Устройство контроля электромагнитных излучений в тройном диапазоне частот
DEVICE FOR MONITORING ELECTRONAGNETIC RADIATION IN TRIPLE FREQUENCY RANGE

Изобретение относится к области контроля электромагнитной обстановки и может быть использовано для измерения параметров электромагнитного поля в широком диапазоне частот от 30 МГц до 30 ГГц и оценки опасности каждой из контролируемых составляющих электромагнитного поля в этом диапазоне.
Учитывая, что электромагнитные излучения в частотном диапазоне 30 МГц - 30 ГГц включают несколько поддиапазонов: ОВЧ (30 МГц - 300 МГц), УВЧ (300 МГц - 3 ГГц) и СВЧ (3 ГГц - 30 ГГц) (Международный союз электросвязи, рекомендация МСЭ-R V. 431-8 «Номенклатура диапазонов частот и длин волн, используемых в электросвязи», 2015. - С. 2) предлагаемое устройство можно использовать для контроля электромагнитной обстановки в различных сферах деятельности, включая производственный и коммунально-бытовой сектор.
Известно устройство для измерения мощности СВЧ излучения, содержащее термопреобразователь, выход которого подключен на входы электронных ключей; последовательно соединенные электронные ключи, усилители низких частот и полосовые фильтры, выходы которых подключены на входы синхронных детекторов; последовательно соединенные генератор импульсов, делители частоты, логический элемент И, выход которого подключен на вход сдвигового регистра, выход которого подключен на входы электронных ключей и логических элементов ИЛИ; логические элементы ИЛИ, выходы которых подключены на входы электронных ключей; последовательно соединенные синхронные детекторы, сумматор и усилитель постоянного тока. Элементы устройства соединены в электрическую схему. Входом устройства является вход термопреобразователя, выходом - выход усилителя постоянного тока (патент RU 2298801, МПК G01R 21/04 (2006.01)).
Недостатками устройства являются: узкий диапазон исследуемых частот вследствие контроля только СВЧ излучения; неселективность измерений, обусловленная отсутствием элементов, позволяющих избирательно контролировать электромагнитное поле в отдельных частотных полосах; пониженная точность измерений, обусловленная искажением измерений вследствие влияния температуры окружающей среды на термочувствительные элементы термопреобразователя из-за отсутствия температурной компенсации термопреобразователя; отсутствие возможности вывода результатов измерений на портативный персональный компьютер.
Известно устройство для измерения интенсивности электромагнитного поля в диапазоне СВЧ, содержащее печатную антенну на диэлектрической подложке, к выходу которой подключен квадратичный преобразователь, и регистратор. Устройство построено на основе резонаторной плоскости печатной симметричной поляризационно-изотропной антенны на диэлектрической подложке с экранирующей пластиной с двумя ортогонально расположенными выходами и содержит второй квадратичный преобразователь с идентичной первому характеристикой. Оба квадратичных преобразователя одноименными выводами подсоединены к ортогонально расположенным выходам и расположены в отверстиях диэлектрической подложки непосредственно под нулевыми точками эквивалентных магнитных токов ортогональной поляризации синфазно-излучающих кромок антенны. Другие выводы преобразователей соединены с экранирующей пластиной. Сумма выпрямленных преобразователями токов через общий контакт в центре печатной антенны в нулевой точке эквивалентных магнитных токов антенны для любой поляризации и соответствующее отверстие под ним в диэлектрической подложке и экранирующей пластины поступает на регистратор, другой вход которого соединен с экранирующей пластиной (патент RU 2098837, МПК G01R 29/08 (1995.01)).
К недостаткам данного устройства можно отнести узкий диапазон исследуемых частот вследствие контроля только СВЧ излучения; пониженные точность и чувствительность измерений, обусловленные использованием в качестве блока индикации аналогового измерительного прибора - микроамперметра, обладающего инструментальной погрешностью; неселективность измерений в связи с отсутствием элементов, позволяющих избирательно контролировать электромагнитное поле в отдельных частотных полосах; отсутствие возможности вывода результатов измерений на портативный персональный компьютер.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков и достигаемому результату является устройство для измерения интенсивности электромагнитного поля в частотном диапазоне 300 МГц - 3 ГГц, содержащее антенну, закрепленную на корпусе, в котором смонтированы радиоэлементы, электрически соединенные в радиосхему.
Устройство выполнено с применением первого СВЧ-детектора для детектирования сигнала, поступающего с антенны, балансного модулятора для изменения напряжения, поступающего с подключенного к балансному модулятору кварцевого генератора (гетеродина), частотного фильтра сосредоточенной избирательности для выделения основной гармоники и подавления побочных гармоник кварцевого генератора (гетеродина), установленного между балансным модулятором и усилителем, на котором измененное напряжение усиливается, после чего вторым детектором детектируется и регистрируется индикатором магнитоэлектрической системы. При этом электропитание элементов осуществляется от источника питания постоянного тока (патент RU 2337370, МПК G01R 29/08 (2006.01)).
