The Use of Coplanar Transmission Lines for Protecting Receiving Antenna Systems from Powerful Electromagnetic Radiation in a Wide Frequency Range

Abstract

Метою роботи є розширення частотного діапазону функціонування компланарних смужкових ліній передачі, як широкосмугових швидкодіючих надпровідних пристроїв захисту від потужного електромагнітного випромінювання ультракороткої тривалості, та застосовуваних в антенних пристроях радіоелектронних систем, призначених для забезпечення надійного функціонування об'єктів критичної інфраструктури, насамперед таких як атомні електростанції, нафтогазопереробні підприємства, нафтові термінали, аеропорти, склади готової продукції, військові арсенали. Поставлена мета досягається за рахунок вирішення наступних завдань: дослідження електрофізичних властивостей компланарної лінії передач, зокрема, ємності, поверхневого та хвильового опорів у різних фазових станах, що виникають під впливом потужного електромагнітного випромінювання та визначення основних факторів забезпечення ефективного захисту у широкому частотному діапазоні, конструктивної розробки пристрої захисту. Найбільш важливим результатом є встановлення можливості застосування компланарної лінії передачі як пристрої захисту у широкому частотному діапазоні до 100 ГГц, а також встановлення залежності її основних характеристик від конструктивних параметрів надпровідного пристрою захисту. Значимість отриманих результатів полягає у вирішенні складного завдання забезпечення захисту антенних систем від потужного випромінювання ультракороткої тривалості на основі встановлення аналітичного зв'язку між електрофізичними параметрами компланарних полоскових ліній передачі, що знаходяться в різних фазових станах, що визначаються впливом потужного електромагнітного випромінювання, та їх конструктивними параметрами. Особливість отриманих результатів полягає в уточненні залежності хвильового опору компланарних полоскових ліній передачі в надпровідному, змішаному та нормальному фазових станах від зміни їх активної складової поверхневого опору, що визначається своєю чергою конструктивними характеристиками пристрою захисту. Відмінність від відомих робіт полягає в отриманні співвідношень для визначення хвильового опору пристроїв захисту різних фазових станах. Практичне застосування пристроїв захисту на основі компланарних ліній смужкових передачі істотно підвищить надійність функціонування антенних систем в умовах впливу потужного електромагнітного випромінювання ультракороткої тривалості.

The goal of the work is to expand the frequency range of operation of coplanar waveguide transmission lines as broadband high-speed superconducting protection devices against powerful ultrashort electromagnetic radiation, and to apply them in antenna devices of radio electronic systems designed to ensure the reliable operation of critical infrastructure facilities. The aim is achieved by solving the following tasks: investigating the electrophysical properties of coplanar transmission lines, in particular, capacitance, surface and wave resistance in different phase states that arise under the influence of powerful electromagnetic radiation, and determining the main factors for effective protection in a wide frequency range, designing protective devices. The most important result is the establishment of the possibility of using coplanar transmission lines as protection device s in a wide frequency range up to 100 GHz, as well as the establishment of the dependence of their main characteristics on the design parameters of the uperconducting protection device. The significance of the obtained results consists of solving a complex problem of providing protection of antenna systems against powerful ultrashort radiation by establishing an analytical relationship between the electrophysical parameters of coplanar waveguide transmission lines, which are in different phase states determined by the influence of powerful electromagnetic radiation, and their design parameters. The peculiarity of the obtained results is in the clarification of the dependence of the wave resistance of the coplanar waveguide transmission lines in superconducting, mixed, and normal phase states on the change of their active component of surface resistance, determined in turn by the design characteristics of the protective device. The difference from the known works lies in obtaining relationships for determining the wave resistance of protective devices in different phase states.

