RU2787959C1 - Преобразователь напряжённости импульсного магнитного поля - Google Patents

Abstract

Использование: для преобразования напряженности импульсного магнитного поля. Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь напряженности импульсного магнитного поля содержит сверхширокополосный преобразователь напряженности магнитного поля (СШП МП), а также дополнительно содержит радиочастотный коаксиальный кабель, согласованный по волновому сопротивлению с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем СШП МП, резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению радиочастотного коаксиального кабеля, индуктивную катушку, широкополосный преобразователь тока в напряжение, цепь частотной коррекции, причем радиочастотный коаксиальный кабель первым концом соединен с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем, вторым концом соединен с первыми концами параллельно соединенных резистора и индуктивной катушки, вторые концы резистора и индуктивной катушки соединены с входом широкополосного преобразователя тока в напряжение, выход которого соединен с входом цепи частотной коррекции, выход которой является выходом устройства, а индуктивность L_К индуктивной катушки на низкой частоте определяется из заданного соотношения. Технический результат: повышение коэффициента перекрытия частотного диапазона и увеличение постоянной времени спада вершины переходной характеристики. 3 ил.

Description

Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано для преобразования магнитного поля (МП) или магнитной компоненты электромагнитного поля в диапазонах частот СНЧ-УВЧ, создаваемых гармоническими или импульсными источниками сигнала в задачах ЭМС, для измерения, регистрации или пеленгации силовых электромагнитных воздействий, молниевых разрядов, электромагнитных импульсов, импульсных коммутационных помех в электроэнергетике, обладающих широким частотным спектром, измерения уровней магнитного поля на рабочих местах.

Для регистрации указанных в области использования преобразователя напряженности импульсного магнитного поля (далее - устройства) импульсных сигналов МП зачастую требуется применение преобразователей с параметрами переходной характеристики (ПХ): время нарастания t_н - не более 1 нс, постоянная времени экспоненциального спада - не менее 1 мс, что соответствует отношению

или в частотном выражении

где τ - постоянная времени спада ПХ преобразователя импульсного МП;

t_H - время нарастания ПХ преобразователя импульсного МП;

f_В/f_H - коэффициент перекрытия частотного диапазона преобразователя импульсного МП;

f_B - верхняя граничная частота преобразователя импульсного МП;

f_H - нижняя граничная частота преобразователя импульсного МП.

В настоящее время для регистрации сигналов МП, удовлетворяющих (1) или (2) обычно применяют несколько антенн МП, работающих в смежных частотных диапазонах, с последующими преобразованиями спектров сигналов и восстановлением формы воздействующего импульсного МП. Пассивная коррекция формы выходного импульсного сигнала преобразователя для увеличения т приводит к пропорциональному уменьшению коэффициента преобразования в расширенной полосе частот.

Известна измерительная рамочная антенна ЭЛ-01 [1], содержащая приемную магнитную рамку диаметром ≈0,15 м, согласующий трансформатор и выходной разъем, позволяющая преобразовывать МП в широком диапазоне частот при работе на нагрузку 50 Ом - от 10 Гц до 10 МГц.

Недостатками этого аналога является относительно низкая верхняя граничная частота и коэффициент калибровки антенны, изменяющийся на 50 дБ и более во всем диапазоне частот, что не позволяет использовать ее в качестве преобразователя импульсного МП для заявленного диапазона частот.

Известна широкополосная рамочная измерительная антенна [2], содержащая приемную рамку, коаксиальный кабель, трансформатор на ферритовом сердечнике, транзистор, резисторы и конденсатор.

Недостатками этого аналога является относительно низкий коэффициент перекрытия частотного диапазона (до 100 тысяч) при изменении коэффициента преобразования (калибровки) в пределах ~ 3 дБ, либо изменение последнего на ~ 15 дБ и более в расширенном диапазоне частот. К тому же наличие индуктивностей рассеяния и емкостей обмоток трансформатора может приводить к появлению резонансов в высокочастотной части диапазона и снижению верхней граничной частоты антенны.

