СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано при определении экспериментальным путем уровней электромагнитного излучения (ЭМИ) - свободно распространяющихся радиоволн.

Известны методы измерения напряженности поля радиоволн [1], конечной целью которых является реализация максимально возможной метрологической точности определения характеристик ЭМИ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения напряженности поля [2], который заключается в измерении трех ортогональных (горизонтальных и вертикальной) составляющих ЭМИ на высоте H₀ от поверхности экрана (Земли); измерении двух ортогональных (горизонтальных) составляющих ЭМИ на высоте 2H₀ от поверхности экрана, и определению расчетным путем напряженности поля падающей волны по результатам указанных пяти промежуточных измерений.

Известный способ позволяет избежать влияния экрана на результат определения уровня ЭМИ, однако требует применения двухэтажной антенной системы достаточно сложной конструкции и компьютерной обработки результатов измерений [2] . Кроме того, наличие близкорасположенных местных предметов существенно влияет на результаты определения уровня ЭМИ, поскольку искажает структуру падающего волнового поля. В случае реализации переносного (мобильного) и малогабаритного вариантов измерительной антенны таким предметом является, например, тело оператора, который держит в руках антенну и производит измерения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритов и веса измерительной антенны, упрощение алгоритма обработки и сокращение числа промежуточных измерений, необходимых для определения уровня ЭМИ; исключение влияния местных предметов на результат определения уровня ЭМИ падающей волны.

Характеристиками ЭМИ, которые подлежат определению, могут быть напряженности поля электрической E-составляющей, В/м, ЭМИ; магнитной H-составляющей, А/м, ЭМИ, а также плотность потока мощности (энергии в единицу времени) ППЭ, Вт/м²; ЭМИ.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что, с помощью измерительной антенны, расположенного за ней перпендикулярно направлению воздействия ЭМИ (вектору ППЭ падающей волны) подвижного экрана и измерителя уровня ЭМИ изменяется расстояние между антенной и подвижным экраном и фиксируются два показания измерительного прибора: максимальное и минимальное, а затем искомый результат определяется по формулам
ППЭ_пад = ППЭ_макс/(1 + R_D)₂ при измерении уровня ППЭ;
E_пад = E_макс/(1 + R_D) при измерении уровня E;
H_пад = H_макс/(1 + R_D) при измерении уровня H,
(1)
где ППЭ - плотность потока мощности (энергии в единицу времени) ЭМИ, Вт/м²; E - напряженность поля электрической E-составляющей ЭМИ, В/м; H - напряженность поля магнитной H-составляющей ЭМИ, А/м; R_D = (M_D - 1)/(M_D + 1) - экспериментально определяемый коэффициент отражения волны от экрана; причем если значения N_макс и N_мин выражены в децибелах; и M_D = (ППЭ_макс/ППЭ_мин)^0,5; M_D = (E_макс/E_мин); M_D = (H_макс/H_мин), если прибор определяет в качестве N непосредственно уровни ППЭ; E или H; ППЭ_макс; E_макс и H_макс - максимальные значения уровня характеристик ЭМИ по результатам измерений; ППЭ_мин; E_мин и H_мин - минимальные значения уровня характеристик ЭМИ по результатам измерений.

На фиг. 1 приведена структурная схема аппаратурной реализации предлагаемого способа.

На фиг. 2 и фиг. 3 представлены соответственно экспериментальные графики зависимости промежуточных результатов измерений и относительной погрешности результатов определения уровня ЭМИ от геометрических размеров экрана.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе определения уровня ЭМИ (см. фиг. 1) измерительная антенна 1 (рупорная при измерении ППЭ; вибраторная при измерении E; рамочная при измерении H) ориентируется максимумом характеристики направленности на источник сигнала (на фиг. 1 показана ориентация вектора ППЭ, соответствующего направлению распространения ЭМИ, уровень которого подлежит определению). Расстояние H₀ между антенной 1 и подвижным металлическим экраном 2 изменяется в пределах (0,5...1)λ, где λ - рабочая длина волны; при этом фиксируются максимальное и минимальное показания измерителя 3 уровня ЭМИ. Значение уровня ЭМИ падающей волны ППЭ_пад; E_пад или H_пад определяются затем по найденным значениям N_max и N_min; ППЭ_макс и ППЭ_мин; E_макс и E_мин; H_макс и H_мин согласно (1).

