Способ автоматизированного измерения уровней электромагнитных излучений в элементах конструкции экранированного сооружения в требуемой полосе частот
METHOD FOR AUTOMATED MEASUREMENT OF THE LEVELS OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN THE STRUCTURAL ELEMENTS OF A SHIELDED STRUCTURE IN THE REQUIRED FREQUENCY BAND

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к измерительной технике, и может быть использовано для измерения величины реального затухания электромагнитного поля, создаваемого радиоэлектронными средствами различного назначения в требуемой полосе частот, и оценки экранирующих свойств экранированных сооружений (ЭС), например, помещений, камер и т.д.
На протяжении всего жизненного цикла ЭС необходимо подтверждать эффективность экранирования как ЭС в целом, так и элементов его конструкции, в частности, в связи с тем, что с течением времени за счет воздействия внешних факторов данная характеристика ухудшается, вследствие чего могут не соблюдаться требования в части эффективности экранирования, установленные для конкретного ЭС. Для подтверждения эффективности экранирования и дальнейшей беспрепятственной эксплуатации ЭС необходимо периодически проводить оценку эффективности экранирования ЭС.
Из уровня техники известен способ определения величины реального затухания электромагнитного поля, реализованный «Автоматизированным комплексом определения коэффициента реального затухания электромагнитного поля при проведении аттестационных испытаний объектов информатизации «ЗОНД», производства ЗАО НПЦ Фирма «Нелк» (https://nelk.ru/catalog/sistemy_otsenk_zashchishchennosti_informatsii/dopolnitelnoe_i_vspomogatelnoe_oborudovanie/zond-2/), который состоит из генератора синусоидальных высокочастотных сигналов, усилителя мощности, передающей антенны, измерительного приемника с комплектом приемных антенн и управляющей персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ). При этом в качестве измерительного приемника используют анализатор спектра. Управление перестройкой генератора синусоидальных сигналов осуществляют по интерфейсу RS-232 (интерфейс соединения компьютера с устройством передачи данных) от управляющей ПЭВМ. Обмен данными между анализатором спектра и ПЭВМ осуществляют по шине GPIB (General Purpose Interface Bus - стандарт и интерфейсная шина общего назначения).
При помощи указанного устройства осуществляют измерение уровня напряженности электрического поля, создаваемого источником непрерывного высокочастотного синусоидального сигнала и передающей антенной в заданных точках пространства на заданных частотах и сравнивают полученные значения напряженности электрического поля с величиной напряженности электрического поля в точке расположения приемной антенны. Перестройку генератора синусоидальных сигналов и анализатора спектра (измерительного приемника) осуществляют синхронно по командам управляющей ПЭВМ.
Недостатком данного способа является низкая достоверность результатов измерений при больших величинах затухания электромагнитного поля (более 40 дБ), что имеет место при оценке эффективности экранирования ЭС, ограниченный диапазон контролируемых частот, продолжительное время ожидания управляющих команд от ПЭВМ (до 25 сек), наличие соединительного кабеля с интерфейсом RS-232 для управления перестройкой генератора синусоидальных сигналов от управляющей ПЭВМ, увеличивающего вероятность просачивания ВЧ-сигнала от генератора синусоидальных сигналов через элементы конструкций ЭС и ведущего к снижению эффективности экранирования ЭС.
Известен способ измерения эффективности экранирования экранированных помещений, реализованный устройством (A Low-cost Method for Shielded Enclosure Integrity Monitoring. Walter E. Gordon.ITEM 1994. P. 199.), состоящим из генератора сигналов, вырабатывающего синусоидальный сигнал с фиксированной частотой 900 МГц, усилителя мощности, аттенюатора, передающей антенны, измерительной антенны, полосового фильтра, предусилителя и детектора. Недостатком данного решения является то, что измерение эффективности экранирования производится только на одной фиксированной частоте, что не позволяет судить об экранирующих свойствах объекта в требуемом диапазоне частот.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки эффективности экранирования, реализованный устройством (патент RU 136183, МПК: G01R 29/00, опубликовано 27.12.2013), содержащим генератор синусоидальных сигналов, усилитель мощности, модулятор и генератор сложных сигналов, передающую антенну, приемную антенну, измерительный приемник, ПЭВМ и устройство оптимальной обработки сигнала.
