Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 14(58)

Рубрика журнала: Технические науки

Секция: Электротехника

Скачать книгу(-и): скачать журнал

Библиографическое описание:
Лохов А.К., Беляев И.Д. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫ ЭЛЕКТРОВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ, ИНИЦИИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ СВЧ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2019. № 14(58). URL: https://sibac.info/journal/student/58/137534 (дата обращения: 29.03.2024).

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫ ЭЛЕКТРОВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ, ИНИЦИИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ СВЧ

Лохов Алексей Константинович

студент, кафедра САУиК МИЭТ,

РФ, г. Москва

Беляев Илья Дмитриевич

студент, кафедра САУиК МИЭТ,

РФ, г. Москва

Примененный математический аппарат

Для расчета токов, наведенных в мостике накаливания электровоспламенителя (ЭВ), применяется метод моментов (ММ). Под названием ММ объединен обширный класс методов, применимых к решению самых разнообразных граничных задач. Общим для них является способ сведения граничного интегрального уравнения, вид которого зависит от типа задачи, к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Для этого неизвестная величина (в качестве которой рассматривается ток по поверхности объекта) представляется в виде разложения по системе базисных функций. Подстановка разложения в исходное уравнение и применение к нему процедуры взвешивания, состоящей в вычислении скалярных произведений уравнения с весовыми функциями, приводит к простому матричному уравнению. Данный подход, который может быть применен к любой линейной задаче, носит общее название метода взвешенных невязок или метода моментов [2].

Расчет токов, наведенных внешним электромагнитным полем на поверхности проводящего объекта, осуществляется с использованием интегрального уравнения электрического поля в частотном представлении [1]:

 

,                                          (1)

 

где      w – частота падающего поля;

 

 – векторный магнитный потенциал;

 – скалярный электрический потенциал;

 – токи на поверхности проводника S;

 – радиус-вектор точки пространства;

k=2p/l – волновое число;

 – расстояние между произвольно расположенной точкой наблюдения  и точкой источника  на поверхности проводника S;

 – касательная к S составляющая падающего электрического поля;

ZS – поверхностный импеданс металла;

m, e – параметры окружающей среды;

 – поверхностная дивергенция вектора .

Для численного решения уравнения (1) поверхность объекта аппроксимируется плоскими треугольными элементами. Каждая сторона треугольного элемента может быть либо свободной, либо соединяться с соседним элементом. Каждой стороне, принадлежащей двум соседним элементам, ставится в соответствие базисная функция, отличная от нуля лишь на соответствующей паре элементов, где она имеет вид:

     на элементе Tn±,    n=1, … , N,         (2)

 

где знаки «+» и «–» в качестве индексов приписаны первому и второму элементу в паре, соответственно; Sn± обозначает площадь треугольника Tn±;  – вектор в плоскости треугольника, имеющий начало или конец (в зависимости от знака Tn±) в свободной вершине (рис. 1), N – количество базисных функций [1].

 

Рисунок 1. Пара треугольных элементов, имеющих общую сторону

 

Применяя к левой и правой частям (1) процедуру взвешивания с использованием в качестве весовых базисных функций (2), получим N уравнений вида:

,                                       (3)

 

где произведение  двух векторных функций, заданных на проводящей поверхности S определено как

 

.                                                               (4)

 

С целью сведения (3) к системе линейных алгебраических уравнений плотность поверхностного тока аппроксимируется разложением по базисным функциям:

,   n = 1…N ,                                                    (5)

в результате чего каждый член данного уравнения может быть представлен в виде суммы N слагаемых. Каждое слагаемое представляет собой произведение одного из коэффициентов In на интеграл от функции, содержащей  и ее производную.

Вычисление интегралов и объединение слагаемых с одинаковыми коэффициентами приводит к системе вида:

ZmnIn = Vm,   m,n=1,...,N.                                                       (6)

Функции Ф,  и  аппроксимируются при этом их значениями в серединах  треугольников, что позволяет избежать двойного интегрирования.  В результате данной процедуры получаются следующие выражения для вычисления коэффициентов матрицы Z и правой части СЛАУ:

;                      (7)

,                                                    (8)

В выражениях (7), (8) использованы обозначения: , , , а величины  и  определены как

;                                              (9)

.                                (10)

Коэффициенты , с помощью которых учитывается влияние поверхностного импеданса, находятся с использованием выражения:

 

.                                                  (11)

Введение в исходное уравнение поверхностного импеданса позволяет учитывать неидеальную проводимость материала, зависимость сопротивления от частоты вследствие скин-эффекта, моделировать нагрузки антенн (в том числе, комплексные) [3].

