Введение к работе
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 имеют широкую область приложений в науке, технике, медицине и экологии.
Одним из параметров, характеризующих электромагнитное поле, является напряжённость электрического поля. В настоящее время получили широкое распространение разнообразные источники электрического поля, используемые в качестве эталонных и образцовых для градуировки и 7:---. 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:.
-
- источники с размерами много меньшими длины волны (конденсаторные структуры с различными формами электродов);
-
- источники, использующие для возбуждения электрического поля . отрезки однородных линий шредачи с поперечными размерами меньше длины волны, а продольными сравнимыми с длиной волны (ТЕМ-линия);
-
- 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 TEW-линий передачи закрытого типа (ТШ-камера). Такой источник состоит из отрезка прямоугольной коаксиальной линии передачи с сужающимися переходами на концах, обеспечивающими выход на стандартные коаксиальные соединители, а электрическое поле с известными параметрами возбуждается в замкнутом объеме 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 помещенным 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 поля в ближней и дальней зонах источника. Решение этих воп-
росов позволило бы на базе отрезка четырёхпроводной 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:
-
Расчбт напряжённости и потенциалов электрического поля, создаваемого токами и зарядами распределенными на проводниках простейшей формы (конус, цилиндр, тонкий отрезок).
-
Разработка методам 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 расчётных моделей к реальному источнику.
-
Расчбт распределения токов и зарядов на проводниках источника методом интегрального уравнения.
-
Аналитическое исследование и качественный анализ структуры электрического поля, создаваемого источником.
-
Создание пакета программ, ориентированного на персональную ЭВМ, для проведения вичислеї .їй по разработанным методикам. Проведение расчетов поля, возбуждаемого конкретным источником в рабочей зоне и окружающем пространстве. Оценка погрешности расчбта напряжённости поля в рабочей зоне путём сравнительного анализа результатов, полученных различными методами.
-
Разработка конструкции и изготовление действующего макета источника, экспериментальная проверка на нём границ применимости, использованных расчётных моделей.
- Б -
Научная новизна и практическая значимость. В работе проведено теоретическое и зкспериментальное исследование источников электрического по,.., нового типа, конструируемых на базе отрезка четырёхпроводноЕ линии передачи с коническими переходами. Разработаны методики теорв" тического рзсчбта напряжённости электрического поля, создаваемого подобными источниками, отличающиеся различными степенями приближение расчетной 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 ТІМ-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 чзтырёхпроводной линии передачи с коническими переходами. На их осноео были разработаны, изготовлены и аттестованы: образцовая установка воспроизводящая электрическое поле с заданной напряжённостью, предназначенная для поворки 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 0.0003-1000 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 обсуждались на научных конференциях М2ТИ 1938 и 1989 годов, на VII-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 четырех 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.
-
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), имекщих относительно большую область однородности поля и отличающихся слабым взаимодействием с объектом, помещённым в поле.
-
Методы расчета напряжённости электрического поля, создаваемого источником на базе отрезка . четырбхпроводной линии передачи с коническими переходами, основанные на различных степенях приближения расчётной модели к реальному источнику.
-
Результаты численного расчёта, аналитического исследования и качественного анализа структури электрического поля источника в рабочей, ближней и дальней зонах.
-
Метода экспериментальных исследований источника и результаты сличения с другими структурами, воспроизводящими образцовое электрическое поле.
