Способ формирования протяженных испытательных зон однородного линейно поляризованного электромагнитного поля
METHOD OF FORMING EXTENDED TEST ZONES OF HOMOGENEOUS LINEARLY POLARIZED ELECTROMAGNETIC FIELD

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для испытаний образцов автомобильной, авиационной и другой крупногабаритной техники на стойкость, прочность, безопасность и восприимчивость к действию гармонических электромагнитных полей (ЭМП) метрового диапазона длин волн.
При разработке указанных образцов, содержащих радиоэлектронное оборудование и радиоэлектронные системы, одной из важнейших задач является обеспечение их устойчивого и безопасного функционирования при воздействии внешних гармонических ЭМП.
Для оценки соответствия разрабатываемых образцов требованиям нормативных документов по безопасности использования, стойкости, прочности и восприимчивости их оборудования и систем к действию внешних гармонических электромагнитных полей проводят специальные испытания, заключающиеся в формировании испытательных ЭМП с нормированными характеристиками излучения и исследовании реакции радиоэлектронного оборудования и систем объектов испытаний на воздействие этих излучений.
Уровень техники.
Известен способ формирования ЭМП [ГОСТ 30804.4.3-2013 (IEC 61000-4-3:2006). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний] для испытаний технических систем на действие радиочастотных электромагнитных полей в диапазоне частот от 80 МГц до 6 ГГц.
В качестве испытательного оборудования применяют безэховую камеру, генератор радиочастотных сигналов, усилитель мощности, излучающую антенну, измеритель напряженности поля и вспомогательное оборудование для управления элементами испытательного оборудования и регистрации результатов.
При этом в качестве излучающей антенны рекомендовано использовать биконические, логопериодические, рупорные или волноводные антенны с линейной поляризацией электромагнитного поля.
Основным недостатком предлагаемого способа является то, что рекомендованные антенны позволяют сформировать ЭМП, у которых размеры пространственных зон (областей) с однородным распределением амплитуд напряженностей составляющих электромагнитного поля (плоскость однородного поля) не превышают единиц метров, что недостаточно для испытаний крупногабаритных образцов технических средств.
Наиболее близким к заявляемому способу, принятым за прототип, является способ формирования ЭМП системой двух расположенных на небольшом расстоянии (меньше длины волны λ) друг от друга антенн (симметричных вибраторов) [Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: «Связь», 1972. - 472 с.]. Из-за близкого расположения и заметного взаимного влияния друг на друга такие антенны называют связанными. Поле, создаваемое системой вибраторов в точке наблюдения, является результатом суперпозиции полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учетом фаз этих полей, определяемых как разностью хода лучей, так и разностью фаз токов в этих излучателях.
Недостатком способа является то, что он разработан в интересах обеспечения радиосвязи для формирования излучения с узкой диаграммой направленности и достижения заданных характеристик электромагнитного поля в дальней зоне облучения на расстоянии х>>λ и не учитывает особенности формирования однородного ЭМП вблизи излучателя.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании способа формирования протяженных областей однородного (с параметрами, заданными в нормативно-технической документации) линейно поляризованного электромагнитного поля для проведения испытаний образцов автомобильной, авиационной и другой крупногабаритной техники на стойкость, прочность, безопасность и восприимчивость к действию гармонических электромагнитных полей метрового диапазона длин волн.
Указанная цель по созданию протяженных зон однородного электромагнитного поля достигается применением полеобразующей системы, состоящей из двух связанных антенн, располагаемых в безэховой камере и возбуждаемых гармоническими токами одной частоты со сдвигом фазы (несинфазными источниками), изменением расстояния между связанными антеннами полеобразующей системы, измерением и контролем уровней формируемого поля в рабочей зоне и в области обратного излучения.
