УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ Российский патент 1999 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для измерения электромагнитной обстановки в целях обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.

Известно устройство для измерения побочных излучений радиопередающих устройств, содержащее передающую антенну, соединенную с исследуемым радиопередатчиком, первый управляемый переключатель, первый вход которого подключен к выходу первой приемной антенны, последовательно соединенные первый элемент ИЛИ и RS-триггер, прямой выход которого подключен к управляющему входу первого управляемого переключателя, последовательно соединенные запоминающий блок, вычислитель и регистратор, управляющий вход которого подключен к выходу первого элемента задержки, последовательно соединенные блок запуска, выход которого также подключен к первому входу первого элемента ИЛИ и установочному входу запоминающего блока, и второй элемент ИЛИ, последовательно соединенные третий элемент ИЛИ и электронный ключ, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, последовательно соединенные первый блок дифференцирования, вход которого подключен к инверсному выходу RS-триггера, а выход также соединен с управляющим входом вычислителя и входом первого элемента задержки, двоичный счетчик, установочный вход которого подключен к выходу блока запуска, и дешифратор, выходы которого соединены с соответствующими входами третьего элемента ИЛИ, второй блок дифференцирования, вход которого соединен с прямым выходом RS-триггера, а выход подключен к управляющему входу запоминающего блока, последовательно соединенные ждущий мультивибратор, вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, третий блок дифференцирования, инвертор и второй элемент задержки, выход которого соединен с информационным входом электронного ключа, последовательно соединенные третий элемент задержки, вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, и второй управляемый переключатель, первой и второй выходы которого подключены к второму входу первого элемента ИЛИ и R-входу RS-триггера соответственно, счетный триггер, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход подключен к управляющему входу, второго управляемого переключателя, последовательно соединенные сумматор и цифровой измеритель мощности, выход которого подключен к информационным разрядным входам запоминающего блока, блок селекции излучений, информационный вход которого соединен с выходом первого управляемого переключателя, каждый i-ый управляющий вход подключен к соответствующему (i+1)-му выходу дешифратора, а выходы соединены с соответствующими входами сумматора.

Однако это устройство имеет недостаток, связанный с низкими функциональными возможностями, обусловленными измерением только уровней излучения радиопередающих устройств на гармониках.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения коэффициента усиления антенны (см. а.с. СССР N 1737373, кл. G 01 R 29/10, 1990), содержащее генератор сигналов, выход которого является выходом для подключения первой исследуемой антенны, измеритель мощности, вход которого является входом для подключения второй исследуемой антенны, идентичной первой исследуемой антенне, последовательно соединенные блок извлечения корня квадратного, вход которого подключен к выходу измерителя мощности, первый блок умножения, второй блок умножения и регистратор, частотомер, вход которого подключен к выходу второй исследуемой антенне, а выход - к второму входу первого блока умножения и к второму входу регистратора, блок памяти, выход которого подсоединен к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов, ключ, первый счетчик, ждущий мультивибратор, блок дифференцирования, инвертор и элемент задержки, первый второй и третий выходы которого подключены к управляющему входу первого и второго блоков умножения и регистратора соответственно, управляющий вход извлечения корня квадратного подсоединен к выходу инвертора, управляющий вход частотомера подсоединен к выходу блока дифференцирования, последовательно соединенные генератор одиночных импульсов и первый элемент ИЛИ, выход которого подключен к установочному входу первого счетчика, а второй вход подсоединен к выходу блока дифференцирования, последовательно соединенные второй счетчик, вход которого подключен к выходу ключа, а установочный вход - к выходу генератора одиночных импульсов, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подсоединен к входу генератора сигналов, последовательно соединенные второй элемент ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу генератора одиночных импульсов, а второй вход - к выходу инвертора, и RS-триггер, прямой выход которого подсоединен к управляющему входу ключа, а R-вход - к выходу введенного третьего элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходу блока дифференцирования и к второму выходу второго счетчика соответственно.

Однако это устройство также имеет недостаток, вызванный невозможностью измерения параметров сигналов, определяющих электромагнитную обстановку.

Для устранения этого недостатка в устройство для измерения коэффициента усиления антенны, содержащее последовательно соединенные генератор одиночных импульсов, первый элемент ИЛИ, RS-триггер, S-вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, ключ, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, двоичный счетчик, установочный вход которого соединен с выходом генератора одиночных импульсов, а второй выход подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, цифроаналоговый преобразователь, измерительный приемник, первый блок умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу блока памяти, второй блок умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу блока извлечения корня квадратного, и цифровой регистратор, последовательно соединенные цифровой частотомер, информационный выход которого соединен с информационным входом блока извлечения корня квадратного и вторым информационным входом цифрового регистратора, а управляющий выход также подключен к управляющему входу блока извлечения корня квадратного, и первый элемент задержки, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго блоков умножения соответственно, а третий выход подключен к первому входу второго элемента ИЛИ и к управляющему входу регистратора, введены последовательно соединенные перестраиваемый полосовой фильтр, управляющий вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, информационный вход соединен с выходом измерительной антенны, а выход также подключен к информационному входу измерительного приемника, широкополосный усилитель, выход которого также соединен с информационным входом цифрового частотомера, экстрематор, выход которого также подключен к третьему входу первого элемента ИЛИ, и второй элемент задержки, выход которого соединен с управляющим входом цифрового частотомера, третий элемент задержки, вход и выход которого подключены к выходу генератора одиночных импульсов и к второму входу второго элемента ИЛИ соответственно.

При распространении радиоволн в свободном пространстве напряженность электрического поля на границе между ближней и дальней зонами определяется по формуле:
(1)
где
P_г - мощность источника излучения;
G_г -коэффициент усиления передающей антенны;
R_г = λ/2π - расстояние от точки излучения до границы между ближней и дальней зонами;
Z_o = 120π = 377 Oм - волновое сопротивление в дальней зоне.

При распространении радиоволн в свободном пространстве в ближней зоне напряженность электрического поля в точке измерения
(2)
где
R_б ≤ λ/2π - расстояние от точки измерения до источника излучения в ближней зоне;
λ - длина волны;
λ/2π•R_б - коэффициент, учитывающий изменение Z, в ближней зоне.

Сравнивая (1) и (2) и учитывая, что расстояние R_г = λ/2π до границы между ближней и дальней зонами, получим:

откуда
(3)
Умножая (3) на действующую высоту h_д антенны и заменяя λ на c/f,
где
c - скорость распространения электромагнитной энергии;
f - частота излучения
получим

Таким образом, измерив значение напряженности в ближней зоне, можно определить напряженность электрического поля E_д на границе раздела между ближней и дальней зонами распространения радиоволн (см, Д.Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи, вып. 3. - М.: Советское радио, 1970, с. 28-30, 378-379). А зная это значение, можно произвести пересчет напряженности электрического доля для любой точки измерения, то есть на любом расстоянии от излучателя.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие его работу.