Недостатками описанного устройства являются узкий заявленный диапазон исследуемых частот: 300 МГц - 3 ГГц; недостаточно высокие точность и чувствительность измерений, обусловленные использованием в качестве блока индикации прибора с магнитоэлектрической схемой постоянного тока, обладающего инструментальной погрешностью; неселективность измерений в связи с отсутствием элементов, позволяющих избирательно контролировать электромагнитное поле в отдельных частотных полосах; отсутствие возможности вывода результатов измерений на портативный персональный компьютер.
В основе изобретения лежит техническая проблема, заключающаяся в необходимости создания устройства, позволяющего исследовать электромагнитное поле в широком частотном диапазоне: 30 МГц - 30 ГГц, повысить точность и чувствительность измерений, избирательно контролировать электромагнитные излучения в отдельных частотных полосах, выводить результаты измерений на портативный персональный компьютер.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что устройство контроля электромагнитных излучений в тройном диапазоне частот, содержащее корпус, антенну, детектор, соединенный с кварцевым генератором балансный модулятор, усилитель, фильтр, источник питания постоянного тока, согласно изобретению снабжено высокочастотным антенным разъемом, предназначенным для передачи контролируемого электромагнитного сигнала с выхода антенны, в качестве которой использована плоская печатная самокомплементарная антенна, на первый вход введенного электромеханического блока коммутации, связанного вторым входом с первым выходом введенного микроконтроллера через шину интерфейса UART и связанного первым выходом через введенный аттенюатор с первым входом балансного модулятора или связанного вторым выходом с первым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом балансного модулятора, со вторым входом которого соединен выход кварцевого генератора, подключенного первым входом через введенный сглаживающий фильтр к выходу введенного цифро-аналогового преобразователя, встроенного в микроконтроллер вместе с введенным аналого-цифровым преобразователем, соединенным первым входом с выходом детектора, в качестве которого использован логарифмический детектор широкого частотного диапазона, первый вход которого связан через фильтр, в качестве которого использован активный трехполосный фильтр, с выходом балансного модулятора, а вторым входом соединенным с выходом введенного источника опорного напряжения. Устройство также снабжено жидкокристаллическим TFT-дисплеем, соединенного первым входом через шину последовательного периферийного интерфейса SPI со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого через СОМ-порт, встроенный в микроконтроллер, соединен соединительным разъемом через шину интерфейса UART с портативным персональным компьютером. Выходы источника питания постоянного тока соединены со вторым входом усилителя, вторым входом кварцевого генератора, вторым входом логарифмического детектора, входом источника опорного напряжения, входом микроконтроллера и вторым входом жидкокристаллического TFT-дисплея. При этом в корпусе, выполненном из плотного экранирующего материала, размещены элементы устройства кроме плоской печатной самокомплементарной антенны, высокочастотного антенного разъема и жидкокристаллического TFT -дисплея.
Расширение частотного диапазона исследуемого электромагнитного поля обусловлено объединением в предложенном изобретении плоской печатной самокомплементарной антенны, трехполосного фильтра, логарифмического детектора широкого частотного диапазона и интегральных схем, построенных на основе современной технологии SiGe, что в совокупности обеспечивает расширение границы исследуемого электромагнитного поля в диапазоне частот от 30 МГц до 30 ГГц.
Повышение точности и чувствительности измерений обусловлено введением высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя с источником опорного напряжения повышенной точности в качестве измерительного блока и математических методов фильтрации и обработки данных микроконтроллером с применением усилителя. Использование электромеханического блока коммутации дополнительно позволяет избежать искажения входного сигнала.
Возможность избирательного контроля электромагнитных излучений в отдельных частотных полосах обусловлена объединением в предложенном изобретении гетеродинной цепи, состоящей из кварцевого генератора, управляемого напряжением, подаваемым с цифро-аналогового преобразователя, встроенного в микроконтроллер, через сглаживающий фильтр, балансного модулятора и трехполосного фильтра, что в совокупности обеспечивает измерение задаваемых составляющих электромагнитного поля в необходимом частотном поддиапазоне.
Вывод результатов измерений на портативный персональный компьютер осуществляется в результате преобразования аналогового сигнала с логарифмического детектора в цифровой сигнал посредством встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, дальнейшей обработки собственными вычислительными мощностями микроконтроллера и передачи на портативный персональный компьютер для последующей обработки через встроенный интерфейс: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter RS-232 (далее UART) через СОМ-порт портативного персонального компьютера.
На приведенном чертеже представлена функциональная схема устройства контроля электромагнитных излучений в тройном диапазоне частот.
