УСТРОЙСТВО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ МАГНИТНОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЕЙ

Устройство воспроизведения магнитного и электрического полей
Полезная модель относится к области электрических и магнитных измерений и может быть использована в установках для создания образцовых источников напряженностей электрического и магнитного полей в заданном объеме рабочей зоны.
Известна установка типа КГ6Н (Торговый дом СпецТехноРесурс, г. Москва), для воспроизведения магнитного поля с нормированными метрологическими параметрами на основе колец Гельмгольца, которые являются преобразователем переменного напряжения в напряженность магнитного поля. Кольца Гельмгольца возбуждаются синфазно.
Недостатком такой установки является частотная зависимость ее входного сопротивления, когда с увеличением частоты модуль входного сопротивления растет и, следовательно, уменьшается амплитуда генерируемого магнитного поля, которая пропорциональна амплитуде тока в кольце. При увеличении объема рабочей зоны, в котором генерируется магнитное поле, увеличиваются диаметр кольца, что приводит к возрастанию индуктивности кольца и, следовательно, к уменьшению верхней граничной частоты установки.
Известны установки воспроизведения единицы напряженности электрического поля типа П1-11, 12, П1-21 (фирма «Циклон-Прибор», Фрязино, Москов. Обл.), предназначенные для создания равномерного переменного электрического поля для поверки и калибровки измерителей напряженности электрического поля, помещаемые в ее рабочую зону. Принцип действия установок основан на явлении образования однородного электрического поля в пространстве между двумя параллельными пластинами или кольцами, образующими конденсатор. Подача переменного напряжения на пластины или кольца конденсатора осуществляется в противофазе. Размеры пластин (колец) и расстояние между ними определяются требуемыми размерами рабочей зоны установки, верхней граничной частотой и максимальной напряженностью электрического поля.
В качестве прототипа принято устройство для имитации электромагнитного поля по заявке на изобретение RU №2003117693, МПК G01R 29/08, содержащее плоскую СВЧ линию, размещенную внутри системы колец Гельмгольца.
Недостатком этого устройства, так же как и для установок воспроизведения магнитного поля, и для установок воспроизведения электрического поля, является то обстоятельство, что увеличение размеров рабочей зоны таких конструкций приводит к существенному увеличению габаритных размеров самой установки, снижению верхней граничной частоты ее работы.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является увеличение объема рабочей зоны и повышение верхней граничной частоты воспроизведения полей при сохранении их однородности в рабочей зоне устройства.
Сущность технического решения заключается в том, что устройство воспроизведения электрического и магнитного полей включает в себя источник напряженности поля, выполненный в виде расположенных соосно колец Гельмгольца, возбуждаемых синфазно относительно корпуса сигналом от внешнего генератора, или соосно расположенных колец конденсатора, возбуждаемых сигналом от внешнего генератора в противофазе относительно корпуса, СВЧ полосковую линию передачи, выполненную в виде электропроводящего экрана, например, цилиндрической формы, внутри которого размещен источник напряженности поля так, что экран является внешним широким ленточным проводником, образуя с кольцом (кольцами) источника напряженности поля несимметричную (50-омную) линию передачи, при этом само кольцо является внутренним узким сигнальным проводником полосковой линии.
Для расширения функциональных возможностей устройства воспроизведения электрического и магнитного полей источники напряженности поля в виде расположенных соосно колец Гельмгольца и кольцевого конденсатора расположены внутри общего экрана, при этом кольца Гельмгольца (система магнитного H-поля) расположены между кольцами кольцевого конденсатора (система электрического E-поля) и соосно с ними, а внешний генератор подключен к кольцам соответствующих источников напряженности через делитель напряжения. Направления векторов E и H (в заданном объеме рабочей зоны устройства) совпадают и ориентированы вдоль общей оси колец.
В варианте выполнения устройства экран (корпус) и кольца источников напряженностей электрического и магнитного полей имеют прямоугольную форму поперечного сечения.