Отличительными признаками предложенного способа для его реализации являются:
- использование антенн одного характерного размера, соответствующего резонансной длине для верхней частоты диапазона воспроизводимых электромагнитных полей - диаграмма направленности антенны в направлении рабочей зоны не должна иметь более одного основного лепестка во всем диапазоне частот;
мин
мин
мин
мин
мин
- применение правила, при котором первоначально связанные антенны устанавливаются на расстоянии d=λ/2, где λ - минимальная длина волны формируемого электромагнитного поля (если продольный размер логопериодической или рупорной антенны больше λ/2, то следует использовать соотношение d=3⋅λ/2), а при изменении частоты ƒ ЭМП расстояние между связанными антеннами может изменяться и составлять d=λ/2 (d=3⋅λ/2, если продольный размер логопериодической или рупорной антенны больше λ/2), где λ - текущее значение длины волны генерируемого ЭМП;
- условное разбиение частотного диапазона, в котором требуется воспроизведение электромагнитных полей, на поддиапазоны, при этом в пределах одного поддиапазона максимальный размер рабочей зоны однородного поля обеспечивается за счет подбора сдвига фазы токов в связанных антеннах, а при смене поддиапазона - за счет изменения расстояния между связанными антеннами d;
макс
мин
- применение правила изменения частоты ƒ ЭМП от верхней границы частотного диапазона ƒ к нижней ƒ при определении размеров зон однородного ЭМП (зон однородного облучения) и границ частотных поддиапазонов;
- размещение объекта испытаний и двух антенн в безэховой камере, одна из которых расположена неподвижно, вторая - на подвижной платформе;
- использование внутри безэховой камеры двух многоканальных систем измерения параметров ЭМП, одна из которых расположена и измеряет напряженность поля в рабочей зоне однородного линейно поляризованного ЭМП, вторая - на подвижной платформе в области обратного излучения;
- использование устройства автоматизированного управления режимами работы испытательной установки.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, приведенными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 приведена схема размещения оборудования испытательной установки при подготовке к проведению испытаний на этапе измерения параметров формируемых ЭМП в отсутствии объекта испытаний.
макс
1
2
На фиг. 2 приведены результаты расчетов распределения напряженности вертикально поляризованного электрического поля частотой ƒ=100 МГц, формируемого над проводящей подстилающей поверхностью системой из двух параллельных монополей (несимметричных вибраторов), в вертикальной плоскости, расположенной на расстоянии R=6 м от антенны (1). Длина обоих монополей  и  составляет 1,5 м. Фаза тока, возбуждающего антенну (1), составляет ψ=0°. Значения фазы ψ тока, возбуждающего антенну (2), приведены в подрисуночной подписи.
мин
макс
1
2
На фиг. 3 приведены результаты расчетов распределения напряженности вертикально поляризованного электрического поля в диапазоне частот от ƒ=30 МГц до ƒ=100 МГц (с частотным шагом Δƒ=10МГц), формируемого над проводящей подстилающей поверхностью системой из двух параллельных монополей (несимметричных вибраторов), в вертикальной плоскости, расположенной на расстоянии R=6 м от антенны (1). Длина обоих монополей  и  составляет 1,5 м. Фаза тока, возбуждающего антенну (1), составляет ψ=0°. Оптимальные значения фазы ψ тока, возбуждающего антенну (2), и расстояния d между монополями указаны в подрисуночной подписи.
