СПОСОБ КАЛИБРОВКИ МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН
METHOD FOR CALIBRATION OF MAGNETIC FRAME ANTENNAS

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а конкретно к средствам метрологического обеспечения измерителей напряженности магнитного поля, и может быть использовано при калибровке магнитных рамочных антенн.
Известен способ калибровки магнитных антенн в диапазоне частот от 10 Гц до 30 МГц, заключающийся в возбуждении рамочной антенной равномерного магнитного поля, напряженность которого вычисляется по величине тока, протекающего в излучающей рамке, и ее конструктивным параметрам, измерении напряженности создаваемого магнитного поля с помощью калибруемой антенны [1] и определении коэффициентов калибровки расчетным методом [2].
Недостатками указанного способа являются:
низкая конструктивная надежность полеобразующей системы;
необходимость создания отдельной измерительной линии для определения величины тока в излучающей антенне;
необходимость значительных площадей для размещения установки.
Известен способ калибровки магнитных антенн в диапазоне частот от 10 Гц до 30 МГц, заключающийся в создании равномерного магнитного поля с известной напряженностью в ограниченной области пространства с помощью установки на основе колец Гельмгольца, измерении напряженности создаваемого магнитного поля с помощью калибруемой антенны и определении коэффициентов калибровки расчетным методом. [3]
Недостатками указанного способа являются:
зависимость частотного диапазона установки от её геометрических размеров;
небольшие размеры рабочей зоны установки.
Указанные недостатки приводят к снижению точности калибровки магнитных рамочных антенн, ограничению номенклатуры типов калибруемых магнитных рамочных антенн, увеличению затрат на создание, обслуживание и эксплуатацию установок.
Известен способ калибровки магнитных рамочных антенн на основе метода замещения. Способ заключается в возбуждении электромагнитного поля передающей вспомогательной рамочной антенной в плоскости образцовой антенны с известными характеристиками, измерении напряжения с выхода образцовой антенны с помощью анализатора спектра (измерительного приемника), возбуждении электромагнитного поля передающей вспомогательной рамочной антенной такой же величины в плоскости калибруемой антенны, измерении напряжения с выхода калибруемой антенны с помощью анализатора спектра (измерительного приемника) и расчете коэффициентов калибровки калибруемой антенны на основе измеренных значений напряжения с выхода образцовой и калибруемой антенн и известных коэффициентов калибровки образцовой антенны. [4]
Недостатками известного способа являются:
необходимость наличия образцовой антенны с известными коэффициентами калибровки;
ограниченность потенциально достижимой погрешности калибровки погрешностью определения коэффициента калибровки образцовой антенны;
частотный диапазон образцовой антенны должен перекрывать частотный диапазон калибруемой антенны.
Указанные недостатки приводят к снижению точности калибровки магнитных рамочных антенн и увеличению затрат на калибровку.
Данный способ является наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности калибровки магнитных рамочных антенн, расширение частотного диапазона калибровки магнитных рамочных антенн, расширение номенклатуры типов калибруемых магнитных рамочных антенн, а так же упрощение конструкции, снижение стоимости создания, обслуживания и эксплуатации перспективных установок для калибровки магнитных рамочных антенн, реализуемых на основе предлагаемого способа.
Сущность изобретения состоит в следующем. При калибровке используются три магнитных рамочных антенны с неизвестными коэффициентами калибровки. При проведении серии из трех попарных измерений последовательно измеряется напряжение с выхода каждой из магнитных рамочных антенн и производится расчет коэффициентов калибровки каждой из трех калибруемых антенн на основании полученных результатов измерений.
Серия измерений проводится по схеме: 1-2, 1-3, 2-3 - где, в начале, обозначается приемная антенна, а затем излучающая. При этом приемная антенна подключается к анализатору спектра, а излучающая к калибратору напряжения. Измерения проводятся в диапазоне частот, общем для всех трех антенн.
Предлагаемый способ позволяет проводить измерения коэффициента калибровки как пассивных, так и активных рамочных антенн. При этом активной антенной может являться только одна из трех, участвующих в измерениях. В случае проведения измерений коэффициентов калибровки активной антенны, она должна обозначаться под номером «1» и работать только на прием сигнала от излучающей антенны.
При каждом измерении две антенны располагаются напротив друг друга коаксиально и соосно, на высоте не менее 1,75±0,1 м и на расстоянии в соответствии с соотношением:
, (1)
где r - радиус антенны, м.
Измерение коэффициентов калибровки каждой из трех магнитных рамочных антенн предлагаемым способом проводится следующим образом.
Проводят калибровку измерительного кабеля.
U
U
U
(f
)
f
U
к
к
калиб
0
0
калиб
Для этого соединяют калибруемые измерительные ВЧ-кабели 6 и 7 и подключают к входу анализатора спектра 4 и к выходу калибратора напряжения 5. Включают на калибраторе 5 широкополосный режим и настраивают его на начальную частоту измерения из диапазона частот измеряемых антенн. Затем устанавливают напряжение с выхода калибратора 5  из диапазона напряжений, в зависимости от динамического диапазона измеряемых антенн. Рекомендуемое значение напряжения с выхода калибратора 5 принимается равным 1 В. Настраивают анализатор спектра 4 на частоту калибратора напряжения 5. На анализаторе спектра 4 включают программный аттенюатор на 5 дБ или больше, в зависимости от величины . При этом величину ослабления выбирают кратной 5 дБ. Измеряют величину сигнала , где - начальная частота диапазона измерений, МГц. Повторяют измерения  во всех частотных точках, указанных в нормативных документах на измеряемые антенны.
