Способ компенсации магнитного поля коаксиальной линии

Способ компенсации магнитного поля коаксиальной линии

Реферат

Изобретение относится к области техники высоких и сверхвысоких частот и предназначено для защиты входов радиоэлектронного оборудования от воздействия электромагнитных наводок.

Известен способ компенсации магнитного поля проводника с током посредством операции пропускания тока через скрученную пару проводов, так называемую витую пару (Л.И. Рикетс, Дж.Э. Бриджес, Дж. Майлетта. Электромагнитный импульс и методы защиты. М., Атомиздат, 1979). Витая пара представляет тип кабеля, состоящий из двух независимо изолированных проводов, скрученных один вокруг другого. Это помогает только снизить перекрестные помехи, возникающие за счет электромагнитной индукции. Однако полностью провести компенсацию можно только в идеальных условиях, где есть полная симметрия изменения электрического и магнитного поля вдоль линии, четное число пар и однородное внешнее поле. Кроме того, данный способ не позволяет компенсировать собственное магнитное поле измерительного тока по длине проводника меньше шага скручивания - минимального витка проводника. Также известен способ компенсации, который включает создание бифилярной обмотки или бифилярной катушки (Патент US №512340). Бифилярная катушка - электромагнитная катушка, которая содержит две близко расположенных, параллельных обмотки. Если бифилярные катушки намотаны так, что ток в обеих катушках течет в противоположных направлениях, то магнитное поле, созданное одной обмоткой, равно и направлено противоположно созданному другой, приводя к общему магнитному полю, равному нулю. Взаимодействие между электромагнитными полями и проводниками с током может оказывать отрицательное воздействие на качество передачи сигнала. Известен также аналогичный способ, основанный на компенсации внешнего переменного магнитного потока за счет электромагнитной индукции (авторское свидетельство SU №1225056). В проводниках сбалансированной пары, по способам компенсации за счет индукционных потоков, электромагнитные помехи наводят одинаковые по амплитуде сигналы, находящиеся в противофазе. При этом суммарное излучение "идеальной пары" стремится к нулю. Компенсация магнитного поля происходит на расстояниях больше, чем расстояние между проводниками. На меньших расстояниях, в пределах проводника (для коаксиального проводника - внутри металлической оплетки), магнитное поле не скомпенсировано. Известен также способ компенсации магнитной составляющей электромагнитной волны путем создания скрещенных волноводов (Протасевич Е.Т. Радиотехника и электроника, т. 48, №1, 1988, с. 5-7). Однако данный способ не применим для коаксиальных линий. Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ для передачи и приема так называемых «продольных» электромагнитных волн (Патент RU №2354018). Способ включает процесс преобразования электромагнитной энергии в излучение электромагнитных волн путем концентрации силовых линий магнитных полей ближней зоны антенны. Однако данный способ не применим для закрытых линий передачи энергии.

Заявляемое изобретение направлено для решения следующей задачи - полная компенсация магнитной составляющей электромагнитной волны в коаксиальной линии, что даст возможность повысить эффективность защиты входов радиоэлектронного оборудования от внешних переменных магнитных полей. Заявляемое изобретение также решает задачу проведения электрофизических исследований при пространственном (3-мерном) сканировании исследуемых образцов не биологического и биологического происхождения в условиях компенсации магнитной составляющей электромагнитных волн в области высоких и сверхвысоких частот. Это даст возможность повысить информативность поведения исследуемых образцов при взаимодействии с электромагнитными полями.

Поставленная задача решается за счет того, что компенсацию осуществляют путем разделения электромагнитной волны в коаксиальной линии на две симметричные составляющие, фиксируют начальную точку пространства (точка фиксации), где осуществляют разделение электромагнитной волны путем включения в n-коаксиальную линию симметричного разветвителя, тем самым создают условия распространения 2n составляющих волны навстречу друг другу в одной коаксиальной линии (n=1) и/или в n=2, 3 … коаксиальных линиях, расположенных в плоскостях под углом друг к другу, устанавливают амплитуду и длительность встречных волн одинаковыми за равные промежутки времени, определяют точку n-коаксиальной линии, где компенсируется магнитное поле (область компенсации), сдвигают точку фиксации для каждой коаксиальной линии, где осуществляют разделение волны, на величину Δl, удовлетворяющую критерию Δl>vΔt, где Δt - длительность импульса электромагнитной волны, v - скорость электромагнитной волны. При этом область компенсации магнитной составляющей поля, определяемое положением каждой пары симметричных составляющих, сдвигается, осуществляется продольное сканирование области коаксиальной линии. Помещают образец исследуемого вещества в область компенсации для n-коаксиальной линии и осуществляют операцию сканирования области образца исследуемого вещества, сдвигая область компенсации каждой n-коаксиальной линии, задаваемой 2n парой симметричных составляющих. Компенсация магнитной составляющей поля определяется по отсутствию сигнала магнитной составляющей с магнитной петли связи. Разделение электромагнитной волны в коаксиальной линии на две симметричные составляющие можно осуществить путем включения в n-коаксиальную линию симметричного разветвителя.