Известен индукционный датчик для измерения сильных импульсных МП (до 5 Тл) [3] с воздушной измерительной катушкой, нагруженной на согласованный кабель, сигнал с которого подается на интегрирующее устройство [4].

Недостатками этой магнитометрической сборки являются относительно низкая верхняя граничная частота (порядка 40 МГц) и низкий коэффициент преобразования.

Известен преобразователь МП гибридного типа [5] с индукционным магнитометрическим преобразователем на катушке с ферритовым сердечником, дифференциальным усилителем, усилителем-повторителем, интегратором Миллера, сумматором.

Недостатком этого преобразователя является относительно низкая верхняя граничная частота (порядка 20 МГц).

Известен сверхширокополосный пассивный индукционный самоинтегрирующий магнитометрический преобразователь [6], содержащий стержневой магнитный сердечник, охватывающий его кольцевой магнитный сердечник с секционированной обмоткой из N m-витковых секций, охватывающей в общей сложности N раз стержневой сердечник и намотанной с постоянным шагом.

Недостатками аналога является низкий коэффициент преобразования, обусловленный добавлением в измерительную цепь индуктивности обмотки кольцевого сердечника, и необходимость работы в режиме короткого замыкания выхода для уменьшения нижней граничной частоты и получения высоких значений (более миллиона) коэффициента перекрытия частотного диапазона. Последнее предполагает интегрирование в единую конструкцию магнитометрического преобразователя и преобразователя тока в напряжение без возможности соединения их посредством кабельной линии связи.

В книге [7] приведено описание одного из возможных применений индукционного магнитометрического преобразователя (ИМП), содержащего первичный (пассивный) индукционный магнитометрический преобразователь (ПИМП), первый резистор, соединительный коаксиальный кабель, второй резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, преобразователь тока с входным сопротивлением много меньшим волнового сопротивления кабеля, причем первый резистор подключен параллельно выходу ПИМП и входу кабеля, а второй резистор включен между центральной жилой кабеля на его конце и входом преобразователя тока. При выполнении ПИМП с интегрированием ЭДС, наводимой в катушке, на ее реактивностях и нагрузке, преобразователь обладает наиболее широкой полосой пропускания. Задаваясь нижней граничной частотой f_l, например 9 кГц, величинами первого и второго резисторов - 25 и 50 Ом соответственно, и при использовании цилиндрического ферритового сердечника в ПИМП длиной ~ 200 мм, можно по приведенным в книге формулам провести оценку верхней граничной частоты f_h такого ИМП, составляющей ~ 20 МГц. При уменьшении f_l до 1 кГц, f_h также уменьшится до ~ 7 МГц.

