ИВК (г. Омск)

6.3.1 Антенны для измерения напряженности электрического поля

В последние десятилетия отмечается повышенный интерес к электрическим и магнитным полям как к экологическому фактору. Это вызвано в первую очередь резким повышением в сфере обитания человека доли техногенного окружения, использующего электрический вид энергии (транспорт, бытовые приборы, глобальная компьютеризация и т.п.). Появились ГОСТы и другие нормативные материалы, требующие ограничения электромагнитных полей до допустимых значений. Поэтому возникла острая необходимость в измерении уровней электромагнитного излучения.

Электрические поля возникают в проводниках смещения зарядов и приводят к разности потенциалов между изолированными находящимися в поле проводниками. Поэтому антенны для измерения электрических полей естественным образом всегда состоят, по меньшей мере, из двух электродов. Индуктированное напряжение возникает между вертикальным антенным стержнем-монополем и электродом-противовесом или между обеими половинами диполя (рис.6.3).

Рис. 6.3 Электрические штыревые антенны: а - антенна-монополь с «противовесом» (несимметричная), 1-30 МГц; б - дипольная антенна (симметричная) 10 МГц - 1 ГГц

Так как качество, с которым электрод-противовес в состоянии скопировать влияние земной поверхности, зависит от паразитных емкостей относительно окружающих заземленных предметов, выходное напряжение антенн-монополей зависит от места установки. У горизонтальных и вертикальных диполей на большой высоте над землей напряжение в первом приближении не зависит от места расположения.

Связь между напряжением холостого хода, индуктированным электрическим полем в антенне, и локальной напряженностью поля называют высотой или эффективной длиной антенны

.

Название «высота антенны» возникло исторически и не имеет ничего общего с высотой установки антенны над землей. Об эффективной длине говорят чаще всего в связи с симметричными антеннами, о высоте антенны - в связи с несимметричными антеннами. Оба понятия связаны с геометрической длиной антенны и с синусоидальным распределением тока по ее структуре, отсюда и индекс «эфф» для эффективной длины антенны. В эквивалентной схеме с источником напряжения для электрически коротких антенн эта зависимость определяется так называемой емкостью холостого хода и соответствует малой высоте и длине антенны. Из-за емкостного сопротивления высота антенны увеличивается пропорционально частоте.

При нагрузке антенны входным сопротивлением измерительного приемника и из-за затухания сигнала в измерительном кабеле на приемнике появляется напряжение меньшее, чем напряжение холостого хода. Обратная величина отношения измеренного на входе приемника напряжения помехи и искомой напряженности мешающего поля дает важный для практики коэффициент антенны :

.

Чаще всего используют логарифм отношения, называемый также степенью преобразования:

.

Искомая напряженность поля рассчитывается как

Коэффициент антенны обычно имеет значения между 0 и 60 дБ, причем большее значение соответствует нечувствительной антенне и наоборот.

В дальней зоне Е и Н связаны через волновое сопротивление вакуума:

Исходя из результата измерения напряженности электрического поля, может быть указана и напряженность магнитного поля:

.

У согласованных, работающих в резонансном режиме антенн емкость антенны компенсируется ее индуктивностью. Тогда внутреннее сопротивление антенны становится чисто активным (приблизительно 36,5 Ом у монополя, 73 Ом у диполя), что заметно облегчает согласование с 50-омным измерительным кабелем. Простые штыревые монополи и диполи могут при помощи выдвижных стержней непрерывно настраиваться в пределах определенного частотного диапазона на любые частоты.

Наряду с простыми антеннами-монополями и дипольными антеннами существуют другие, более сложные по конструкции антенны, которые отличаются сравнительно большой шириной полосы частот.

6.3.2 Антенны для измерения напряженности магнитного поля

Магнитные поля индуктируют в электрически коротком проводящем контуре определенное электрическое напряжение (ЭДС), которое может быть измерено по концам разомкнутого контура. Поэтому пассивные рамочные антенны состоят просто из одного или нескольких витков проволоки (рис. 6.4 а,б). Малый диаметр витка и небольшое число витков дают высокую верхнюю граничную частоту и наоборот. При верхней граничной частоте контур начинает вести себя как электрически длинная линия.

Связь между напряженностью или индукцией измеряемого поля и регистрируемым измерительным прибором в этом случае определяется коэффициентом антенны.

,

Рис. 6.4 Рамочные антенны для магнитных полей, 20Гц - 200 МГц: а - с одним витком; б - несколькими витками

Активные рамочные антенны имеют батарейный высокочастотный предусилитель, который не только поддерживает коэффициент антенны постоянным в широком диапазоне частот, но и в целом уменьшает его, иными словами, делает антенну, особенно на низких частотах, более чувствительной. К недостаткам активных антенн следует отнести опасность перевозбуждения и интермодуляции.

Рамочные антенны чаще всего экранированы проводящей трубой от электрической составляющей поля. Во избежание короткозамкнутого витка труба имеет разрез. Остаточное ослабление магнитного поля вихревыми токами в экране учитывается коэффициентом антенны. Если вставить в рамку ферритовый стержень, получим очень компактную рамочную антенну высокой чувствительности и направленности, или так называемую ферритовую антенну.

