Transcript
ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОПОМЕХ ОТ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ Помехи, создаваемые источниками (напряжения, токи, электрические и магнитные поля), могут возникать как в виде периодически повторяющихся, так и случайно распределенных во времени величин. В обоих случаях речь может идти как об узкополосных, так и о широкополосных процессах. Процесс называется узкополосным, когда энергия спектра сосредоточена в основном в относительно узкой полосе частот около некоторой фиксированной частоты ω 0 или широкополосным, если указанное условие не выполняется. При систематизации, в первом приближении, не смотря на бесконечное разнообразие вариантов, выделяют четыре типа помех по частотному спектру. Характерные их примеры приведены на рисунке 1. Рисунок 1. Систематизация разновидностей электромагнитных помех по частотному спектру. Отношение напряженности электрического поля к напряженности магнитного поля (Е/Н) называется волновым сопротивлением (рисунок 2). Волновое сопротивление ключевой параметр любой электромагнитной волны, поскольку оно определяет эффективность связи с другими проводящими структурами, и также эффективность любого проводящего экрана, который используется для блокировки поля. В дальней области, которая имеет место для Х λ/2π (λ- длина волны излучения), интенсивность Е- и Н-поля волны, известной как плоская ЭМВ, уменьшается с расстоянием прямо пропорционально. Поэтому волновое сопротивление для ЭМВ постоянно и равно волновому сопротивлению свободного пространства: Е Z Ом, (1) Н где μ 0 = 4π Гн/м (магнитная постоянная), и ε 0 = 8, Ф/м (диэлектрическая постоянная). 0 Рисунок 2. Изменение волнового сопротивления в зависимости от длины волны Применяемые в электротехнологиях генераторы импульсного напряжения и сильного тока являются нефункциональными широкополосными источниками помех в диапазоне радиочастот. Высокие скорости изменения тока (до А/с) и напряжения (до В/с) создают мощные радиопомехи в диапазоне частот до 10 ГГц. Это создает проблемы для работы низковольтной аппаратуры, которая находится в «дальней зоне» излучения. Поскольку в дальней зоне распространяется плоская электромагнитная волна, можно проводить измерение только её электрической или магнитной составляющей специальными антеннами. Применение различных типов антенн зависит от частотного диапазона, места, уровня помех и т.д. При этом следует руководствоваться соответствующими нормами, а также каталогами изготовителей. Антенны для измерения напряженности электрического поля. Электрические поля вызывают в проводниках смещение зарядов, что приводит к разности потенциалов между изолированными находящимися в поле проводниками. Поэтому антенны для измерения электрических полей состоят, по меньшей мере, из двух электродов. Различают следующие типы антенн: - антенны-монополи и дипольные антенны; - рамочные, для полосы частот 9 кгц- 30МГц; - биконические, логопериодические или гибридные (билогарифмические) антенны для полосы частот 30 МГц-1 ГГц; - рупорные антенны, для частот выше 1ГГц (некоторые логопериодические антенны и антенны типа BiLog могут работать до частоты 2 ГГц). Антенны для измерения напряженности магнитного поля. Магнитные поля индуктируют в электрически коротком проводящем контуре определенное электрическое напряжение (ЭДС), которое может быть измерено между концами разомкнутого контура (закон электромагнитной индукции). Поэтому пассивные рамочные антенны состоят просто из одного или нескольких витков проволоки. Малый диаметр витка и небольшое число витков дают высокую верхнюю граничную частоту и наоборот. При верхней граничной частоте контур начинает вести себя как электрически длинная линия. Рамочные антенны чаще всего экранированы проводящей трубой от электрической составляющей поля. Во избежание короткозамкнутого витка труба имеет разрез. Остаточное ослабление магнитного поля вихревыми токами в экране учитывается коэффициентом антенны. Если вставить в рамку ферритовый стержень, получим очень компактную рамочную антенну высокой чувствительности и направленности, или так называемую ферритовую антенну. В диапазоне средних и коротких волн (субмикро и миросекундного диапазона импульсов) часто используется