CZ305165B6 - Senzor pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů - Google Patents

Abstract

Senzor pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu tvoří přechodový prvek (8) a nosič (6) s ním spojený, na povrchu opatřený první elektrodou (51) a druhou elektrodou (5), které jsou vzájemně propojeny rezistivním materiálem (3). Druhá elektroda je spojena s tvarovací elektrodou (4). Obě elektrody jsou umístěny na povrchu nosiče (6), na nějž navazuje tlumicí prvek (7).

Description

Vynález se týká senzoru pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu.

Dosavadní stav techniky

V současné době se signály produkované elektromagnetickými zdroji měří senzory či anténami, které mají úzké nebo omezené pásmo detekce signálů nebo jsou značně závislé na frekvenci. Senzory nebo antény, které jsou součástí zařízení, jsou omezeny v přetížení na vstupu vysokými neočekávanými hodnotami složek elektromagnetického pole. Takovéto vysoké hodnoty měřených signálů mohou zničit zařízení za senzorem, které vyhodnocuje a kvantifikuje měřený signál. Nevýhodou současných detekčních systémů je jejich nelineární charakter a závislost na frekvenci. Častým případem je, že tyto systémy vůbec nejsou schopny detekovat velmi úzký intenzivní osamocený elektromagnetický impulz. Jedná se například o konstrukce hřebenových antén, fraktálních antén ve spojení s citlivou elektronikou, bolometry. Stávající řešení senzoru je realizováno anténou, jak v diskrétní, tak integrované podobě vyhodnocovací elektronikou a výstupním zařízením. Anténa detekuje složky elektrického nebo magnetického pole elektromagnetické vlny, přičemž není schopna být impedančně přizpůsobena ve velmi vysokém rozsahu frekvenčního spektra. To je příčinou nelineárního charakteru výstupní charakteristiky antény. Elektronika na výstupu antény zpracuje signál do požadovaného tvaru na výstup senzoru. Je znám optický vláknový senzor určený pro měření magnetických polí o vysoké frekvenci a elektrických polí, který je popsán v patentové přihlášce PV 1988 - 7068. Senzor v tomto provedení tvoří sériové zapojení smyčkové antény, kondenzátorů a detekční elektroluminiscenční systém s výstupem na optický kabel. Luminiscenční dioda je polarizovaná v přímém směru napětím z fotobaterie osvětlované napájecím optickým kabelem. Elektroluminiscenční dioda a fotobaterie jsou navzájem vysokofrekvenčně odděleny tlumivkou. Intenzita světla dopadajícího na fotobaterie řídí citlivost senzoru. Jeho nevýhodou je možnost zničení vyšším výkonem elektromagnetického impulzu, úzkopásmového provedení detekční antény a tedy citlivost pouze k omezeným frekvenčním spektrům signálů. Ostatní senzory jsou založeny na detekčním systému pomocí úzko nebo širokopásmových antén nedokáží měřit ve velmi širokém pásmu anebo mají výstupní charakteristiku velmi závislou na frekvenčním spektru detekovaného signálu. Specifickým problémem v oblasti elektromagnetické kompatibility (EMC) je měření vyzařování (rušení) elektromagnetických zdrojů ve volném prostoru. Předmětem zájmu měření je vyzařování ve frekvenčním rozsahu od jednotek kHz do desítek GHz. Měřicí zařízení sestává z měřicího přijímače a senzoru. Měřicí přijímač zprostředkovává měření bud’ v časové, nebo v kmitočtové oblasti. Klíčovým prvkem je senzor představovaný anténou pro příjem elektromagnetických vln. Typ a provedení měřicí antény je dáno složením frekvenčního spektra měřeného vyzařování a také jeho výkonovou úrovní. Antény jsou určeny pro měření zdrojů ve vzdálené oblasti. Zde se již neprojevují vlnové jevy a nedochází ke kapacitní vazbě zdroje vyzařování a měřicí antény. Jako hranice vzdálené zóny je obecně považována jedna šestina vlnové délky vyzařované elektromagnetické vlny. Pro/=10 MHz je hranice vzdálené zóny d_NZ = 5 m. Pro měření na frekvencích pod 10 MHz, kde je hranice velmi vzdálená, je obvykle aplikováno měření zvlášť elektrické a magnetické složky v blízkém poli. Jsou zde používány rámové antény pro měření magnetické složky. Anténa je realizována jako smyčka pro měření změny magnetického indukčního toku. Pro měření elektrické složky jsou používány tyčové antény s doporučenou délkou /= 1 m. Nicméně použití těchto antén způsobuje velké nepřesnosti z důvodu projevu vlnových jevů a kapacitní vazby zdroje a antény. Pro měření v kmitočtovém rozsahu <30 MHz; 1 GHz> jsou používány laděné dipóly. Pro praktické měření jsou vhodné dva typy dipólů, rezonanční dipól a půlvlnný dipól. Rezonanční dipól je konstruován s fyzickou délkou o málo menší, než je polovina vlnové délky přijímané vlny z důvodu potlačení reaktivní části impedance antény. Impedance půlvlnného dipólu vykazuje rezistivní i reaktivní

