Датчик электромагнитного излучения

Полезная модель относится к технике антенных измерений и может быть использована при измерении биологически опасных уровней электромагнитного излучения (ЭМИ).
Известно устройство [1], представляющее собой электрический зонд или антенный преобразователь, образованный симметричными резистивными вибраторами, между которыми включен детекторный диод. При применении этой схемы в миллиметровом диапазоне длин волн размеры вибраторов приходится уменьшать из-за уменьшения длины волны электромагнитного излучения. Для уменьшения влияния высокочастотных токов в линиях связи на суммарный высокочастотный ток, детектируемый диодом, в линии связи вводятся сосредоточенные резисторы. В миллиметровом диапазоне длина вибраторов становится сравнимой с длиной сосредоточенных резисторов. Для уменьшения влияния резисторов на переизлучение электромагнитного поля, создающего в вибраторах высокочастотный ток, сосредоточенные резистивные элементы необходимо удалять от вибраторов, что неизбежно приводит к увеличению длины линий связи и их влиянию на высокочастотный ток вибратора. Кроме того, уровень сигнала постоянного тока, детектируемый диодом, оказывается недостаточным для контроля низких уровней электромагнитного поля, представляющих опасность для населения.
Известны устройства [2, 3], представляющие из себя датчики электромагнитного поля, образованные симметричными резистивными вибраторами, между которыми включен детекторный диод, а параллельно ему сосредоточенные R-C элементы, которые служат для выравнивания частотной характеристики.
Недостатком данных устройств являются низкая чувствительность на высоких частотах за счет распараллеливания полезного переменного тока вибратора между детектирующим диодом и параллельной ему подстраивающей R-C цепочкой. Кроме того, на линиях связи формируется высокочастотный сигнал, который дополнительно детектируется диодом, что приводит к влиянию линий связи на результат измерения напряженности поля симметричным резистивным вибратором.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство [3].
Технической задачей, решение которой достигается полезной моделью, является повышение чувствительности устройства за счет подавления влияния высокочастотных токов линий связи на детектируемый сигнал, что, в конечном итоге, позволяет получить требуемую частотную характеристику и необходимую чувствительность во всем рабочем диапазоне частот изменения электрического поля для точного измерения опасного электромагнитного излучения.
Сущность технического решения заключается в том, что в датчике электромагнитного излучения, содержащем подключаемый линией связи к измерительному устройству (индикатору напряжения) антенный преобразователь на диэлектрической подложке, включающий минимум две пары симметричных вибраторов, в каждой паре из которых между ближними концами вибраторов включен детекторный диод, пары вибраторов соединены между собой последовательно, при этом линии связи от первой и последней пары вибраторов сформированы в виде двух контуров (расположенные один внутри другого), каждый из которых включает в себя последовательную цепь вибраторов таким образом, что возбуждающие токи в этих контурах компенсируются на последовательных цепях вибраторов, а с обратной стороны диэлектрической подложки под линиями связи сформирован резистивный проводящий слой.
В вариантах выполнения датчика электромагнитного излучения длины полосок вибраторов в каждой паре равны между собой, а между парами вибраторов отличаются между собой, что позволяет получить требуемую частотную характеристику и необходимую чувствительность в заданном рабочем диапазоне частот датчика ЭМИ
Антенный преобразователь подключен к измерительному устройству линиями связи через резисторы, развязывающие линии связи от резистивных каналов антенного преобразователя.
Линии связи выполнены с изгибами, что увеличивает величину индуктивности линий связи, что, в свою очередь, позволяет уменьшить влияние переменного сигнала в линиях связи (за счет наводок) на полезный сигнал, детектируемый диодом от вибраторов.
Предпочтительный вариант выполнения вибраторов резистивными и с плавным переходом от широкого участка на узкий.
Контуры из резистивных линий связи сформированы от широкого участка одного из вибраторов в первой и в последней паре (ближе к детектирующим диодам), охватывая площадь, где индуцируются ВЧ-токи.
На фиг. 1 - представлено конструктивное выполнение предлагаемого устройства для двух пар вибраторов, а на фиг. 2 - электрическая схема.
На фиг. 1 обозначено: 1,2 - вибраторы; 3,4 - детектирующие диоды; 6, 7, - линии связи (ЛС) от первой пары вибраторов 1; 5, 8 - линии связи от второй пары вибраторов 2; 10, 11 - ЛС между развязывающими резисторами 14, 15 и контактной площадкой 17 для первой пары вибраторов; 9, 12 - ЛС между развязывающими резисторами 13, 16 и контактной площадкой 18 для второй пары вибраторов; 17, 18 - площадки от ЛС для подключения к измерительному устройству; 19 - проводящий слой с обратной стороны подложки (показана пунктирными линиями); 20 - диэлектрическая подложка. На фиг. 2 обозначено: 21, 22, 23, 24 - сопротивления за счет экранирования линий связи с обратной стороны подложки; 25, 26, 27, 28 -индуктивности за счет изгиба линий связи; 29, 30, 31, 32 - сопротивления линий связи; 33 - переходное сопротивление за счет сужения вибраторов; 34 - емкость между контактными площадками 17, 18, Uвых - выходной сигнал; ЛС 5 и 8, 6 и 7, 9 и 12, 10 и 11 попарно равны по форме и по длине. В связи с этим равны индуктивности 25 и 26, 27 и 28, сопротивления 29 и 30, 31 и 32. Развязывающие резисторы 13, 14, 15, 16 также берутся равными между собой.
Практическая реализация устройства состоит в следующем.