Рассмотрим предлагаемый способ более подробно на примере определения уровня ППЭ_пад; Вт/м², при измерении прибором 3 значений N_max и N_min в децибелах. Согласно фиг. 1 на измерительную антенну 1 падает волна с напряженностью поля E_пад, для которой значение ППЭ_пад равняется
ППЭ_пад = (E_пад)²/2Z_c; (2)
где Z_c - волновое сопротивление окружающей среды. В локальной области пространства перед подвижным экраном 2, где находится антенна 1, в направлении воздействия ЭМИ (направление вектора ППЭ на фиг. 1), интерферируют две волны: падающая (с уровнем E_пад) и отраженная от подвижного металлического экрана 2 (с уровнем R_DE_пад), где коэффициент R_D - экспериментально определяемый коэффициент отражения (с учетом дифракции) волны от экрана [3]. При этом максимальное и минимальное значения ППЭ, Вт/м² (находящиеся друг от друга на расстоянии, близком к λ/4) здесь соответственно будут равны
ППЭ_макс = (E_пад + R_DE_пад)²/2Z_c;
ППЭ_мин = (E_пад - R_DE_пад)²/2Z_c. (3)
Величина их отношения равняется
(ППЭ_макс/ППЭ_мин) = (1 + R_D)²/(1 - R_D)²; (4)
или, если выразить ее в децибелах (что целесообразно, когда показания N_max и N_min измерителя 3 выражены в децибелах):
N_max - N_min = 10 lg(ППЭ_макс/ППЭ_мин) = 20 lg[(1 + R_D)/(1 - R_D)]. (5)
Введя обозначение M_D = 10^(Nмакс^-Nмин^)/20, находим значение коэффициента R_D = (M_D - 1)/(M_D + 1); и тогда ППЭ_пад = ППЭ_макс/(1 + R_D)² в соответствии с формулой (1). Если измеритель 3 фиксирует значения ППЭ, Вт/м² (или мкВт/см²), то коэффициент R_D определяется непосредственно из (4), поскольку в этом случае
M_D = (1 + R_D)/(1 - R_D) = (ППЭ_макс/ППЭ_мин)^0,5. (6)
Определение значений N_max и N_min (или ППЭ_макс и ППЭ_мин) производится путем фиксирования максимального и минимального показаний измерителя 3 при изменении расстояния H₀ между антенной 1 и экраном 2 путем перемещения подвижного экрана 2. Фиг. 2 демонстрирует график типовой зависимости N, в децибелах, показаний измерителя 3 от расстояния H₀ для круглого по форме подвижного экрана 2 (длина волны λ = 3 см). В таблице представлены результаты обработки аналогичных графиков для разных значений диаметра D круглого подвижного экрана 2: указаны максимальные и минимальные значения R_D, найденные для шести пар соседних значений N_max и N_min, а также их средние значения (R_D)_ср.

В последней строке таблицы и на графике фиг. 3 приведены результаты расчета значений относительной погрешности δ определения уровня ППЭ, в процентах, от диаметра экрана D, найденные согласно (1) как
δ = (|γ-γ_o|/γ_o)•100% , (7)
где γ = (ППЭ_пад/ППЭ_макс) = 1/[1+(R_D)2с

_р] - поправочный коэффициент, который фигурирует в (1) при определении ППЭ_пад, а γ_o - - значение γ для экрана с максимальным диаметром D = 39 см (условно принятое за эталон для сравнения). Из данных таблицы и фиг. 3 видно, что, вплоть до значений (D/λ)<3, относительная погрешность δ не превышает 6%. Это позволяет минимизировать до приемлемых значений размеры подвижного металлического экрана при реализации мобильного малогабаритного измерительного комплекса на основе предлагаемого способа определения уровня ЭМИ.

Аналогичным образом определяются значение E_пад в случае измерения уровня E и значение H_пад в случае измерения уровня H - по формулам (1) при где N_макс и N_мин - соответственно максимальное и минимальное показания измерителя E или H, в децибелах; и M_D = (E_макс/E_мин) или M_D = (H_макс/H_мин); если измеряются непосредственно уровни E и H.

