CC BY
127
ПАВЛОВ1 Григорий Львович, кандидат технических наук
устройство обнаружения
сверхкоротких импульсов
Рассмотрены, вопросы, детектирования, и обнаружения сверхкоротких импульсов в системах охраны, в условиях сложной электромагнитной обстановки. Приведены, варианты, макетных образцов детекторов основного и помехового каналов устройства обнаружения. Приведены, основные технические требования, к построению входных трактов устройства обнаружения, сверхкоротких импульсов.
Ключевые слова: сверхкороткие импульсы,, активные помехи, детектор.
Problems of detecting and detection of supershort impulses in protection systems in the conditions of difficult electromagnetic situation are considered. Variants of detectors of the main and jamming channels of device of detection are given. The main technical requirements to creation of entrance paths of the device of detection of supershort impulses are shown.. Keywords: supershort impulses, active jamming, detector.
Значительное расширение условий применения современных систем генерации сверхкоротких импульсов (СКИ) и их использование в качестве систем активного противодействия системам охраны [1] делает актуальным создание обнаружителей, которые обеспечивают:
♦ своевременное обнаружение функционирующих в охраняемой зоне средств электромагнитного подавления системы физической защиты объекта;
♦ функционирование в условиях электромагнитных излучений различного происхождения, формирующихся при функционировании охраняемых объектов и преднамеренно инициируемых нарушителями в целях изменения штатного порядка функционирования объекта и системы его физической защиты.
Обнаружитель должен обеспечивать работу круглосуточно и всепогодно в непрерывном режиме. Типовыми характеристиками обнаружения являются:
♦ обнаружение с вероятностью не менее 0,95 преднамеренных электромагнитных воздействий в виде последовательности СКИ-сигналов с длительностью первого полупериода импульсов 0,1...1 нс, частотой максимума спектральной плотности сигнала 0,2.3 ГГц, частотой повторения импульсов — от одиночного импульса до 1 кГц и напряженности электрического поля более 0,01 кВ/м;
♦ обнаружение с вероятностью не менее 0,95 преднамеренных электромагнитных воздействий в виде последовательности СКИ-сигналов с длительностью импульсов 2.5 нс, частотой максимума спектральной
плотности сигнала 0,1.1 ГГц, частотой повторения импульсов от одиночного импульса до 1 кГц и напряженности электрического поля более 0,01 кВ/м.
При этом обнаружитель должен устойчиво функционировать при воздействии:
♦ последовательности СКИ-сигна-лов длительностью 0,1.1 нс, частотой максимума спектральной плотности сигнала 0,2.3 ГГц, частотой повторения импульсов до 1 кГц и напряженностью электрического поля до 25 кВ/м;
♦ последовательности СКИ-сигналов с длительностью импульсов 2.5 нс, частотой максимума спектральной плотности сигнала 0,1. 1 ГГц, частотой повторения импульсов до 1 кГц и напряженностью электрического поля до 120 кВ/м;
— МГТУ им. Н.Э. Баумана, доцент
ДК
Канал помехи
Антенна канала помехи Фильтр НЧ 0...30 МГц
Детектор помехи
МК1
Антенна основная
Защитное устройство
Фильтр ВЧ 300...3000 МГц
Детектор ВЧ ч МК2
Сигнал
Реле тревога
Канал сигнала
Рис. 1. Функциональная схема устройства обнаружения
♦ последовательности СВЧ-импуль-сов длительностью 0,3...30 мкс, с несущей частотой в диапазоне 0,3.3 ГГц, частотой повторения импульсов до 1 кГц и импульсной плотностью потока энергии до 10 Вт/см2 для несущей частоты 0,3.0,5 ГГц, до 40 Вт/см2 для несущей частоты 0,5.1 ГГц, до 400 Вт/см2 для несущей частоты 1.3 ГГц;
♦ грозовых электромагнитных воздействиях.
Устройство обнаружения (УО) для удовлетворения всем перечисленным требованиям содержит в своем составе два канала: основной и помеховый. Основной канал приема обеспечивает детектирование СКИ и формирование сигнала «Тревога» при его обнаружении, помеховый обеспечивает отсутствии ложных тревог при грозовых электромагнитных воздействиях. Функциональная схема УО приведена на рис. 1. Антенна канала помехи всенаправлен-ная и представляет собой низкоэффективный штырь с регулируемой длиной, в зависимости от места установки. Основная антенна выполнена направленной, поскольку УО должно функционировать в условиях работы имеющихся радиотехнических средств на объекте и не формировать ложных обнаружений при их работе. Первоначально в качестве антенны была использована П6-68, однако испытания показали, что ее электрическая прочность в условиях эксплуатации
недостаточна. В результате была спроектирована и изготовлена короткоза-мкнутая логопериодическая антенна с требуемой электрической прочностью. Полоса пропускания антенны от 300 МГц до 3 ГГц.
