8.2. Измерители напряженности поля
Обобщенная схема измерителя напряженности поля включает два основных функциональных узла: входной преобразователь и измеритель напряжения либо мощности измеряемого поля.
Входной преобразователь чаще всего представляет антенну, принимающую электрическую или магнитную компоненту поля, либо обе одновременно. Сигналы на входе антенны (напряжение или мощность) связаны с параметрами электромагнитного поля через коэффициенты преобразования, которые должны быть известны. Например, у антенны, принимающей электрическую либо магнитную компоненту поля, коэффициент преобразования К определяется выражением
где U – напряжение на выходе антенны, Е – напряженность электрического поля.
В частном случае, коэффициент К совпадает с действующей высотой hg
Для антенн, принимающих обе компоненты поля (поток энергии), коэффициент преобразования определяется через мощность
где Р – мощность, передаваемая в согласованную нагрузку на выходе антенны; П- плотность потока энергии на входе антенны.
Коэффициент преобразования КР имеет смысл площади поверхности, через которую в антенну проходит поток энергии, и в частности может совпадать с «эффективной поверхностью» антенны SЭФ.
Второй функциональный узел обобщенной схемы измерителя напряженности поля представляет селективный измеритель напряжения либо мощности. Чаще всего применяют универсальный измеритель, по шкале которого можно определить значение напряжения или мощности сигнала на выходе антенны. Это измерительные приемники, обеспечивающие необходимую избирательность по частоте и измерение параметров сигнала в требуемом диапазоне, Отсчет по шкале измерительного приемника позволяет вычислить напряженность электрического поля через известные коэффициенты преобразования.
8.3. Измерители напряженности слабых полей
Слабыми называют поля, напряженность электрического поля которых
Е = 1·10-6…1·101В/м.
Рассмотрим функциональные схемы ИНП слабых электромагнитных полей FSM-11, FSM-8.5 производства RFT. В настоящее время ИНП является основным средством измерения электромагнитных полей в Р.Ф.
Прибор FSM-11 предназначен для измерения напряженности поля в диапазоне частот 10кГц…30МГц и состоит из двух блоков: преобразователя FSM-11 и измерительного приемника SMV-11.
Блок преобразователя включает штыревую антенну и две рамочные. Штыревая антенна длиной 1м реагирует на электрическую компоненту поля и может работать во всем диапазоне частот. Рамочные антенны диаметром 600мм реагируют на магнитную компоненту поля. Одна из них предназначена для работы в диапазоне частот 10кГц…1,6МГц, другая в диапазоне от 1,6 до 30МГц. Кроме того, в блоке преобразователя установлены элементы настройки антенн, индикаторы настройки, устройства управления пространственным положением антенны. Блок соединяется с измерительным приемником кабелем и может быть удален на расстояние до 10м.
Второй блок ИНП FSM-11 представляет селективный микро вольтметр SMV-11. Он выполнен по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Первая промежуточная частота 70,2МГц, вторая 200кГц. Входной сигнал поступает на делитель напряжения высокой частоты, переключаемый ступенями по 5дБ. После делителя сигнал через фильтры подается на смеситель, питаемый гетеродином частотой 70,21…100,2МГц. Промежуточная частота 70,2МГц через кварцевый фильтр поступает на второй смеситель, где преобразуется в частоту 200кГц. Через аттенюатор 55дБ сигнал 200кГц поступает на усилители и детекторы, обеспечивающие линейное, квадратичное и логарифмическое детектирование. Благодаря этому возможно измерения среднего, среднего квадратичного, пикового и квазипикового значения напряжения.
Микровольтметр обеспечивает измерения напряжения от - 20 до 120дБ/мкВ с погрешностью не более 1дБ. Погрешность измерения напряженности поля ИНП FSM-11 составляет не более 2дБ.
ИНП FSM-8.5 измеряет напряженность поля в диапазоне частот 26…1000МГц и состоит из набора измерительных антенн DP-1, DP-3, LPA-1 и селективного микровольтметра SMV-8,5.
Антенна DP-1 представляет диполь, работающий в диапазоне 26…300МГц. Конструктивно она выполнена в виде антенной головки и набора телескопических стержней. При частотах 26…80МГц диполь является укороченным с размерами 2ℓ, соответствующими его настройке в резонанс на частоте 80МГц. При частотах 80…300МГц диполь близок к полуволновому. Антенна DP-3 выполнена в виде широкополосного конического диполя для диапазона частот 300…1000МГц. Антенна LPA представляет собой логопериодическую антенну, обеспечивающую измерения в диапазоне частот 87…1000МГц.
Селективный микровольтметр SMV-8,5 представляет супергетеродинный приемник с тройным преобразованием частоты.
Рис. 7.55. Структурная схема селективного микровольтметра
Сигнал с измерительных антенн А поступает на вход усилителя УВЧ через аттенюатор Ат1 0…60дБ. После усилителя сигнал поступает на I преобразователь частоты Пр1, затем усилитель УПЧ1, 2 преобразователь Пр2, усилитель УПЧ2, преобразователь Пр3, усилитель УПЧ3 и аттенюатор Ат2, работающий на частоте 1,67МГц, далее на схему детектирования Д, усилители УПЧ и УПТ и громкоговоритель Гр. Детекторы обеспечивают измерения среднего, пикового и квазипикового значений импульсного и синусоидального сигнала.
Благодаря тройному преобразованию частоты избирательность микровольтметра составляет:
при полосе 120кГц – 6дБ;
при полосе 300кГц – 40дБ;
при полосе 20кГц – 3дБ;
при полосе 200кГц – 40дБ.
FSM-8.5 позволяет измерять напряженность ЭМП от 7 до 130 дБмкВ/м с погрешностью не более 3дБ.
Напряженность электрического поля определяется по формуле:
где U – напряжение на выходе измерительной антенны; hg – действующая высота измерительной антенны.
Действующая высота измерительной антенны определяется в процессе калибровке ИНП и проводится в техническом описании на прибор в виде графика (таблицы) в зависимости от частоты. Часто в процессе калибровке действующую высоту определяют с учетом рассогласования и потерь в соединительном кабеле. В этом случае употребляют термин – градуировочный коэффициент антенны, который так же приводится в эксплутационной документации
В большинстве ИНП отчетное устройство градуируется в относительных единицах – дБмкВ. В этом случае формула для определения напряженности электрического поля, представляется в виде:
Е[дБмкВ/м] = U[дБмкВ] + К[дБ/м]
где U – напряжение, измеренное с помощью приемника: К – градуировочный коэффициент антенны.
При использовании рамочной антенны измеритель напряженности поля фактически измеряет напряженность магнитного поля, а градуируется прибор в единицах напряженности электрического поля. В этом случае используется связь между Е и Н.
Е = 120πН
Это соотношение справедливо для плоской однородной волны. Так как прибор типа FSM-11 предназначен для измерения напряженности поля в дальней зоне, допустимость применения последней формулы при градуировке приборов обоснована.
ИНП для измерения слабых полей, работающих на частотах свыше 1000МГц, могут градуироваться в единицах плотности потока электромагнитной энергии: Вт/м2. В этом случае формула измерения имеет вид:
где Рм – мощность, измеренная с помощью измерительного приемника, Sэф – эффективная поверхность антенны.
В случае плоской волны пользуются соотношением:
