УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
INSTALLATION FOR MEASUREMENT OF ELECTROMAGNET FIELD INTENSITY FLUX DENSITY

Изобретение относится к технике радиотехнических измерений и может быть использовано для исследования плотности потока мощности электромагнитного поля.
При проведении радиотехнических измерений особую проблему представляет измерение коэффициента усиления передающих антенн, у которых передатчик распределен по группе элементов антенны, например активные фазированные антенные решетки, и нельзя пользоваться обычным понятием коэффициента усиления. В этом случае, приходится оценивать потенциальную характеристику антенны, т.е. произведение коэффициента усиления G на полную излученную мощность Р (иногда эту характеристику называют уровень излучения или энергопотенциал). Отнесенная к единице площади поверхности сферы радиуса R, эта величина есть плотность потока мощности, пропорциональная квадрату напряженности создаваемого антенной электромагнитного поля.
и
э
и
э
и
э
2
2
Для исследуемой антенны произведение (PG) находят сравнением с уровнем излучения опорного канала (PG): (PG)=(PG) Е /Е , (1)
и
э
где Е и E - напряженности полей, создаваемых измеряемой и эталонной антеннами соответственно [Л.Н.Захарьев, А.А.Леманский, В.И.Турчин, Н.М.Цейтлин, К.С.Щеглов. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. М.:  «Радио и связь», 1984, стр.134].
Известно (аналог) устройство для измерения плотности потока мощности электромагнитного поля [а.с. СССР  №883802, G01R 29/10, 1981], содержащее в измерительном канале последовательно соединенные измеряемую антенну, фазовращатель, волноводный тройник, приемное устройство, блок оцифровки, блок сопряжения и ЭВМ.
Недостатком известного устройства является низкий динамический диапазон. Кроме того, при экспериментальной оценке высоких абсолютных уровней плотности потока мощности электромагнитного поля, не соблюдаются санитарно - эпидемиологические нормы по допускаемым уровням полей, воздействующих на обслуживающий персонал, участвующий в проведении измерений.
и
э
Наиболее близкой по назначению и достижению технического результата известна установка для измерения плотности потока мощности электромагнитного поля по методу сравнения при работе измеряемой и эталонной антенн на передачу [А.З.Фрадин, Е.В.Рыжков. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М.: - Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. - 1962. - с.288], включающая последовательно соединенные генератор высокочастотных сигналов ВЧ-сигналов, устройство переключения антенн, которое первым выходом соединено с измеряемой антенной, а вторым выходом с эталонной антенной, при этом измеряемая и эталонная антенны посредством излучаемого электромагнитного поля соединены с приемной антенной, которая соединена с приемным устройством. В этом устройстве сформированный генератором сигнал через устройство переключения антенн подается либо на измеряемую антенну, либо на эталонную антенну, с которых сигнал поочередно излучается в направлении приемной антенны, с приемной антенны сигнал поступает в приемное устройство, которое измеряет напряженности полей, создаваемых измеряемой Е и эталонной антеннами Е соответственно. И по формуле (1) находят плотность потока мощности электромагнитного поля, создаваемую измеряемой антенной.
Однако динамический диапазон данной установки намного уже уровней сигналов мощных радиолокационных станций. Кроме того, при экспериментальной оценке высоких уровней плотности потока мощности электромагнитного поля не соблюдаются санитарно-эпидемиологические нормы по допускаемым уровням полей, воздействующих на обслуживающий персонал, участвующий в проведении измерений.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение динамического диапазона приемного устройства при измерении высоких уровней плотности потока мощности электромагнитного поля, при соблюдении санитарно-эпидемиологических норм по допускаемым уровням полей, воздействующих на обслуживающий персонал, участвующий в проведении измерений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в установку для измерения плотности потока мощности электромагнитного поля, содержащую последовательно соединенные генератор ВЧ-сигналов и устройство переключения антенн, к первому выходу которого подключена измеряемая антенна, а ко второму выходу - эталонная антенна, при этом измеряемая и эталонная антенны посредствам излучаемого электромагнитного поля соединены с приемной антенной приемного устройства, введены измеритель мощности, подключенный ко второму выходу генератора ВЧ-сигналов и установленные в экранированной камере аттенюатор, первый цифроаналоговый преобразователь, и последовательно соединенные устройство обработки и управления и второй цифроаналоговый преобразователь, к выходу которого подключен первый вход аттенюатора, ко второму входу и выходу которого присоединены соответственно приемная антенна и приемное устройство, при этом к входу и выходу первого цифроаналогового преобразователя подключены соответственно устройство обработки и управления и устройство позиционирования приемной антенны, причем приемное устройство также установлено в экранированной камере.