Устройство контроля электромагнитных излучений в тройном диапазоне частот содержит плоскую печатную самокомплементарную антенну 1, выход которой соединен с входом высокочастотного антенного разъема 2, предназначенного для передачи контролируемого электромагнитного сигнала с выхода антенны 1, выходы которого расположены в экранированном корпусе 3 и соединены с первым входом электромеханического блока коммутации 4, второй вход которого связан с первым выходом микроконтроллера 5 через шину интерфейса UART 6. Первый выход электромеханического блока коммутации 4 соединен с входом аттенюатора 7 или второй выход электромеханического блока коммутации 4 связан с первым входом усилителя 8. Выход аттенюатора 7 и выход усилителя 8 соединены с первым входом балансного модулятора 9, второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 10, управляемого напряжением, подаваемым на его первый вход с выхода цифро-аналогового преобразователя 11, встроенного в микроконтроллер 5, через сглаживающий фильтр 12. Выход балансного модулятора 9 через активный трехполосный фильтр 13 соединен с первым входом логарифмического детектора 14, выход которого связан с первым входом встроенного в микроконтроллер 5 аналого-цифрового преобразователя 15, питание на второй вход которого подается с выхода источника опорного напряжения 16. Второй выход микроконтроллера 5 соединен с первым входом жидкокристаллического TFT-дисплея 17 через шину последовательного периферийного интерфейса SPI (англ. Serial Peripheral Interface) 18. Третий выход микроконтроллера 5 через СОМ-порт (на чертеже не показан), встроенный в микроконтроллер 5, соединен соединительным разъемом 19 через шину интерфейса UART 20 с портативным персональным компьютером (на чертеже не показан). При этом элементы устройства кроме плоской печатной самокомплементарной антенны 1, высокочастотного разъема 2 и жидкокристаллического TFT-дисплея 17 размещены в экранированном корпусе 3.
Питание подается на второй вход усилителя 8, второй вход кварцевого генератора 10, второй вход логарифмического детектора 14, вход источника опорного напряжения 16, вход микроконтроллера 5 и второй вход жидкокристаллического TFT-дисплея 17 через выходы источника питания постоянного тока 21.
Устройство контроля электромагнитных излучений в тройном диапазоне частот работает следующим образом.
Источник питания постоянного тока 21 создает разность потенциалов на усилителе 8, кварцевом генераторе 10, логарифмическом детекторе 14, источнике опорного напряжения 16, микроконтроллере 5 и жидкокристаллическом TFT-дисплее 17. Исследуемое электромагнитное излучение приводит к возникновению в плоской печатной самокомплементарной антенне 1 электромагнитного сигнала, поступающего на высокочастотный антенный разъем 2, с которого сигнал передается на электромеханический блок коммутации 4, через который передается на балансный модулятор 9 через аттенюатор 7 для плавного понижения интенсивности электромагнитного сигнала. При низкой интенсивности исследуемого сигнала или его отсутствии для повышения чувствительности контроля через шину интерфейса UART 6 с первого выхода микроконтроллера 5 на второй вход электромеханического блока коммутации 4 подается управляющий сигнал для соединения балансного модулятора 9 через усилитель 8. Выбор исследуемого поддиапазона выполняется микроконтроллером 5 с помощью встроенного в него цифро-аналогового преобразователя 11 путем передачи управляющего сигнала через сглаживающий фильтр 12 на кварцевый генератор 10 и формирования опорной частоты сигнала, подаваемого на балансный модулятор 9. Измененный сигнал из балансного модулятора 9 через трехполосный фильтр 13 поступает в логарифмический детектор 14, формирующий постоянное напряжение, подаваемое на встроенный в микроконтроллер 5 аналого-цифровой преобразователь 15, создающий в свою очередь цифровой сигнал, записываемый в собственную память микроконтроллера 5. Далее цифровой сигнал обрабатывается микроконтроллером 5 и через шину последовательного периферийного интерфейса SPI 18 передается на жидкокристаллический TFT-дисплей 17, где полученный сигнал представляется в требуемой форме и используется для оперативного управления режимами работы устройства контроля электромагнитных излучений в тройном диапазоне частот. Затем сигнал передается через встроенный в микроконтроллер 5 СОМ-порт (на чертеже не показан), шину интерфейса UART 20 и соединительный разъем 19 на портативный персональный компьютер (на чертеже не показан), имеющий программное обеспечение для организации автоматизированного процесса измерения, обработки данных и представления информации в виде требуемых картин электромагнитного поля с возможностью их вывода на экран портативного персонального компьютера.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения выражается в создании устройства, позволяющего исследовать электромагнитное поле в широком частотном диапазоне (30 МГц - 30 ГГц), повысить точность и чувствительность измерений, избирательно контролировать электромагнитные излучения в отдельных частотных полосах, выводить результаты измерений на портативный персональный компьютер.