На фиг. 1
1
1 - неподвижная антенна, подключенная к выходу усилителя мощности (4), на входе которого подается сигнал частотой ƒ и фазой ψ=0° во всем диапазоне частот воспроизводимых ЭМП;
2
2 - подвижная антенна, подключенная к выходу усилителя мощности (5), на входе которого подается сигнал частотой ƒ и фазой ψ, значение которой устанавливается в соответствии с результатами предварительных расчетов и изменяется для обеспечения наибольшей ширины b и (или) высоты h рабочей зоны однородного ЭМП (10) и минимального излучения в обратном направлении;
3 - подвижная платформа, обеспечивающая перемещение на заданное расстояние d антенны (2) при смене частотного поддиапазона;
4 - усилитель мощности, подключенный к антенне (1);
5 - усилитель мощности, подключенный к антенне (2);
1
2
6 - программно управляемый генератор радиочастотного сигнала, снабженный двумя выходами, при этом на выходе, к которому подключен усилитель (4) и антенна (1), формируется сигнал частотой ƒ и фазой ψ=0°, а на выходе, к которому подключен усилитель (5) и антенна (2), формируется сигнал частотой ƒ и фазой ψ, значение которой изменяется для обеспечения наибольшего размера b и (или) h рабочей зоны однородного ЭМП (10) и минимального излучения в обратном направлении;
1
2
7 - устройство (компьютер) автоматизированного управления режимами работы испытательной установки, синхронизации работы ее элементов, регистрации параметров ЭМП, обеспечивающее управление изменением частоты ƒ, фаз ψ и ψ сигналов на выходах генератора (6), перемещением на заданное расстояние подвижной платформы (3) с антенной (2), а также работой измерительных систем (8) и (9);
8 - многоканальная система измерения (контроля) параметров ЭМП (напряженности электрического поля), формируемого в плоскости рабочей зоны (10), предназначенной для размещения объекта испытаний;
9 - многоканальная система измерения (контроля) параметров ЭМП (напряженности электрического поля), формируемого в плоскости зоны контроля в обратном направлении (11);
10 - рабочая зона однородного ЭМП, предназначенная для размещения объекта испытаний;
11 - контролируемая зона в обратном направлении;
12 - подвижная платформа, обеспечивающая перемещение на заданное расстояние датчиков системы измерения параметров ЭМП (9) при смене частотного поддиапазона;
13 - безэховая камера.
1
2
1
2
Предлагаемое устройство (установка) для формирования протяженных областей однородного линейно поляризованного гармонического электромагнитного поля и испытаний крупногабаритных образцов на стойкость, прочность, безопасность и восприимчивость к воздействию гармонических ЭМП (фиг. 1) содержит неподвижную антенну (1), размещенную в безэховой камере (13) и подключенную к выходу усилителя мощности (4), перемещаемую антенну (2), размещенную в безэховой камере (13) и подключенную к выходу усилителя мощности (5), подвижную платформу (3), размещенную в безэховой камере (13) и обеспечивающую перемещение антенны (2) на расстояние d, программно управляемый генератор радиочастотного сигнала (6), снабженный двумя выходами, при этом на выходе, к которому подключен усилитель мощности (4) и антенна (1), формируется сигнал частотой ƒ и фазой ψ=0°, а на выходе, к которому подключен усилитель мощности (5) и антенна (2), формируется сигнал частотой ƒ и фазой ψ, значение которой изменяется для обеспечения наибольшей ширины b и (или) высоты h рабочей зоны, в которой формируется однородное ЭМП (10), и для минимизации электромагнитного излучения в обратном направлении, размещенную в безэховой камере (13) многоканальную систему (8) измерения (контроля) параметров ЭМП (напряженности электрического поля), формируемого в рабочей зоне (10), предназначенной для размещения объекта испытаний, размещенную в безэховой камере (13) многоканальную систему (9) измерения (контроля) параметров ЭМП (напряженности электрического поля), формируемого в области обратного излучения (11), размещенную в безэховой камере (13) подвижную платформу (12), предназначенную для перемещения на заданное расстояние датчиков системы измерения параметров ЭМП (9) при смене частотного поддиапазона, устройство автоматизированного управления (7) режимами работы испытательной установки, обеспечивающее изменение частоты ƒ и фаз сигналов ψ и ψ на выходах генератора (6), перемещение на заданное расстояние подвижной платформы (3) с антенной (2) и платформы (12) с датчиками системы (9), а также работой измерительных систем (8) и (9).
Устройство работает следующим образом.
мин
макс
мин
Для проведения испытаний в диапазоне частот от ƒ до ƒ выбирают такие две однотипные антенны, диаграммы направленности которых во всем диапазоне частот в направлении рабочей зоны имеют не более одного основного лепестка. Для проволочных антенн типа диполь можно руководствоваться правилом , где  - общая длина диполя, λ - минимальная длина волны формируемого ЭМП.