Отличительным от прототипа признаком способа является создание электромагнитной волны с компенсацией магнитной составляющей, возникающей за счет разделения электромагнитной волны в точке фиксации на две симметричные составляющие, распространяющиеся в кольцевой и/или в n кольцевых коаксиальных линиях, навстречу друг другу, компенсации встречных 2n электромагнитных волн в области компенсации, сдвиге точки фиксации на величину, удовлетворяющую критерию Δl>vΔt, где Δt - длительность импульса электромагнитной волны, v - скорость электромагнитной волны, и определении области компенсации магнитного поля протяженностью Δl.

На Фиг. 1, 2 схематически представлены устройства для реализации предлагаемого способа. На Фиг. 3 схематически представлены падающий (U_пад) и отраженный (U_отр) импульсы напряжения, распространяющиеся во времени. На Фиг. 4 представлен результат эксперимента в коаксиальном кольце при отсутствии магнитной компоненты. На Фиг. 5, 6 представлены вольтамперные характеристики (ВАХ) образцов исследуемого вещества, помещенного в точку компенсации магнитного поля: сопротивлений типа УЛМ и МЛТ соответственно.

На Фиг. 1 обозначено:

коаксиальный симметричный разветвитель, представляющий точку фиксации 1, где происходит разделение электромагнитной волны;

длина отрезков коаксиальной линии L₁ и L₂;

2L₁=2L₂=vt₁=vt₂, где v - скорость электромагнитной волны, t_1,2 - время двойного прохождения отрезка коаксиальной линии L_1,2;

точка компенсации с нулевым магнитным полем (2);

коаксиальная область (3), где помещается образец исследуемого вещества;

область (4) продольного сканирования Δl образца исследуемого вещества.

На Фиг. 2 обозначено:

направление (x) продольного сканирования образца исследуемого вещества в первой коаксиальной линии;

направление (у) продольного сканирования образца исследуемого вещества во второй коаксиальной линии.

На Фиг. 3 обозначено:

падающий (U_пад) и отраженный (U_отр) импульсы напряжения;

v - скорость электромагнитной волны;

длина отрезка коаксиальной линии L;

время прохода отрезка пути длиной 2L, Δt=2L/v.

волновое сопротивление коаксиальной линии р.

На Фиг. 4 обозначено:

амплитуда импульса напряжения, соответствующего магнитной компоненте (U_H);

амплитуда входного (падающего) импульса напряжения (U_пад).

На Фиг. 5 обозначено:

ток через исследуемый образец I;

напряжение на исследуемом образце U.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Разделяют электромагнитную волну в коаксиальной линии на две симметричные составляющие, фиксируют начальную точку пространства (точка фиксации), где осуществляют разделение электромагнитной волны путем включения в коаксиальную линию симметричного разветвителя, тем самым создают условия распространения составляющих волны навстречу друг другу в коаксиальной линии и/или в n=2, 3 … коаксиальных линиях, расположенных в плоскостях под углом друг к другу, устанавливают амплитуду и длительность встречных волн одинаковыми за равные промежутки времени, определяют точку n-коаксиальной линии, где компенсируется магнитное поле (точка компенсации), сдвигают точку фиксации для каждой коаксиальной линии, где осуществляют разделение волны, на величину Δl, удовлетворяющую критерию Δl>vΔt, где Δt - длительность импульса электромагнитной волны, v - скорость электромагнитной волны. При этом точка компенсации магнитной составляющей поля сдвигается, осуществляется продольное сканирование области коаксиальной линии. Помещают образец исследуемого вещества в точку компенсации для n-коаксиальной линии и осуществляют операцию сканирования области образца исследуемого вещества, сдвигая точку компенсации каждой коаксиальной линии. Компенсация магнитной составляющей поля определяется по отсутствию сигнала магнитной составляющей с магнитной петли связи.

Электромагнитный импульс от генератора (на чертежах не показан) подается на вход коаксиального симметричного разветвителя 1, представляющего точку фиксации для одной коаксиальной линии (Фиг. 1), или для n=2, 3 … коаксиальных линий (на Фиг. 2 показано две коаксиальные линии). Прошедшие через разветвитель симметричные импульсы противоположного направления компенсируют магнитную составляющую электромагнитной волны в точке компенсации 2 коаксиального кольца, а также в коаксиальной области 3 (точка и область компенсации 4 для случая n=2 на Фиг. 2 выделены черным цветом). Отраженная составляющая электрической компоненты U_E электромагнитной волны (U_отр) регистрируется после обратного прохода разветвителя 1 детектором (на чертежах не показан). Магнитная компонента U_H регистрируется петлей связи, помещенной в точку компенсации 2 коаксиальной линии таким образом, чтобы плоскость петли пересекала магнитную компоненту поля.