одновитковая рамочная антенна (рисунок 3). Её преимущества: рамочная антенна охватывает большее пространство, чем петлевой диполь, в результате этого она имеет коэффициент усиления больше, чем коэффициент усиления простого и петлевого диполя; при построении рамочных антенн диаметр провода не влияет на ее длину, как это происходит в дипольных антеннах. Здесь больше выражено то, что при увеличении диаметра провода возрастает широкополосность антенны; обладает высокой чувствительностью приемника; по сравнению с ферритовыми антеннами обладает меньшей подверженности механическим воздействиям и влиянию магнитных полей; большим постоянством рабочей полосы в диапазоне принимаемых частот; возможность регистрации одиночного сигнала; возможность рассчитать и изготовить самостоятельно. Рисунок 3. Размеры рамочной антенны Методика проведения работы Источником широкополосных радиопомех является генератор импульсных напряжений (ГИН) по схеме Маркса (рисунок 4). ГИН состоит из 10 ступеней и имеет лестничную конструкцию. В схеме предусмотрена односторонняя зарядка конденсаторов до напряжения 100 кв от зарядного устройства, состоящего из регулировочного трансформатора РТ, высоковольтного трансформатора ВТ (ИОМ-100/25) и выпрямителя V. Для ограничения тока в разрядном контуре (защиты выпрямителя и трансформатора) установлен защитный резистор R 1. Рисунок 4. Электрическая схема ГИН 1000/0,01. РT регулировочный трансформатор; ВТ высоковольтный трансформатор; V выпрямитель; R 1 защитный резистор; З автоматический заземлитель; R 2 -R 21 зарядные (разделительные) резисторы; С 1 -С 10 высоковольтные конденсаторы ИМН-100/0,1; Р 1 -Р 10 искровые промежутки; ДИН (R 22,R 23 ) омический делитель напряжения (к=9000); R ш коаксиальный шунт. Для регистрации осциллограмм напряжения u(t) используется двухканальный цифровой осциллограф TDS 2022B с встроенной функцией БПФ (быстрое преобразование Фурье). Измерение напряженность электрического поля осуществляется рамочной антенной, сигнал с которой регистрируется осциллографом. Расчет напряженности электрического поля проводился по формуле: 3/ 2 60 Uосц Е, В/м (2) А Rдоб где А =0,48 м длина стороны рамки (рисунок 3); R доб =75 Ом- добавочное сопротивление в контуре рамки; U осц амплитуда помехи на экране осциллографа (размах колебаний), В. Порядок работы 1. Собрать схему эксперимента, подключив выход ГИН к делителю напряжения и фронтовой емкости С ф (опционально). 2. Установить расстояние между электродами на первом разряднике S =3 8 мм (при подключенной С ф устанавливать S больше 3 мм не рекомендуется). 3. Включить ГИН и провести измерение импульса напряжения в режиме холостого хода (ХХ). По осциллограммам определить длительность фронта t ф, рассчитать амплитуду импульса напряжения U m. Результаты записать в таблицу Используя функцию БПФ осциллографа определить максимальную частоту сигнала с осциллографа (по огибающей). Результаты записать в таблицу 1 5. Подсоединить измерительный кабель к рамочной антенне. Установить антенну на экспериментальном стенде на различных расстояниях от ГИН (внутри и снаружи ограждения) и измерить величину U осц (размах колебаний). Места расположения антенны (точки измерения) нанести на схему расположения оборудования (рисунок 5). Осциллограф разместить вблизи пульта управления. 6. Используя функцию БПФ осциллографа определить максимальную частоту измеряемых сигналов (по огибающей) в каждой точке измерения. 7. Повторить эксперименты по пп.3-5 увеличив расстояние S на 1 3 мм. 8. Рассчитать по формуле (2) величину Е. 9. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу Проанализировать и объяснить полученные результаты. п/п U m, кв t ф, мкс Параметры импульсов напряжения и тока f гин, МГц Примечание S, подключенная нагрузка (R д или R д +С ф ) Таблица 1 п/п Место измерений (по рис.5) U m, кв Результаты измерения ЭМП U осц, В E, В/м f ант, МГц Примечание Подключенная нагрузка (R д или R д +С ф ) Таблица 2 Контрольные вопросы 1. Какие элементы схемы Маркса являются дополнительными источниками импульсных помех. 2. Привести примеры серийно выпускаемых антенн, для регистрации импульсные радиопомех (частотный диапазон задается преподавателем). Рисунок 5. План размещения оборудования на экспериментальном стенде.
