Анализ помех при измерениях низкочастотных шумов

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 6, с. 52-55

УДК 621.391.822

АНАЛИЗ ПОМЕХ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ШУМОВ

© 2007 г.

А.В. Клюев, А.В. Якимов

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

кіуиеуа1ех@шаіі. ги

Поступила в редакцию 02.11.2007

Рассмотрены наиболее существенные помехи, мешающие измерениям низкочастотных (НЧ) шумов, и анализируется их влияние на измерительную установку НЧ диапазона. Оцениваются напряжения, наводимые помехами на элементы конструкции измерительной аппаратуры. В качестве способа борьбы с помехами рассмотрено экранирование. На НЧ в ближней зоне излучения электрическое поле при некоторых условиях с увеличением расстояния убывает быстрее, чем магнитное. Поэтому необходимо осуществлять экранирование как электрического, так и магнитного полей. Показано, что в качестве материала, обеспечивающего приемлемое экранирование плоских волн, электрических и магнитных полей, можно использовать пермаллой.

Введение

Обеспечение точности радиофизических измерений при воздействии радиопомех представляет собой одну из важнейших проблем. Помехи наводят напряжения на различные элементы конструкций измерительных установок, что приводит к ошибкам в работе измерительных устройств.

Чтобы обеспечить нормальное функционирование измерительной аппаратуры в подобных условиях, необходимо выявить и, по возможности, устранить наиболее существенные помехи.

Для измерений НЧ шумов основную проблему создают атмосферные, индустриальные, и помехи от других радиоэлектронных устройств.

Атмосферные помехи возникают в результате движения электрических зарядов в атмосфере. Если не учитывать местных гроз, уровень атмосферных помех носит квазистационарный характер. Он зависит от географических координат места приема и сравнительно медленно меняется в течение суток и от сезона к сезону. Это позволяет прогнозировать уровень атмосферных помех [1-3].

К индустриальным относятся помехи, возникающие при работе машин и механизмов, при резких изменениях токов или напряжений [4]. Такого рода помехи достаточно быстро затухают с увеличением расстояния от источника. Но поскольку многие из таких «генераторов помех» включены в электросети, помехи распространяются по этим линиям с малым затуханием.

Линии передачи электроэнергии сами могут выступать в качестве источников помех. Причиной возникновения помех являются переход-

ные процессы, вызываемые электрическими разрядами, которые хаотически возникают на поверхностях проводников и изоляторов линии. Импульсные токи при таких разрядах распространяются вдоль линии, которая может выступать в качестве одиночной линии над земной поверхностью [5].

Уровень помех от радиоэлектронных устройств различен для каждой конкретной ситуации и плохо поддается даже приближенному прогнозированию. В связи с этим далее будем полагать, что наша измерительная система достаточно удалена от других радиоэлектронных устройств и уровень помех от них существенно ниже уровня атмосферных и индустриальных помех, так что взаимными помехами можно пренебречь.

Оценка влияния внешних помех на экспериментальную установку

Рассмотрим экспериментальную установку для одновременного измерения НЧ шумового напряжения лазеров и флуктуаций тока фотодетектора, регистрирующего оптическое излучения образцов (см. рис. 1). НЧ шум флуктуаций напряжения и фототока усиливался, оцифровывался, записывался на жесткий диск компьютера. Обработка данных осуществлялась при помощи многофункционального анализатора.

Характерные значения стандарта измеряемого в эксперименте шумового напряжения составляют порядка 5-30 мкВ.

Для сравнения стандарта измеряемого шума с напряжениями, наводимыми помехами, оценим напряжения, наводимые на различные элементы конструкции измерительной установки.

Рис. 1. Экспериментальная установка

Любая металлическая конструкция экспериментальной установки (провод, проводящая поверхность, корпус аппаратуры), находящаяся в зоне действия помехи, может выступать в роли рецептора помех. Зная напряженность электрического поля помехи и зная действующую длину рецептора, можно оценить напряжение, наводимое в рецепторе помехой.

Для определения напряжений, наведенных в рецепторах (эквивалентных антеннах), необходимо знать их электрические характеристики. Характеристики в большой степени зависят от того находятся ли они в свободном пространстве, расположены ли рецепторы в непосредственной близости от поверхности земли, находится ли рецептор в среде с потерями, взаимодействуют ли рецепторы.