Предлагаемый способ определения уровня ЭМИ позволяет реализовать измерительную антенну упрощенной конструкции, с малыми габаритами и весом, что позволяет использовать ее в мобильных измерительных комплексах. Алгоритм (1) допускает как ручной способ обработки результатов промежуточных измерений, так и компьютерный. Наличие местных предметов (в том числе тела оператора) на результаты измерений не влияет, поскольку структуру ЭМИ в локальной области пространства, где производится измерение уровня ЭМИ, определяют главным образом размеры, отражающие и дифракционные свойства подвижного экрана. Предлагаемый способ прост, эффективен и удобен для практической реализации.

Литература
1. Курганов Л. С., Шаров Э.Э. Техника измерения напряженности поля радиоволн. М.: Радио и связь, 1982.

2. А. с. СССР N 1355946 / Способ определения напряженности электромагнитного поля. О.Н. Маслов, Е.Ю. Шередько, Бюл. N 44, 30.11.87.

3. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1972.

Способ определения уровня электромагнитного излучения заключается в том, что с помощью измерительной антенны, расположенного за ней, перпендикулярно направлению воздействия электромагнитного излучения подвижного экрана и измерителя уровня электромагнитного излучения производится определение уровня электромагнитного излучения, при измерении расстояния между антенной и подвижным экраном фиксируют два показания измерительного прибора: максимальное N_макс и минимальное N_мин, а затем определяются плотность потока мощности, напряженность поля электрической Е-составляющей и магнитной Н-составляющей электромагнитного излучения по формулам ППЭ_пад=ППЭ_макс/(1+R_D)², Е_пад= Е_макс/(1+R_D), Н_пад=Н_макс/(1+R_D), где R_D=(М_D-1)/(М_D+1) - экспериментально определяемый коэффициент отражения волны от экрана, причем ; если значения N_макс и N_мин выражены в децибелах, и М_D=(ППЭ_макс/ППЭ_мин)^0,5; М_D=(Е_макс/Е_мин); М_D=(Н_макс/Н_мин), если прибор определяет в качестве N посредственно уровни ППЭ, Е или Н. Технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении габаритов и веса измерительной антенны, упрощении алгоритма обработки и сокращении числа промежуточных измерении, исключении влияния местных предметов на результат определения уровня ЭМИ падающей волны. 3 ил., 1 табл.

Способ определения уровня электромагнитного излучения, заключающийся в том, что с помощью измерительной антенны, расположенного за ней подвижного экрана и измерителя уровня электромагнитного излучения производится определение уровня электромагнитного излучения, отличающийся тем, что при изменении расстояния между антенной и подвижным экраном, расположенным перпендикулярно направлению воздействия электромагнитного излучения, фиксируют два показания измерительного прибора: максимальное N_макс и минимальное N_мин, а затем искомый результат определяется по формулам
ППЭ_пад = ППЭ_макс/(1 + R_D)² при измерении уровня ППЭ;
E_пад = E_макс/(1 + R_D) при измерении уровня E;
H_пад = H_макс/(1 + R_D) при измерении уровня H,
где ППЭ - плотность потока мощности (энергии в единицу времени) электромагнитного излучения, Вт/м²;
E - напряженность поля электрической E-составляющей электромагнитного излучения, В/м;
H - напряженность поля магнитной H-составляющей электромагнитного излучения, А/м;
R_D = (M_D - 1)/(M_D + 1) - экспериментально определяемый коэффициент отражения волны от экрана,
причем M_D = 10^{(Nмакс-Nмин)/20}, если значения N_макс и N_мин выражены в децибелах, и M_D = (ППЭ_макс/ППЭ_мин)^0,5; M_D = (E_макс/E_мин); M_D = (H_макс/H_мин), если прибор определяет в качестве N посредственно уровня ППЭ, E или H,
ППЭ_макс, E_макс и H_макс - максимальные значения уровня характеристик электромагнитного излучения по результатам измерений;
ППЭ_мин, E_мин и H_мин - минимальные значения уровня характеристик электромагнитного излучения по результатам измерений.