Генератор синусоидальных сигналов вырабатывает высокочастотный сигнал (несущую) с частотой из заданного списка в требуемом диапазоне частот, хранящегося в ПЭВМ, который подают на вход модулятора, на управляющий вход которого подают модулирующий сигнал с выхода генератора, вырабатывающего сложный, например, шумоподобный сигнал определенной длительности. Модулятор переносит спектр сложного сигнала (СС) на несущую частоту генератора синусоидальных сигналов любым из линейных видов модуляции. Далее промодулированный сигнал подают на усилитель мощности, где происходит его усиление до требуемого уровня, и излучают передающей антенной. Расположенная в заданной точке окружающего пространства приемная антенна с измерительным приемником обеспечивают прием и предварительную обработку (фильтрацию) этого сигнала. Генератор синусоидальных сигналов и измерительный приемник перестраиваются по частоте синхронно, по командам, поступающим от ПЭВМ. Сигнал с выхода измерительного приемника поступает на вход устройства оптимальной обработки СС, посредством которого реализуют оптимальную обработку принятого сложного сигнала на основе коррелятора или согласованного фильтра. С выхода устройства оптимальной обработки СС обработанный сигнал поступает в ПЭВМ, которая обеспечивает управление перестройкой генератора синусоидальных сигналов и измерительного приемника, осуществляет обработку поступающей в нее измерительной информации и отображение результатов измерений.
Недостатками данного технического решения следует признать сложность используемой аппаратуры, наличие соединительного кабеля с интерфейсом RS-232 для управления перестройкой генератора синусоидальных сигналов от управляющей ПЭВМ, увеличивающего вероятность просачивания ВЧ-сигнала от генератора синусоидальных сигналов через элементы конструкций ЭС, и тем самым ведущего к снижению эффективности экранирования ЭС.
Техническая проблема, решаемая созданием данного изобретения, заключается в недостаточно высокой точности оценки эффективности экранирования как ЭС в целом, так и элементов его конструкции, из-за невысокой достоверности определения величины реального затухания электромагнитного поля.
Технический результат заявляемого изобретения направлен на создание способа, позволяющего повысить точность оценки эффективности экранирования как ЭС в целом, так и элементов его конструкции, за счет обеспечения высокой достоверности определения величины реального затухания электромагнитного поля.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматизированного измерения уровней электромагнитных излучений в элементах конструкции экранированного сооружения в требуемой полосе частот с помощью источника сигнала формируют сигнал с последующим его излучением посредством передающей антенны, выполняют обработку принятого с помощью приемной антенны сигнала, используя измеритель уровня электромагнитной энергии. Перед приемом и измерением уровня просочившегося сигнала выполняют калибровку приемного тракта, измеряют уровень сигнала от источника сигнала, а также проводят теоретический расчет затухания сигнала в свободном пространстве. При проведении измерения в качестве передающей и приемной антенн используют антенны с широкой диаграммой направленности, которые размещают по разные стороны элемента конструкции экранированного сооружения, при этом излучаемый сигнал формируют на контрольных частотах из диапазона рабочих частот экранированного сооружения в соответствии с заданным интервалом времени. После этого измеряют уровень просочившегося через элемент конструкции экранированного сооружения сигнала, принятого приемной антенной, при этом на измерителе уровня электромагнитной энергии задают полосу частот, соответствующую рабочему диапазону частот экранированного сооружения, и осуществляют обработку принятого сигнала в режиме накопления, либо в режиме фиксации пикового уровня мощности.
Предлагаемый способ автоматизированного измерения уровней электромагнитных излучений в элементах конструкции экранированного сооружения в требуемой полосе частот основан на передаче и приеме сигнала с помощью передающей и приемной антенн соответственно, с последующим измерением уровня принятого (просочившегося) сигнала. При этом в качестве указанных антенн используют антенны с широкой диаграммой направленности, которые размещают по разные стороны элемента конструкции ЭС. Сигнал, излучаемый передающей антенной, формируют с помощью подключенного к данной антенне источника сигнала, а для измерения уровня принятого сигнала используют измеритель уровня электромагнитной энергии.
Измерение уровней электромагнитных излучений является необходимым при проведении оценки эффективности экранирования ЭС.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа на примере схемы, изображенной на рисунке, где:
1 - источник сигнала;
2 - передающая антенна;
3 - элемент конструкции экранированного сооружения (ЭКЭС);
4 - приемная антенна;
5 - измеритель уровня электромагнитной энергии;
6 - передающий тракт;
7 - приемный тракт.
