Бердін С. Н., Гадецкий Н. П., Гапоненко Н. І., Магда І. І., Мутовіна Н. В., Червонос Л. Н. Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» Україна, 61108, Харків , вул. Академічна, 1 e-mail: imagda@online.kharkiv.com, тел: +38-057-240-4464

Анотація – Описуються особливості конструкції стенду (ІС) для випробувань радіоелектронної апаратури (РЕА) на електромагнітну сумісність (ЕМС) до імпульсних полях надкоротких тривалості (СКД).

I. Вступ

Розвиток імпульсних технологій великих потужностей, в першу чергу, в області СКД супроводжується збільшенням рівня випромінювань, небезпечних для РЕА і компонентів. Неминучість цього процесу змушує удосконалювати методи і техніку випробувань РЕА ЕМС СКД. Зазвичай робоча зона випробувального стенду СКД використовує сверхшірокопо-лисніє (СШП) коаксіальну або Полоскова лінію, узгоджену на кінці, т.зв. ТИМ клітинку, підключену до генератора імпульсів СКД. Робочий діапазон частот ТИМ осередку може досягати 107-101° Гц [1]. Нижче описується ІС з об’ємом зони тестів = 1 м3, Розрахований на розширений робочий діапазон напруженості поля електромагнітної хвилі 10-1000 В / см при длительностях імпульсу 3-5 нс і фронту 250 пс (смуга частот 80 МГц-1.5 ГГц).

II. Особливості стенда СКД

Основними елементами ІС СКД є: випробувальна ТИМ осередок, високовольтний аттенюатор-согласователь (ВАС), формувач імпульсного напруги (ФІН) СКД, система управління роботою стенду та вимірювальні кошти.

ТИМ осередок забезпечує тести ЕМС для РЕА з максимальним розміром до 0,7 м в пасивному та активному режимах. Осередок виконана у вигляді неоднорідної Полоскова лінії з зберігається по довжині імпедансом ~ 100 Ом, довжиною 4.5 м і об’ємом однорідної робочої зони = 1x1x1 м3.

Вхід лінії з’єднаний з ФІН через СШП узгоджувальний перехід, а її вихід замкнутий на узгоджену навантаження. Потенційний електрод лінії, утворений 16 провідниками круглого перетину (діаметр 11 мм), має в поздовжньому перерізі форму трапеції і змінний поперечний розмір. Кожен з провідників навантажений своїм резистором, а всі разом вони утворюють навантаження для лінії 100 Ом, забезпечуючи її узгодження. Заземлений електрод лінії (підстава осередки) виконаний у вигляді суцільного мідного листа. Під ним розташований екранований обсяг для розміщення вузлів енергозабезпечення тестованих об’єктів, технологічного обладнання стенда і виведення кабелів живлення апаратури і вимірювальних ліній.

Високовольтний аттенюатор-согласователь забезпечує зміну амплітуди поля в ТИМ осередку, без зміни режиму роботи ФІН СКД, а також розв’язку ФІН і лінії, необхідну для придушення сигналів, відбитих від тестованих об’єктів в різних режимах тестів.

Конструкція ВАС передбачає зміну коефіцієнта передачі 0 … -20 дБ в заданому інтервалі робочих частот, а також СШП узгодження імпедансів при переході від коаксіального фідера ФІН СКД до Полоскова лінії. Для цього в коаксіальному переході ВАС використовується змінний потенційний внутрішній електрод, покритий СШП поглинаючим матеріалом, а також зміна профілю зовнішнього електрода. Форма профілю задається умовою збереження Z переходу в будь-якому перерізі змінного резистора Ro, що має радіус а і довжину хо. Тоді відповідно до [2], імпеданс неоднорідною лінії Z (x) = 60 (£r)’1/2ln [r (x) / a] в будь-якій її точці х узгоджується залишається частиною опору R (x) = Rqx / xo, якщо профіль лінії з діелектриком задається як фс) = аехр [Я? о (£г)"1/2х/60хо].

Високовольтний ФІН СКД. Для забезпечення зазначених режимів випробувань ТИМ осередок запиті-ється від ФІН імпульсами з амплітудою 100-150 кВ, тривалістю по піввисоті 3-5 нс і фронтом

0, 25 нс з частотою повторення до 50 Гц.

ФІН СКД складається з первинного джерела імпульсної напруги і формувача сигналів з піко секундні фронтами (рис.1). Первинним джерелом імпульсної напруги ФІН (U до 130 кВ, tn = 4.5 мкс) є трансформатор Тесла. Імпульси наносекундной тривалості (U ~ 100 кВ, tn =

4 нс) формуються несиметричною коаксіальної подвійний формує лінією (ДФЛ) з газовою ізоляцією (азот, елегаз або їх суміш; тиск до 40 ати). ДФЛ заряджається від конденсатора С2 через газовий двухелектродний розрядник S2 з резонансним підвищенням напруги в 1,3 рази за час ~ 70 нс. При цьому, швидкість зростання напруги на комутаторі лінії S3, що визначає стабільність його спрацьовування, складає ~ 2-1012 В / с.

Рис. 1. Схема наносекундного формувача.

Fig. 1. Schematics of nanosecond forming unit

Принцип формування високовольтних сигналів СКД заснований на використанні ефекту затримки пробою газу або рідкого діелектрика [3] в перенапряженном зазорі. Це досягається за рахунок пропускання попередньо створеного високовольтного наносекундного імпульсу через передавальну лінію, що закінчувалася перенапружені зазором (т.зв. каскад стиснення). В описуваному ФІН

СКД фронт імпульсу формується двома послідовними каскадами стиснення, утвореними відрізками коаксіальної лінії передачі і газовими розрядниками високого тиску (Р ~ 40 ати) S4, S5.