Недостатками этого аналога является относительно высокая нижняя граничная частота и низкие величины верхней граничной частоты, коэффициента перекрытия частотного диапазона и постоянной времени спада вершины ПХ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является сверхширокополосный преобразователь напряженности магнитного поля (СШП МП) [8], содержащий обмотку, состоящую из двух равных частей, концы которых электрически соединены между собой с одной стороны, намотанную на ферритовый сердечник и помещенную в электрический экран из электропроводящего материала с двумя идентичными, взаимно противоположно относительно продольной оси электрического экрана расположенными, щелями электрического экрана, диэлектрический корпус, две идентичные продольные части электрического экрана, первую концевую часть электрического экрана, вторую концевую часть электрического экрана, концевые вырезы электрического экрана, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, внутреннюю нагрузку, две осевые перемычки, причем электрический экран охватывает диэлектрический корпус и состоит из двух идентичных продольных частей, первой и второй концевых частей, последние по линиям сопряжения частей электрического экрана электрически соединены с продольными частями электрического экрана и состоят, каждая, из двух равных частей, разделенных концевыми вырезами электрического экрана, электрически соединенным между собой в центральных участках соответствующих концевых частей электрического экрана, корпус выходного радиочастотного коаксиального соединителя по замкнутому контуру электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана электрически соединен с центральным участком второй концевой части электрического экрана, внутренняя нагрузка электрически соединена с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя и с центральным участком второй концевой части электрического экрана, ферритовый сердечник с обмоткой, внутренняя нагрузка, осевые перемычки полностью заключены в электрическом экране, концы первой и второй частей обмотки, электрически соединены между собой с двух сторон и осевыми перемычками - с центром первой концевой части электрического экрана и с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя, ферритовый сердечник выполнен прямолинейным, электрический экран выполнен однослойным, щели электрического экрана выполнены прямыми, параллельными общей оси ферритового сердечника и обмотки, на одинаковом расстоянии от нее, сопряженными на концах с краями концевых вырезов электрического экрана, оси симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана лежат в одной плоскости с общей осью ферритового сердечника и обмотки, обмотка выполнена однослойной, с удлиненным шагом, по всей длине ферритового сердечника, направление намотки первой и второй частей обмотки - согласованное, концы первой и второй частей обмотки электрически соединены между собой по осесимметричным линиям, пролегающим вдоль торцов ферритового сердечника, обмотка выполнена с осевой симметрией второго порядка, остальные конструктивные составляющие - ферритовый сердечник, осевые перемычки, диэлектрический корпус, продольные части электрического экрана, концевые части электрического экрана, щели и концевые вырезы электрического экрана, линии сопряжения частей электрического экрана, внутренняя нагрузка, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, замкнутый контур электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана - выполнены зеркально симметричными относительно плоскости расположения осей симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана и ортогональной ей плоскости, проходящей через общую ось ферритового сердечника и обмотки.

Недостатками прототипа являются относительно высокая нижняя граничная частота при кабельном съеме сигнала на согласованную нагрузку, как следствие - низкие коэффициент перекрытия частотного диапазона и постоянная времени спада вершины ПХ.

Техническим результатом является снижение нижней граничной частоты при кабельном съеме сигнала, как следствие - повышение коэффициента перекрытия частотного диапазона и увеличение постоянной времени спада вершины ПХ.

Технический результат достигается тем, что преобразователь напряженности импульсного магнитного поля, содержащий сверхширокополосный преобразователь напряженности магнитного поля, включающий в себя обмотку, состоящую из двух равных частей, концы которых электрически соединены между собой с одной стороны, намотанную на ферритовый сердечник и помещенную в электрический экран из электропроводящего материала с двумя идентичными, взаимно противоположно относительно продольной оси электрического экрана расположенными, щелями электрического экрана, диэлектрический корпус, две идентичные продольные части электрического экрана, первую концевую часть электрического экрана, вторую концевую часть электрического экрана, концевые вырезы электрического экрана, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, внутреннюю нагрузку, две осевые перемычки, причем электрический экран охватывает диэлектрический корпус и состоит из двух идентичных продольных частей, первой и второй концевых частей, последние по линиям сопряжения частей электрического экрана электрически соединены с продольными частями электрического экрана и состоят, каждая, из двух равных частей, разделенных концевыми вырезами электрического экрана, электрически соединенным между собой в центральных участках соответствующих концевых частей электрического экрана, корпус выходного радиочастотного коаксиального соединителя по замкнутому контуру электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана электрически соединен с центральным участком второй концевой части электрического экрана, внутренняя нагрузка электрически соединена с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя и с центральным участком второй концевой части электрического экрана, ферритовый сердечник с обмоткой, внутренняя нагрузка, осевые перемычки полностью заключены в электрическом экране, концы первой и второй частей обмотки электрически соединены между собой с двух сторон и осевыми перемычками - с центром первой концевой части электрического экрана и с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя, ферритовый сердечник выполнен прямолинейным, электрический экран выполнен однослойным, щели электрического экрана выполнены прямыми, параллельными общей оси ферритового сердечника и обмотки, на одинаковом расстоянии от нее, сопряженными на концах с краями концевых вырезов электрического экрана, оси симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана лежат в одной плоскости с общей осью ферритового сердечника и обмотки, обмотка выполнена однослойной, с удлиненным шагом, по всей длине ферритового сердечника, направление намотки первой и второй частей обмотки - согласованное, концы первой и второй частей обмотки электрически соединены между собой по осесимметричным линиям, пролегающим вдоль торцов ферритового сердечника, обмотка выполнена с осевой симметрией второго порядка, остальные конструктивные составляющие - ферритовый сердечник, осевые перемычки, диэлектрический корпус, продольные части электрического экрана, концевые части электрического экрана, щели и концевые вырезы электрического экрана, линии сопряжения частей электрического экрана, внутренняя нагрузка, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, замкнутый контур электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана - выполнены зеркально симметричными относительно плоскости расположения осей симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана и ортогональной ей плоскости, проходящей через общую ось ферритового сердечника и обмотки, дополнительно содержит радиочастотный коаксиальный кабель, согласованный по волновому сопротивлению с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем, резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению радиочастотного коаксиального кабеля, индуктивную катушку, широкополосный преобразователь тока в напряжение, цепь частотной коррекции, причем радиочастотный коаксиальный кабель, первым концом соединен с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем, вторым концом соединен с первыми концами параллельно соединенных резистора и индуктивной катушки, вторые концы резистора и индуктивной катушки соединены с входом широкополосного преобразователя тока в напряжение, выход которого соединен с входом цепи частотной коррекции, выход которой является выходом устройства, а индуктивность L_K индуктивной катушки на низкой частоте определяется из соотношения

