Имитатор электромагнитного поля очень низких частот и его вариант
Владельцы патента RU 2252426:
Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон - Научно-исследовательский институт радиостроения" (RU)
Предлагаемое устройство - имитатор электромагнитного поля очень низких частот и его вариант предназначены для лабораторных исследований и отработки диаграмм направленности антенн, отладки пеленгаторов, включающих в свой состав антенны этого диапазона.
Используются раздельные формирователи однородного поля для каждого из видов (Е- и Н-) волн, причем формирователь электрического (Е) поля размещен внутри формирователя магнитного (Н) поля таким образом, чтобы формируемые ими однородные поля совпали или пересеклись в своей большей части, создавая в этой области пространства электромагнитное (ЕН) однородное поле. В эту область устанавливают исследуемую антенну. Соотношение напряженностей электрического и магнитного полей изменяют с помощью согласующих делителей на выходе генератора сигналов. В качестве генератора сигналов используют генератор звуковых частот или генератор импульсов. Техническим результатом является обеспечение широкого диапазона рабочих очень низких частот, повышение помехоустойчивости от внешних полей, обеспечение возможности изменения одной из компонент поля при неизменном значении другой компоненты электромагнитного поля. 2 н.п.ф-лы, 3 ил.
Имитатор электромагнитного поля очень низких частот и его вариант относятся к приборам генерации и измерения в области электромагнитных полей. Он предназначен для отработки диаграмм направленности антенн (ДНА) в диапазоне очень низких частот (ОНЧ), отладки в комплексе приборов, включающих в свой состав антенны этого диапазона (напр., грозолокаторы (ГЛ), грозопеленгаторы - дальномеры (ГПД) и др.).
Грозолокаторы (ГЛ), определяющие координаты (пеленг и дальность) молниевых разрядов, работают на мириаметровых волнах, т.е. на электромагнитных волнах длиной λ>10 км (f<30 кГц). Например, в ГПД “Очаг-2П” ([1], стр.23) магнитные рамочные ферритовые антенны в режимах пеленгации и EH - дальнометрии работают в диапазоне частот f=0,3...7 кГц, пеленгаторы других известных наземных и бортовых грозолокаторов (называемых иногда грозопеленгаторами - дальномерами или штормоскопами) работают в диапазоне частот 3...7 кГц (λ=100...40 км), глобальная навигационная система “Омега” работает на частотах f≅10 кГц и т.д. Создание искусственного электромагнитного (ЕН) поля для отладки ДНА в таком диапазоне волн представляет определенные трудности.
Для снятия диаграмм направленности, а также измерения других параметров антенн очень малых размеров по сравнению с длиной волны не обязательно создавать поля излучения, соответствующие области фраунгоферовой дифракции, в которой излучение имеет плоский фронт волны, одинаковые амплитуды и поляризацию в пределах протяженности приемной антенны ([2], стр.259...261). Для таких антенн соотношения фаз поля около отдельных элементов антенны почти одинаково независимы от поворота антенны относительно направления прихода волны и поэтому требование плоского фронта волны снимается. Требование же однородности поля - постоянства амплитуд и поляризации - в пределах протяженности антенны сохраняется. В ([5], стр.49) показано, что электродинамическая задача формирования электромагнитного поля (ЕН) может быть сведена к задаче формирования двух статических полей (Е-) и (Н-) или квазистатических в случае, если используется переменное напряжение.