Цепочки из двух пар вибраторов 1 и 2 соединены последовательно через сужающиеся концы резистивных полосок вибраторов. Длина полосок вибратора 1 равна 1,5 мм, а полосок вибратора 2 равна 1 мм. В зазор пары вибраторов 1 включен детектирующий диод 3, а в зазор пары вибраторов 2 включен детектирующий диод 4 (могут использоваться диоды типа
HSCH-9161). От первой и второй (последней) пар вибраторов 1 и 2 (от широкой части вибраторов, ближе к детектирующим диодам) формируются соответствующие линии связи 5, 8 и 6, 7 для подключения через резисторы 13, 14, 15, 16 и линии связи 9, 12 и 10, 11 к контактным площадкам 17, 18 и от них к измерительному устройству (на рисунке не показан). Резисторы 13, 14, 15, 16 являются развязывающими резисторами линий связи устройства от резистивных каналов антенного преобразователя. С обратной стороны диэлектрической подложки 20 (на которой расположен антенный преобразователь) под линиями связи 5, 6 и 7, 8 сформирован резистивный проводящий слой 19.
В вариантах выполнения датчика ЭМИ число пар вибраторов выбирается из условия выбора рабочего частотного диапазона и получения необходимой чувствительности.
Работа предлагаемого датчика электромагнитного излучения заключается в следующем. При внесении датчика в измеряемое электромагнитное поле СВЧ-токи индуцируются на вибраторах антенн 1 и 2 и детектируются диодами 3 и 4. Постоянный сигнал одной полярности через линию связи 5, резистор 13 линию связи 9, а также линии связи 8, резистор 16 линию связи 12 передаются на контактную площадку 18. Постоянный сигнал другой полярности через линию связи 6, резистор 14 линию связи 10, а также линии связи 7, резистор 15 линию связи 11 передаются на контактную площадку 17. С контактных площадок 17, 18 постоянный сигнал передается в измерительное устройство для преобразования его в значения параметров электромагнитного излучения. Но при этом СВЧ-токи индуцируются не только на вибраторах антенн 1 и 2, но и на всех других протяженных проводящих элементах, в основном на линиях связи, т.к. ориентация вектора электрического поля имеет проекцию на данные проводники. Это приводит к значительному снижению чувствительности датчика. Цепочки резистивных вибраторов 1, 2 линия связи 5, резистора 13, линии связи 9, паразитной емкости Сп между площадками 17 и 18, линии связи 10, резистора 14, линии связи 6 создают первый контур, в котором возбуждаются токи за счет магнитной составляющей Н электромагнитного поля. Цепочки резистивных вибраторов 1, 2 линии связи 8, резистора 16, линии связи 12, паразитной емкости Сп между площадками 17 и 18, линии связи 11, резистора 15, линии связи 7 создают второй контур, в котором также возбуждаются токи за счет магнитной составляющей Н электромагнитного поля. Если вектор магнитного поля Н направлен, как показано на рисунке, ток в контурах направлены против часовой стрелки и токи в вибраторах 2 и 1 компенсируются. Если направление магнитного поля меняется на противоположное, то меняется на противоположное и направление токов в контурах, но компенсация токов в вибраторах 2, 1 сохраняется. В линиях связи 5, 6, 7, 8 происходит минимизация токов за счет минимизации возбуждающего электрического поля Е вследствие наличия резистивного проводящего слоя (пленки) 19 с обратной стороны подложки 20 под линиями связи.
Известно, что коэффициент отражения электромагнитной волны R от поверхности, имеющей импеданс Z равен где Zo - импеданс свободного пространства (377 Ом), R - модуль коэффициента отражения, ϕ - фаза коэффициента отражения. При наличии идеальной металлической поверхности ее проводимость стремится к бесконечности, импеданс Z близок к нулю, и, следовательно, R= -1, или |R|=1, ϕ=180. Это означает, что вектора электрического поля падающей и отраженной электромагнитной волны на проводящей поверхности направлены в разные стороны. Наличие под линиями связи на обратной стороне диэлектрической подложки 20 резистивного проводящего слоя 19 приводит к тому, что резистивные линии связи находятся практически в минимуме электрического поля электромагнитного излучения и их возбуждение минимально, минимизируя действие на них возбуждающего электрического поля.
2
Таким образом, сформированные от первой и второй пары вибраторов линии связи в виде двух контуров, каждый из которых включает в себя последовательную цепь вибраторов таким образом, что возбуждающие токи за счет магнитной составляющей в этих контурах компенсируются на последовательных цепях вибраторов, что позволяет подавить влияние высокочастотных токов линий связи на детектированный сигнал, то есть повысить чувствительность устройства, и, в конечном итоге, получить требуемую частотную характеристику и необходимую чувствительность во всем рабочем диапазоне частот для измерения опасного электромагнитного излучения. Это позволило создать датчик, на основе которого измеритель ЭМИ может работать в миллиметровом диапазоне частот с чувствительностью, необходимой для выполнения требований СанПин 2.2.4.3359-16, а именно с возможностью регистрировать плотность потока ЭМИ от 3 до 1000000 мкВт/см.
Литература:
1. Samuel Hopfer, Zdenek Adler. AN ULTRA BROADBAND (200kHz-26GHz) HIGH SENSITIVITY PROBE. IEEE transaction on instrumentation and measurement, vol. 29, №4, December 1980, p.p. 445-451.
2. Датчик электромагнитного поля. Патент на изобретение RU №2188434.
3. Датчик электромагнитного поля. Патент на полезную модель RU №31860.