Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 9
1.1 . Анализ состояния исследования воздействия СШП ЭМИ на кабельные коммуникации систем связи 9
1.2. Общая характеристика кабельных коммуникаций систем связи как объектов, подверженных воздействию мощных электромагнитных импульсов 12
1.3. Общая характеристика параметров существующих и перспективных сверхширокополосных электромагнитных импульсов 16
1.4.Анализ существующих методов оценки стойкости кабельных комму никаций систем связи к воздействию СШП ЭМИ 18
1.5. Выводы по главе и постановка задач исследований 31
Глава 2 Разработка и совершенствование методов расчета воздействия СШП ЭМИ на кабельные коммуникации систем связи 34
2.1. Физические основы взаимодействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов с кабельными линиями 34
2.2. Разработка математических моделей воздействия импульсных электромагнитных полей на кабельные линии различной конструкции 45
2.3. Математическая модель взаимодействия ЭМИ ЯВ с системами кабельных линий связи 50
2.4. Электрофизические характеристики кабельных линий, проложенных в грунте, при воздействии СШП ЭМИ 57
2.5. Математические модели и алгоритмы расчета токов и напряжений в кабельных линиях с нелинейными граничными условиями 65
2.6. Разработка методов решения и программ расчета токов и напряжений в кабельных линиях 70
2.7-Выводы по главе 77
Глава 3. Разработка экспериментальных методов оценки воздействия СШП ЭМИ на кабельные коммуникации систем связи 79
3.1. Анализ существующей экспериментальной базы для оценки стойкости кабельных коммуникаций систем связи к воздействию СШП ЭМИ 79
3.2. Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований 92
3.3. Выбор средств для проведения экспериментальных исследований 93
3.4 Разработка программ и методик экспериментальных исследований кабельных коммуникаций систем связи на воздействие СШП ЭМИ 97
3.5. Выводы по главе 104
Глава 4. Экспериментальные исследования и анализ результатов воздействия сверхширокополосных импульсов на кабельные коммуникации систем связи 105
4.1. Критерии оценки стойкости кабельных линий к воздействию СШП ЭМИ 105
4.2. Режимы эффективного воздействия СШП ЭМИ на кабельные линии 108
4.3. Экспериментальные исследования и анализ результатов воздействия СШП ЭМИ на различные кабели 117
4.3.1 Исследования параметров СШП ЭМИ, воздействующих на полевые кабели П~274М,П-269,П-296 117
4.3.2. Результаты экспериментальных исследований для полевых кабелей П-274М, П-269, П-296 122
4.4 Разработка требований к методам и средствам защиты кабельных коммуникаций систем связи от воздействия СШП ЭМИ 125
4.4.1 Анализ исходных данных при выборе защитных фильтров 126
4.4.2. Функциональные задачи фильтрации и критерии выбора фильтров 129
4.4.3. Выбор фильтров для защиты кабельных линий от воздействия СШП
ЭМИ 131
4.5. Выводы по главе 138
Заключение 140
Литература
- Анализ состояния исследования воздействия СШП ЭМИ на кабельные коммуникации систем связи
- Физические основы взаимодействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов с кабельными линиями
- Анализ существующей экспериментальной базы для оценки стойкости кабельных коммуникаций систем связи к воздействию СШП ЭМИ
- Критерии оценки стойкости кабельных линий к воздействию СШП ЭМИ
Введение к работе
В последнее десятилетие в радиотехнике произошла своеобразная революция, связанная с практическим использованием нового типа радиоволн - повторяющихся коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов с длительностью до 10" с. Спектральная плотность СШП ЭМИ распределена в интервале от сотен МГц до единиц ГГц, что и дало основание называть их сверхширокополосными. На их основе в последние годы появились новые мощные стационарные и мобильные генераторы, излучающие такие периодические и однократные сверхширокополосные электромагнитные импульсы.