Известны имитаторы электрического поля для отладки Е-антенн, которые создают электрическое поле с помощью длинных разомкнутых (сопротивление нагрузки ZH=∞) проводных или плоских линий, и имитаторы магнитного поля для отладки Н-антенн, которые создают магнитные поля с помощью короткозамкнутых (ZH=0) проводных или плоских линий, а также с помощью системы колец Гельмгольца ([2], стр.260, [4], стр.66...68, [7], стр.93...96, рис.3.9). При использовании для формирования Е-поля плоской линии расстояние между пластинами должно быть не меньше пятикратной высоты диполя исследуемой антенны, а ширина и длина пластин - не менее пятнадцатикратной высоты диполя ([7], стр.96). При использовании для формирования Н-поля плоской линии напряженность магнитного поля пропорциональна току и обратно пропорциональна ширине линии ([4], стр.66). При использовании для формирования эталонного Н-поля системы колец Гельмгольца расстояние между кольцами должно равняться радиусу колец, а радиус колец должен превышать удвоенную длину ферритового стержня рамки ([7], стр.93, 94). Форма ДНА определяется путем измерения зависимости напряжения на выходе антенны от ее угла поворота, отсчитываемого по взаимному положению стрелки, связанной с антенной, и неподвижной шкалы, отградуированной в градусах поворота антенны в ЕН-поле, или каким-либо другим способом.
Так как в пеленгаторах обычно используется в качестве опорного напряжения сигнал с выхода Е-антенны ([3], стр.25, 517, рис.2.9), т.е. приемо-пеленгаторное устройство использует сигналы одновременно от двух антенн: рамки Н-антенны и вибратора открытой всенаправленной Е-антенны, то для отработки комплекса изделия требуется имитация совместного ЕН-поля, одновременно воздействующего на обе (Е- и Н-) антенны.
Известен имитатор электромагнитного (ЕН) поля очень низких частот ([3], стр.520...522, рис.9.2), использующий однопроводную линию бегущей волны, т.е. линию, нагруженную на волновое сопротивление (ρ)
где d - расстояние линии от проводящей плоскости;
r - радиус провода линии.
Однако этот имитатор не обеспечивает формирования однородного поля в области пространства, соизмеримой с геометрическими размерами антенны; не позволяет устанавливать желаемые отношения напряженностей Е/Н; формирует совершенно отличные от реальных соотношения наводимых ЭДС в Е- и Н-антеннах, для устранения чего Е-антенну исследуемого изделия заменяют специальным отрезком прямолинейного проводника, расположенного параллельно испытательной линии; требует для устранения влияния внешних помех работы в экранированной камере.
Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является имитатор электромагнитного поля, использующий плоскую линию из широких металлических, например, алюминиевых пластин ([4], стр.66, [6], стр.50, [7], стр.96). Соотношение электрического и магнитного полей, создаваемых такой плоской линией, нагруженной на сопротивление Zн, определяется выражением (2) ([5], стр.50):
где ZH - сопротивление нагрузки плоской линии;
W - волновое сопротивление плоской линии.
При ZH=0 существует только магнитное поле, при ZH=∞ существует только электрическое поле. Для имитации ЕН-поля в волновой зоне значение нагрузки определяют по формуле (3), обеспечивая режим бегущей волны:
Для подбора нужного характера нагрузки, обеспечивающей соотношение полей в плоской линии, близкое к соотношению полей от реального источника, рекомендуют двухполюсник, состоящий из LCR элементов.
Однако прототип обладает рядом недостатков:
- напряженность как электрической, так и магнитной составляющих суммарного электромагнитного поля существенно меньше, чем в случае формирования поля только одного вида (Е-поле при ZH=∞ или Н-поле при ZH=0),
- исключена возможность варьирования отношением напряженностей Е/Н при неизменном значении напряженности одного из компонент поля (Е или Н),
- наличие реактивных элементов L и С в нагрузке уменьшает полосу частот, формируемых устройством,
- низка однородность поля в вертикальной плоскости ([4], стр.67),
- объем области однородности ЕН-поля при изменении отношения Е/Н не определен,
- близлежащие предметы и внешние помехи влияют на формирование электромагнитного поля ([6], стр.70, [3], стр.520), вызывая погрешности измерения.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства, которое устраняет недостатки прототипа, а именно:
- обеспечивает получение ЕН-поля более высокой напряженности, соответствующей условиям формирования поля только одного вида,
- формирует область пространства с однородным ЕН-полем, превышающую геометрические размеры антенны,
- обеспечивает более широкий диапазон рабочих очень низких частот (ОНЧ),
- повышает помехоустойчивость от внешних полей, уменьшает влияние близлежащих предметов,
- обеспечивает возможность изменения одной из компонент поля при неизменном значении другой компоненты электромагнитного поля.