Пример реализации

В качестве источника электромагнитных волн использовался наносекундный генератор импульсов напряжения на основе ртутного реле длительностью 2 нс и частотой повторения 100 Гц. Измерительная схема соответствовала методике измерения наносекундных вольтамперных характеристик по регистрации напряжения падающего (U_пад) и отраженного (U_отр) сигнала (Jantsch W., Heinrich Н. // Rev. Sci. Instr. 1970. V. 41. 228-230).

Регистрация напряжения U_пад и U_отр электромагнитной волны осуществлялась стробоскопическим осциллографом C7-8.

На Фиг. 4 (о - кривая) представлен результат измерения зависимости амплитуды напряжения, соответствующей магнитной компоненте электромагнитной волны U_H от величины падающего напряжения U_пад. Регистрация U_H осуществлялась при помощи петли связи для магнитной составляющей. Эксперимент соответствует схеме для случая n=1, представленной на Фиг. 3, когда существуют электрическая и магнитная компоненты электромагнитной волны в отрезке коаксиальной линии, закороченной на длинном конце. На Фиг. 4 (□ - кривая) представлен результат эксперимента в коаксиальном кольце при отсутствии магнитной компоненты (эксперимент соответствует схеме с кольцом, представленной на Фиг. 3).

На Фиг. 5, 6 для сравнения представлены ВАХ поведения электрической компоненты электромагнитной волны. Проведены эксперименты без компенсации магнитной компоненты, и по схеме для компенсации в коаксиальном кольце с образцами, помещенными в точку компенсации (Фиг. 3). Образцы имеют вид цилиндра, с диаметром не более диаметра коаксиальной линии. В качестве образцов использовались два типа сопротивлений - сопротивление типа УЛМ и сопротивление типа МЛТ. Для случая, когда компенсируется магнитная составляющая (кривые на Фиг. 5, 6 обозначены (), наблюдается изменение зависимостей ВАХ для сопротивлений типа УЛМ. Такое поведение характерно для эффекта поперечного магнитосопротивления углеродных тонкопленочных материалов (Демишев С. В., Пронин А.А. ФТТ, т. 48, вып. 7.2006, с. 1285-1294). Для металлодиэлектрических тонкопленочных сопротивлений МЛТ, где эффект магнитосопротивления не наблюдается, ВАХ не изменяются при компенсации магнитной составляющей (Фиг. 6).

Таким образом, предлагаемый способ компенсации магнитного поля коаксиальной линии позволяет достигнуть полной компенсации магнитной составляющей электромагнитной волны в коаксиальной линии, что дает возможность повысить эффективность защиты входов радиоэлектронного оборудования от внешних переменных магнитных полей. Предлагаемый способ решает задачу проведения электрофизических исследований при пространственном сканировании исследуемых образцов в условиях компенсации магнитной составляющей электромагнитных волн в области высоких и сверхвысоких частот. Это дает возможность повысить информативность поведения исследуемых образцов при взаимодействии с электромагнитными полями.

Техническим результатом, который обеспечивается только совокупностью всех существенных признаков, является повышение эффективности защиты входов радиоэлектронного оборудования от внешних переменных магнитных полей за счет полной компенсации магнитной составляющей электромагнитной волны.

1. Способ компенсации магнитного поля коаксиальной линии, включающий процесс преобразования электромагнитной энергии в излучение электромагнитной волны с компенсацией магнитной составляющей, отличающийся тем, что компенсацию осуществляют путем разделения электромагнитной волны на две симметричные составляющие, создают условия распространения составляющих волны навстречу друг другу, фиксируют начальную точку разделения упомянутой электромагнитной волны, устанавливают амплитуду и длительность встречных волн одинаковыми за равные промежутки времени и определяют точку компенсации магнитного поля по отсутствию сигнала магнитной составляющей в коаксиальной линии.

2. Способ компенсации магнитного поля коаксиальной линии по п. 1, отличающийся тем, что сдвигают точку разделения электромагнитной волны на величину Δl>vΔt, где Δt - длительность импульса электромагнитной волны, v - скорость электромагнитной волны, и определяют область компенсации магнитного поля протяженностью Δl.

3. Способ компенсации магнитного поля коаксиальной линии по п. 1 или 2, отличающийся тем, что компенсацию осуществляют путем разделения электромагнитной волны на 2n симметричных составляющих таким образом, чтобы положение каждой пары симметричных составляющих задавало область компенсации магнитного поля.

4. Способ компенсации магнитного поля коаксиальной линии по п. 1, или 2, или 3 отличающийся тем, что осуществляют разделение электромагнитной волны путем включения в n-коаксиальную линию симметричного разветвителя.