U
U
(f
)
f
U
к
12
0
0
12
Далее измеряют напряжение с выхода антенн. Для этого собирают схему в соответствии с фиг. 1. Устанавливают друг напротив друга антенну 1 и антенну 2 на расстоянии, рассчитанном в соответствии с формулой (1). При этом антенны 1 и 2 устанавливают соосно, что может быть проверено с помощью лазерного дальномера. Антенну 1 подключают к входу анализатора спектра 4, а антенну 2 к выходу калибратора напряжения 5. Устанавливают напряжение с выхода калибратора 5, равное . Настраивают анализатор спектра 4 на частоту калибратора напряжения 5. На частотах свыше 200 Гц на анализаторе спектра 4 включают программный аттенюатор на 5 дБ или больше, в зависимости от динамического диапазона измеряемых антенн. При этом величину ослабления выбирают кратной 5 дБ. Измеряют величину сигнала , где - начальная частота диапазона измерений, МГц. Повторяют измерения во всех частотных точках, указанных в нормативных документах на измеряемые антенны.
U
U
13
23
Аналогичным образом проводят измерения (фиг. 2) и  (фиг. 3). При этом антенны располагают по схеме 1-3, 2-3 (где, в начале, обозначается приемная антенна, а затем излучающая), на расстоянии, рассчитанном в соответствии с формулой (1).
Проводят расчет коэффициентов калибровки рамочных антенн №1, 2 и 3 в каждой частотной точке с помощью уравнений:
, (2)
, (3)
, (4)
r
, r
, r
d
, d
, d
a
, a
, a
k
f -
μ
Z
U
, U
, U
1
2
3
12
13
23
12
13
23
0
12
13
23
где  - радиусы антенн, в соответствии с нормативно-технической документацией, м;  - расстояние между антеннами, м;  - коэффициенты, описывающие магнитное поле излучающей антенны, усредненное по площади приемной рамки; - волновое число; частота измерений, Гц;  - магнитная постоянная, Гн/м;  - нагрузка измерительной линии, Ом;  - напряжение с выхода приемной антенны, В.
-1
При необходимости производят пересчет значений коэффициента калибровки каждой из трех антенн, определенных относительно напряженности магнитного поля (1/Ом·м) в коэффициенты калибровки относительно напряженности электрического поля в логарифмическом масштабе (дБ(м)) по формуле [5]:
,
(5)
i
где  - номер антенны.
Новизна изобретения заключается в новом подходе к калибровке магнитных рамочных антенн, основанном на том, что калибруемые антенны в процессе калибровки сами осуществляют функцию полеобразующей системы, позволяющем проводить калибровку магнитных рамочных антенн с априорно неизвестными коэффициентами калибровки.
Изобретательский уровень характеризуется использованием трех магнитных рамочных антенн с априорно неизвестными коэффициентами калибровки для проведения серии из трех попарных измерений, в каждом из которых одна из антенн, подключенная к калибратору напряжения (измерительному генератору), создает магнитное поле в плоскости второй антенны, являющейся приемной и подключенной к входу анализатора спектра (измерительному приемнику), с последующим расчетом коэффициентов калибровки каждой из трех калибруемых антенн на основании полученных результатов измерений напряжения с выхода каждой из антенн, использованной в качестве приемной.
Данное изобретение является промышленно применимым при разработке перспективных установок для калибровки магнитных рамочных антенн, используемых при решении задач электромагнитной совместимости авиационного радиоэлектронного оборудования, измерений параметров электромагнитного поля при проведении исследований, в системах радиочастотной идентификации (RFID), сетях беспроводной передачи данных, а также в задачах технической защиты информации.
Источники информации
1. Бузинов В.С. Установка для поверки рамочных ИНП по образцовому полю индукции / Измерительная техника. 1961. №6. С. 46-48.
2. Greene F.M. The Near-Zone Magnetic Field of a Small Circular-Loop Antenna. JOURNAL OF RESEARCH of National of Bureau of Standards - C. Engineering and Instrumentation, October-December 1967, vol. 71C, no. 4, pp. 319-326.
3. Fano W.G. Standard Electric and Magnetic Field for Calibration. IntechOpen, 2018.
4. Fujii K., Sakai K., Sugiyama T., Sebata K., Nishiyama I. Calibration of Loop Antennas for EMI Measurements in the Frequency Range Below 30 MHz. Journal of the National Institute of Information and Communications Technology 63 (1), 2016, pp. 71-81.
5. ГОСТ CISPR 16-1-4-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. Часть 1-4. Аппаратура для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Антенны и испытательные площадки для измерения излучаемых помех. - М.: Стандартинформ, 2014.