антенними пристроями потужного електромагнітного випромінювання струм, що протікає в лінії, перевищує значення , що приводить до збільшення обсягу нормальних областей на краях тонкої плівки й руйнуванню надпровідності (змішаний стан). Досягнення струмом значення означає перехід ЗП в не надпровідний (нормальний) фазовий стан. При цьому захист РЕА від впливу ЕМІ здійснюється за рахунок неузгодженості лінії передачі, коли ЗП перебуває в змішаних і нормальному фазових станах, а поверхневий імпеданс лінії досягає величини більше 10⁵ Ом, що еквівалентно розриву лінії передач сигналу, який не досягає вхідних ланцюгів РЕА.

На рис. 3 приведено вигляд мікрополоскової лінії, що виконана на діелектричній підложці товщиною d. Хвилевий опір даної лінії можна записати у вигляді

Z=, (23)

де R =, L =, C =, підставляючи в формулу (23) значення погонних параметрів, хвилевий опір МПЛ з ВТСП, буде визначатись:

Z= K . (24)

Рис. 3. Мікрополоскова лінія

В порівнянні виразу (24) із виразом для звичайної МПЛ видно, що хвилевий опір надпровідної лінії передач відрізняється від хвилевого опору звичайної лінії величиною коефіцієнта K, що дорівнює

K= . (25)

Таким чином, визначено значення коефіцієнта загасання в МПЛ на основі ВТСП плівки. При умові G0 коефіцієнт загасання визначається з виразу

=, (26)

де A= .

Визначені залежності хвилевого опору лінії від її геометричних розмірів та залежність коефіцієнта загасання від частоти при різній товщині ВТНП-плівки. Результати розрахунків показані на рис. 4, 5, 6, 7.



34

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розроблено пристрій для захисту приймача (рис.8) [41], який складається із феритового трьохплечного хвилеводного Y-циркулятору 1, що перемикається, де до входу першого плеча 2 циркулятора 1 підключена антена 3, до виходу другого плеча 4 підключено поглинаюче навантаження 5, а до виходу третього плеча 6 підключений приймач 7. Усередині другого плеча 4 установлені дві паралельні пластини 8, виконані з високотемпературного надпровідника, наприклад, типу YBa2Cu3O7 товщиною більше товщини скін-шару в цьому надпровіднику. Простір між пластинами 8, що прилягають до стінок хвилеводного плеча 4, заповнено рідким азотом 9, що надходить по трубах 10 від криогенного генератора 11 замкнутого циклу. Друге плече 4 в області розташування пластин 8 поміщено усередину соленоїда 12.

Пристрій для захисту приймача працює в такий спосіб. Спочатку обсяг між пластинами 8 заповнюється рідким азотом 9, що надходить по трубах 10 від криогенного генератора 11 замкнутого циклу.

Замкнутий цикл роботи зменшує вагу системи охолодження Під дією рідкого азоту 9 пластини 8 стають надпровідними. При приході на антену 3 малопотужного сигналу, що несе інформацію, сигнал, відповідно до принципу дії циркулятора 1, надходить у друге плече 4. Оскільки пластини 8 виконані з ВТНП знаходяться у надпровідниковому стані, тобто інформаційний сигнал відображається від них і надходить у третє плече 6 і по ньому в приймач 7. При прийманні антеною 3 потужних імпульсних електромагнітних випромінювань (наприклад, навмисної перешкоди), що перевищує рівень потужності переходу надпровідних пластин у нормальний стан, це випромінювання надходить у плече 4 і руйнує надпровідність пластин 8, переводячи їх у не надпровідний (нормальний) стан.

Пластини 8 будуть прозорі для потужного сигналу, який по плечу 4 надходить у поглинаюче навантаження 5 і не попадає в третє плече. Крім того, самі пластини 8 зі зруйнованою надпровідністю також будуть поглинати потужність електромагнітного випромінювання. При припиненні впливу потужного випромінювання надпровідність пластин 8 миттєво відновлюється і приймач 7 знову працює в нормальному режимі, приймаючи інформаційний сигнал.

Таким чином, захист приймача здійснюється автоматично при руйнуванні надпровідності пластин 8 за рахунок енергії самого ж потужного випромінювання, причому час переходу з надпровідного стану в нормальне й навпаки становить не більше 10^-12с. Регулювання за рівнем захисної потужності проводиться зміною величини напруженості магнітного поля, створюваної соленоїдом 12.

