imp_1_20120907

Аналогичным образом определяется сопротивление излучения в работе [31]

для электрического диполя Герца.

2.2.3. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОТЕРЬ

При гармонических колебаниях сопротивление потерь вводится как экви-

валентное сопротивление, связывающее мощность потерь и квадрат тока. Кор-

ректный расчет мощности потерь для произвольной антенны НСВ достаточно затруднителен. Значительно проще ее определить и измерить как разность между полной мощностью PA , подводимой к антенне, и мощностью излучения

P :

Вместо мгновенных мощностей и токов могут быть использованы их средние значения и тогда

Заметим, что величина сопротивления потерь для антенн НСВ является чисто активной.

21

Уже по приведенным названиям ясно, что ДН зависит не только от харак-

теристик самой антенны, но и от формы падающего (возбуждающего) сигнала.

Таким образом, для определения характеристик необходимо указать тип ДН,

режим работы (прием/ передача) и вид сигнала. Дадим определение перечис-

ленных характеристик для антенн, работающих в режиме приема.

1.ДН по пиковой амплитуде (ДНПА)

Выражение для определения ДНПА имеет вид

где P ,t – мощность в нагрузке приемной антенны.

Приведенные характеристики обладают рядом существенных недостатков.

Во-первых, они рассчитаны на явно однопиковый характер принятого сигнала,

хотя обычно имеется один максимум, который всего в 2-3 раза превышает со-

седние. Кроме того, при изменении направления на источник сигнала времен-

ное положение пика может меняться, что делает ДНПА и ДНПМ неудобными для использования.

3.Энергетическая ДН (ДНЭ)

Выражение для определения энергетической ДН имеет вид

23

Данная характеристика более информативна, чем предыдущие, поскольку не связана с таким достаточно неопределенным критерием как пиковое значе-

ние сигнала.

4.ДН по крутизне (ДНК)

Это специфический вид диаграмм, применяемый только для несинусоидальных сигналов. Для определения ДНК принимаемый сигнал, которому соответствует однопиковое напряжение на нагрузке приемной антенны, аппроксимируется треугольной функцией времени с тем, чтобы передний и задний фронты им-

пульса имели не изменяющуюся во времени крутизну. Значение крутизны для одного из фронтов при данном α и есть величина ДНК. Аналитические выра-

жения для ДНК удается получить только для идеализированных сигналов. В

остальных случаях возможно лишь численное решение, поэтому чаще всего ДНК определяют как зависимость максимальной крутизны переднего фронта импульса от направления излучения или приема.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

1.Физически наглядными пиковые ДН становятся лишь при использова-

нии ряда идеализирующих допущений.

2.Энергетическая ДН имеет хорошую физическую наглядность, но не учи-

тывает структуру сигнала.

3.Путем сравнения различных ДН, вычисленных для данной антенны и данного сигнала, можно сделать вывод о предпочтительном способе обработки сигнала.

4.Все описанные ДН являются частными характеристиками и не дают полного описания свойств антенны.

24

Поскольку описанные выше характеристики описывают только простран-

ственные свойства антенн, то необходима еще и характеристика для ее времен-

ных свойств.

2.3.2. ПРОСТРАНСТВЕННОВРЕМЕННАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ХАРАКТЕ-

РИСТИКА

Возможно, что наиболее полно описывает антенну ее пространственно-

временная импульсная характеристика (ПВИХ). Согласно [34] ПВИХ переда-

ющей антенны представляет собой электромагнитное поле, созданное

антенной, которая возбуждается δ-импульсом тока. С другой стороны, ПВИХ

Напряженность поля падающей волны берут в виде

Напряжение, наводимое в рамке этим полем, записывают в виде

25

где S – площадь рамки, c – скорость света.

При работе рамки на передачу она создает напряженность поля

где t t cr , W0 – волновое сопротивление свободного пространства. Исходя из определения импульсной характеристики при I t t , имеем

Приравниванием соотношений (1.35) и (1.37) получено

Простейший анализ размерностей величин, которые входят в выражение (2.38)

показывает некоторое несоответствие исходным предпосылкам. Если опреде-

лять размерность импульсной характеристики на передачу, то она должна быть

В, так как связывает ток в антенне в амперах с напряженностью электриче-

Ам

ского поля в Вм . Соответственно для импульсной характеристики на прием

передающих антенн должна быть безразмерной, поскольку связывает ток в ре-

жиме передачи с током в режиме приема. Из выражения (2.38) следует, что им-

пульсные характеристики на прием и передачу связаны через размерность Омм 2 .

Это свидетельствует о том, что в выводе соотношений для импульсных харак-

теристик в работе [35] использованы неверные положения.