где L_ПП - индуктивность обмотки устройства на низкой частоте,

R - сопротивление резистора,

R_BH - сопротивление внутренней нагрузки устройства.

Работа устройства поясняется на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.

На фиг. 1 приведена схема устройства.

На фиг. 2 приведена осциллограмма сигнала отклика на прямоугольный импульс электромагнитного поля материального макета устройства с широкополосным преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе. Время нарастания импульсного электромагнитного поля ~ 250 пс. Длина радиочастотного коаксиального кабеля - 3 м. Коэффициент горизонтального отклонения осциллографа - 20 нс/дел. Полоса пропускания канала вертикального отклонения осциллографа - от 0 до 1 ГГц.

На фиг. 3 приведена осциллограмма сигнала отклика материального макета устройства на прямоугольный импульс электромагнитного поля с временем нарастания ~ 10 нч. Развертка осциллографа - 200 мкс/дел.

Приняты следующие обозначения:

1 - сверхширокополосный преобразователь напряженности магнитного поля (СШП МП);

2 - обмотка СШП МП;

3 - внутренняя нагрузка СШП МП;

4 - радиочастотный коаксиальный кабель;

5 - резистор;

6 - индуктивная катушка;

7 - широкополосный преобразователь тока в напряжение (ПТН);

8 - цепь частотной коррекции.