Дополнительное введение в заявляемое устройство измерителя мощности, устройства позиционирования приемной антенны и установленных в экранированной камере аттенюатора, двух цифроаналоговых преобразователей, устройства обработки и управления, а также размещение приемного устройства в экранированной камере позволило расширить как снизу, так и сверху динамический диапазон устройства при измерении высоких уровней плотности потока мощности электромагнитного поля, при соблюдении санитарно-эпидемиологических норм по допускаемым уровням полей, воздействующих на обслуживающий персонал, участвующий в проведении измерений.
Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что заявляемое устройство, характеризующееся совокупностью признаков, идентичным всем признакам, содержащемся в предложенной заявителем формуле изобретения, отсутствует, что указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемой установки, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, а именно, введение измерителя мощности подключенного ко второму выходу генератора ВЧ-сигналов и установленных в экранированной камере аттенюатора, первого цифроаналогового преобразователя, и последовательно соединенных устройства обработки и управления и второго цифроаналогового преобразователя, к выходу которого подключен первый вход аттенюатора, ко второму входу и выходу которого присоединены соответственно приемная антенна и приемное устройство, при этом к входу и выходу первого цифроаналогового преобразователя подключены соответственно устройство обработки и управления и устройство позиционирования приемной антенны, а также установка приемного устройства в экранированной камере. Из уровня техники также не подтверждена известность влияния отличительных признаков заявляемого устройства на поставленную техническую задачу - расширение динамического диапазона приемного устройства при измерении высоких уровней плотности потока мощности электромагнитного поля, при соблюдении санитарно-эпидемиологических норм по допускаемым уровням полей, воздействующих на обслуживающий персонал, участвующий в проведении измерений, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Изобретение «Установка для измерения плотности потока мощности электромагнитного поля» промышленно применимо, так как совокупность характеризующих его признаков, обеспечивает возможность его осуществления, работоспособность и воспроизводимость для радиотехнических измерений на радиоизмерительных полигонах, так как для реализации заявленного устройства может быть использовано известное стандартное оборудование.
На фиг.1 представлена установка для измерения плотности потока мощности электромагнитного поля, которая состоит из генератора ВЧ-сигналов - 1, устройства переключения антенн - 2, измеряемой антенны - 3, эталонной антенны - 4, приемной антенны - 5, аттенюатора - 6, приемного устройства - 7, устройства обработки и управления - 8, цифроаналоговых преобразователей - 9.1, - 9.2, устройства позиционирования приемной антенны - 10, экранированной камеры - 11 и измерителя мощности - 12.
Генератор ВЧ-сигналов - 1 вторым выходом подключен к измерителю мощности - 12, а первым выходом соединен с устройством переключения антенн - 2, к первому выходу которого подключена измеряемая антенна - 3, а ко второму выходу - эталонная антенна - 4, при этом измеряемая и эталонная антенны посредствам излучаемого электромагнитного поля соединены с приемной антенной - 5. В экранированной камере - 11 установлены последовательно соединенные аттенюатор - 6, приемное устройство - 7, устройство обработки и управления - 8, второй цифроаналоговый преобразователь - 9.2, к выходу которого подключен первый вход аттенюатора - 6. Кроме того, в экранированной камере - 11 установлен первый цифроаналоговый преобразователь - 9.1, к входу и выходу которого подключены соответственно устройство обработки и управления - 8 и устройство позиционирования приемной антенны - 10 с приемной антенной - 5, которая соединена со вторым входом аттенюатора - 6.
Для реализации данного технического решения может быть использовано стандартное промышленное оборудование. Так, например, совокупность устройств: генератор ВЧ-сигналов - 1, устройство переключения антенн - 2 и измеряемая антенна - 3 является исследуемым оборудованием и может быть различного выполнения.
В качестве эталонной антенны - 4 и приемной антенны -5 может быть использована антенна измерительная рупорная П6-23А [Научно-производственная компания «Ритм», г.Краснодар].
В качестве аттенюатора - 6 может быть использован управляемый переменный волноводный аттенюатор, который конструктивно может быть выполнен в виде нескольких (3…5) чередующихся друг с другом вращающихся и неподвижных секций круглого волновода с расположенными внутри вращающихся секций поглощающими пластинами. Поглощение ВЧ-сигнала в волноводном аттенюаторе происходит при повороте вращающихся секций на определенный угол относительно пластин неподвижных секций, каждая секция ослабляет сигнал, например на 10 дБ. Для поворота и удержания каждой вращающейся секции в заданном положении в ее корпусе укреплен постоянный магнит, а на корпусе аттенюатора установлен электромагнит, при подаче напряжения на электромагнит происходит вращение секций аттенюатора [Научно-производственная компания «Ритм», г.Краснодар].
В качестве приемного устройства - 7 может быть использован анализатор спектров СК4-75. Данный анализатор имеет видеовыход, что позволяет его подключить к устройству обработки и управления - 8 [ФГУП ННИПИ «Кварц», г.Нижний Новгород].