26

Возможно, что более строгим является определение импульсной характе-

ристики не отдельно приемной или передающей антенн, а их системы, т.е. сквозной импульсной характеристики передающая антенна –

свободное пространство – приемная антенна. Это можно сделать, используя метод интеграла наложения. Согласно этому методу запишем

приемной антенны, а величина g t x тогда будет импульсной характеристи-

кой системы приемно-передающих антенн. Рассчитывая или измеряя значения

Sвх x и Sвых x для каждого углового направления θ и φ, можно получить ПВИХ системы антенн.

2.3.3. КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ И КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Для антенн гармонических сигналов КНД в направлении максимума поля излучения определяется как отношение модуля вектора Пойнтинга в направле-

нии максимума на расстоянии R в дальней зоне к среднему значению модуля вектора Пойнтинга на поверхности сферы радиуса R, которая охватывает ан-

тенну [36]:

Другое определение КНД [36] вводится как коэффициент, который показывает во сколько раз должна быть увеличена излучаемая мощность при замене направленной антенны на изотропную:

27

Излучаемая направленной антенной мощность пропорциональна интегра-

лу от квадрата амплитудной ДН:

Выше было отмечено, что для антенн НСВ используют различные виды ДН. Поэтому и величина КНД должна определяться по-разному. Для ДН по пиковой амплитуде сохраняется определение типа (2.44)

Для ДН по крутизне КНД определяется по формуле (2.45).

Коэффициент усиления определим так же, как и в классической тории ан-

тенн:

где D – его любое значение из формул (2.45) – (2.47).

28

2.3.4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Согласно общему определению плоскость поляризации определяется как плоскость, проходящая через направление распространения волны и вектор напряженности электрического поля. Поляризация определяется типом антен-

ны и ее положением в пространстве. При гармонических колебаниях выделяют два вида поляризации: линейную и вращающуюся (эллиптическую). Для ан-

тенн НСВ с линейной поляризацией все ясно, т. е. если излучающий ток направлен преимущественно вдоль одной линии, то излучаемое поле имеет ли-

нейную поляризацию. В большинстве антенн именно так и происходит. К ан-

теннам линейной поляризации можно отнести вибраторные, щелевые и рупор-

ные антенны, зеркальные антенны с линейно поляризованным облучателем.

Поляризация, отличная от линейной, может появиться в спиральных ан-

теннах, где излучающий ток распространяется по кривой.

Здесь все будет зависеть от соотношения пространственной длительности импульса тока и длины витка. Для очень коротких импульсов и спиралей большого диаметра поляризация будет изменяться почти скачком для случая квадратной спирали и плавно изменять направление в случае круглых спира-

лей. Для импульсов с пространственной длиной порядка длины полувитка по-

ляризация будет также плавно изменять направление со скоростью продвиже-

ния импульса. Для очень длинных импульсов возможно возникновение зон,

создающих противоположную поляризацию поля, что приводит к снижению эффективности антенны. Естественно, что этих случаев необходимо избегать.

Это свойство может быть еще одним препятствием использования спиральных антенн для излучения наносекундных сигналов.

29

РАЗДЕЛ 3

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1Генераторы

Вэкспериментальных исследованиях было замечено, что при длительно-

стях импульсов более 2 нс эффекты действия НЭМИ на вещества мало замет-

ны. При длительностях менее 1 нс наблюдаются устойчивые изменения раз-

личных свойств. Поэтому длительность 1 нс определена как условная граница длительности используемых импульсов.

В проведенных исследованиях использовались импульсы с амплитудой от 2 до 15 кВ. Во многих опытах отмечено заметное влияние величины ампли-

туды на производимый эффект. Условной нижней границей величины ампли-

туды выбрано значение 5 кВ.

Вначале исследований частота повторения импульсов была постоянной и равной 1000 Гц. В дальнейшем использовались частоты от 100 до 1000 Гц и была отмечена зависимость производимого эффекта от частоты. При решении задачи оптимизации рабочего режима генератора следует использовать более низкую частоту, а для достижения большего эффекта более высокую.

В настоящее время в России существует 4 организации, которые могут из-

готавливать генераторы с подходящими характеристиками: институт электро-

физики РАН (г.Екатеринбург), институт сильноточной электроники РАН

(г.Томск), институт ядерной физики РАН (г.Новосибирск), ЗАО «Фидтехноло-

гии» (г.Санкт-Петербург). В табл.3.1 для сравнения приводятся характеристики ряда генераторов.

Из таблицы видно, что наиболее подходящими для наших исследований являются генераторы, которые изготовлены по ФИД-технологии. В основном в наших исследованиях использовались два генератора ИЯФ: GNP с амплитудой

30