макс
мин
мин
мин
Антенны (1) и (2) устанавливают в плоскости, перпендикулярной плоскости, предназначенной для размещения объекта испытаний (рабочая зона) (10). Расстояние (R) от антенны (1) до рабочей зоны (10) выбирают в соответствии с условием дальней зоны излучения (R>λ/2π). Начальное расстояние от антенны (1) до антенны (2) определяют в соответствии с правилом d=λ/2 (если продольный размер, например, для логопериодической или рупорной антенны больше λ/2, то d=3⋅λ/2,).
В плоскости, соответствующей рабочей зоне (10) устанавливают датчики ЭМП многоканальной системы (8) измерения (контроля) параметров ЭМП (напряженности электрического поля).
В плоскости, соответствующей области обратного излучения (11), расположенной на расстоянии R от антенны (2) устанавливают датчики поля многоканальной системы (9) измерения (контроля) параметров ЭМП (напряженности электрического поля).
макс
1
макс
2
2
1
Генератор радиочастотного сигнала (6) формирует на входе усилителя мощности (4) сигнал частотой ƒ и фазой ψ=0°. После усиления сигнал подают на антенну (1). Одновременно генератор (6) формирует на входе усилителя мощности (5) сигнал частотой ƒ и фазой ψ=90°. После усиления сигнал подают на антенну (2). Несинфазное излучение антенн (1) и (2) формирует в области рабочей зоны (10) электромагнитное поле. При этом за счет сдвига (разности) фаз источников возбуждающих сигналов Δψ=ψ-ψ и пространственного разноса антенны (1) и антенны (2) на расстояние d происходит интерференция волн ЭМП таким образом, что в центре рабочей зоны (10) напряженность электрической составляющей ЭМП снижается, а по краям рабочей зоны (10) увеличивается. Таким образом, происходит выравнивание (снижение неоднородности) распределения напряженности электрической составляющей ЭМП в плоскости, перпендикулярной направлению излучения системы связанных антенн (1) и (2), и как следствие - увеличение размеров рабочей зоны, в которой неоднородность поля не превышает заданного значения.
2
2
2
2
2
При формировании электромагнитного поля на фиксированной частоте ƒ, его параметры измеряют с использованием многоканальной системы (8), датчики которой размещены в рабочей зоне (10), соответствующей плоскости размещения объекта испытаний. Для достижения размеров рабочей зоны (10), соответствующей размерам объекта испытаний, оператор проводит регулировку (уменьшение) фазы сигнала ψ. При этом с использованием многоканальной системы измерения параметров (8) оператор контролирует изменение структуры поля в рабочей зоне (10), а с использованием многоканальной системы (9) контролирует уровень поля в области обратного излучения (11) для того, чтобы основная часть энергии излучалась в направлении рабочей зоны (10). Путем сравнения результатов, описывающих пространственное распределение поля для разных значений фазы сигнала ψ, оператор выбирает такое значение, при котором обеспечивается максимальный размер рабочей зоны (10). При этом фаза сигнала ψ не должна выходить за пределы диапазона значений от 0° до 90° без учета изменения фаз сигналов за счет длин фидеров, соединяющих генератор (6), усилитель (4), антенну (1) и генератор (6), усилитель (5), антенну (2). После определения оптимального значения фазы сигнала ψ оператор записывает в базу данных устройства автоматизированного управления режимами работы установки (7) значение текущей частоты ƒ, значение фазы сигнала ψ, значения напряженности электрического поля в контрольных точках рабочей зоны (10), расстояние d между антеннами (1) и (2), и другие необходимые параметры установки (напряжение на выходе генератора, коэффициент усиления, значения падающей и отраженной мощности на выходе усилителей), которые в последующем будут воспроизводиться при размещении объекта испытаний в рабочей зоне.
