ЭМС антенны и ТЕМ или полосковые линии для импульсных воздействий, СШП ЭМИ

07.01.2018

Как бы ни казались сложными проблемы с излучением низких частот электромагнитных полей, о которых мы рассказывали в одной изпредыдущих статей, испытания на импульсные воздействия еще сложнее. Здесь придется излучать не только низкие частоты, но и весь остальной спектр импульса, да еще и в определенных фазах, чтобы импульс не развалился. И чем шире спектр частот импульса, тем сложнее.

   Обычные ЭМС антенны не способны излучать импульсные поля в силу сильной зависимости их коэффициента от частоты. Импульсные излучатели и датчики должны иметь ровную амплитудно-частотную характеристику во всей полосе рабочих частот и фазо-частотную характеристику определенного вида. Для импульсного ЭМИ также могут применяться полосковые линии в силу равномерности их АЧХ при некоторых условиях, простоты и дешевезны их конструкций. 

   Осветим часть решений этих проблем для испытаний на электромагнитную совместимость по стандарту MIL-STD-461 RS105 (электромагнитный импульс ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ)), параметры импульса приведены на первом рисунке. Для расширения частотного диапазона ТЕМ-ячеек многие применяют распределенную нагрузку на конце линии. Это связано как с неравномерным отражением от сосредоточенного сопротивления, так и поглощением и нагревом только нескольких первых резисторов. Такое "сеточное" или "паутиной" применение резисторов также упрощает задачу подавления резонансов в нагрузочном разъеме при использовании коаксиальной нагрузки. Компания Montena technology ярко демонстрирует это своими моделями полосковых излучателей.

   Модель RL50-50 используется для испытаний ЭМИ печатных плат, небольших блоков с напряженностью импульсного поля до 50кВ/м. Используется совместно с генератором напряжения свыше 25кВ.

Спецификация установки:

Импеданс линии: 100 Ом;

Время нарастания импульса с генератора (10 – 90 %): (2.3 ± 0.5) нс;

Время спада на 100 Ом (50 – 50%): (23 ± 5) нс;

Входной разъем: HVM50K;

Габариты: 200 x 55 x 80 см;

Максимальная высота испытуемого изделия по MIL-STD461 / RS105: 17см;

Вес: 25 кг.

Излучатель жестко закреплен сплошном металлическом столе, который можно легко перемещать. 

   Установка побольше для имитации ЭМИ ЯВ (NEMP) с возможностью размещения под открытым небом в исследовательском институте Литл-Маунтин, лаборатории Boeing. Длина линии 36м, а высота 5,4м. Эта линия или полеобразующая система подключается к импульсному генератору 360кВ. Электромагнитный импульс полностью соответствует спецификациям параграфа RS105 MIL-STD-461E/F.

   Один из самых больших имитаторов ЭМИ ЯВ (Nuclear Electromagnetic Pulse) производства Montena technology был построен в декабре 2016г. Эта установка достигает уже 140 метров в длину и 25м в высоту. Подвешенная к большой деревянной структуре и подключенная к генератору импульсов до 2МВ, установка позволяет проводить испытания на ЭМС тяжелых и габаритных систем. Конструкция была спроектирована и изготовлена фирмой Häring и способна выдерживать высокие нагрузки и сильные порывы ветра.

Габариты установки поражают, как и размеры испытуемых изделий, которые можно в них поместить. Хотя есть, несомненно, и еще более впечатляющие установки. Например, такие, как Atlas-I, построенный в 1980 году в Альбукерке, Нью-Мексико. Как видно на фото, в ней прекрасно размещается американский сверхдальний стратегический бомбардировщик-ракетоносец  Б-52. Во всех этих системах электромагнитный импульс распространяется вдоль линии и поглощается в нагрузке. Большую проблему представляет процесс излучения широкополосных электромагнитных полей без направляющей установки в дальнюю зону поля для испытаний, условия которых максимально приближены к реальным. Для таких испытания используются высоковольтные импульсные антенны (IRA - Impulse-Radiating Antenna), похожие по внешнему виду на измерительные антенны зеркального типа для спутниковой связи. Модели таких антенн также разнообразны, как и модели спутниковых антенн, от тяжелых габаритных до миниатюрных и складных в зависимости от мощности излучения, применения и параметров электромагнитных импульсов.

  В общих чертах принцип действия этих антенн заключается, как и у полосковых линий, в согласовании импеданса, формировании электромагнитной волны вдоль излучателя, а затем отражении и фокусировки волны рефлектором без ее поглощения в нагрузке. Трудности разработки таких антенн мы расскажем в будущем, в новостях ЭМС. Сейчас мы хотели бы рассмотреть уже готовые экземпляры, существующие на рынке швейцарского производства HIRA140 и 180. Отличия этих антенн  в первой букве названия (HIRA - HALF IRA), которая обозначает использование в антенне принципа зеркальности. Внешне, да и по принципу действия HIRA180 является половинкой от СШП импульсных антенн.

Эта сверхширокополосная антенна для излучения высокоинтенсивных импульсов использует горизонтальную проводящую плоскость как электромагнитное зеркало для формирования диаграммы направленности, уменьшения габаритов конструкции и удобства монтирования. Луч узкой направленности формирует пластина и полупараболический отражатель в более широком диапазоне частот и с меньшими потерями, чем в полномасштабных излучателях типа IRA. При подключении к генератору импульсов до 30кВ, антенна на расстоянии 10 м позволяет получить электромагнитное поле до 15кВ/м с фронтом импульса 130пс. Типовая форма излучаемого импульса c указанием специфики процесса излучения и параметры антенны приведены ниже.

Полоса частот антенны: 100 МГц – 6 ГГц;

Диаметр отражателя: 1,8м;

максимальное входное напряжение: до 75кВ;

Входное сопротивление: 50 Ом с высоковольтным разъемом и линией согласования на 100 или 200 Ом.