-1 CZ 305165 B6 složku. Nevýhodou laděného dipólu je použitelnost na jedné frekvenci, kde dosahuje maximální citlivosti. Jednoduchá konstrukce umožňuje analýzu dipólu a možnost kalkulace odezvy pro zvolenou úroveň přijímaného signálu. Je proto často používán jako standardní převodník pro kalibraci měřicích antén. V tomto případě je kalibrace omezena na měření na několika frekvencích daných délkou použitých ramen. Důležitou vlastností je polarizační citlivost laděného dipólu. Dipól je určen pro příjem lineární polarizace. Impedance laděného dipólu je ovlivňována vzájemnými vazbami se zemí a s vodivými plochami. Jev je zvláště výrazný při vzájemné vzdálenosti menší, než je délka vlny, pro kterou je dipól konstruován. Pro širokopásmové měření v rozsahu kmitočtů <30 MHz; 300 MHz> je používáno širokopásmového dipólu v provedení bikónické antény. Taje realizována prostřednictvím dvou kónických ramen se společnou osou. Speciálním případem je anténa diskónická, jejíž asymptomy kónusů svírají úhel 180°. Bikónická anténa má napáječ připojen v oblasti průsečíku asymptot povrch kónusů, podobně jako laděný dipól. Bikónická anténa nahrazuje laděný dipól v širokém rozsahu frekvencí, což umožňuje spojité měření přijímaného kmitočtu a redukuje časovou náročnost měření. Stejně jako laděný dipól bikónická anténa přijímá elektrickou složku vlny s lineární polarizací. Je proto nutné je vhodně polohově nastavit vzhledem k polarizaci měřeného elektromagnetického vyzařování. Oproti laděnému dipólu vykazuje bikónická anténa menší závislost změny impedance na vzdálenosti od vodivých struktur v okolí. Speciální aplikací laděného dipólu je logaritmicko-periodická anténa. Skládá se z řady fázově napájených unipólů laděných na specifickou vlnovou délku. Vzdálenosti a délky sousedních prvků jsou dány fixním poměrem podílu logaritmů rezonančních kmitočtů prvků. Použití logaritmicko-periodické antény leží v kmitočtovém rozsahu <200 MHz; 1000 MHz>, což je určeno realizovatelnými rozměry dílčích dipólů. Pro optimální vlastnosti je nutné anténu vhodně orientovat vůči lineární polarizaci vlny, pro níž je anténa určena. Pro měření v kmitočtovém rozsahu <200 MHz; 2 GHz> je použitelná kónická logaritmická (spirálová) anténa. Anténa je určena pro detekci kruhově polarizovaných elektromagnetických vln. Anténa typu Bilog je kombinací antény bikónické a logaritmicko-periodické. Umožňuje pokrýt spektrum v rozsahu <30 MHz; 1 GHz>. Nutnost vzájemného přizpůsobení obou struktur (bikónické a logaritmicko-periodické) způsobuje konstrukční provedení velkých rozměrů antény typu Bilog. Anténa je dále realizována v mnoha modifikacích redukujících rozměry, ale i kmitočtový rozsah. Jsou konstruovány i modifikace pro pokrytí kmitočtového rozsahu <20 MHz; 2 GHz>. Význačnou vlastností je opět polarizační závislost citlivosti. Stejně jako obě dílčí struktury je anténa jako celek určena pro příjem vertikální polarizace. Anténa typu Bilog je v současnosti průmyslovým standardem pro certifikaci zařízení v oblasti EMC. Pro měření elektromagnetického vyzařování s kmitočtem nad 1 GHz je možné užít trychtýřovou anténu typu Hom určenou pro připojení k vlnovodům. Homova anténa má úzkou směrovou charakteristiku umožňující měření zdroje vyzařování bez vlivu okolních zdrojů. Šířka hlavního laloku antény je v rozsahu 30 až 45°. Úzká směrová charakteristika zajišťuje také velký zisk antény. Ten činí v kmitočtovém rozsahu <1 GHz; 40 GHz> 10 až 30 dB. Trychtýřové antény jsou v současnosti jediným praktickým prostředkem pro měření EMC v oblasti <4 GHz; 100 GHz>. Planámích mikrovlnných antén není v současnosti používáno pro měření specifikací EMC. Planámí mikrovlnné antény jsou urěeny pro aplikaci v kmitočtové oblasti jednotek až desítek GHz a jsou relativně úzkopásmové. Antény jsou pro měřicí účely připojovány k měřicím přijímačům. Přelaďováním přijímače lze získat informaci o kmitočtovém složení přijímaného spektra. Důležitým omezením je nutnost statického resp. periodického charakteru elektromagnetického vyzařování pro potřebu záznamu při přelaďování přijímače. Aplikace jednorázového záznamu v časové oblasti je problematická z důvodu omezené citlivosti měřicích antén a je teoreticky možná pouze pro vysoce výkonné zdroje. Dalším omezením při měření jednorázových dějů je nutnost znalosti vyzařovací charakteristiky zdroje a polarizace elektromagnetického vyzařování. Důvodem je směrovost charakteristik měřicích antén a jejich citlivost na lineární polarizaci.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je navržení konstrukce senzoru na bázi transformace složek elektromagnetické vlny takového charakteru, že umožní převedení složky intenzity elektrického pole volně šířené