На рисунке схематически изображено: фиг. 1 - расположение колец системы H-поля в экране; фиг. 2 - поперечное сечение устройства (вид на одно кольцо); фиг. 3 - расположение колец системы E-поля в экране; фиг. 4 - расположение колец системы E-поля и H-поля в общем экране; на фиг. 5 - блок-схема подключения внешнего генератора к кольцам систем возбуждения E-поля; фиг. 6 - блок-схема подключения внешнего генератора к кольцам систем возбуждения H-поля; фиг. 7 - общий вид устройства с экраном и кольцами круглой формы: фиг. 8 - общий вид устройства с экраном и кольцами прямоугольной формы.
Устройство для воспроизведения электрического поля (фиг. 1) представляет собой цилиндрическую структуру в виде замкнутого с торцов цилиндрического металлического корпуса с коаксиальными разъемами, являющегося заземленным экраном 1 (исключающим излучение за его пределы), внутри которого размещены проводящие кольца 2 и 3 системы H-поля соосно относительно продольной оси цилиндрического экрана 1 и симметрично относительно его центра 4.
В этом случае экран 1 (широкий полосок, роль которого играет боковая поверхность цилиндрического замкнутого корпуса «земля»), образует с кольцом (кольцами) 2, 3 несимметричную линию передачи, где само кольцо 2 или 3 является узким сигнальным проводником полосковой линии (фиг. 2). При этом один конец линии передачи нагружен через коаксиальный разъем на коаксиальную нагрузку 50 Ом, а другой подключается к центральному проводнику коаксиального разъема, через который подается возбуждающее напряжение.
Рабочая зона 4 (фиг. 2) устройства также имеет форму цилиндра и находится внутри системы создания H или E-поля.
y
y
y
y
y
y
Размеры колец (d и t - диаметр и ширина кольца), размеры экрана (D=2 r - диаметр, L - высота экрана) и расстояние между центрами колец h определяется требуемыми размерами рабочей зоны устройства, верхней граничной частотой, при этом размеры h и r связаны для H-поля соотношением h=r, а соотношение d/D определяет волновое сопротивление несимметричной линии передачи.
y
y
Устройство для воспроизведения электрического поля (фиг. 3) имеет аналогичную структуру, но расстояние между центрами проводящих колец системы E-поля равно h=2 r.
y
y
В варианте выполнения устройства (фиг. 4) заключены в общий экран 1 система проводящих колец (оси симметрии их совмещены), включающая в себя две пары колец, расположенные соосно вдоль оси X: два индуктивных кольца 2 и 3 магнитного поля на расстоянии r, запитанные синфазно относительно корпуса, и два емкостных кольца 5 и 6 электрического поля на расстоянии 2 r; запитанные противофазно относительно корпуса.
Каждое из колец 2, 3, 5, 6 нагружено на сопротивление 7 (50 Ом).
Работа устройства заключается в преобразовании емкостными кольцами 5 и 6 напряжения, поступающего от генератора сигналов, в напряженность электрического поля, а индуктивными кольцами 2 и 3 в напряженность магнитного поля.
Схема подключения генератора и согласованных нагрузок к устройству при работе в режиме воспроизведения Е-поля приведена на фиг. 5. При этом к генератору сигнала 8 через делитель напряжения 9 подключаются только емкостные кольца 5 и 6, к остальным входам устройства подключается согласованная нагрузка 7. Делитель напряжения 9 преобразует напряжение генератора в два противофазных сигнала.
Схема подключения генератора и согласованных нагрузок к устройству при работе в режиме воспроизведения H-поля приведена на фиг. 6. К генератору сигнала 8 через делитель напряжения 9 подключаются только индуктивные кольца 2 и 3, к остальным входам устройства подключается согласованная нагрузка 7. Делитель напряжения 9 обеспечивает преобразование напряжения генератора в два синфазных сигнала.
Расширение частотного диапазона и увеличение рабочей зоны обеспечивается за счет согласования линий передачи, образованных емкостными, индуктивными кольцами, выполняющими функцию сигнального (узкого) проводника линии передачи, и боковой поверхностью внешнего экрана (корпуса), выполняющего функцию второго (широкого) проводника линии передачи. При этом ТЕМ волна распространяется в зазоре между экраном и кольцом в направлении по касательной к внешнему контуру кольца, поглощается согласованной нагрузкой, что позволяет повысить максимальную частоту рабочего диапазона.
Устройство может быть использовано в качестве рабочего эталона при калибровке и поверке рабочих средств измерений переменного электрического и магнитного полей.