Преобразователь напряженности импульсного магнитного поля (фиг. 1) содержит СШП МП 1, включающий в себя обмотку 2, состоящую из двух равных частей, концы которых электрически соединены между собой с одной стороны, намотанную на ферритовый сердечник и помещенную в электрический экран из электропроводящего материала с двумя идентичными, взаимно противоположно относительно продольной оси электрического экрана расположенными, щелями электрического экрана, диэлектрический корпус, две идентичные продольные части электрического экрана, первую концевую часть электрического экрана, вторую концевую часть электрического экрана, концевые вырезы электрического экрана, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, внутреннюю нагрузку 3, две осевые перемычки, причем электрический экран охватывает диэлектрический корпус и состоит из двух идентичных продольных частей, первой и второй концевых частей, последние по линиям сопряжения частей электрического экрана электрически соединены с продольными частями электрического экрана и состоят, каждая, из двух равных частей, разделенных концевыми вырезами электрического экрана, электрически соединенными между собой в центральных участках соответствующих концевых частей электрического экрана, корпус выходного радиочастотного коаксиального соединителя по замкнутому контуру электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана электрически соединен с центральным участком второй концевой части электрического экрана, внутренняя нагрузка 3 электрически соединена с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя и с центральным участком второй концевой части электрического экрана, ферритовый сердечник с обмоткой 2, внутренняя нагрузка 3, осевые перемычки полностью заключены в электрическом экране, концы первой и второй частей обмотки 2 электрически соединены между собой с двух сторон и осевыми перемычками - с центром первой концевой части электрического экрана и с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя, ферритовый сердечник выполнен прямолинейным, электрический экран выполнен однослойным, щели электрического экрана выполнены прямыми, параллельными общей оси ферритового сердечника и обмотки 2, на одинаковом расстоянии от нее, сопряженными на концах с краями концевых вырезов электрического экрана, оси симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана лежат в одной плоскости с общей осью ферритового сердечника и обмотки 2, обмотка 2 выполнена однослойной, с удлиненным шагом, по всей длине ферритового сердечника, направление намотки первой и второй частей обмотки 2 - согласованное, концы первой и второй частей обмотки 2 электрически соединены между собой по осесимметричным линиям, пролегающим вдоль торцов ферритового сердечника, обмотка 2 выполнена с осевой симметрией второго порядка, остальные конструктивные составляющие - ферритовый сердечник, осевые перемычки, диэлектрический корпус, продольные части электрического экрана, концевые части электрического экрана, щели и концевые вырезы электрического экрана, линии сопряжения частей электрического экрана, внутренняя нагрузка 3, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, замкнутый контур электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана -выполнены зеркально симметричными относительно плоскости расположения осей симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана и ортогональной ей плоскости, проходящей через общую ось ферритового сердечника и обмотки 2, дополнительно содержит радиочастотный коаксиальный кабель 4, согласованный по волновому сопротивлению с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем, резистор 5 с сопротивлением, равным волновому сопротивлению радиочастотного коаксиального кабеля 4, индуктивную катушку 6, широкополосный преобразователь 7 тока в напряжение, цепь 8 частотной коррекции, причем радиочастотный коаксиальный кабель 4, первым концом соединен с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем, вторым концом соединен с первыми концами параллельно соединенных резистора 5 и индуктивной катушки 6, вторые концы резистора 5 и индуктивной катушки 6 соединены с входом широкополосного преобразователя 7 тока в напряжение, выход которого соединен с входом цепи 8 частотной коррекции, выход которой является выходом устройства, а индуктивность L_К индуктивной катушки 6 на низкой частоте определяется из соотношения

где L_ПП - индуктивность обмотки 2 устройства на низкой частоте;

R - сопротивление резистора 5;

R_BH - сопротивление внутренней нагрузки 3 устройства.

В качестве ПТН 7 могут применяться известные из уровня техники широкополосный трансформатор тока [9], либо преобразователь ток-напряжение на широкополосном операционном усилителе (ОУ), либо усилитель с параллельной отрицательной обратной связью, имеющие входное сопротивление, много меньшее волнового сопротивления кабеля 4 в широкой полосе частот.

Преобразователь напряженности импульсного магнитного поля работает следующим образом.

Параллельная продольной оси обмотки 2 СШП МП 1 составляющая импульсного МП воздействует на нее, возбуждая по закону электромагнитной индукции электродвижущую силу (ЭДС), служащую причиной возникновения токов в проводах обмотки 2, в наружной, подсоединяемой к выходному соединителю СШП МП 1, и внутренней 3 нагрузках. Изменение во времени тока обмотки 2 СШП МП 1 повторяет, в рабочем частотном диапазоне, изменение напряженности МП. Выходной сигнал СШП МП 1 по радиочастотному коаксиальному кабелю 4 с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению выходного соединителя СШП МП 1, подается на вход ПТН 7 через параллельно включенные резистор 5 и индуктивную катушку 6. Сопротивление резистора 5 выбирается равным волновому сопротивлению коаксиального кабеля 4, а индуктивность L_К катушки 6 определяется из соотношения

где L_ПП - индуктивность обмотки 2 СШП МП 1 на низкой частоте;

R - сопротивление резистора 5;

R_BH - сопротивление внутренней нагрузки 3 СШП МП 1.