-2CZ 305165 B6 elektromagnetické vlny na podélnou vlnu elektromagnetickou bez výrazné nelineární závislosti intenzity elektrického pole E na okamžiku a rychlosti šíření vlny.

Výše uvedeného cíle je dosaženo a výše popsané nevýhody odstraněny senzorem pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu, jehož podstata spočívá v tom, že jej tvoří přechodový prvek a nosič s ním spojený, na povrchu opatřený první elektrodou a druhou elektrodou, které jsou vzájemně propojeny rezistivním materiálem, přičemž druhá elektroda je spojena s tvarovací elektrodou, kde obě tyto elektrody jsou umístěny na povrchu nosiče, na nějž navazuje tlumicí prvek.

Je výhodné, když druhá elektroda a první elektroda a tvarovací elektroda i přechodový prvek jsou vůči sobě uspořádány soustředně.

Pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu v otevřeném prostoru je výhodné, má-li přechodový prvek tvar komolého kužele. Tímto uspořádáním se dosáhne rovnoměrné změny šířící se elektromagnetické vlny na vlnu podélně elektromagnetickou (TEM), přičemž dojde k minimálnímu odrazu elektromagnetické vlny a její šíření zpět ke zdroji původní elektromagnetické vlny.

Hlavní výhodou navrhovaného senzoru je jeho jednoduchá a snadná konstrukce, snadná modifikovatelnost na velký rozsah parametrů frekvence, nízká cena výroby. Toho se dosáhne takovým geometrickým uspořádáním elektrod a rezistivního prvku, při kterém nedochází ve velkém rozsahu vstupních intenzit signálů ajejich šířce spektra k popsaným negativním jevům. Odpadá problém s výraznou frekvenční závislostí detekovaného signálu na frekvenčním spektru elektromagnetického impulzu snímaného navrhovaným senzorem. Senzor je ve výrazně širším intervalu více přetížitelný, než je tomu u aplikace s anténami. U tohoto konstrukčního uspořádání nedochází snadno ke zničení, jak senzoru, tak vyhodnocovací elektroniky v porovnání s dosud známými senzory. Odpadá komplikovaná korekce údajů senzoru způsobených frekvenčně závislých výsledků, jak je obvyklé u dosud užívaných a používaných senzorů.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu bude osvětlena pomocí výkresů, kde obr. 1 znázorňuje základní konfiguraci senzoru, obr. 2 znázorňuje příkladné provedení senzoru pro uzavřený prostor šíření signálu, konfigurace senzoru na obr. 3 znázorňuje příkladné provedení senzoru pro otevřený prostor šíření signálu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Princip konstrukce senzoru pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu bude dále objasněn, nikoliv však omezen v následujících příkladech.