Четвертий розділ дисертації (Результати експериментальних досліджень захисного пристрою на основі ВТНП ліній передачі) присвячений дослідженню КПЛ як пристрою захисту.

Структурна схема вимірювальної установки наведена на рис. 10. Імпульси НВЧ частотою f=9.3 ГГц і тривалістю _і=20 мкс формувалися за допомогою магнетрона (Г_свч) і генератора імпульсів прямокутної форми Г5-54 (Г_імп). Вихідна потужність магнетрона змінювалася в межах 0-12 Вт і контролювалася по зміні анодного струму I_a (А) з використанням каліброваної кривої залежності вихідної потужності від струму P_w=f(I_a). Копланарна лінія (КПЛ), виготовлена із ВТНП плівки складу YBa₂Cu₃O7-_x на підложці Al₂O₃, розміщалася в спеціально розробленому боксі (ДО), що дозволяє провадити відкачку повітря з його обсягу при подальшому його заповненні інертним газом. Бокс містився в кріостат, температура в якому змінювалася в межах 77-96 К. Зміни температури контролювалися датчиком температури (ДТ), що розташовувався безпосередньо на самому боксі. Бокс із КПЛ включався у НВЧ тракт за допомогою коаксіальної лінії передачі (РК- 50-2-25; L=1,19 дБ/м) і хвилеводно-коаксіальних переходів (ХКП). Для зменшення потужності, що подається в досліджувану КПЛ, у вхідному НВЧ- тракті встановлений атенюатор з фіксованими втратами (Ат) (-10 дБ). Вхідний НВЧ-імпульс і імпульс, що пройшов через досліджувану структуру, відображались з використанням перемикача сигналу, на екрані індикаторного пристрою (ПІ), функцію якого виконував осцилограф С 1-70.



Рис. 10. Структурна схема вимірювального стенда № 1

Г_свч - НВЧ-генератор (магнетрон); ДЖ - джерело живлення; Г_имп - генератор імпульсів прямокутної форми; А - вимірювач постійного струму (амперметр); Ц - циркулятор; ПН - погоджене навантаження;СО - спрямований відгалужувач Ат/р - атенюатор що розв'язує; Д - детектор; Ат (-10 дБ) - атенюатор, втрати якого на частоті виміру становлять -10 дБ; ХКП - хвилеводно-коаксіальний перехід; ІП - індикаторний пристрій (осцилограф С 1-70); ДО - досліджуємий об'єкт (копланарна лінія) у боксі, розміщеному в кріостаті, температура в якому змінюється в межах 296-77 К; ДТ - датчик температури.

Експериментальне дослідження проведене у два етапи. Отримана на першому етапі залежність зміни загасання ДL (у разах) у досліджуваній структурі (з урахуванням втрат у передавальній лінії) від рівня імпульсної НВЧ- потужності P_in на вході КПЛ, охолодженої до температури 77К, наведена на рис. 11.



Рис. 11. Залежність зміни загасання ДL у досліджуваній структурі від рівня імпульсної НВЧ- потужності P_in на вході КПЛ (вставка - ДL зазначена в дБ) при температурі 77К

Цей ефект досить добре видно на залежності потужності, що проходить через КПЛ від вхідної потужності P_(out)=f(P_(in)). Подальше збільшення P_(in) до значення 1080 m (точка 3) приводить до досить різкої зміни втрат у КПЛ (до 20 разів).

Тестування структури при кімнатній температурі після проведених вимірів з підвищеною потужністю вхідних імпульсів показало, що властивості структури змінилися (наступна перевірка стану структури у виготовлювача показала, що в КПЛ з'явився непровідний при кімнатній температурі ділянки лінії - мікророзрив).

Другий цикл вимірів був проведений після того, як була виявлена зміна втрат у структурі (разом із ВКП на ділянці 1-2 (рис. 11) при температурі 77К. У цьому зв'язку, для одержання більше повної інформації була незначно видозмінена схема виміру. Так, на вході й виході ВКП були включені вимірювальні атенюатори (Ат/і) типу Д 5-5, що дозволило контролювати потужність сигналу, що надходить у структуру КПЛ.