макс
2
Затем частоту генератора (6) изменяют до значения ƒ=ƒ-Δƒ с шагом перестройки Δƒ, значение которого определено нормативными документами на проведение испытаний или методикой проведения испытаний. После этого повторяют последовательность действий по изменению фазы сигнала ψ и определению ее оптимального значения, обеспечивающего формирование рабочей зоны однородного поля с наибольшим размером b и (или) h и минимальным уровнем поля в области обратного излучения.
2
мин
2
В том случае, когда при изменении фазы сигнала ψ в пределах значений от 0° до 90° не удается сформировать область однородного поля с максимальными размерами, или уровень ЭМП в области обратного излучения (11) превышает уровень ЭМП в рабочей зоне (10), то перенастраивают установку для работы в следующем частотном поддиапазоне, для чего изменяют расстояние d между антеннами (1) и (2). Оператор через устройство автоматизированного управления режимами работы установки (7) перемещает подвижную платформу (3) с антенной (2) в направлении от плоскости рабочей зоны в сторону плоскости обратного излучения-(11). При этом расстояние от антенны (2) до антенны (1) должно составлять d=λ/2 (d=3⋅λ/2, если продольный размер логопериодической или рупорной антенны больше λ/2), где λ - текущее значение длины волны воздействующего поля. Также перемещают подвижную платформу (12) с датчиками системы (9) на расстояние, при котором расстояние между плоскостью (11) и антенной (2) останется неизменным и равным R. После этого повторяют перестройку фазы сигнала ψ и определение ее оптимального значения.
мин
2
Приведенный алгоритм работы повторяют до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница частотного диапазона ƒ. По итогам работы в устройстве автоматизированного управления режимами работы установки (7) формируется база данных со значениями фазы сигнала ψ, расстояниями d между антеннами (1) и (2) для каждого частотного поддиапазона, значениями напряженности электрического поля в рабочей зоне (10) для каждой текущей частоты ƒ.
2
По окончании калибровки многоканальную систему измерения параметров ЭМП (8) убирают из рабочей зоны однородного линейно поляризованного ЭМП (10) и устанавливают на это место объект испытаний. В дальнейшем его подвергают воздействию однородного линейно поляризованного ЭМП, при этом для каждой текущей частоты ƒ устройство автоматизированного управления режимами работы установки (7) устанавливает значения фазы сигнала ψ и расстояния d между антеннами (1) и (2) в соответствии со значениями, хранящимися в ее базе данных.
Следует отметить, что вариантом реализации предлагаемого способа формирования протяженных испытательных зон однородного линейно поляризованного ЭМП может быть случай, при котором отсутствует необходимость разделения частотного диапазона на поддиапазоны, а на каждой частоте вторую антенну перемещают относительно первой на расстояние равное половине длины волны текущей частоты.
мин
макс
мин
макс
Пример расчетной оценки формирования протяженной области однородного линейно поляризованного электромагнитного поля в диапазоне частот от ƒ=30 до ƒ=100 МГц (от λ=3 м до λ=10 м) системой из двух параллельных вертикальных монополей (несимметричных диполей) с длиной  (условие  выполняется), размещенных в полубезэховой камере или на открытой площадке над идеально проводящей поверхностью. Этот случай может быть рассмотрен, поскольку распределение поля вертикального несимметричного вибратора над идеально проводящей поверхностью совпадает в верхнем полупространстве с распределением ЭМП симметричного вибратора в свободном пространстве в соответствии с методом зеркальных отображений, являющимся следствием решения уравнений Максвелла с граничными условиями на подстилающей поверхности.
Частотный шаг выбран равным Δƒ=10 МГц.
Требуемая неоднородность ЭМП не должна превышать 20%.
макс
мин
мин
Расстояние между антеннами (1) и (2) для частоты ƒ=100 МГц (λ=3 м) в соответствии с условием d=λ/2 выбрано равным d=1,5 м.
макс
Расстояние от антенны (1) до плоскости рабочей зоны (10) выбрано равным R=6 м (условие R>λ/2π выполняется).