Konstrukce senzoru podle tohoto vynálezu spočívá v návrhu optimální konfigurace první elektrody 51 a druhé elektrody 5 i rezistivního prvku 3, který bude málo závislý na frekvenci dopadající elektromagnetické vlny X, v podobě krátkého osamoceného elektromagnetického impulzu elektromagnetické vlny, a teplotě t okolního prostředí.

Základní provedení senzoru je znázorněno na obr. 1. Senzor v tomto provedení zahrnuje první elektrodu 51 a druhou elektrodu 5, jež jsou vzájemně propojeny pomocí rezistivního prvku 3 vykazující měrnou vodivost od 1 mSm“¹ do 1 kSm“'. Na kterékoliv místo rezistivního prvku 3 dopadá elektromagnetická vlna i a nebo elektromagnetické vlny. Rezistivní prvek 3 se aktivuje v místě 2 dopadu elektromagnetické vlny i.

-3 CZ 305165 B6

Příkladné provedení senzoru pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu v uzavřeném prostoru je znázorněno na obr. 2. Senzor v tomto provedení sestává z nosiče 6 senzoru, přechodového prvku 8 ve tvaru válce a rezistivního prvku 3, například ve tvaru plátku. Senzor dále tvoří první elektroda 51 a druhá elektroda 5 a tvarovací elektroda 4, které jsou vzájemně propojeny pomocí rezistivního prvku 3. Přitom všechny výše jmenované elektrody mají v příčném řezu tvar kružnice. Druhá elektroda 5 i první elektroda 51 jsou vůči sobě soustředně uspořádány a jsou umístěny na povrchu rezistivního prvku 3, jenž tvoří rezistivní materiál o měrné vodivosti 1 mS/m až 100 S/m. Dále je na druhé elektrodě 5 uspořádána tvarovací elektroda 4, která je s touto elektrodou spojena, přičemž v tomto případě jsou obě tyto elektrody umístěny ve středu nosiče 6, na který navazuje tlumicí prvek 7.

Další příkladné provedení senzoru pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu v otevřeném prostoru je znázorněno na obr. 3. Senzor v tomto provedení sestává z těla 6 senzoru, jenž je tvořeno přechodovým prvkem 8 ve tvaru komolého kužele, rezistivním prvkem 3, například ve tvaru plátku. Senzor dále tvoří první elektroda 51, druhá elektroda 5 a tvarovací elektroda 4, které jsou vzájemně spojeny pomocí rezistivního prvku 3. Druhá elektroda 5 i první elektroda 51 jsou vůči sobě soustředně uspořádány a jsou umístěny na povrchu nosiče 6. Dále je na druhé elektrodě 5 upravena tvarovací elektroda 4, jež je s druhou elektrodou 5 spojena, přičemž, jak druhá elektroda 5, tak tvarovací elektroda 4 jsou uspořádány ve středu nosiče 6, na který navazuje tlumicí prvek 7.