По общему мнению большинства зарубежных и отечественных экспертов, электромагнитное оружие на основе излучателей СШП ЭМИ будет являться одним из главных видов оружия в 21 веке. По их мнению уже в ближайшие 10-20 лет это оружие будет иметь то же стратегическое значение, что и ядерное оружие во второй половине 20 века ввиду того, что электромагнитное оружие высокоэффективно и при этом экологически чистое, относительно гуманное, действует скрытно, направленно и мгновенно. Оно может быть эффективно использовано, как в военных, так и в криминальных целях. Мировая научная общественность активно пытается привлечь внимание политиков и правительств к появлению новой угрозы для современного общества, пронизанного информационными технологиями.
Особенностью данного типа излучения является соразмерность длительности воздействующих импульсов с длительностью рабочих импульсов, сопровождающих обработку информации. Кроме того, такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех - сверхширокополосностью и большой амплитудой. При воздействии СШП ЭМИ на аппаратуру и оборудование систем связи в их цепях наводятся сигналы, аналогичные рабочим, что приводит к нарушению их работы. Кроме того, электронные компоненты и цепи, такие как микропроцессоры, составляющие сегодня основную часть используемых элементов, работают на все более высоких частотах и низких напряжениях и, таким образом, становятся все более восприимчивы к СШП ЭМИ.
Проведенные первые экспериментальные исследования и испытания элементов аппаратуры связи с использованием существующих источников излучения показали, что с уменьшением длительности фронта воздействующего поля снижается эффективность применяемых защитных устройств, усиливается проникновение электромагнитных,полей через неоднородности в корпусах и увеличиваются амплитуды наведенных токов и напряжений на выходах антен-но-фидерных устройств, кабелей и проводов, расположенных вне экранов или имеющих плетеные и витые экраны, что приводит к ложным срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры. Кроме того, при экспериментальных исследованиях воздействия СШП ЭМИ на элементы систем связи выявлен ряд новых, до конца не исследованных эффектов, которые могут привести к выходу их из строя.
Данные тенденции в развитии генераторов сверхмощных электромагнитных полей обуславливают необходимость проведения широких исследований, направленных на обеспечение стойкости современных систем связи к такого рода электромагнитным воздействиям. Кроме того, учитывая насыщенность их аппаратурой со сложными электрическими цепями, их стойкость в условиях воздействия СШП ЭМИ в настоящее время в основном оценивается экспериментально с использованием установок СШП ЭМИ. Это обусловлено тем, что до сих еще отсутствуют доступные и достоверные методы априорной оценки стойкости кабельных коммуникаций и систем связи в целом. Экспериментальные методы тоже требуют совершенства и развития в силу своих больших особенностей и несовершенства.
С учетом изложенного следует, что в настоящее время СШП ЭМИ являются новой серьезной угрозой для систем связи, имеющих множество различных кабельных линий.
Следовательно, задача разработки и совершенствования методов оценки, в том числе экспериментальных, средств определения характеристик СШП ЭМИ и результатов его воздействия па кабельные коммуникации (КК), также разработка и уточнение требований к средствам защиты, является в настоящее время особенно актуальной.
Реализация общих требований и основных мероприятий, направленных на повышение стойкости систем связи к воздействиям СШП ЭМИ, непосредственно связана с достоверной (экспериментальной, расчетной или экспериментально-расчетной) оценкой уровней напряжений и токов, наведенных в кабельных линиях, и определением оптимальных методов технических средств их эффективной защиты подключенных к ним элементов.
Проблеме исследования воздействия ЭМИ на кабельные коммуникации систем связи (СС) и разработке мероприятий по защите посвящены работы ученых и специалистов различных отраслей промышленности. В результате данных исследований получены значительные результаты в области исследования поражающего действия ЭМИ на электрооборудование и аппаратуру системы электроснабжения (СЭС): разработаны методические основы расчета воздействия полей ЭМИ и нормативные документы по оценке воздействия различных ЭМИ на сооружения и их системы и выбору средств защиты. Однако вопросы, связанные с исследованием воздействия таких электромагнитных излучений как СШП ЭМИ, остаются сегодня практически не изученными для кабельных коммуникаций систем связи.