Цепь 8 частотной коррекции осуществляет сглаживание формы вершины ПХ устройства при использовании индуктивной катушки 6 с ферромагнитным сердечником. При применении воздушной катушки 6 цепь 8 частотной коррекции заменяется проводником, закорачивающим вход и выход последней, либо исключается из состава устройства.

При работе устройства в низкочастотной (НЧ) части его рабочего диапазона, когда соблюдается условие

где ω - циклическая частота сигнала, ω=2πf,

f - частота воздействующего магнитного поля,

шунтирующим действием внутренней нагрузки 3 можно пренебречь. Токовый сигнал обмотки 2 СШП МП 1, не ответвляясь во внутреннюю нагрузку 3 СШП МП 1, через радиочастотный коаксиальный кабель 4 и индуктивную катушку 6 поступает на вход ПТН 7, имеющего входное сопротивление, много меньшее волнового сопротивления кабеля 4 в широкой полосе частот. СШП МП 1 при этом имеет токовый коэффициент преобразования К_{I НЧ}

где К₁ - токовый коэффициент преобразования СШП МП 1 в режиме короткого замыкания (КЗ) его выхода. Нижняя граничная частота f_H устройства определяется из соотношения

где R_ПП - активное сопротивление обмотки 2 СШП МП 1;

R_КАБ - активное сопротивление проводников радиочастотного коаксиального кабеля 4;

R_К - активное сопротивление проводника обмотки индуктивной катушки 6;

R_ВХ - входное сопротивление широкополосного преобразователя 7 тока в напряжение.

При работе устройства в высокочастотной (ВЧ) части его рабочего диапазона, когда соблюдается условие

вследствие шунтирующего действия внутренней нагрузки 3 СШП МП 1 токовый коэффициент преобразования К_{I ВЧ} на входе широкополосного преобразователя 7 тока в напряжение имеет значение

Для преобразователя напряженности импульсного магнитного поля необходимо равенство коэффициентов преобразования К_IНЧ и К_IВЧ в НЧ и ВЧ частях его рабочего диапазона. Приравнивая правые части (5) и (8) получаем выражение (3) для оценки индуктивности L_К катушки 6.

Расширение частотного диапазона устройства в сторону низких частот по сравнению с частотным диапазоном СШП МП 1 при работе с использованием кабельной линии связи и согласованной нагрузкой следует из сравнения формул (6) для нижней граничной частоты f_H устройства и для СШП МП 1 f_τ

где R_S - сопротивление параллельно включенных внутренней и внешней нагрузок СШП МП 1,

Нижняя граничная частота СШП МП 1 при работе с использованием кабельной линии связи и согласованной нагрузкой больше нижней граничной частоты устройства в К_H раз

Активные сопротивления проводников обмотки 2 R_ПП, кабеля 4 R_КАБ, катушки 6 R_К и входное сопротивление ПТН 7 R_ВХ обычно не превышают десятых или сотых долей ома. Таким образом, учитывая соотношение (3), оценка коэффициента снижения нижней граничной частоты К_Н устройства может быть представлена выражением

где R_Σ - суммарное сопротивление проводников обмотки 2, кабеля 4, катушки 6 и входного сопротивления ПТН 7.

Практически значение К_Н может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен.

Учитывая, что постоянная времени τ спада вершины ПХ связана с нижней граничной частотой f_τ СШП МП 1 известной зависимостью

получаем такое же как в (11) увеличение постоянной времени спада вершины ПХ устройства.

Из приведенной на фиг. 3 осциллограммы сигнала отклика макета устройства на прямоугольный импульс электромагнитного поля видно, что постоянная времени спада вершины ПХ макета устройства составляет ~ 1 мс, что почти в 60 раз больше, чем постоянная времени спада ПХ применяемого СШП МП 1. Этому значению τ спада соответствует f_H ≈ 160 Гц, что почти в 60 раз меньше f_τ СШП МП 1.