Можно формировать однородное электромагнитное (ЕН) поле в определенной области пространства как области совпадающих или пересекающихся в большей своей части однородных электрического (Е) и магнитного (Н) полей, создаваемых соответствующими раздельными, но конструктивно определенным образом совмещенными формирователями электрического (Е) и магнитного (Н) полей. Решение поставленной задачи достигается при двух вариантах построения имитатора электромагнитного (ЕН) поля ОНЧ, связанных единым изобретательским замыслом.
1. В первом варианте в имитатор электромагнитного (ЕН) поля, содержащий плоскую линию, состоящую из верхней и нижней металлических пластин, и генератора сигналов, введена еще одна плоская линия таким образом, что нижние пластины плоских линий совмещены, верхние пластины плоских линий разделены электроизолирующей прокладкой, верхняя пластина внешней линии короткозамкнута с нижней общей пластиной со стороны, противоположной входу плоских линий, внутренняя плоская линия разомкнута, вход внутренней плоской линии, формирующей электрическое (Е) поле, соединен с выходом согласующего Е-делителя, вход внешней плоской линии, формирующей магнитное (Н) поле, соединен с выходом согласующего Н-делителя, входы согласующих делителей соединены с выходом генератора сигналов, входы и выходы всех элементов схемы с нулевым потенциалом соединены.
2. Во втором варианте в имитатор электромагнитного (ЕН) поля, содержащий плоскую линию, состоящую из верхней и нижней металлических пластин, и генератора сигналов, введена система колец Гельмгольца таким образом, что разомкнутая плоская линия размещена внутри системы колец Гельмгольца, вход разомкнутой плоской линии, формирующей электрическое (Е) поле, соединен с выходом согласующего Е-делителя, вход системы колец Гельмгольца, формирующих магнитное (Н) поле, соединен с выходом согласующего Н-делителя, входы согласующих делителей соединены с выходом генератора сигналов, входы и выходы всех элементов схемы с нулевым потенциалом соединены.
Таким образом в обоих вариантах формирователь электрического (Е) поля, состоящий из двух параллельных металлических листов, помещен конструктивно внутри формирователя магнитного (Н) поля. Металлические листы разомкнутой плоской линии, обладая экранирующим эффектом, могут при этом ослабить напряженность магнитного поля. Однако в диапазоне ОНЧ эффект экранирования магнитного поля тонким металлическим листом незначителен. Для его оценки рассмотрим подробнее механизм и величину экранирования ([8], стр.152...168). Согласно теории поля эффективность экранирования зависит от трех факторов: потерь из-за отражения от внешней поверхности экрана (R), потерь поглощения материалом экрана (А) и потерь из-за отражения внутри экрана (В). Форма сплошного экрана значения не имеет. В ближней зоне (зона индукции r≤λ/6) составляющие Е- и Н-поля учитываются по отдельности.
Потери из-за отражения внутри экрана (В) относительно невелики по сравнению с потерями поглощения (А), которые пропорциональны произведению:
где d [мм] - толщина экрана;
f [МГц] - частота;
μ - магнитная проницаемость материала;
G - проницаемость материала относительно меди.
Для немагнитного материала, имеющего μ=1, G=0,1, на частотах f=1...10 кГц (диапазон ОНЧ) при толщине экрана d=0,8 мм потери на поглощение для всех видов поля составляют 1...10 дБ, а потери на отражение магнитного поля составляют 30...60 дБ. Можно отметить, что приведенные в [8] общего характера зависимости величины потерь на отражение (R) магнитного поля от частоты в пределах частот 1,0...100 кГц и магнитной проницаемости экрана в пределах μ=1...1000 достаточно неопределенные и надежнее опираться на экспериментальные данные.