Рис. 2. Електричне поле в поперечних перерізах ДФЛ: (а) області торця проміжного електрода (г = 0.01 м), (б) між коаксіальними електродами.

Fig. 2. Electric field strength at two cross-sections of DFL: (a) at the edge of intermediate electrode (r = 0.01 m), (b) between coaxial electrodes На Ріс.З наведені розподілу тангенціальною компоненти електричного поля на найбільш напруженому ділянці поверхні діелектрика вузла подачі зарядного напруги на ДФЛ. Зміна форми поверхні в області «потрійний точки» дозволило знизити напруженість тангенціальною компоненти електричного поля в цій галузі з 4,8 МВ / м (1) до 1,6 МВ / м (2).

Розрахунки конструкції ДФЛ проводилися з умовою досягнення максимальної питомої потужності при мінімальному поперечному перерізі ДФЛ [4], вирівнювання напруженості поля Е в обох лініях і зниження напруженості поля на торці проміжного електрода. Дані, отримані для найбільш напружених ділянок конструкції ДФЛ перевірялися пакетом FEMLAB (рис.2 а, б) і, в разі необхідності, коректувалися.

Fig. 3. Tangential component of electric field distribution at the surface of input insulator

III. Висновок

Описано принцип і особливості конструкції випробувального стенду ЕМС СКД з об’ємом робочої зони ок. 1 м3, Діапазоном напруженості поля 10-1000 В / см і длительностями імпульсу 3-5 не і фронту 250 пс.

IV. Список літератури

[1] J. P. Karst, Н. Grabe, Int. Symp. on EMC, Magdeburg, 1999, p. 271.

[2] J. Wey, F. Bieth, Very high-voltage divider, UWB Short- Pulsed Electromagnetics 6; Ed. by Mokole et al., Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2003, p.523.

[3] Г. А. Місяць. Генерування потужних наносекундних імпульсів, М.: Сов. радіо. 1974, 325 с.

[4] М. В. Бабикін, А. В. Бартов. Препринт ІАЕ-2253. М.:

1972, 29 с.

TEST BED FOR ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY TESTS ON AFFECT OF ULTRA-SHORT PULSED ELECTROMAGNETICS

Berdin S. N., Gadetski N. P., Gaponenko N. I., Magda 1.1., Mutovina N.V., Chervonos L.N. National Science Center the Institute of Physics and Technology 1 Academicheskaya St., Kharkov 61108, Ukraine e-mail: imagda@oniine.kharkiv.com

Abstract – Design features of test bed with operation volume of 1 m3 for ultra-short pulsed (USP) electromagnetic compatibility (EMC) tests of radio-electronic equipment (REE) are presented.

I. Introduction

Development of high-power impulse technologies, first of all, in the area of USP, is accompanied by increase of undesirable electromagnetic radiation level, dangerous for REE and components. This process stimulates improvement the methods and means of EMC tests of REE coupled by USP’s. As a rule, the working area of a test bed is arranged as ultra-wide band (UWB) coaxial or strip line, matched to UWB load (А ТИМ cell), which, in turn, is fed by high-voltage USP generator. The test bed designed as а ТИМ cell with operation volume of = 1 m3, electric field strength range of 10-1000 V/cm, and impulse and front durations of 3-5 ns and 250 ps, correspondently, is described.

II. Design features of USP test bed

Basic elements of test bed are: test ТИМ cell, high-voltage attenuator (HVA), forming pulse generator (FPG) USP, control system of the stand and measuring means.

ТИМ cell provides EMC tests of REE with a maximum linear size up to 0.7 m in passive and active modes. It is executed as an inhomogeneous strip line with impedance ~ 100 Ohm, overall length 4.5 м and operation volume of 1x1x1 m3. The line is feeded by FPG through UWB matching unit, and terminates to a matched HV load. The potential electrode of the line made of 16 parallel 11-mm diameter conductors has a trapezoid form in longitudinal crossection and variable transversal size. The ground is made of wide copper sheet.

HVA plays a role of UWB absorber with a factor of 0-20 dB and provides variation of E-field amplitude without disturbing operation of FIG USP. HVA also prevents coupling between FPG and ТИМ cell necessary for suppression signal reflected from objects in various modes of tests.

FPG USP generates HV pulses with amplitude of 100-150 kV, duration at HWHM of 3-5 ns, rise time of 0.25 ns, and repetition frequency up to 50 Hz. It consists of Tesla transformer as primary source (U up to 130 kV, fp=4.5 mks), and coaxial forming system, Fig. 1. Impulses of nanosecond duration (U ~ 100 kV, fp = 5 ns) are formed by an asymmetrical coaxial double forming line (DFL) with gas isolation (nitrogen, SF6 or their mixture; pressure up to 40 atm). A picosecond forming network uses two cascades of pulse compression that consist of coaxial transmission lines and peaking gaps operating in overstressing mode.

Features of DFL design assume the necessity for obtaining the maximum of specific power in coaxial line, equality of E-field strength in both lines, and minimizing E-field strength at the edge of intermediate electrode.

III. Conclusion

Principle and peculiarities of EMC USP test-bed design with operation volume ~ 1 m3, E-field of 10-1000 V/cm, and pulse duration of 3-5 ns and rise time of 250 ps are presented.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»