Устройство для определения электромагнитной обстановки содержит RS-триггер 1, ключ 2, выполненный, например, в виде элемента И, двоичный счетчик 3, выполненный, например, на микросхеме типа К155ИЕ5, измерительный приемник 4, например измерительный приемник типа П5-25, блок 5 памяти, выполненный, например в виде источника питания с отводами напряжений логических "1" и "0" и с микросхемой типа К155ИЕ6, первый и второй элементы ИЛИ 6 и 7, генератор 8 тактовых импульсов, цифроаналоговый преобразователь, выполненный, например, на микросхеме типа К572ПА2, полосовой фильтр 10, выполненный, например, на ЖИГ-фильтрах, первый, второй и третий элементы 11, 12 и 13 задержки, первый и второй блоки 14 и 15 умножения, широкополосный усилитель 16, цифровой частотомер 17, блок 18 извлечения корня квадратного, выполненный, например, на микросхеме К145ИП16, генератор 19 одиночная импульсов, выполненный, например, в виде генератора типа Г4-31, экстрематор 20, выполненный, например, а. с. СССР N 1385082, кл. G01R 19/04, 1986 г., цифровой регистратор 21 типа МПVI6-3, измерительная антенна 22 типа П6-23. При этом последовательно соединены генератор 19 одиночных импульсов, первый элемент ИЛИ 6, RS-триггер 1, S-вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ 7, ключ 2, второй вход которого соединен с выходом генератора 8 тактовых импульсов, двоичный счетчик 3, установочный вход которого соединен с выходом генератора 9 одиночных импульсов, а второй выход подключен к второму входу первого элемента ИЛИ 6, цифроаналоговый преобразователь 9, измерительный приемник 4, первый блок 14 умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу блока 5 памяти, второй блок 15 умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу блока 18 извлечения корня квадратного, и цифровой регистратор 21, последовательно соединены цифровой частотомер 17, информационный выход которого соединен с информационным входом блока 18 извлечения корня квадратного и вторым информационным входом цифрового регистратора 21, а управляющий выход также подключен к управляющему входу блока 18 извлечения корня квадратного, и первый элемент 11 задержки, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго блоков 14 и 15 умножения соответственно, а третий выход подключен к первому входу второго элемента ИЛИ 7 и к управляющему входу второго цифрового регистратора 21, последовательно соединены перестраиваемый полосовой фильтр 10, управляющий вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 9, информационный вход соединен с выходом измерительной антенны 22, а выход также подключен к информационному входу измерительного приемника 4, широкополосный усилитель 16, выход которого также соединен с информационным входом цифрового частотомера 17, экстрематор 20, выход которого также подключен к третьему входу первого элемента ИЛИ 6 и второй элемент 12 задержки, выход которого соединен с управляющим входом цифрового частотомера 17, вход и выход третьего элемента задержки подключен к выходу генератора 19 одиночных импульсов и к второму входу второго элемента ИЛИ соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Измерительную антенну 22 устройства располагают на расстоянии P_б ≤ λ/2π. С помощью элемента запуска генератора 19 на его выходе формируется одиночный импульс U₁ (см. фиг. 2а) прямоугольной формы, который поступает на установочный вход двоичного счетчика 3 и третий элемент задержки 13 непосредственно, а на R-вход RS-триггера 1 - через первый элемент ИЛИ 6. Двоичный счетчик 3 переводится в начальное состояние, RS - триггер принимает состояние логического "0", а на выходе третьего элемента 13 задержки образуется задержанный на τ₁ одиночный импульс U₁ (cм. фиг. 2б), который, поступая через второй элемент ИЛИ 7 на S-вход RS-тригера 1, переводит его в положение логической "1". Величина задержки τ₁ выбирается исходя из времени инерции RS-триггера 1. На прямом выходе RS-триггера 1 формируется напряжение U₂ (см. фиг. 2в), которое подается на управляющий вход ключа 2. Ключ 2 открывается и с выхода генератора 8 прямоугольные импульсы U₃ (см. фиг. 2г) в виде импульсов U₄ (см. фиг. 2д) поступают на счетный вход двоичного счетчика 3, обьем заполнения которого выбирается исходя из диапазона f'-f'' частот определения электромагнитной обстановки и разрядности цифроаналогового преобразователя 9. В результате поступления на счетный вход двоичного счетчика 3 прямоугольных импульсов U₄ его объем плавно заполняется, а на выходе формируются текущие значения логических напряжений. При этом с разрядных выходов двоичного счетчика 3 текущие значения логических напряжений подаются на разрядные входы цифроаналогового преобразователя 9. На выходе цифроаналогового преобразователя 9 формируется нарастающее по амплитуде пилообразное напряжение U₅ (см. фиг. 2е), которое, поступая на управляющие входы перестраиваемого полосового фильтра 10 и измерительного приемника 4, вызывает их синхронную перестройку по частоте. При совпадении частоты f₁ первого измеряемого сигнала с полосой пропускания перестраиваемого полосового фильтра 10 на его выходе образуется напряжение U₆. (см. фиг. 2ж), которое поступает на входы измерительного приемника 4 и широкополосного усилителя 16. Напряжение U₆, широкополосным усилителем 16 усиливается и в виде напряжения U⁷ (см. фиг. 2з) поступает на экстрематор 20. В случае совпадения резонансной частоты перестраиваемого полосового фильтра 10 с частотой f₁ на выходе экстрематора 20 формируется положительный импульс U₈ (см. фиг. 2и), который подается на второй элемент 12 задержки непосредственно, а на R - вход RS-триггера 1 через первый элемент ИЛИ 6. RS-триггер 1 возвращается в положение логического 0 и на его прямом выходе напряжение U₂ (см. фиг. 2в) становится равным логическому нулю, которое поступает на управляющий вход ключа 2. Ключ 2 закрывается и поступление прямоугольных импульсов Uд₄ (см. фиг. 2д) на счетный вход двоичного счетчика 3 прекращается, напряжение И₅ (см. фиг. 2е) на выходе цифроаналогового преобразователя 9 принимает значение U₅₁ и перестройка полосового фильтра 10 и измерительного приемника 4 прекращается. Измерительный приемник 4 измеряет напряжение U₆ (см. фиг. 2ж) на выходе измерительной антенны 22, которое подается на первый информационный вход первого блока 14 умножения, на второй информационный вход которого с выхода блока 5 памяти в двоичном коде поступает значение