Целью работы является расширение частотного диапазона функционирования компланарных полосковых линий передачи, как широкополосных быстродействующих сверхпроводящих устройств защиты от мощного электромагнитного излучения ультракороткой длительности, и применяемых в антенных устройствах радиоэлектронных систем, предназначенных для обеспечения надежного функционирования объектов критической инфраструктуры, прежде всего, таких как атомные и тепловые электростанции, нефтегазоперерабатывающие предприятия, нефтяные терминалы, аэропорты, склады готовой продукции, воинские арсеналы. Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач: исследования электрофизических свойств компланарной линии передач, в частности, емкости, поверхностного и волнового сопротивлений в различных фазовых состояниях, возникающих под воздействием мощного электромагнитного излучения и определения основных факторов обеспечения эффективной защиты в широком частотном диапазоне, конструктивной разработки устройства защиты. Наиболее важным результатом является установление возможности применения компланарной линии передачи в качестве устройств защиты в широком частотном диапазоне до 100 ГГц, а также установление зависимости ее основных характеристик от конструктивных параметров сверхпроводящего устройства защиты. Значимость полученных результатов состоит в решении сложной задачи обеспечения защиты антенных систем от мощного излучения ультракороткой длительности на основе установлении аналитической связи между электрофизическим параметрами компланарных полосковых линий передачи, находящихся в разных фазовых состояниях, определяемых воздействием мощного электромагнитного излучения, и их конструктивными параметрами. Особенность полученных результатов заключается в уточнении зависимости волнового сопротивления компланарных полосковых линий передачи в сверхпроводящем, смешанном и нормальном фазовых состояниях от изменения их активной составляющей поверхностного сопротивления, определяемой в свою очередь конструктивными характеристиками устройства защиты. Отличие от известных работ заключается в получении соотношений для определения волнового сопротивления устройств защиты в разных фазовых состояниях. Практическое применение устройств защиты на основе компланарных полосковых линий передачи существенно повысит надежность функционирования антенных систем в условиях воздействия мощного электромагнитного излучения ультракороткой длительности.

Scopul lucrării este extinderea diapazonului frecvențelor de funcționare a liniilor de transmisie coplanare stripline, ca dispozitive de protecție repide cu bandă largă și supraconductoare împotriva radiațiilor electromagnetice de mare putere de durată ultrascurtă și folosite în antenelw sistemelorn radio - electronice utilizate, destinate pentru a asigura funcționarea fiabilă în primul rând a obiectelor infrastructurii critice, precum centrale nucleare și termice, rafinării de petrol și gaze, terminale petroliere, aeroporturi, depozite de produse finite, arsenale militare. Acest obiectiv este atins prin rezolvarea următoarelor probleme: studierea proprietăților electrofizice ale unei linii de transmisie coplanare, în special, capacitatea, rezistența la suprafață și a undei în diferite stări de fază care apar sub influența radiațiilor electromagnetice puternice și determinarea principalelor factori pentru asigurarea unei protecții eficiente într - o gamă largă de frecv ențe, proiectarea dispozitivelor de protecție. Cel mai important rezultat este stabilirea posibilității utilizării unei linii de transmisie coplanare ca dispozitive de protecție într - o gamă largă de frecvențe de până la 100 GHz, precum și stabilirea depend enței principalelor sale caracteristici de parametrii constructivi ai unui dispozitiv de protecție supraconductor. Semnificația rezultatelor obținute constă în rezolvarea problemei complexe a asigurării protecției sistemelor de antene împotriva radiațiilor de mare putere de durată ultrascurtă pe baza stabilirii unei relații analitice între parametrii electrofizici ai liniilor de transmisie coplanare stripline în diferite stări de fază, determinate prin impactul radiațiilor electromagnetice de mare putere ș i al parametrilor constructivi. Particularitatea rezultatelor obținute este precizarea dependenței de rezistență a undelor a liniilor de transmisie, a liniilor de bandă coplanare în stările de fază supraconductoare, mixtă și normală de modificarea component ei lor active a rezistenței de suprafață, care la rândul său este determinată de proiectare caracteristicile dispozitivului de protecție. Diferența față de lucrările binecunoscute este de a obține să se determine rezistența la undă a dispozitivelor de prot ecție în diferite stări de fază.