6.3.3 Измерительные приборы

Измерение самых разных электромагнитных влияний, таких как напряжение, ток, мощность помех, напряженность электромагнитного поля, напряженность или индукция магнитного поля сводится благодаря соответствующим датчикам или измерительным преобразователям (щупам, трансформаторам тока, антеннам) всегда к измерениям напряжения , которое регистрируется измерительным приемником, спектроанализатором или изображается на экране осциллографа.

Исходя из полученной таким путем информации, затем с учетом действующих коэффициентов или степеней передачи измерительных преобразователей делается заключение о фактической помехе. Ниже подобно поясняется принцип действия измерительных приемников и спектроанализаторов.

Измерительные приемники помех представляют собой перестраиваемые селективные вольтметры для высоких частот. Они работают по принципу наложения частот (принцип супергетеродина), который лежит в основе любого радио- и телевизионного приемника (рис. 6.5). Измеряемое напряжение через входной аттенюатор 1 и настраиваемый на частоту измерения полосовой фильтр 2 попадает на смеситель 3, в котором на выбранную совокупность частот накладывается регулируемая частота генератора. Результирующая промежуточная частота (ПЧ) избирательно усиливается в усилителе 4 (многокаскадный усилитель с фильтрами из связанных контуров, настроенных на ПЧ). У многих измерительных приемников помех максимальная ширина полосы пропускания ПЧ может быть дополнительно сужена подключаемыми фильтрами с более узкой полосой пропускания, настроенными на ПЧ.

Рис. 6.5 Упрощенная структурная схема вольтметра для измерения помех: 1 - входной аттенюатор; 2 - перестраиваемый входной контур для предварительной селекции; 3 - цепь создания напряжения промежуточной частоты (генератор и смеситель); 4 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ) (селективный усилитель с постоянной средней частотой); 5 - измерительное звено с отсчетным устройством

В зависимости от типа прибора и действующих норм в качестве показаний выдаются следующие параметры огибающей выходного напряжения усилителя ПЧ: пиковое значение, квазиамплитудное значение (взвешенное пиковое значение), среднее арифметическое или эффективное значение.

Комфортабельные измерительные приемники помех благодаря различным встроенным обрабатывающим звеньям допускают выбор различных видов показаний путем простого переключения.

Пиковое значение соответствует максимальной амплитуде выпрямленного выходного напряжений - усилителя ПЧ. Шкала градируется так, чтобы показания соответствовали эффективному значению синусоидального напряжения помехи, которое имеет то же самое выпрямленное напряжение [у синусоидальных входных напряжений выпрямленное напряжение постоянно: U=U_mВ]. Диод выпрямляет меняющееся переменное напряжение ПЧ и заряжает накопительный конденсатор Сн до максимального амплитудного значения U_mВ огибающей.

Рис. 6.6 Пиковый детектор

Конденсатор удерживает максимальное значение до тех пор, пока он не разрядится ключом К вручную или автоматически спустя время, необходимое для считывания. Вместо ключа могут быть использованы высокоомные разрядные сопротивления, которые обеспечивают большую постоянную времени разряда.

Следует упомянуть, что пиковое значение может быть измерено и при помощи цепи сравнения, в которой диод изменением постоянного напряжения приводится в закрытое состояние. Значение напряжения смещения, имеющее место при переходе диода из непроводящего в проводящее состояние, является мерой пикового значения.

Квазиамплитудное значение соответствует взвешенному значению огибающей напряжения ПЧ. В этом виде электрический параметр напряжения помехи преобразуется в звуковой сигнал, соответствующий физиологическому восприятию помехи человеческим ухом. Оно ощущает при радиоприеме импульсные помехи большой амплитуды и малой частоты повторения такими же по мешающему действию, как импульсные помехи малой амплитуды при большой частоте.

Чтобы понять этот вид регистрации, поясним сначала, как реагирует измерительный приемник помех на импульсные напряжения.

Рис. 6.7 Связь между вольт-секундной площадью импульса помехи и показаниями измерительного приемника помех: а - форма импульса помехи; б - идеализированный коэффициент передачи УПЧ; в - выходное напряжение УПЧ; А - вольт-секундная площадь импульса; К - коэффициент усиления УПЧ; В_пч - полоса пропускания промежуточной частоты

Пусть коэффициент передачи усилителя ПЧ имеет прямоугольную зависимость от частоты, т.е. соответствует идеальному полосовому фильтру со средней частотой . Если на вход измерительного приемника помех попадает импульс помехи, длительность которого (средняя ширина 5) мала по сравнению с , на выходе усилителя ПЧ появляется косинусоидальное колебание с промежуточной частотой, амплитуда которого модулирована функцией sin х/х (рис. 6.7). Независимо от формы входного импульса наибольшая амплитуда огибающей

, (6.1)

где А означает интеграл импульса помехи, а К - коэффициент усиления усилителя ПЧ. Следовательно, напряжение имеет отношения к амплитуде импульса помехи, так как К и В_пч - постоянные, но исключительно к его интегралу. Накопительный конденсатор заряжается через определенное зарядное сопротивление R₃ (рис. 6.8). Постоянная времени зарядки R₃ C_Н и постоянная времени разряда R_Р С_Н выбраны так, чтобы конденсатор С_Н между следующими друг за другом импульсами мог частично разрядиться, так что измерительный прибор М показывает среднее значение, зависящее от частоты импульсов.

Рис. 6.8 Схема отсчета квазиамплитудного значения

6.4 Измерители полей