Способ измерения напряженности электромагнитного поля

 

Использование: исследование интенсивности излучений мощных высокочастотных установок в широких частотном, динамическом и температурном диапазонах при оценке их биологической опасности. Сущность изобретения: способ измерения напряженности электромагнитного поля (НЭП) включает измерение величины постоянного тока (ПТ) на выходе приемного преобразователя (ПП) приемной антенны. возбуждаемой исследуемым НЭП, и величины ПТ на выходе ПП при отсутствии НЭП и включении последовательно с ПП и индикатором источника напряжения ПТ, делят lo на IK и определяют значение НЭП по соответствующей расчетной формуле. Корректировку значений НЭП по частоте осуществляют путем умножения полученных значений НЭП на коэффициент частотной корректировки, который определяют по расчетной зависимости. 2 з.п. ф-лы., 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

БЫ 1774288 А1 (5П5 0 01 R 29/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

I» I,(l n h h h h3 i1 f„)

OIhVICAHVIE VI3O6PETEHVIhl, ) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф

1

I (21) 4756087/09 (22) 28.08,90 (46) 07.11.92. Бюл, ¹ 41 (71) Специальное конструкторское бюро радиоизмерительной аппаратуры Нижегородского научно-производственного объединения "Кварц" (72) Л.M,Àðõèïoâa, В,И,Островский, B.Ï.Õèлов и В,В,Ходос (56) Bassen Н, et all, Electric Field Probes-a

Review.— lEEE Trans. ou Antennas and

Propagation, Vol AP-31, N 5, Sep. 1983, р. 710 — 718.

Кинг P., Смит Г. Антенны в материальных средах, т. I.- M,: Мир, 1984, с. 217-226. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ (57) Использование: исследование интенсивности излучений мощных высокочастотИзобретение относится к измерениям параметров эл ктромагнитного поля (ЭМП), а конкретно — v, измерению напряженности электрических и магнитных полей в широких частотном, динамическом и температурном диапазонах при оценке биологической опасности электромагнитных излучений и пространственном обследовании интенсивности излучений мощных высокочастотных (Вч) установок

Известен из статьи "Electric Field

Probes — А Review" Н.Bassen et al (IEEE

Trans. on Antennas and Propagation, vol. AP31, N 5, Sep, 1983, рр. 710 — 718 способ измерения напряженности электрического поля, включающий возбуждение дипольной антенны электрическим полем, детектирование индуцированного сигнала, фильтрацию. ных установок вшироких частотном,,динамическом и температурном диапазонах при оценке их биологической опасности. Сущность изобретения: способ измерения напряженности электромагнитного поля (НЭП) включает измерение величины постоянного тока (ПТ) на выходе приемного преобразователя (ПП) приемной антенны, возбуждаемой исследуемым НЭП, и величины ПТ на выходе ПП при отсутствии НЭП и включении последовательно с ПП и индикатором источника напряжения ПТ, делят lo на 1, и определяют значение НЭП по соответствующей расчетной формуле. Корректировку значений НЭП по частоте осуществляют путем умножения полученных значений НЭП на коэффициент частотной корректировки, который определяют по расчетной зависимости, 2 з,п. ф-лы., 1 ил. передачу постоянного тока по резистивным линиям связи и егп измерение индикаторным устройством, входное сопротивление

Rm которого много больше дифференциального сопротивления Ri детекторного диода.

Требование Rj «Rm (1) обеспечивает независимость показаний измерителя от температуры окружающей среды, Недостатком данного способа измерения является ограниченность частотного, динамического, а также температурного диапазона, т.к. для получения равномерной частотной характеристики в области низких частот (10 — 10 Гц) дифференциальное сопротивление диода должно быть достаточно большим (более 1 МОм), а в широком температурном диапазоне оно может изменяться

1 !

В (00

00 !

1774288

55 на несколько порядков, Так, для обеспечения независимости отклика зонда от частоты и температуры в области частот свыше

10 Гц и в диапазоне температур.от минус l0 до плюс 50 С необходимо использовать индикатор с входным сопротивлением более 10 Ом, что технически трудно осуществимо. Динамический диапазон данного способа не превышает 20-30 дБ.