Для зручності контролю й виміру вхідного й вихідного сигналу в тракті був установлений хвилеводний перемикач (ХП), що дозволило виключити один з детекторів і тим самим зменшити помилку виміру, що може бути викликана не ідентичністю характеристик НВЧ - детекторів.

Перед проведенням першого циклу вимірювань були визначені втрати (ДL) у структурі (ДО) на ділянці 1-2 при температурах 296К и 77К: ДL = L₂₉₆ - L₇₇ = 41 - 25 = 16 дБ. Після проведення вимірів було виявлено, що ДL змінилися й становлять ДL = L₂₉₆ - L₇₇ = 44 - 38 = 6 дБ. Така зміна втрат вказала на необхідність повторних вимірів, результати яких представлені на рис.12. Видно, що збільшення тривалості імпульсу до 50s при вхідній потужності P=600 mВт і вище, приводить до зміни нахилу залежності P_in = f(P_out) у порівнянні із залежностями для _і=5s і _і=20s, що, очевидно, можна пояснити впливом теплового ефекту (розігрів структури) на характеристики самої структури

Рис. 12. Залежність потужності на виході КПЛ (P_(out)) від вхідної потужності (P_(in)) при температурі 77К

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення й нове вирішення актуального наукового завдання, що полягає в розробці методу забезпечення функціонування (працездатності) радіоелектронної апаратури при впливі потужних імпульсних електромагнітних випромінювань на основі використання фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач із використанням високотемпературних надпровідників.

1. Небезпечним по своєму впливу на радіоелектронну апаратуру є електромагнітний імпульс ультракороткої тривалості. Це обумовлено малими часами впливу на електронні структури РЕА і її компонентів, а також специфічним нелінійним характером реакції системи в цілому. Крім того. цей вид фактору, що впливає, через малу тривалість імпульсу, характеризується великою широкосмуговістю, що спричиняє високу проникаючу здатність і специфічну реакцію РЕА на сигнали ІУКТ.

Відомі засоби не забезпечують захист радіоелектронної апаратури від потужних імпульсних електромагнітних випромінювань. Одним з можливих підходів до дозволу сформованого протиріччя є розробка й застосування пристроїв захисту РЕА на основі фазових переходів високотемпературних надпровідників у лініях передачі, що використовують перехід з надпровідного стану в нормально провідне.

2. У ході рішення наукової задачі використані відомі методи теорії імовірності, положення теорії кореляційно-спектрального аналізу випадкових процесів, методи чисельного моделювання, які в сукупності вирішують наукове завдання.

3. При вирішенні наукової задачі отримані наступні найбільш важливі наукові результати:

3.1. Одержала подальший розвиток математична модель опису фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач на основі високотемпературних надпровідників, сутність якої полягає в більше повному формалізованому описі закону зміни поверхневого імпедансу високотемпературних надпровідників під впливом потужних електромагнітних випромінювань ультракороткої тривалості. Особливість моделі, що визначає її новизну, укладається в обліку змін поверхневого імпедансу ліній передач на основі ВТНП під впливом потужних електромагнітних випромінювань ультракороткої тривалості.

3.2. Одержала подальший розвиток методика розрахунку МПЛ і КПЛ передачі, що, на відміну від відомих, заснована на обліку змін поверхневого імпедансу, що виникають під впливом ЕМІ різного рівня.

3.3. Одержав подальший розвиток метод захисту радіоелектронної апаратури від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості, що, на відміну від відомих, заснований на використанні перемикаючих властивостей високотемпературних надпровідників, що виникають за рахунок зміни поверхневого імпедансу під впливом ЕМІ.

3.4. Запропонований критерій і вперше отримано аналітичний вираз для визначення ефективності втрат у МПЛ і КПЛ передачі на основі ВТНП, що, на відміну від відомих, ураховує зміни поверхневого імпедансу ліній залежно від рівня потужності, що впливає, ЕМІ, при якому здійснюється фазовий перехід ВТНП.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені метод, методика, математичні моделі, структури є основою для розробки й створення засобів захисту радіоприймальних пристроїв від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості.