где
R_б - расстояние между антенной излучателя сигнала с частотой f₁ и измерительной антенной устройства;
R_д - расстояние, на котором измеряется напряженность E_д1 электрического поля в дальней зоне;
c - скорость света.

На выходе второго элемента 12 задержки образуется задержанный на τ₂ положительный импульс U₈ (см. фиг. 2и), который в виде импульса U₉ (см. фиг. 2л) поступает на управляющий вход цифрового частотомера 17. Величина задержки τ₂ выбирается исходя из времени измерения цифровым частотомером частоты. Частотомер 17 срабатывает и измеряет частоту f₁ (см. фиг. 2к) первого обнаруженного сигнала электромагнитной обстановки в требуемом диапазоне частот f'-f''. При этом на его информационном выходе в двоичном коде формируется значение частоты f₁, которое поступает на информационные входы блока 18 извлечения корня квадратного и на второй информационный вход цифрового регистратора 21, а на управляющем выходе вырабатывается положительный импульс U₁₀ (см. фиг. 2м), который поступает на вход первого элемента 11 задержки и управляющий вход блока 18 извлечения корня квадратного. Блок 18 извлечения корня квадратного срабатывает и на его выходе в двоичном коде вырабатывается результат
С первого выхода первого элемента задержки 11 задержанный импульс τ₃ поступает на управляющий вход первого блока 14 умножения. Первый блок 14 умножения срабатывает и осуществляет операцию умножения

С выхода первого блока 14 умножения результат умножения в двоичном коде подается на первый вход второго блока 15 умножения, на второй вход которого с выхода блока 18 извлечения корня квадратного поступает значение Со второго выхода элемента 11 задержки задержанный на 2τ₃ импульс U₁₀ поступает на управляющий вход второго блока 15 умножения и запускает его. Второй блок 15 умножения срабатывает и на его выходе в двоичном коде формируется значение напряжения U_д1, которое образуется на выходе измерительной антенны 22 в дальней зоне на расстоянии R_д. С выхода второго блока 15 умножения значение напряжения U_д1 поступает на первый информационный вход цифрового регистратора 21, на второй информационный вход которого с выхода цифрового частотомера 17 подаются логические напряжения частоты f₁.

С третьего выхода первого элемента задержки задержанный на 33τ₃ импульс U₁₀ в виде импульса U310

(см. фиг. 2б) поступает на вход цифрового регистратора 21 непосредственно, а на S - вход RS-триггера 1 - через второй элемент ИЛИ 7. Цифровой регистратор 21 включается и фиксирует значение частоты f₁ и напряжение U_д1 на выходе измерительной антенны 22. Величина τ₃ выбирается исходя из инерционности блоков 14, 15 и 21.