В ([9], стр.150) на основании экспериментальных исследований показано, что при полном экранировании магнитных ферритовых антенн металлом (дюралевые листы толщиной 0,8...1,0 мм) на частоте 7 кГц выходное напряжение антенн уменьшается в 1,4 раза (3 дБ). В соответствии с формулой (4) эффект экранирования на более низких частотах будет уменьшаться. Подобные потери могут быть легко скомпенсированы (при необходимости) соответствующим увеличением тока в формирователе магнитного поля, так как известно, что напряженность магнитного поля пропорциональна току.
На фиг.1 изображена схема имитатора ЕН-поля очень низких частот в варианте (1), содержащая две плоские линии, причем внешняя плоская линия короткозамкнута и формирует магнитное (Н) поле, а внутренняя плоская линия разомкнута и формирует электрическое (Е) поле; на фиг.2 изображена схема имитатора ЕН-поля очень низких частот в варианте (2), включающая разомкнутую плоскую линию, которая формирует электрическое (Е) поле, и систему из 3-х колец Гельмгольца, которая формирует магнитное (Н) поле; на фиг.3 изображена блок-схема имитатора электромагнитного (ЕН) поля очень низких частот.
На фиг. 1...3 обозначены:
1 - нижняя пластина, общая для плоских линий, формирующих электрическое (Е) поле и магнитное (Н) поле;
2 - верхняя пластина внутренней плоской линии, формирующей электрическое (Е) поле;
3 - верхняя пластина внешней плоской линии, формирующей магнитное (Н) поле;
4 - электроизолирующая прокладка (текстолит, пластмасса или фанера);
5 - провода короткого замыкания пластин внешней плоской линии, формирующей магнитное (Н) поле;
6 - электрическое соединение (контакт);
7 - генератор сигналов;
8 - блок сопрягающих Е- и Н-делителей;
9, 10, 11 - три идентичных кольца Гельмгольца;
12 - формирователь электрического (Е) поля (разомкнутая внутренняя плоская линия, формирующая электрическое (Е) поле);
13 - формирователь магнитного (Н) поля (короткозамкнутая внешняя плоская линия или система колец Гельмгольца).
В первом варианте выход сопрягающего Е-делителя (8Е) соединен с верхней пластиной (2) плоской линии фopмиpoвaтeля электрического (Е) поля (12), выход сопрягающего Н-делителя (8Н) соединен с верхней пластиной (3) формирователя магнитного (Н) поля (13), входы согласующих делителей (8Е) и (8Н) соединены с выходом “0” генератора сигналов (7“0”), общая пластина (1) плоских линий соединена с выходами “0” генератора сигналов (7“0”) и согласующих делителей (8“0”).
Во втором варианте выход сопрягающего Е-делителя (8Е) соединен с верхней пластиной (2) плоской линии формирователя электрического (Е) поля (12), выход сопрягающего Н-делителя (8Н) соединен с входом (13) системы колец Гельмгольца (9, 10, 11), входы согласующих делителей (8Е) и (8Н) соединены с выходом генератора сигналов (7), нижняя пластина (1) плоской линии формирователя электрического (Е) поля (12“0”) соединена с выходами “0” колец (9, 10, 11) Гельмгольца (13“0”), с выходом “0” генератора сигналов (7“0”) и согласующих делителей (8“0”).
Для работы исследуемую антенну помещают в центр пространства между общей пластиной и верхней пластиной внутренней плоской линии, формирующей электрическое (Е) поле. Изменяя контролируемый угол положения исследуемой антенны и замеряя напряжение на ее выходе при каждом зафиксированном угле, определяют диаграмму направленности. Контролирование угла положения исследуемой антенны осуществляют любым доступным способом, например механическим с помощью стрелки, закрепленной на антенне, и шкалы, закрепленной на пластине плоской линии, или оптическим.
Для выполнения заявляемого устройства могут быть использованы приборы, материалы, выпускаемые отечественной промышленностью.
В качестве генератора сигналов может быть использован генератор звуковых частот, например, типа Г3-35. В случае необходимости при работе по спектру сигналов можно использовать генератор импульсов, длительность импульса τ должна быть согласована с требуемым спектром, учитывая, что в полосе 
содержится 90% всей энергии сигнала прямоугольной формы ([10], стр.57). Для согласующих делителей можно использовать как омические, так и емкостные сопротивления. Плоские линии будут жесткими и легкими, если для них использовать дюралевые листы толщиной 0,5...1 мм. Кольца Гельмгольца лучше изготовить не из металлического прутка или трубки, а из радиочастотного кабеля [6], так как это исключит влияние на результаты измерения окружающих предметов и внешних помех.
Использование предлагаемого имитатора электромагнитного (ЕН) поля очень низких частот или его варианта в лабораторных или заводских условиях при разработке, исследовании, испытаниях, промышленном производстве приборов, работающих с использованием электромагнитных полей в диапазоне очень низких частот, позволит при искусственном формировании в зоне индукции области однородного квазистатического электромагнитного поля повысить точность и качество таких приборов.
Список литературы
1. Гальперин С.М. и др. (всего 9 фамилий). Грозопеленгатор - дальномер “Очаг-2П”. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
2. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. М.: Связь, 1972.
3. Кукес И.С. и др. Основы радиопеленгации. М.: Сов. Радио, 1964.
4. Бару Н.В., Кононов И.И., Соломоник М.Е. Радиопеленгаторы - дальномеры ближних гроз. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
5. Пащенко Е.Г. К вопросу об измерениях рамочных антенн. - Вопросы радиоэлектроники, 1963, сер.XII, вып.10, с.47-53.
6. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Измерения в стандартном поле. М.: Энергия, 1969.
7. Гейн Э.Э., Курганов Л.С. Техника измерения напряженности поля радиоволн. М.: Связь, 1967.
8. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения совместимости радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1984.
9. Степаненко В.Д., Гальперин С.М. Радиотехнические методы исследования гроз. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
10. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1971.
1. Имитатор электромагнитного поля очень низких частот, содержащий плоскую линию, состоящую из верхней и нижней металлических пластин, и генератор сигналов, отличающийся тем, что дополнительно введена еще одна плоская линия таким образом, что нижние пластины плоских линий совмещены, верхние пластины плоских линий разделены электроизолирующей прокладкой, верхняя пластина внешней плоской линии короткозамкнута с нижней общей пластиной со стороны, противоположной входу плоских линий, внутренняя плоская линия разомкнута, вход внутренней плоской линии, формирующей электрическое (Е) поле, соединен с выходом согласующего Е-делителя, вход внешней плоской линии, формирующей магнитное (Н) поле, соединен с выходом согласующего Н-делителя, входы согласующих делителей соединены с выходом генератора сигнала, а входы и выходы элементов схемы с нулевым потенциалом соединены.
2. Имитатор электромагнитного поля очень низких частот, содержащий плоскую линию, состоящую из верхней и нижней металлических пластин, и генератор сигналов, отличающийся тем, что дополнительно введена система колец Гельмгольца таким образом, что разомкнутая плоская линия размещена внутри системы колец Гельмгольца, вход разомкнутой плоской линии, формирующей электрическое (Е) поле, соединен с выходом согласующего Е-делителя, вход системы колец Гельмгольца, формирующей магнитное (Н) поле, соединен с выходом согласующего Н-делителя, входы согласующих делителей соединены с выходом генератора сигналов, а входы и выходы элементов схемы с нулевым потенциалом соединены.