4. Проведені в дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати науково-обґрунтовані рекомендації щодо використання захисних пристроїв РЕА від впливу потужних ЕМІ ІУКТ.

5. Значення отриманих результатів для науки полягає в можливості безпосереднього використання розроблених методу та методики для оцінки основних характеристик засобів захисту радіоприймальних пристроїв від потужних електромагнітних ІУКТ.

6. Значення отриманих результатів для практики полягає в тому, що вони дозволяють: визначати структури й параметри засобів захисту радіоприймальних пристроїв від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості, що забезпечують ефективний захист наземних і повітряних об'єктів РЕА від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості; знизити масогабаритні та енергетичні характеристики засобів захисту; оцінювати ефективність застосування МПЛ і КПЛ передачі на основі ВТНП для захисту наземних і повітряних об'єктів РЕА.

7. Обґрунтованість і достовірність основних наукових положень, висновків і рекомендацій, отриманих у дисертаційній роботі.

Обґрунтованість підтверджується коректною постановкою завдань, коректним використанням положень теорії ймовірності та кореляційно-спектрального аналізу випадкових процесів.

Достовірність підтверджується несуперечністю відомим результатам, а також їхнім збігом у граничному випадку з відомими результатами й результатами експериментальних досліджень, апробацією результатів роботи на науково-технічних семінарах і конференціях.

8. Виконана в дисертації кількісна оцінка ефективності застосування МПЛ і КПЛ передачі на основі ВТНП для захисту РЕА від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості, показують їхній виграш у порівнянні з відомими найбільш ефективними засобами:

а) по масогабаритним характеристикам не менш ніж в 5 разів;

б) по загасанню сигналу в 23 рази;

в) по діапазону частот в 200 разів.

9. Результати дисертаційної роботи можуть бути корисні:

- при розробці засобів захисту в умовах застосування потужних перешкод;

- при проведенні НДКР по модернізації й розробці нових зразків засобів захисту;

- у навчальних дисциплінах, пов'язаних з забезпеченням надійного функціонування РЕА в умовах впливу потужних випромінювань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Капура И.А. Методика определения параметров высокотемпературных сверхпроводящих СВЧ линий передач с учетом поверхностного импеданса / Г.Ф. Коняхин, А.М. Сотников, И.А. Капура // Системи управління, навігації та зв'язку. - Київ, 2010. - Вип. 3(15). - С. 91-93.

2. Капура И.А. Разработка метода защиты радиоэлектронной аппаратуры от воздействия мощных ЭМИ на основе высокотемпературных сверхпроводников / Г.Ф. Коняхин, А.М. Сотников, И.А. Капура // Збірник наукових праць. - ХУПС, 2010. - Вип.4(26). - С. 71-73.

3. Капура И.А. Результаты экспериментальных исследований защитного устройства на основе ВТСП-линий передачи / Г.Ф. Коняхин, А.М. Сотников, И.А. Капура // Системи обробки інформації. -ХУПС, 2010. - Вип. 9 (90). - С. 47.

4. Капура И.А. Результат численных расчетов модели защитного устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников / Г.Ф. Коняхин, А.М. Сотников, И.А. Капура // Системи управління, навігації та зв'язку. - Київ, 2010. - Вип. 4(16). - С. 107-111.

5. Капура И.А. Анализ методов и средств защиты радиоэлектронной аппаратуры от воздействия мощных электромагнитных излучений / И.А. Капура, Б.В. Бакуменко // Системи обробки інформації. - Харків: ХУПС, 2010. - Випуск 6 (87). - С.87-90.

6. Патент UA №54770 “Пристрій для захисту приймача, МПК (2009) НО5К 9/00, 25.11.2010, Бюл. №22, 2010р., Коняхін Г.Ф., Верещагін В.Л., Капура І.А., Сотніков О.М.

АНОТАЦІЯ

Капура І.А. Метод захисту радіоприймальних пристроїв від дії електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Українська інженерно-педагогічна академія, Харків, 2011.

У дисертації вирішена наукова задача розробки методу забезпечення функціонування (працездатності) радіоелектронної апаратури, в тому числі радіоприймальних пристроїв при впливі потужних імпульсних електромагнітних випромінювань на основі використання фазових переходів у МПЛ і КПЛ передач із використанням високотемпературних надпровідників.