Таким образом, актуальность дальнейшей работы над рассматриваемой проблемой определяется:
- необходимостью разработки и реконструкции кабельных коммуникаций систем связи, соответствующих по своему качеству новым требованиям, предъявляемым к их надежности в условиях воздействии новых видов мощных ЭМИ;
- слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия на-носекундных электромагнитных полей на кабельные коммуникации систем связи к поражающему действию СШП ЭМИ;
отсутствием необходимых технических средств защиты кабельных линий систем связи от СШП ЭМИ и экспериментальных данных по эффективности применения существующих средств защиты.
Объектом исследования диссертации являются: полевые кабельные линии, которые сегодня вообще не исследованы и являются наиболее перспективными для использования при решении целого ряда задач народнохозяйственного назначения.
( учетом изложенного целью настоящей диссертационной работы является ні і леД°вание, разработка и совершенствование методов оценки воздействия СІПГІ ЭМИ на кабельные линии систем связи, разработка и обоснование методом и средств обеспечения их стойкости к действию СШП ЭМИ. Научная новизна работы заключается: - в разработке и совершенствовании математических моделей расчета воздействия СШП ЭМИ на системы различных кабельных линий систем связи с учетом iX конструктивных особенностей и условий прокладки;
. в разработке и совершенствовании методов экспериментальной оценки воздействия СШП ЭМИ на полевые кабельные линии систем связи;
. в новых теоретических и экспериментальных данных по стойкости полевых кабельных линий систем связи к воздействию СШП ЭМИ;
. в результатах оценки эффективности существующих и перспективных средств защиты и разработке научно-обоснованных требований к аппаратным средствам защиты кабельных коммуникаций СС на основе новых технологий и схемотехники.
Практическая значимость результатов работы состоит: . в разработке расчетных методик и прикладных программ, позволяющих проводить оценку стойкости кабельных коммуникаций СС к воздействию СШП ЭМИ;
. в разработке экспериментальных методик и программ, позволяющих проводить экспериментальные исследования полевых кабельных линий к воздействию сиерхширокополосных электромагнитных импульсов;
- в новых результатах экспериментальных исследований импульсной прочности ряда полевых кабелей к воздействию СШП ЭМИ, на основе которых определены уровни воздействия СШП ЭМИ, при которых наступают сбои и отказы входных устройств и элементов СС. Это позволяет создать базу данных по пороговым уровням поражения исследуемой аппаратуры;
- в разработке технических требований при создании специальных аппаратных средствам защиты кабельных коммуникаций систем связи от СШП ЭМИ на основе современных технологий и схемотехники, что позволит разработать методы и средства защиты современных и перспективных СС.
Применение разработанных расчетных моделей, стратегии, программ и методик испытаний кабельных линий, предоставляют возможности проектирования СС устойчивых к воздействию новых мощных и опасных видов СШП ЭМИ на самых ранних этапах их проектирования.
Анализ состояния исследования воздействия СШП ЭМИ на кабельные коммуникации систем связи
Специалистами разных стран было обращено внимание на важную особенность СШП ЭМИ - необычайно высокую эффективность их воздействия на РЭА. Это позволяет использовать излучатели СШП ЭМИ в различных целях, в том числе и военных. Широкополосность и высокая частота повторения СШП ЭМИ делают этот вид электромагнитного воздействия значительно опаснее воздействия электромагнитного импульса ядерного взрыва.