Одновременно RS-триггер 1 переводится в положение логической 1 и на его прямом выходе вторично образуется напряжение U₂ (см. фиг. 2в), которое поступает на управляющий вход ключа 2. Ключ 2 опять открывается и с выхода генератора 8 прямоугольные импульсы положительной полярности вновь поступают на счетный вход двоичного счетчика 3. Количество поступающих на счетный вход двоичного счетчика 3 импульсов продолжает увеличиваться, что вызывает соответственно рост напряжения U₅ (см. фиг. 2е) на выхода цифроаналогового преобразователя 9 и перестройку фильтра 10 и измерительного приемника 4. В момент совпадения резонансной частоты перестраиваемого полосового фильтра 10 с частотой второго сигнала излучения на выходе экстрематора 20 снова формируется импульс U₈ (см. фиг. 2и), который поступает на вход второго элемента 12 задержки непосредственно, а на установочный вход RS-триггера 1 через первый элемент ИЛИ 6. RS-триггер 1 возвращается в положение логического 0, а ключ 2 закрывается. При этом на выходе цифроаналогового преобразователя 9 напряжение U₅ становится равным напряжению U₅₂ (см. фиг. 2е), перестройка фильтра 10 и измерительного приемника 4 прекращается и процесс измерения напряжения U_д2 на частоте f₂ продолжается.

При полном заполнении объема двоичного счетчика 3 (верхняя граница перестройки измерительного приемника) на его последнем выходе старшего разряда вырабатывается прямоугольный импульс U₁₁ (см. фиг. 2н), который через первый элемент ИЛИ 6 подается на R - вход RS-триггера 1. RS-триггер 1 переводится в положение логического "0" и процесс измерения прекращается.

По измеренным значениям напряжений U_дi и выбранным из калибровочного графика соответствующих значений действующих высот h_i на соответствующих частотах f_i определяют напряженности электрических полей по формуле E_дi=U_дi/h_i
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет определять электромагнитную обстановку путем измерения электромагнитных полей в ближней зоне.

Устройство предназначено для измерения электромагнитных полей полезных сигналов и помех в целях обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Определение электромагнитной обстановки осуществляется путем обнаружения перестраиваемым полосовым фильтром 10 источников сигналов в ближней зоне, измерением приемником 4 U_σi сигналов на выходе измерительной антенны 22, формированием блоком 5 памяти коэффициента различия между измерениями в ближней и дальней зонах, вычислением с помощью первого и второго умножителей 14 и 15 и блока 18 извлечения корня квадратного уровней U_дi сигналов на выходе измерительной антенны 22 на любом необходимом для исследований расстоянии от источника излучения и фиксации регистратором 21 частот f_i и уровней сигналом U_дi на выходе измерительной антенны 22 в дальней зоне. Технический результат: устройство позволяет определять электромагнитную обстановку измерением электромагнитных полей в ближней зоне. 2 ил.

Устройство для определения электромагнитной обстановки, содержащее последовательно соединенные генератор одиночных импульсов, первый элемент ИЛИ, RS-триггер, S-вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, ключ, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, двоичный счетчик, установочный вход которого соединен с выходом генератора одиночных импульсов, а второй выход подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, цифроаналоговый преобразователь, измерительный приемник, первый блок умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу блока памяти, второй блок умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу блока извлечения корня квадратного, и цифровой регистратор, последовательно соединенные цифровой частотомер, информационный выход которого соединен с информационным входом блока извлечения корня квадратного и вторым информационным входом цифрового регистратора, а управляющий выход подключен к управляющему входу блока извлечения корня квадратного, первый элемент задержки, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго блоков умножения соответственно, а третий выход подключен к первому входу второго элемента ИЛИ и к управляющему входу цифрового регистратора, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные перестраиваемый полосовой фильтр, управляющий вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, информационный вход соединен с выходом измерительной антенны, а выход подключен к информационному входу измерительного приемника, широкополосный усилитель, выход которого соединен с информационным входом цифрового частотомера, экстрематор, выход которого подключен к третьему входу первого элемента ИЛИ, и второй элемент задержки, выход которого соединен с управляющим входом цифрового частотомера, третий элемент задержки, вход и выход которого подключены к выходу генератора одиночных импульсов и второму входу второго элемента ИЛИ соответственно.