Верхняя граничная частота устройства f_B будет преимущественно определяться частотными свойствами применяемого ПТН 7. Так при использовании широкополосного ОУ с токовой обратной связью (см. фиг. 2) f_B собственно устройства превышает 550 МГц, а время нарастания ПХ ≈ 0,6 нс. С учетом времен нарастания воздействующего импульсного МП (~ 250 пс) и сигнального тракта осциллографа (~ 350 пс), время нарастания зарегистрированного сигнала составляет ~ 0,74 нс.

Коэффициент перекрытия частотного диапазона макета устройства превышает 3,5 миллиона, что в ~ 20 раз больше коэффициента перекрытия частотного диапазона применяемого СШП МП 1.

Отношение постоянной времени т экспоненциального спада к времени нарастания τ_н ПХ превышает 1,5 миллиона.

Коэффициент преобразования материального макета устройства составляет ~ 80 мВ/(А/м).

Параметры цепи 8 частотной коррекции зависят от частотных свойств феррита сердечника индуктивной катушки 6. Так, для магнитомягкого феррита марганец-цинковой группы 2000НМ1 достаточна цепь частотной коррекции, обеспечивающая плавный подъем амплитудно-частотной характеристики на 1-1,5 дБ от 1-2 до 10-20 кГц и такой же спуск к 100-200 кГц. Для индуктивной катушки 6 без ферромагнитного сердечника необходимость применения цепи частотной коррекции отпадает.

Использование широкополосного трансформатора тока в качестве преобразователя 7 тока в напряжение целесообразно при преобразовании высокоэнергетических импульсов МП с большим отношением τ/t_Н, соответствующим (1). При этом, если длина l_I первичной обмотки трансформатора превышает

где λ_B - длина волны, соответствующая меньшей из двух верхних граничных частот: диапазона преобразования СШП МП 1, либо частотного диапазона трансформатора тока, - то первичная обмотка должна выполняться в конструкции, обеспечивающей низкое волновое сопротивление Z_T<<R для преобразуемого трансформатором токового сигнала.

Таким образом, выполнение цепи снятия сигнала СШП МП 1 из радиочастотного коаксиального кабеля 4, первым концом соединенного с выходным соединителем СШП МП 1 и согласованного с ним по волновому сопротивлению, вторым концом соединенного с первым концом резистора 5 с сопротивлением, равным волновому сопротивлению коаксиального кабеля 4, и с первым концом индуктивной катушки 6, второй конец которой соединен со вторым концом резистора 5 и с входом широкополосного преобразователя 7 тока в напряжение, выход которого соединен с входом цепи 8 частотной коррекции, позволяет достичь заявленный технический результат, а именно - понизить нижнюю граничную частоту при кабельном съеме сигнала, как следствие - повысить коэффициент перекрытия частотного диапазона, увеличить постоянную времени спада вершины ПХ устройства.

Источники информации

1. Антенны измерительные рамочные ЭЛ-01. Описание типа средства измерений. Рег. №59033-14 в Государственном реестре СИ.

2. Антипенко В.А., Павлов С.В. Широкополосная рамочная измерительная антенна. Патент SU 1823041, МПК H01Q 23/00, опубл. 23.06.93.

3. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М., Мир, 1972. - С. 322.

4. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М., Энергоатомиздат, 1987. - С. 65.

5. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М., Энергоатомиздат, 1987. - С. 66.

6. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М., Энергоатомиздат, 1987. - С. 67.

7. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М., Энергоатомиздат, 1987. - С. 20, 21, 38, 46, 48.

8. Ахмедзянов И.Ш. Сверхширокополосный преобразователь напряженности магнитного поля. Патенты RU 2693517, опубл. 03.07.2019; ЕА 036633, опубл. 02.12.2020, МПК H01Q 7/08.

9. Андерсон Д.М. Широкополосные трансформаторы тока / Приборы для научных исследований, 1971, №7, с. 3-14.