Известен также способ измерения напряженности ЭМП, описанный в патенте

ПНР N 98046, 31,08.78 r., включающий возбуждение приемной антенны ЭМП, детектирование индуцированного сигнала, фильтрацию и усиление продетектированного сигнала и передачу его через полупроводящие линии связи на разностный усилитель с большим входным сопротивлением, питаемым из астабильного источника тока, и измерение постоянного тока индикаторным устройством, соединенным через линейный усилитель с выходом разностного усилителя, применение астабильного источника тока, оснащенного компенсирующим детектором с температурной характеристикой, идентичной температурной характеристике детектора измерительной антенны, снижает погрешность измерения от температуры окружающей среды.

Однако в указанном способе измерения напряженности ЭМП не исключается погрешность измерения, обусловленная неидентичностью температурных характеристик компенсирующего детектора и детектора измерительной ант ;нны и неизбежной разницей их температур. Кроме того, измеритель, реализующий данный способ, обладает малыми динамическим и частотным диапазонами, Известен способ измерения напряженности ЭМП, используемый в измерителе, разработанном в Национальном Бюро

Стандартов (США) и описанный в статье

"Near-Zone е!еслг!с field-strenth meter" (the

Electronic Engineer, Aprii 1967, К 4), включающий возбуждение приемной антенны электромагнитным полем, усиление высокочастотного напряжения при помощи усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, детектирование сигнала при помощи первого диодного детектора, передачу постоянного напряжения по резистивным линиям связи и измерение его индикаторным устройством, а также калибровку измерителя, во время которой вход усилителя отключают от приемной антенны и подключают через фиксированный аттенюатор к генератору высокочастотных колебаний, настроенному на частоту из5

40 меряемого поля, напряжение с выхода генератора детектируют при помощи второго диодного детектора. При помощи переключателя, соединяющего выходы детекторов с резистивной линией, сравнивают напряжения на выходах первого и второго детекторов и, регулируя коэффициент усиления усилителя, добиваются равенства этих напря>кений, Способ позволяет исключить временную и температурную нестабильность усилителя высокочастотного сигнала, коэффициент усиления которого поддерживается благодаря калибровке равным обратному значению коэффициента передачи фиксированного аттенюатора. При этом нестабильность уровня высокочастотного генератора практически не влияет на результат измерений, что делает возможным его техническую реализацию по сравнительно простой схеме. Последнее обстоятельство особенно важно,,т.к, все устройства, используемые при калибровке, а также источники для их питания с целью исключения влияния на измеряемое поле встроены внутрь приемного диполя, Однако при измерении по данному способу сохраняется погрешность, связанная с температурной нестабильностью детекторных диодов и неидентичностью их характеристик. Кроме этого, данный способ является узкополосным и не может использоваться для измерения полей со сложным спектром и определения среднеквадратических значений напряженности этих полей, Необходимотакжеотметить, что все способы измерения напряженности

ЭМП, использующие активные схемы, встроенные в приемную антенну, технически не реализуемы для частот, превышающих несколько десятков мегагерц.

Наиболее близок к предлагаемому способ измерения напряженности поля, описанный в книге P.Êèíãà и Г.Смита "Антенны в материальных средах", с. 217-226 (пер, с англ.)/ Под ред. д-ра техн. наук В.Б,Штейншлейгера, т. l.- M.: Мир, 1984), включающий возбуждение исследуемым электромагнитным полем, измерение величины постоянного тока на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью индикатора и вычисление напряженности электромагнитного поля, передачу постоянного тока по резистивным линиям связи, измерение тока индикаторным устройством и вычисление напряженности ЭМП.

Эквивалентная схема устройства, реализующего данный способ. приведена на с.