Расстояние от антенны (2) до плоскости зоны контроля обратного излучения (11) составляет R=6 м.
Расчеты проводились путем решения интегрального уравнения электрического поля методом моментов с использованием пакета прикладных программ FEKO.
Размер рабочей зоны определялся размерами прямоугольника с высотой h=1,5 м и шириной b, вписанной в фигуру, образованную изолинией с уровнем 0,8 от максимального значения напряженности электрического поля, как это представлено на фиг. 2 и 3.
макс
1
2
На фиг. 2 приведены результаты расчетов распределения напряженности вертикально поляризованного электрического поля частотой ƒ=100 МГц, формируемого над проводящей подстилающей поверхностью системой из двух монополей (несимметричных вибраторов) в вертикальной плоскости (10), расположенной на расстоянии R=6 м от антенны (1) как это представлено на фиг. 1. Длина каждого из монополей  и  составляет 1,5 м, значение фазы сигнала в антенне (1) - ψ=0°, а значение фазы сигнала ψ в антенне (2) изменяется от 90° до 65° с шагом 5°.
2
2
2
2
2
Приведенные результаты расчетов поясняют порядок выбора оптимального значения фазы сигнала ψ, при котором обеспечивается максимальный размер рабочей зоны. При сравнении размеров прямоугольников высотой h=1,5 м, вписанных в изолинию значения напряженности электрического поля с уровнем 0,8 от максимального значения, можно наблюдать, что при изменении фазы сигнала ψ от 90° до 75° ширина прямоугольника b увеличивается от 19,3 м до 22,0 м, как это показано на фиг. 2а - 2г. При дальнейшем изменении ψ от 75° до 65° ширина прямоугольной зоны b продолжает увеличиваться от 22,0 м до 24,0 м, но в ее центре появляется участок, высота которого меньше 1,5 м, как это приведено на фиг. 2д - 2е. Таким образом, в качестве оптимального значения фазы сигнала ψ, при котором обеспечивается максимальный размер рабочей зоны (h=1,5 м, b=22,0 м), следует выбрать ψ=75°.
макс
мин
2
Подобные расчеты были проведены для остальных частот диапазона от ƒ=100 МГц до ƒ=30 МГц, с шагом Δƒ=10 МГц и шагом изменения фазы сигнала ψ 5°.
мин
макс
2
1
2
На фиг. 3 приведены итоговые результаты расчетов распределения напряженности вертикально поляризованного электрического поля в диапазоне частот от ƒ=30 МГц до ƒ=100 МГц (с частотным шагом Δƒ=10 МГц), формируемого над проводящей подстилающей поверхностью системой из двух монополей (несимметричных вибраторов) в вертикальной плоскости (10), расположенной на расстоянии R=6 м от антенны (1) только для оптимальной фазы сигнала ψ. Длина каждого из монополей  и  составляет 1,5 м, значение фазы сигнала в антенне (1) - ψ=0°, а значение оптимальной фазы сигнала ψ и расстояния d между антеннами (1) и (2) указаны в подрисуночной подписи.
В обобщенном виде результаты расчетов представлены в таблице 1, в последней строке которой для сравнения приведены результаты расчетов размеров рабочей зоны для одиночного вертикального монополя длиной 1,5 м. Дополнительно в таблице указаны границы частотных поддиапазонов, при достижении которых следует изменять расстояние d между антеннами (1) и (2) (фиг. 1), а также их значения. Сравнительный анализ приведенных данных показывает, что ширина рабочей зоны b прямоугольной формы с высотой h=1,5 м во всем диапазоне частот более чем в 3 раза превышает ширину зоны, создаваемой одиночным вертикальным монополем.
Результаты проведенных расчетных исследований подтверждают техническую реализуемость предлагаемого способа формирования протяженных областей однородного линейно поляризованного электромагнитного поля для проведения испытаний крупногабаритных образцов техники и устройства, основанного на этом способе.