Фильтр канала помехи формирует полосу от нуля до 30 МГц, что соответствует спектру молниевого разряда, и представляет собой эллиптический LC-фильтр 11-го порядка. Фильтр основного канала приема имеет полосу от 300 МГц до 3 ГГц и представляет собой LC эллиптический фильтр 9-го порядка. Детектор помехового канала выполнен по схеме согласованного амплитудного детектора. Сигнал на его выходе формируется при электромагнитном воздействии молниевого разряда. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера МК1, который формирует сигнал блокировки для МК2 во избежание ложной тревоги при грозе. Детектор основного канала должен обеспечивать основные характеристики обнаружения устройства в целом. Рассматривались несколько схемных вариантов построения детекторов и типов используемых диодов. В частности рассматривалась схема с входным согласованием резистором, схема с последиодным согласующим резистором и вариант рассогласованного детектора. Кроме того, рассматривались несколько вариантов выходного фильтра. Моделирование детектора выполнялось в пакете Micro-Cap и OrCAD.
Моделирование показало, что схема с входным согласованием резистором имеет худшие характеристики по коэффициенту передачи и длительности сигнала на выходе фильтра нижних частот.
Для макетирования были выбраны схемы с согласованием по входу и рассогласованный детектор. В качестве детекторных диодов были выбраны Д602А и АА204А-6. Эти диоды среди выпускаемых отечественной электронной промышленностью на сегодняшний день имеют максимальную импульсную падающую мощность. С точки зрения конструктивного построения, диод АА204А-6 более предпочтителен, поскольку выполнен в габаритах, позволяющих разместить его непосредственно на плате. Диод Д602А предназначен для монтажа в коаксиальные конструкции, однако допускает монтаж на плату с использованием дополнительных конструктивных элементов.
В ходе макетирования был создан ряд образцов, с которыми проводились лабораторные испытания. Конструктивно макетный образец детектора представляет собой плату с размещенным на ней диодом, конденсатор фильтра нижних частот и присоединительные разъемы типа III 7/3,05. Внешний вид макетных образцов детекторов приведен на рис. 2.
Первый макет построен по схеме с согласованием по входу, с использовани-
Рис. 2. Внешний вид макетных образцов
ем диода Д602А, третий макет также по схеме с согласованием по входу, но на диоде АА204А-6. Второй макет построен на диоде Д602А с рассогласованным выходом. В ходе макетирования, отладки и лабораторных испытаний в отличие от расчетных значений была использована емкость фильтра 470 пФ. Как показали лабораторные испытания, такой выбор схемы и элементов позволяет получить необходимые характеристики амплитуд и длительности.
Проведенные лабораторные испытания показали, что в наибольшей сте-
пени требованиям по последетектор-ной длине импульса и его амплитуде удовлетворяет схема с рассогласованным детектором по выходу. При этом тип диода не критичен. Дополнительно проведенные испытания во ВНИ-ИОФИ показали, что требованиям чувствительности и прочности в наибольшей степени удовлетворяет диод Д602А с емкостью фильтра 470 пФ. Увеличение емкости на выходе детектора обусловлено необходимостью увеличения длительности последе-текторного импульса для уверенного
срабатывания компаратора микроконтроллера МК2.
Дальнейшие испытания на устойчивость в Физико-техническом институте МО РФ показали необходимость установки защитного устройства в виде ограничителя на входе сигнального канала. В результате снизилась чувствительность устройства, но УО удовлетворяет требованиям устойчивости к воздействиям ЭМП большой интенсивности. С выхода детектора сигнал поступает на вход компаратора, встроенного в микроконтроллер. Опорный (пороговый) уровень компаратора может быть задан, как от программируемого источника опорного напряжения, встроенного в микроконтроллер, так и с помощью резистивного делителя. Применение микроконтроллера позволило существенно сократить стоимость и надежность изделия в целом. Таким образом, предложен и реализован вариант построения обнаружителя СКИ для средств охраны, способный работать в условиях сложной электромагнитной обстановки. Статья, опубликована в рамках выполнения. государственного задания, на НИР в 2013 г. по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту № 7.2583.2011 «Исследование систем, сверхкороткоимпульсной локации бортовых автономных информационных и управляющих систем»
Литература
1. Подосенов С.А., Соколов А.А. Излучение и измерение импульсных электромагнитных полей. — М.: Компания «Спутник+», 2000. — 249с.: илл.
2. Полупроводниковые приборы.. Сверхвысокочастотные диоды.. Справочник/ Б.А. Наливайко, А.С. Берлин, В.Г. Божков и др./ Под ред. Б.А. Наливайко. — Томск: МГП «РАСКО», 1992. — 223 с.: илл.