Во всех развитых странах создаются и испытываются излучатели СШП ЭМИ различных типов, и исследуется проблема защиты от их воздействия. В США разрабатываются опытные образцы электромагнитного оружия на основе СШП ЭМИ, предназначенные для размещения на крылатых ракетах и беспилотных летательных аппаратах,
О перспективности средств электромагнитного поражения можно также судить по тому, что в США в начале 90-х годов научно-техническое направление создания ЭМИ-оружия было выделено, как самостоятельное и включено в перечень наиболее важных военных технологий. В связи с этим в настоящее время вступило в действие новое положение национальных и международных стандартов, в которых установлены более жесткие требования по безопасности и стойкости изделий, аппаратуры и оборудования (технических средств) при воздействии электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения. Новые параметры воздействующих электромагнитных полей существенно отличаются от действующих ранее как по амплитудным, так и по временным характеристикам. Увеличены в 2-3 раза амплитуды напряженности полей с длительностью фронта до нескольких долей НС.
Сегодня СШП ЭМИ является очень слабо изученным поражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связи и управления.
Проблеме исследования воздействия СШП ЭМИ па радиоэлектронные системы и разработке мер для решения задач функционального поражения радиоэлектронных средств посвящены работы целого ряда известных отечественных и зарубежных ученых.[1-9].
На рубеже веков в США и России были созданы первые модели генераторов СШП ЭМИ с излучением в открытое пространство, в связи с этим данный круг задач стал рассматриваться в рамках создания электромагнитного оружия. Первые излучающие устройства по техническому облику являлись стационарными «монстрами». Подобное излучающее устройство большой мощности (до 1 ГВт), работающее в диапазоне частот 0,05 -2 ГГц с частотой следования импульсов до 600 Гц, разработано в Исследовательской лаборатории ВВС США управления направленной энергии (Air Force Research Laboralory, Directed Energy Directorate, Kirtland AFB). Данная лаборатория занимает наиболее передовые позиции в США в анализируемой предметной области. В США почти каждый большой университет имеет лаборатории, ведущие исследовательские работы в области создания электромагнитного оружия по контрактам с МО США, как правило, через управление передовых исследовательских программ DARPA. Испытания созданных образцов проводятся обычно на полигоне China Lake, СА. Впервые ЭМИ оружие применено США во время операции «Шок и трепет» в Ираке весной 2003 г.
В Великобритании исследования и разработки, связанные с созданием электромагнитного оружия, сосредоточены в основном в университетах, GEC-Магсопу и субсидируются Управлением Военных разработок РЕКА, которое также имеет и свои исследовательские центры. Есть сведения о работах, ведущихся в университетах и в исследовательском центре Daimler Chrysler Aerospace AG в Германии. Во Франции исследования ведутся в ряде университетов и Агентством Вооружений (DGA General Armament Delegation). Кроме того, аналогичные исследования ведутся в Канаде, Швеции, Японии, Индии, Китае, Израиле. Однако, даже в сумме, доля всех остальных перечисленных выше стран, малозаметна на фоне масштабных исследований в США.
В России также имеется несколько коллективов, сохраняющих мировой уровень в области создания и исследования мощных импульсных излучателей: Московский регион - ВНИИОФИ (Соколов Л.А., Сахаров К.Ю.), Институт теплофизики экстремальных состояний (Фортов В.Е. и др.), НПП «Эра»- (Никифоров М.Г. и др.), МНИРТИ (Мырова Л.О.); С-Петербургский регион - ФТИ им. А.Ф.Иоффе и связанные с ним группы (Ефанова В.М. в ЗАО «НГТАО ФИД-Технология»), ВИТУ (Михайлов АХ, Фоминич Э.Н., Хромов В.В., Остапенко С.А.,); сибирско - уральская школа (Томск, Екатеринбург), возглавляемая академиком Месяцем Г.А.; на Украине - в Харькове группа ФТИ (Магда И.И.), НИПКИ «Молния» (Кравченко В.И., Науменко О.А.). Ведутся экспериментально-исследовательские работы в ряде организаций МО РФ при участии Сикарева В.А., Балюка Н.В., Любомудрова А.А. и т.д.