Источник сигнала 1 генерирует сигнал, поступающий на передающую антенну 2, которая в сочетании с указанным источником сигнала 1 образует передающий тракт 6. С помощью передающей антенны 2 сигнал излучается на ЭКЭС 3, в качестве которого может выступать, например, стена, потолок, дверь, фильтр и т.д. С другой стороны ЭКЭС 3 приемной антенной 4 принимается просочившийся сигнал, определение уровня которого и дальнейшую обработку осуществляют с помощью измерителя уровня электромагнитной энергии 5 (анализатор спектра, измерительный приемник и т.д.), соединенного с приемной антенной 4, которые в свою очередь образуют приемный тракт 7.
Следует отметить, что указанное оборудование выбирается с учетом диапазона рабочих частот радиоэлектронной аппаратуры и технологического оборудования, работы с которыми проводятся в ЭС, а также требуемой эффективности экранирования элементов конструкций ЭС.
Измерение уровней электромагнитных излучений в элементах конструкции экранированного сооружения осуществляется следующим образом.
Сначала выполняется калибровка приемного тракта, при этом проводится измерение уровня сигнала от источника сигнала 1, имитирующего работу изделия, его составной части или технологического оборудования, работы с которым проводятся в ЭС. Максимальное полученное значение уровня сигнала принимается за рабочий уровень сигнала на расстоянии 1 метр от изделия.
Затем проводится теоретический расчет затухания электромагнитного сигнала в свободном пространстве (Рекомендация МСЭ-R Р.525-2*, Расчет ослабления в свободном пространстве, интернет: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.525-2-199408-S!!PDF-R.pdf) по формуле:
где L - затухание сигнала, (dB);
d - расстояние от изделия до места установки антенны (км);
f - частота сигнала (МГц).
Суммарное затухание от источника сигнала 1 до приемной антенны 4 будет рассчитываться по формуле:
эс
где L - минимальное значение эффективности экранирования экранированного сооружения, обеспечивающее требуемую защиту от утечки сигнала;
св.п
L - значение затухания сигнала в свободном пространстве;
пт
L - значение затухания сигнала, вносимое приемным и передающим трактами, определенное при калибровке системы.
Полученное таким образом значение затухания сигнала устанавливается как минимально необходимое для возможности проведения работ в ЭС.
В соответствии с ГОСТ 30373-95/ГОСТ Р 50414-92 «Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование для испытаний» испытания ЭС на эффективность экранирования необходимо проводить не менее чем на пяти контрольных частотах (в том числе на двух крайних) рабочего диапазона ЭС (данный рабочий диапазон устанавливается индивидуально для каждого конкретного ЭС при его изготовлении). Для удобства измерений в данном способе реализована возможность автоматизированного измерения уровней электромагнитных излучений в элементах конструкций экранированных сооружений во всем рабочем диапазоне ЭС путем установки контрольных частот из диапазона рабочих частот на источнике сигнала 1, а также интервала времени, в течение которого, источником сигнала 1 будет формироваться сигнал на заданной контрольной частоте и установки полосы частот, соответствующей рабочему диапазону частот ЭС, на измерителе уровня электромагнитной энергии 5, с включенным режимом накопления, либо режимом фиксации пикового уровня мощности.
При работе измерителя уровня электромагнитной энергии 5 в режиме накопления в случае просачивания сигнала на контрольной частоте будет происходить последовательная фиксация указанного сигнала на экране измерителя уровня электромагнитной энергии 5 с постепенным увеличением его уровня до максимального просочившегося, что позволит наиболее точно определить факт просачивания сигнала. Уровень сигнала необходимо будет определять исходя из спектрограммы сигнала самостоятельно.
При работе измерителя уровня электромагнитной энергии 5 в режиме фиксации пикового уровня мощности, он будет фиксировать маркером максимальный уровень просочившегося сигнала за весь период измерений с указанием его точного значения, что позволит более точно определить факт просачивания и уровень сигнала.
При этом главным преимуществом предлагаемого способа измерений в отличие от прототипа является то, что в данном способе отсутствует необходимость подключения измерительной аппаратуры на передающей и приемной стороне с помощью соединительных кабелей, что повышает точность оценки эффективности экранирования ЭС в целом и элементов его конструкций, в частности, и достоверность определения величины реального затухания электромагнитного поля. Положительный эффект достигается за счет исключения необходимости прокладки соединительного кабеля, связующего передающую и приемную стороны, в процессе чего может быть нарушена радиогерметичность ЭС, либо если для прокладки соединительного кабеля предполагалось применение специализированных радиочастотных фильтров, то отпадает необходимость их использования, что ведет к упрощению конструкции ЭС. Кроме того положительным эффектом является оптимизация состава измерительной техники, применяемой при проверке ЭС, путем исключения из него ПЭВМ.