Надпровідні захисні пристрої, побудовані на основі полоскових ліній передачі, можуть бути виготовлені порівняно простими технологічними методами, що не допускають серйозних впливів на тонку ВТСП плівку. При цьому, такі захисні пристрої допускають високий ступінь інтеграції й мають порівняно невеликі габаритні розміри й масу при збереженні досить високої електричної міцності.

Одержала подальший розвиток методика розрахунку МПЛ і КПЛ передачі, що на відміну від відомих, заснована на урахуванні змін поверхневого імпедансу, виникаючого під впливом електромагнітного імпульсу (ЕМІ) різного рівня. Запропоновано критерій і вперше отримано аналітичний вираз для визначення ефективності втрат у МПЛ і КПЛ передачі на основі ВТНП, що на відміну від відомих, враховує зміни поверхневого імпедансу ліній залежно від рівня потужності діючого ЕМІ, при якому здійснюється фазовий перехід ВТНП.

Практичне значення отриманих результатів дослідження полягає в тому, що розроблені метод, методика, математичні моделі, структури є основою для розробки й створення нових засобів захисту радіоприймальних пристроїв від впливу потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості.

Значення отриманих результатів для науки полягає в можливості безпосереднього використання розробленої теорії для оцінки ефективності застосування швидкодіючих МПЛ і КПЛ передач для захисту радіоелектронної апаратури від потужних електромагнітних випромінювань.

Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при розробці засобів захисту РЭА в умовах впливу потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості; при проведенні НДКР по модернізації й розробці нових зразків засобів захисту; у навчальних дисциплінах, пов'язаних з вивченням студентами радіоприймальних і радіопередаючих пристроїв в умовах впливу потужних випромінювань ультракороткої тривалості.

Виконана в дисертації кількісна оцінка ефективності застосування МПЛ і КПЛ передачі на основі ВТНП для захисту РЕА від потужних електромагнітних імпульсів ультракороткої тривалості показують їхній виграш у порівнянні з відомими найбільш ефективними засобами

а) по масогабаритним характеристикам не менш ніж в 5 разів;

б) по загасанню сигналу в 23 рази;

в) по діапазону частот в 200 разів.

Ключові слова: радіоелектронна апаратура, потужні електромагнітні імпульси ультракороткої тривалості, ВТНП, МПЛ і КПЛ передачі, пристрої захисту.

АННОТАЦИЯ

Капура И.А. "Метод защиты радиоприемных устройств от действия электромагнитных импульсов ультракороткой длительности". . - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Украинская инженерно-педагогическая академия, Харьков, 2011.

В диссертации решена научная задача разработки метода обеспечения функционирования (работоспособности) радиоэлектронной аппаратуры при воздействии мощных импульсных электромагнитных излучений на основе использования фазовых переходов в МПЛ и КПЛ передач с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Сверхпроводящие защитные устройства, построенные на основе полосковых линий передач, могут быть изготовлены сравнительно простыми технологическими методами, не допускающими серьезных воздействий на тонкую ВТСП пленку. При этом, такие защитные устройства допускают высокую степень интеграции и обладают сравнительно небольшими габаритными размерами и массой при сохранении достаточно высокой электрической прочности.

Получила дальнейшее развитие математическая модель описания фазовых переходов в МПЛ и КПЛ передач на основе высокотемпературных сверхпроводников, которая заключается в более полном формализованном описании закона изменения поверхностного импеданса высокотемпературных сверхпроводников под воздействием мощных электромагнитных излучений ультракороткой длительности. Особенностью модели является учет изменений поверхностного импеданса линий передач на основе ВТСП под воздействием мощных электромагнитных излучений ультракороткой длительности. Разработана методика расчета МПЛ и КПЛ передачи, которая основана на учете изменений поверхностного импеданса, возникающих под воздействием ЭМИ различного уровня.

Предложенный метод, заключающийся в представлении МПЛ в виде системы с распределенными параметрами, позволил получить пригодные для инженерных расчетов аналитические выражения для параметров планарных интегральных линий передачи. Разработанное устройство для защиты от воздействия мощных электромагнитных излучений ультракороткой длительности импульса позволяет обеспечить надежное функционирование приемника при воздействии мощных электромагнитных импульсов УКД.

...