Слабым звеном работ в России в сравнении с результатами аналогичных работ в США, является не доведение научных разработок до создания действующих опытных образцов вооружений и военной техники. Однако, наряду с большими достижениями в области обеспечения стойкости систем связи, существующие методы оценки воздействия импульсных электромагнитных полей не позволяют проводить достоверную оценку воздействия СШП ЭМИ. Это в значительной мере обусловлено отсутствием совершенных методов расчета воздействия СШП ЭМИ на элементы систем связи и несовершенством методов испытаний и метрологического обеспечения измерений в этих диапазонах. Невозможность учета всех факторов, определяющих действие СШП ЭМИ, сложность современных СС также затрудняют получение достоверной информации о степени поражения СС и механизмах поражения с применением только расчетных методов.
Физические основы взаимодействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов с кабельными линиями
При проектировании защиты кабельных систем от поражающего действия СШП ЭМИ одна из главных задач состоит в расчете величин токов и напряжений, наводимых во внешних элементах систем. Взаимодействие электромагнитных полей с разветвленными проводящими коммуникациями, расположенными в грунте, описывается уравнениями электродинамики. Получить решение в общем виде не представляется возможным в силу нестационарности полей СШП ЭМИ, большой протяженности и сложной топологии коммуникаций, неоднородности грунта, изменения электрофизических характеристик проводников и грунта при протекании по ним импульсных токов и т.д.
Для приближенных оценок величин наводимых токов используются методы расчета, основанные на различных упрощениях и допущениях [45,46, 48-52]. Анализ литературных источников по данной проблеме показывает, что в настоящее время нет достаточно универсальных методов расчета, которые позволили бы решить поставленную задачу с учетом реальных частотных спектров СШП ЭМИ и всех других влияющих факторов.
Наиболее общее решение задачи взаимодействия полей СШП ЭМИ с коммуникациями может быть получено на основе теории дифракции электромагнитных волн. Однако решение в такой постановке представляет значительные математические трудности, обусловленные необходимостью учета геометрической формы объекта, и получено только для оценки токов в простейших случаях: одного, двух параллельных, двух пересекающихся цилиндров бесконечной длины, возбуждаемых монохроматической волной [53,54], Использовать полученные зависимости для конкретных расчетов не представляется возможным вследствие сложной геометрии коммуникаций.
Решение задачи взаимодействия полей СШП ЭМИ с кабельными линиями в общем виде на основе уравнений Максвелла получено лишь для прямого протяженного кабеля [49,55]. Вследствие этого, представляется целесообразным привести сначала решение для данного простого случая, а затем, используя методы математического и электрофизического моделирования, получить приближенные математические модели и решения для реальных условии, а также рассмотреть влияние на величины наводимых токов различных нелинейных процессов.
Основным источником наведенных токов и напряжений в протяженных коммуникациях, расположенных в грунте, является проекция электрического поля ЭМИ в фунте на ось проводника Ex(x,t). Под действием этого поля в проводнике наводится ток. Закон распределения тока в горизонтальном проводнике при воздействии продольного электрического поля Ex(xtt) определяется на основе решения системы уравнений Максвелла, связывающей внешние поля с полями внутри проводника с учетом граничных условий.
Система уравнений Максвелла в частотной области решается значительно проще, чем во временной для импульсных полей, какими являются поля ЭМИ, К тому же, электрофизические характеристики кабелей, проложенных в грунте, существенным образом зависят от частоты (особенно для спектра частот выше 10 МГц). Вследствие этого решать данную задачу целесообразно, используя прямое и обратное преобразование Фурье, т.е. получить решение для спектральной плотности тока /(л, со) при воздействии спектральной плотности радиального электрического поля Е(х,(о). Применяя к полученному уравнению спектральной плотности тока обратное преобразование Фурье, получим решение для тока во временной области.