217 в книге P.Êèíãà и Г.Смита "Антенны...", 1774288

Оэ

RI+Ro (4) 30

4(RI+Rs+Rо) 55 (3) Недостатком данного способа измерения напряженности тока является большая температурная погрешность, обусловленная зависимостью ", .фференциального сопротивления RI детекторного диода от температуры, а также небольшой динамический диапазон и ограниченность частотного диапазона в области низких частот, Цель изобретения — повышение точности измерения, расширение динамического диапазона частот.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения электромагнитного поля приемной антенны, заключающемся в измерении величины постоянного тока на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью индикатора и вычислении напряженности электромагнитного поля, дополнительно измеряют величину постоянного тока на выходе приемного преобразователя в отсутствие электромагнитного поля при включении последовательно с приемным преобразователем и индикатором источника напряжения постоянного тока, а напряженность электромагнитного поля вычисляют путем решения уравнения

1о Qlo Ro (1+ а0» — "- — а loRo) е »

=Io(а КдЕ(н)), (2) где Е(н) — нап ряжен ность эл ектромагнитного поля;

a — коэффициент, характеризующий вольтмерную зависимость диода приемного преобразователя;

Ro — суммарное сопротивление фильтра, резистивных линий связи и приемного преобразователя и индикатора;

Кд — коэффициент, характеризующий чувствительность приемной антенны;

1o — модифицированная функция Бесселя нулевого порядка;

Io — ток, измеренный при воздействии поля на антенну;

I» — ток, измеренный в отсутствие электромагнитного поля при подключении источника напряжения постоянного тока;

U» — напряжение источника напряжения постоянного тока.

Кроме того, с целью расширения диапазона измерений, дсполнительно определяют коэффициент частотной коррекции по формуле: где 2R > — соп ротивление фильтра приемного преобразователя;

Сд — эквивалентная емкость приемной антенны, на которую умножают вычисли5 тельное значение напряженности электромагнитного поля.

Предлагаемый способ измерения напряженности ЗМП реализуется с помощью устройства, структурная схема которого

10 изображена ла чертеже, Измеритель содержит дипольную антенну 1, выход которой подключен к детекторному диоду 2, нагруженному на фильтр 3 нижних частот, содержащий последователь15 но соединенные два одинаковых резистора.

1 и конденсатор, который через резистивные линии 4 связи соединен с индикаторным устройством 6, Кроме того, измеритель содержит управляемый эталонный источник

20 напряжения постоянного тока, подключаемый последовательно с детектором и индикатором в отсутствие поля и отключаемый при измерении напряженности поля. Величина поля, протекающего через детектор25 ный диод, в условиях отсутствия поля, которое регистрируется индикаторным устройством, определяется по формуле:

I где U — напряжение эталонного источника постоянного тока.

Чтобы нелинейность диода не влияла на

35 справедливость выражения (4). U3 должно

1 быть много меньше p = — (p. — темпераа турный потенциал).

Затем измеритель помещают в исследу40 емое поле. Ток, регистрируемый при этом индикаторным устройством, определяется из выражения, взятого из ф.4 13а на с. 221 кн. P.Êèíãà и Г,Смита "Антенны". Затем делят величину тока, 45 измеренного при воздействии поля, на величину тока, измеренного ранее, т.е, I». Для достаточно высоких частот (f » fo)VI = КдЕ(н), Отсюда, а также из выражений (4) и (5) получаем ь б () ()

<о т.е, полученное отношение — пропорцио » нально квадрату напряженности измеряе1774288

Подставив в это уравнение известные

1о значения lo и — —, можно определить напря1К женность электрического(Е) или магнитного

{Н) поля, Для решения этого уравнения можно использовать встроенный в индикаторное устройство микропроцессорный вычитатель.

Динамический диапазон измерителя по

10 данному способу ограничивается возможностями вычислительного устройства, требованиями по быстродействию прибора и динамическим диапазоном индикаторного устройства, Технически вполне осуществи15 мо при помощи данного способа расширить динамический диапазон измерителя напряженности поля до 50 — 60 дБ, что на 20-30 дБ лучше, чем в прототипе.

С целью расширения рабочего диапазо20 на частот значение напряженности ЗЕ1П, измеренное способом по п.1, умножают на коэффициент частотной коррекции Кг, величину которого определяют по результатам предыдущих измерений.