Claims (5)

1. Преобразователь напряженности импульсного магнитного поля, содержащий сверхширокополосный преобразователь напряженности магнитного поля, включающий в себя обмотку, состоящую из двух равных частей, концы которых электрически соединены между собой с одной стороны, намотанную на ферритовый сердечник и помещенную в электрический экран из электропроводящего материала с двумя идентичными, взаимно противоположно относительно продольной оси электрического экрана расположенными щелями электрического экрана, диэлектрический корпус, две идентичные продольные части электрического экрана, первую концевую часть электрического экрана, вторую концевую часть электрического экрана, концевые вырезы электрического экрана, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, внутреннюю нагрузку, две осевые перемычки, причем электрический экран охватывает диэлектрический корпус и состоит из двух идентичных продольных частей, первой и второй концевых частей, последние по линиям сопряжения частей электрического экрана электрически соединены с продольными частями электрического экрана и состоят, каждая, из двух равных частей, разделенных концевыми вырезами электрического экрана, электрически соединенным между собой в центральных участках соответствующих концевых частей электрического экрана, корпус выходного радиочастотного коаксиального соединителя по замкнутому контуру электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана электрически соединен с центральным участком второй концевой части электрического экрана, внутренняя нагрузка электрически соединена с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя и с центральным участком второй концевой части электрического экрана, ферритовый сердечник с обмоткой, внутренняя нагрузка, осевые перемычки полностью заключены в электрическом экране, концы первой и второй частей обмотки электрически соединены между собой с двух сторон и осевыми перемычками - с центром первой концевой части электрического экрана и с внутренним проводником выходного радиочастотного коаксиального соединителя, ферритовый сердечник выполнен прямолинейным, электрический экран выполнен однослойным, щели электрического экрана выполнены прямыми, параллельными общей оси ферритового сердечника и обмотки, на одинаковом расстоянии от нее, сопряженными на концах с краями концевых вырезов электрического экрана, оси симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана лежат в одной плоскости с общей осью ферритового сердечника и обмотки, обмотка выполнена однослойной, с удлиненным шагом, по всей длине ферритового сердечника, направление намотки первой и второй частей обмотки - согласованное, концы первой и второй частей обмотки электрически соединены между собой по осесимметричным линиям, пролегающим вдоль торцов ферритового сердечника, обмотка выполнена с осевой симметрией второго порядка, остальные конструктивные составляющие - ферритовый сердечник, осевые перемычки, диэлектрический корпус, продольные части электрического экрана, концевые части электрического экрана, щели и концевые вырезы электрического экрана, линии сопряжения частей электрического экрана, внутренняя нагрузка, выходной радиочастотный коаксиальный соединитель, замкнутый контур электрического соединения корпуса выходного радиочастотного коаксиального соединителя и второй концевой части электрического экрана выполнены зеркально симметричными относительно плоскости расположения осей симметрии щелей и концевых вырезов электрического экрана и ортогональной ей плоскости, проходящей через общую ось ферритового сердечника и обмотки, отличающийся тем, что дополнительно содержит радиочастотный коаксиальный кабель, согласованный по волновому сопротивлению с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем, резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению радиочастотного коаксиального кабеля, индуктивную катушку, широкополосный преобразователь тока в напряжение, цепь частотной коррекции, причем радиочастотный коаксиальный кабель первым концом соединен с выходным радиочастотным коаксиальным соединителем, вторым концом соединен с первыми концами параллельно соединенных резистора и индуктивной катушки, вторые концы резистора и индуктивной катушки соединены с входом широкополосного преобразователя тока в напряжение, выход которого соединен с входом цепи частотной коррекции, выход которой является выходом устройства, а индуктивность L_К индуктивной катушки на низкой частоте определяется из соотношения
2. 
3. где L_ПП - индуктивность обмотки устройства на низкой частоте,
4. R - сопротивление резистора,
5. R_BH - сопротивление внутренней нагрузки устройства.

Images