Рассмотрим уравнения взаимодействия протяженного проводника радиусом го, с толщиной стенок 5 (пустотелый цилиндрический проводник), проводимостью сто, находящегося на глубине h в однородном грунте с проводимостью о; причем проводимость цилиндра о"0 много больше проводимости грунта с0 ) о,р. При этом не учитываются нелинейные процессы, связанные с изменением электрофизических характеристик грунта и проводника [55],
Введем цилиндрическую систему координат (г, ф, х) так, чтобы осьд; совпадала с осью цилиндра (рис.2Л.). В случае достаточно тонкого н хорошо про Go J Рис.2Л. Система координат при расчете тока в проводнике водящего цилиндра зависимостью тока от угла ф можно пренебречь, т.е. считать, что ток в сечение зависит только от радиуса. Кроме того, в этом случае можно считать, что изменение тока и магнитного поля в сечении значительно больше изменения тока и магнитного поля вдоль проводника на расстояниях, соизмеримых с радиусом проводника, что справедливо при длине проводника много большей его поперечного размера. Рассмотрим, насколько верно данное допущение для воздействующих высокочастотных полей.
Ток в проводнике будет обладать цилиндрической симметрией, если время прохождения электромагнитной волной расстояния, равного поперечному размеру проводника, значительно меньше времени достижения максимума импульсов высокочастотных полей. Для реальных полей ЭМИ это условие выполняется
Анализ существующей экспериментальной базы для оценки стойкости кабельных коммуникаций систем связи к воздействию СШП ЭМИ
Согласно классификации Карла Баума традиционные имитаторы ЭМИ делятся на три категории: волноводные (связанных волн), дипольные и гибридные [69-71]. Последние воспроизводят падающий ЭМИ высотного ЯВ (ядерно-го взрыва) совместно с его отражением от поверхности земли. Они наиболее достоверно имитируют воздействие высотного ЭМИ ЯВ на наземные объекты. За годы, прошедшие со времени публикации работ [64-66], появился новый тип мощных электромагнитных воздействий неядерного происхождения - СШП ЭМИ- Они генерируются с похмощью излучающих устройств и оказывают разрушительное действие на работу радиоэлектронной аппаратуры, в первую очередь компьютеризованной. По принятой классификации к СШП ЭМИ относятся импульсы, ширина спектра которых по отношению к средней частоте спектра на уровне 3 дБ превосходит 25% [67], Форма этих импульсов близка к униполярной или двуполярной. Подобных излучателей было разработано достаточно много, как в России, так и за рубежом.
В настоящей работе приведен краткий анализ структуры и особенностей так называемых ТЕМ ячеек, воспроизводящих ЭМИ в относительно малых объемах отрезков полосковых линий. Их развитие шло параллельно с развитием волноводных имитаторов ЭМИ и предназначались они в основном для калибровки датчиков ЭМИ, хотя с успехом могут использоваться при малых (десятки сантиметров) размерах объектов и для испытаний на стойкость к воздействию ЭМИ большой мощности. Основой анализа являются материалы, приведенные в работе [68]. Излучатели СШП ЭМИ
Под сверхширокополосными электромагнитными импульсами обычно понимаются импульсы длительностью в пределах 0,1 - 0,5 не. Это связано как с реальными длительностями фронта выходного напряжения существующих генераторов, возбуждающих антенны излучателей, так и с приемлемыми размерами антенн, обеспечивающих направленное излучение СШП ЭМИ (единицы метров).
Из табл. 3.1 следует, что в России технологии генерирования ЭМИ подобной длительности были разработаны в процессе создания имитаторов ЭМИ. Основное отличие имитаторов от излучателей СШП ЭМИ заключается в том, что имитаторы генерируют однократные ЭМИ, а излучатели СШП ЭМИ должны излучать импульсы с частотой следования до 1 кГц и более. Это предъявляет чрезвычайно жесткие требования к ресурсу, КПД и электрической прочности генераторов, возбуждающих антенну.