После того как система линейных уравнений (6) разрешена относительно вектор-столбца [I], поверхностная плотность тока  определяется формулой (5).

Конструкция антенны в виде резонансного вибратора

На начальном этапе проведены расчетные исследования модели ЭВ на основе резонансного вибратора длиной 40 мм с сопротивлением мостика накаливания 2 Ом.

В ходе исследований установлено, что при расположении трёх ЭВ на основе резонансного вибратора через 15 см друг за другом и наличии пороха между ними, токи, наведенные в нитях накаливания, составляют I1 ~ 1,4 А, I2 ~ 0,75 А, I3 ~ 1,1 А, соответственно.

Данные значения токов обеспечивают срабатывание трех ЭВ при воздействии осесимметричного ЭМП, генерируемого штатным магнетроном.

Конструкция антенны в виде восьмивибраторного диполя

При разработке конструктивно-технических рекомендаций по форме и месту расположения инициатора воспламенения были использованы особенности пространственного распространения осесимметричного ЭМП, генерируемого штатным магнетроном, и его отличие от ЭМП плоской волны. К таким особенностям относится радиальное направление напряжённости электрического поля Е (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Направление вектора напряжённости электрического поля Е

 

Отличие в пространственной конфигурации ЭМП, генерируемого штатным магнетроном, и электромагнитных полей внешних воздействий было использовано при разработке инициатора дипольного типа. Основной идеей при его разработке было создание инициатора, наведенные токи в мостике, накаливания которого при воздействии ЭМП плоской волны, были бы много меньше токов, наведенных от осесимметричного ЭМП [3].

Внешние воздействующие электромагнитные поля радиопередающих средств и радиолокационных станций, а также ЭМИ, моделируются в виде плоской волны.

После ряда расчётных экспериментов была разработана модель инициатора, состоящая из ЭВ ДИВШ. 564266.009 (гарантированный ток срабатывания I1 = 0,75 А, гарантированный ток несрабатывания I2 = 0,15 А, энергия инициации Q = 0,42 Дж), установленного в центр электропроводящего кольца (внешний радиус кольца R = 5 мм, внутренний r = 2,66 мм, высота h = 2 мм) и восьми проволочных элементов, образующих дипольную антенну. Центральный электрод ЭВ, выступающий на расстояние l = 1 мм, электрически соединен с дипольной антенной.

Смоделированная форма инициатора представлена на рисунке 3.

 

Описание: model_2

а)

Описание: model_3

б)

Описание: model_4

в)

Описание: model_1

г)

Рисунок 3. Внешний вид дипольного инициатора

(а – проекция плоскости XZ, б – проекция плоскости ZY, в – аксонометрия, г – место монтирования ЭВУ)

 

В ходе исследований было установлено наличие зависимости величины тока, наведенного в мостике накаливания ЭВ, как от расстояния его от магнетрона, так и от расположения ЭВ друг относительно друга. Ниже приведены примеры расчета тока в нитях накаливания ЭВ, расположенных в друг за другом.

Так, в одиночном ЭВ, расположенном на расстоянии 15 см от края каморы, при воздействии осесимметричного ЭМП, генерируемого штатным магнетроном, наводится электрический ток I ~ 5,5 А. При установке дополнительно двух инициаторов через 15 см друг за другом наведенные в нитях накаливания инициаторов токи составляют I1 ~ 9 А, I2 ~ 4 А, I3 ~ 0,4 А, соответственно. В случае, если те же три инициатора сдвинуть на 900 относительно друг друга вокруг оси каморы, наведенные в них токи, составляют I1 ~ 7 А, I2 ~ 2,5 А, I3 ~ 2 А, соответственно.

Вместе с тем наличие пороха (обладающего ярко выраженными диэлектрическими свойствами) в значительной мере ослабляет взаимное влияние ЭВ. Установлено, что при расположении трёх ЭВ через 15 см друг за другом и наличии пороха между ними, токи, наведенные в нитях накаливания, составляют I1 ~ 3,7 А, I2 ~ 1,6 А, I3 ~ 3,2 А, соответственно.

Таким образом, проведенные расчетные исследования показали, что разработанные конструктивно-технические предложения по форме и расположению с антенной в виде восьмивибраторного диполя позволяют обеспечить срабатывание первых трех ЭВ при воздействии осесимметричного ЭМП, генерируемого штатным магнетроном.

 

Список литературы:

  1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. -541с.
  2. “Родник. Системный интегратор”. Метод моментов. http://www.rodnik.ru/product/sapr/sapr_svch/EM_Software_Systems/feko/mom/
  3. Неганов В.А., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практические применения антенн. М.: Радиотехника, 2009. — 720 с.

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.