25 Напряжение, индуцируемое полем в приемной антенне. Определяется выражение(/ г р, Ет{Нт) Ете (то ) "о

= 10Ig — = 0,47 дб.

E

V KA— т/ 1 + (foáf )) 30

Для исключения частотной зависимости при измерении напряженности ЛУП, К(дол)I

35 к,= i (1

f (12) Р;+2 R1

4тгР! R1Сд а(T II(i т.1+в.1 ао Q(To)(Rl(T)+В.)

=-9,7 дБ, (9) зом

2.Ы, Uç-3к R o (13) МОГО ГIОЛЯ и не зависит От диффеp8нциаль

НОГО сопротивлен11я диода (Rl). 1 аким 013рВ зом, B данном способе пОГрешность измерений из-за влияния темг ературы ollределяется лишь температурной зависимостью а и г1ри нижней рабочей температуре - 10 С составляет

Для доказательства положительного эффекта определим погрешность прототипа, обусловленную влиянием температурь„

Для конкретного измерителя, приведенного на -.„225 книги Р,Кинга и Г,Смита, Ro =- 2R1+ е + R« = 2,1 МОм, {Г(1 =-50 КОМ, йе = 1 МОМ, RI =- 1 РОМ) Для обеспечения плоской частотной характеристики в диапазоне от 100 кГц и выше дифференциальное сопротивление должно быть не менее 0,5 МОМ. При рабочей температуре — 10 С получаем следующее значение теплового гока аЛТ

II(T) = t1(To) 8

=1(T ) o i31 — 30) - I, Ые) :., соответственно, R (Т) =-50, Rj(TO) -- i МОМ

В этом случае погрешность измерителя, обусловленная влиянием температурь1, Гаким образом, использование предлагаемого способа позволяет снизить погрешность из-за влияния температуры приблизительно в 20 раз по сравнению с прототипом, Для расширения динамического диапазона необходимо решить трансцедентное уравнение для определения напрЯженности полЯ. С этОЙ целью выразим

Rl из уравнения (4) и подставлм в соответствующее уравнение. а так I<8 заменим Vo == 1oRo и Vl = ((д Е(Н), При этом получаем следу1ощее уравнение

l(Г- IO Î (1 — а U> ° — - — а!оРо) е

=- 1о(а КдЕ(,н)т1

Произведем подстановку, используя уравнение (4), При этом окончательное выражениедля Ктзапишется следующим обраНиж1 яя граничная частота устройства, реализующего данный способ, зависит от допустимого спада чувствительности на них<них частотах, При допустимом спаде чувствительности 20 дБ нижняя граничная частота измерителя, реализующего способ, в 10 раз ниже, чем в прототипе, Формула изобретения

Способ измерения напряженности электромагнитного поля; включающий возбуждение исследуемым электромагнитным

1774288

Ro — суммарное сопротивление фильтра, резистивных линий связи приемного преобразователя и индикатора;

КА — коэффициент, характеризующий чувствительность приемной антенны;

lof" 1 модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.

2, Способ по и.1, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона частот измерений, дополнительно определяют коэффициент частотной коррекции К по формуле полем приемной антенны, измерение величины постоянного тока 4 на выходе приемного преобразователя приемной антенны с помощью инди-,атора, и вычисление напряженности электромагнитного поля, о т л и - 5 ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения динамического диапазона, дополнительно измеряют величину постоянного тока 4 на выходе приемного преобразователя в отсутствии 10 электромагнитного поля при включении последовательно с приемным преобразователем и индикатором источника напряжения б4 постоянного тока, вычисление напряженности электромагнитного поля прово- 15 дят путем решения уравнения

1о а<оао

{1+ aU» — "-a loRo) е

)к

= Iof а КАЕ(н)), где Е(Н) — напряженность электромагнитного поля; а — коэффициент, характеризующий вольт-амперную зависимость диода приемного преобразователя; где 2R< — сопротивление фильтра приемного и реобразователя;

CA — эквивалентная емкость приемной антенны, на который умножают вычисленное значение напряженности электромагнитного поля.

Составитель Л,Пахомова.

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Петрова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3925 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5