Второе отличие- в имитаторах ЭМИ с субнаносекундным фронтом рабочий объем расположен внутри конических линий, формирующих ЭМИ. Для излучателей СШП ЭМИ поле должно создаваться в свободном пространстве, т.е. фактически в дальней зоне.
Краткий анализ антенн и генераторов, оптимальных для излучателей СШП ЭМИ приведен ниже.
Из формулы следует, что для конического вибратора над плоскостью фронт излучаемого сигнала совпадает с фронтом возбуждающего напряжения. При этом длительность излучаемого ЭМИ равна времени распространения сигнала вдоль вибратора /с, где І - длина образующей конуса. Через время Ifa возбуждающий ток отражается от конца вибратора с обратным знаком, и начинает излучаться сигнал обратного знака. На этом принципе основан отечественный излучатель наносскундных ЭМИ, описанный в работе [69]. Таким образом, для излучателя СШП ЭМИ с подобной антенной достаточно выбрать генератор с необходимым фронтом и установить необходимое значение параметра L При длительности СШП ЭМИ 300 пс длина 2 составит всего 9 см, Очевидно, что излучатель этого типа целесообразен только для задач, требующих всена правленного излучения СШП ЭМИ, например, для сотовых телефонов. Для испытаний технических средств на стойкость к воздействию СШП ЭМИ он непригоден из-за нерационального расхода излучаемой энергии.
Если в биконической антенне с большими значениями угла 6о вырезать из 360 азимутальный сектор с угловой шириной в несколько десятков градусов, то мы получаем ТЕМ рупор. Очевидно, что при возбуждении рупора в его вершине основная часть энергии устремляется к раскрыву рупора. Однако, в отличие от биконуса, простых аналитических решений для расчета нестационарного поля излучения рупора нет. Точный численный расчет весьма сложен и впервые работа на эту тему появилась в 1996г. [47]. Даже вопрос о волновом сопротивлении рупора вызывал определенные трудности [70].
В связи с практикой создания мощных направленных излучателей СШП ЭМИ в начале 90-х годов была решена задача разработки простого и достаточно точного метода расчета нестационарных полей от ТЕМ рупора. В соответствии с давней традицией разработки имитаторов ЭМИ ЯВ наиболее значимыми параметрами сигнала считаются длительность фронта, амплитуда и длительность импульса. Предполагалось, что данные расчета и эксперимента будут сравниваться именно по этим параметрам.
Идея метода заключалась в следующем. В работе [70] дан точный расчет распределения тока в поперечном сечении электродов рупора- Линии тока веером расходятся от вершины рупора к раскрыву» и ток в линиях нарастает к краям рупора по известному закону. В этих условиях рупор может быть заменен веером тонких V-образных антенн, повторяющих линии тока при том же его распределении по величине. Через время Не ( - длина плеча V-образной антенны) ток должен отразиться от разомкнутого конца. Этот ток в рассматриваемой модели рассчитан быть не может. В действительности отраженный ток имеет более пологий фронт из-за преимущественного излучения высокочастотных составляющих.
Критерии оценки стойкости кабельных линий к воздействию СШП ЭМИ
При реализации этой задачи возникает ряд проблем. Первая связана с униполярностью большинства генераторов коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов- Но так как при излучении сигнал генератора дифференцируется, то проблема поворота плоскости поляризации на 180 , (т.е. проблема излучения двуполярного импульса) сводится к проблеме генерирования импульса, задний фронт которого близок по длительности к переднему.