Устройство обработки и управления - 8 может быть выполнено в виде блока (фиг.2), имеющего в своем составе блок съема данных - 13, содержащий первую сетевую карту - 14.1, и блок обработки данных - 15, содержащий вторую сетевую карту - 14.2, а также канал общего пользования (КОП) - 16 и четыре адаптера - 17.1-17.4.
При этом адаптеры - 17.1-17.4 обеспечивают связь следующим образом:
17.1 - связь блока съема данных - 13 с КОП-16;
17.2 - связь КОП-16 с цифроаналоговым преобразователем - 9.2;
17.3 - связь КОП-16 с цифроаналоговым преобразователем - 9.1;
17.4 - связь приемного устройства - 7 с КОП - 16.
Основным из основных узлов установки для измерения плотности потока мощности электромагнитного поля является устройство обработки и управления - 8 (фиг.2), которое может быть выполнено в виде последовательно соединенных блока съема данных - 13 и блока обработки данных - 14, в качестве которых могут быть использованы электронно-вычислительные машины (ЭВМ). При этом связь между ними осуществляется через сетевые карты, а подключение внешних устройств через платы адаптеров посредством реализации международного стандарта GPIB (IEEE-488-1978) или канала общего пользования (КОП) согласно ГОСТ 26.003-80. Ввод исходных данных должен осуществляться в диалоговом режиме, а сами измерения проходить в автоматическом режиме по специальной программе.
Программа управления может быть создана с использованием объектно-ориентированного подхода и должна обеспечивать решение следующих задач:
- регистрация и запись в файл информации об уровнях входных сигналов получаемых от приемного устройства - 7;
- управление ослаблением аттенюатора - 6;
- регистрация и запись в файл информации об уровнях входных сигналов с учетом уровня ослабления аттенюатора - 6;
- управление положением приемной антенны - 5;
- вычисление по формуле (1) плотности потока мощности электромагнитного поля, которую излучает антенна - 3;
- просмотр файлов, содержащих измерительную информацию.
В качестве устройства позиционирования приемной антенны -10 могут использоваться электродвигатели постоянного тока.
Экранированная камера - 11 может быть выполнена в виде металлического каркаса с приваренными к нему листами экрана (металлические листы или мелкая металлическая сетка). Эффективность экранировки порядка 1 GO-130 дБ.
В качестве измерителя мощности - 12 может быть использован ваттметр поглощаемой мощности М3-48 [ФГУП ННИПИ «Кварц», г.Нижний Новгород].
Сигнал, сформированный генератором ВЧ-сигналов - 1, с первого выхода через устройство переключения антенн - 2 подается на эталонную антенну - 4, с которой сигнал излучается в направлении приемной антенны - 5, а со второго выхода генератором ВЧ-сигналов - 1 на измеритель мощности - 12. С приемной антенны - 5 сигнал поступает в аттенюатор - 6 и после ослабления в приемное устройство - 7. Операторы и приемная аппаратура установки (аттенюатор - 6, приемное устройство - 7, устройство обработки и управления - 8, первый цифроаналоговый преобразователь - 9.1 и второй цифроаналоговый преобразователь - 9.2) размещаются в экранированной камере - 11, для исключения влияния на них мощных электромагнитных полей. Далее сигнал поступает в устройство обработки и управления - 8, непосредственно на адаптер - 17.4 и через шину КОП-16 в адаптер - 17.1 блока съема данных - 13. Далее через сетевую карту - 14.1 на сетевую карту - 14.2 блока обработки данных - 15. После фиксации данных измерений с блока обработки данных - 15 по цепочке сетевая карта - 14.2, сетевая карта - 14.1, адаптер - 17.1, шина КОП-16, адаптер - 17.2, аттенюатор - 6 осуществляется управление ослаблением аттенюатора - 6 в зависимости от соотношения уровня входного сигнала и чувствительности приемного устройства - 7. После того, как уровень входного сигнала и чувствительность приемного устройства - 7 будут сбалансированы, с блока обработки данных - 15 по цепочке сетевая карта - 14.2, сетевая карта - 14.1, адаптер - 17.1, шина КОП-16, адаптер - 17.3, второй выход устройства обработки и управления - 8 на вход первого цифроаналогового преобразователя - 9.1 выдается управляющий сигнал и после преобразования в аналоговую форму сигнал подается на вход устройства позиционирования приемной антенны - 10, которое посредствам механической связи с приемной антенной - 5 выполняет ее перемещение по азимуту. Изменение положения приемной антенны - 5 производится до тех пор пока уровень входного сигнала не достигнет максимального значения, которое фиксируется в устройстве обработки и управления - 8. Далее устройство переключения антенн - 2 оператором переключается на измеряемую антенну - 3 и вся процедура измерения максимального значения уровень входного сигнала повторяется уже для измеряемой антенны - 3. После этого в устройстве обработки и управления - 8 с учетом показания измерителя мощности - 12 по формуле (1) происходит вычисление плотности потока мощности электромагнитного поля, которую излучает антенна с последующим отображением на дисплее.