Přitom v obou výše popisovaných provedeních senzoru může přechodový prvek 8 s výhodou tvořit tvarovaná elektroda či anténa.

Funkce senzoru pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu je následující. Elektromagnetická vlna i se šíří prostorem a dopadne do oblasti druhé elektrody 5 a tvarovací elektrody 4. V místě dopadu 2 elektromagnetického impulzu dojde v této oblasti ke změně charakteru elektromagnetické vlny, které se mění z transversálně elektrické TE nebo transverzálně magnetické TM na transversálně elektromagnetickou TEM pomocí tvarovací elektrody 4. Vlna TEM se přivede přes druhou elektrodu 5 a rezistivní prvek 3 na první elektrodu 5J_. Na první elektrodě 51 i druhé elektrodě 5 lze v každém časovém okamžiku detekovat odpovídající hodnotu elektrického napětí U. Velikost napětí U je úměrná výkonu elektromagnetické vlny I podle výrazu

kde P je výkon dopadající elektromagnetické vlny v podobě krátkého osamoceného impulzu elektromagnetické vlny, R je velikost odporu rezistivního prvku 3 měřeného mezi první elektrodou 51 a druhou elektrodou 5.

Tvarovací elektroda 4 mění charakter podélné elektrické nebo magnetické vlny na podélnou elektromagnetickou, a to tak, že vzhledem k šíření a rozložení elektromagnetické vlny nastavuje takové okrajové podmínky, při nichž se mění vlna na podélně elektromagnetickou. Postupná změna charakteru elektromagnetické vlny je žádoucí, aby nedocházelo k afektu odražené vlny, která se šíří zpět ke zdroji elektromagnetického impulzu a tak ke vzniku výsledné stojaté elektromagnetické vlny. Snížila by se tak citlivost a frekvenční nezávislost výstupního signálu senzoru.

-4CZ 305165 B6

Průmyslová využitelnost

Průmyslová využitelnost popsaného senzoru je v detekci extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů, které jsou šířeny za účelem rušení, poškození nebo zničení elektronických zařízení, snížení jejich funkce nebo snížení jejich životnosti, snížení spolehlivosti, ohrožení techniky nebo života lidí. Tímto detektorem lze bezpečně detekovat osamocený nebo opakující se elektromagnetický impulz s výkonem v místě dopadu od 1 W do 10 GW v závislosti na provedení rezistivního prvku. Je více odolný proti poškození snímaným elektromagnetickým impulzem než jiné řešení senzoru, například s aplikací antény a elektroniky.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (5)

1. Senzor pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu, vyznačující se tím, že jej tvoří přechodový prvek (8) a nosič (6) s ním spojený, na povrchu opatřený první elektrodou (51) a druhou elektrodou (5), které jsou vzájemně propojeny rezistivním materiálem (3), přičemž druhá elektroda je spojena s tvarovací elektrodou (4), kde obě tyto elektrody jsou umístěny na povrchu nosiče (6), na nějž navazuje tlumicí prvek (7).

2. Senzor pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu, podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhá elektroda (5) a první elektroda (51) a tvarovací elektroda (4) i přechodový prvek (8) jsou vůči sobě uspořádány soustředně.

3. Senzor pro měřeni extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu, podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že přechodový prvek (8) má tvar válce nebo komolého kužele.

4. Senzor pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu, podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosič (6) má tvar plátku, na kterém je uspořádána tenká vrstva rezistivního materiálu (3) o tloušťce od 1 nm do 5 mm.

5. Senzor pro měření extrémně krátkých osamocených elektromagnetických impulzů vyzářeného elektromagnetického výkonu, podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosič (6), tlumicí prvek (7), první elektroda (51), druhá elektroda (5) a tvarovací elektroda (4) vykazují v příčném řezu tvar kružnice, nebo oválu, nebo elipsy a nebo zaobleného čtyřúhelníku.