Что касается поворота плоскости излучаемого сигнала на углы, отличные от 180, то она практически может быть решена только с помощью второй излучающей антенны, плоскость поляризации которой повернута на 90, Возбуждение этой антенны за счет использования более длинных фидеров сдвигается на несколько наносекунд. Таким образом, излучаемый сигнал при возбуждении симметричным током генератора будет иметь вид двух двуполярных импульсов с перпендикулярными поляризациями, сдвинутых по времени- Это обеспечивает при каждом срабатывании возбуждающего генератора воздействие на СС четырех импульсов с последовательно изменяющимися поляризациями: 0 , 180 , 90, 270, Для промежуточных углов поляризации воздействующий сигнал уменьшается пропорционально проекции вектора электрического поля, достигая при отклонении на 45 от основных плоскостей поляризации минимальной величины cos 45 = 0,707. Таким образом, предложенный вариант обеспечивает воздействие на СС независимо от поляризации его чувствительных элементов с потерями до 30% амплитуды сигнала для некоторых углов.
Очевидно, что возможен и механический поворот излучающей антенны с использованием электрического привода, управляемого компьютером. Это це 113 лесообразно в тех случаях, когда допустим сравнительно медленный поворот плоскости поляризации.
Влияние диаграммы направленности.
При заданной длительности фронта возбуждающего сигнала диаграмма направленности излучателя СШП ЭМИ определяется размерами и формой его антенны. При выбранной форме антенны линейное увеличение ее размеров приводит к пропорциональному уменьшению ширины диаграммы направленности и, соответственно, к пропорциональному увеличению амплитуды излучаемого сигнала. Естественное стремление увеличить амплитуду сигнала приходит в противоречие с массогабаритными характеристиками антенны и требуемой точностью ее наведения.
Таким образом, все проблемы решаются в каждом конкретном случае, исходя из условий задачи и только прямые испытания могут достоверно ответить на вопрос, устойчив ли данный объект к воздействию СШПЭМИ.В связи с этим рассмотрим некоторые особенности характеристик источников СШПЭМК
Нижняя граница полосы частот энергетического спектра СШП ЭМИ или диапазона частот УП ЭМИ составляет примерно f 100 МГц. Длина волны соответствующая этой частоте равна: д= —=-х м с %Ъм, где: У = Ъх\Ъ м1с- скорость света в вакууме, / 1081/е Расстояние до границы начала т.н. дальней (волновой) зоны излучателя ЭМИ: И С АС 2ж 2x3,14
Следовательно, для частот 100 МГц и выше на расстояниях от излучателя ЭМИ, превышающих примерно 0,5 м, начинается волновая область излучения, для которой характерно следующее: 1. Электромагнитное поле в волновой зоне характеризуется одним вектором напряженности магнитного поля Н и одним вектором напряженности электрического поля
Поле распространяется в виде сферических волн со скоростью V. По мере распространения волны амплитуды векторов Н и Е убывают пропорционально первой степени расстояния. На значительном расстоянии от источника излучения фронт волны можно считать плоским,
В любой из точек плоской волны векторы Е и Н перпендикулярны друг другу и совпадают по фазе, а энергия электрической составляющей поля равна энергии магнитной составляющей.
Отношение векторов Е и Н, одинаковое для комплексных амплитуд и для мгновенных значений, равно в каждой точке поля постоянному числу ZB, имеющему размерность сопротивления и носящему название волнового сопро тивления среды ZB -— 1110м ,
Таким образом, измерив Е можно рассчитать Н = E/ZB и наоборот. Оценим в первом приближении мощность источника УП ЭМИ и СШПЭМИ
Для случая УП ЭМИ примем, что сигнал представляет собой синусоидальное изменение напряженности поля с частотой f, модулированное прямоугольным импульсом длительностью tH действия с углом продольного сечения конуса излучения, равным а.
Период следования импульсов равен Т„. При этом соблюдаются условия 1/f tH TH. Требующееся нормативное значение амплитуды напряженности электрического поля на облучаемой поверхности испытуемого объекта (в дальнейшем, мишени) равно Е. Максимальный линейный размер мишени в облучаемой плоскости равен lt расстояние от излучающей антенны до центра мишени равно L.