Напряжения на наиболее распространенные типы рецепторов (элементы конструкции экспериментальной установки для измерения шумов), когда их линейные размеры меньше длины волны излучаемого поля, можно оценить как и = Е Ид, где Е - напряженность электрического поля, Ид - действующая длина рецептора. Наиболее высокая частота, на которой проводятся измерения, составляет 10 кГц, эта частота соответствует длине волны X = 30 км. Длина подводящих проводов (рецепторов) составляет около 10 см, т.е. много меньше длины волны поля помехи. Действующая длина рецепторов

выбирается при этом из известных в теории антенн соотношений для малых симметричных и несимметричных вибраторов [6].

В частности, для несимметричного вибратора над поверхностью земли Ид = И/2, где И - геометрическая длина.

В табл. 1 приведены количественные оценки напряжения, наводимые на различные типы рецепторов, под действием атмосферных и индустриальных помех при длине И = 0.1 м.

Таким образом, на частотах менее 10 кГц возможны ситуации, когда уровень атмосферных и индустриальных помех становится сравнимым, или даже выше уровня измеряемых в эксперименте шумов. В связи с этим возникает необходимость свести к минимуму действие рассмотренных помех. Одним из способов является экранирование.

Экранирование

С физической точки зрения экранирование можно свести к следующему: волны электромагнитного поля частично отражаются от внешней поверхности экрана, частично поглощаются материалом экрана, частично отражаются от внутренней поверхности экрана, а остальная часть проходит сквозь экран.

В зависимости от частоты источника помех и расстояния от него до экранируемой аппаратуры, электромагнитные поля могут проявлять себя по-разному.

Принято различать ближнюю зону, определяемую расстоянием от источника помех до экранируемой аппаратуры равным г << Х/2п, где X - длина волны и дальнюю зону, определяемую расстоянием г >> Х/2п. В ближней зоне преобладающей составляющей электромагнитного поля является магнитная или электрическая составляющие (в зависимости от взаимной ориентации источника помех и экранируемой аппаратуры). В дальней зоне одинаково проявляют себя обе компоненты.

Таблица 1

Элемент конструкции Частота, МГц и, мкВ при И=0.1 м

Атмосферные помехи Индустриальные помехи

День Ночь Город Сельская местность

СИММЕТРИЧНЫИ вибратор 0.01 50 100 100 8

0.1 2 30 80 2

1 0.01 2 20 1

НЕСИММЕТРИЧНЫЙ вибратор, Г- образный и Т- образный рецепторы 0.01 25 50 50 4

0.1 1 15 40 1

1 0.005 1 10 0,5

В диапазоне f << c/2nr (здесь с - скорость света, r - расстояние от источника помехи до экранируемой аппаратуры) экранирование аппаратуры проводится от магнитной и электрической составляющей.

В диапазоне f >>c/2nr экранирование аппаратуры проводится от электромагнитного поля.

Экранирующий эффект для плоских волн рассчитывается как

W [дБ]= Wr+ Wa+ Wir,

где Wr, Wa, Wir - затухания при отражении, поглощении и внутреннем отражении.

Эффективность экранирования также определяется как [7]:

W [дБ ]=2 0 lg

где Ei, E2 - напряженности полей с внешней и внутренней сторон экрана соответственно, В/м.

Затухание при поглощении не зависит от типа падающей волны и определяется соотношением [7]

Wa ]= 0132 d4fgV ,

где d - толщина экрана, мкм; f - частота, МГц; g - электропроводность (относительно электропроводности меди gмед=1); ? - магнитная проницаемость (относительно проницаемости меди ?мед=1). Причем, чем более низкой частотой обладает помеха, тем труднее осуществить ее экранирование за счет поглощения.

Затухание при отражении плоской волны можно выразить как [7]

Wr [дБ]=108+10 lg

Затухание при отражении плоской волны возрастает в области НЧ, и увеличивается у материалов с высокой электропроводностью и низкой магнитной проницаемостью. Последнее объясняется тем, что поверхностное сопротивление таких материалов меньше волнового сопротивления плоской волны. Если волновое сопротивление падающей волны значительно отличается от поверхностного сопротивления экрана, то эта волна существенно отражается. Так, для электрического поля [7]

Wr [дБ]=382+10 lg

где r - расстояние от источника помехи до экрана, мм. Уравнение (5) справедливо пока r < Х/2л, т.е. до того момента, когда затухание станет определяться уравнением (4) для плоской волны.

Затухание для магнитного поля, в случае, когда волновое сопротивление падающей волны

значительно отличается от поверхностного сопротивления экрана, имеет вид [7]

Жг [дБ]= 201ё[М62/г

+ 0.136^,//д + 0.354]

С ростом частоты затухание из-за отражения растет пока г < Х/2п.

Сравнивая выражения (5) и (6), можно отметить, что экранирование, обусловленное отражением магнитного и электрического полей, на низких частотах имеет различный характер.

Для экранирования электрических полей наиболее подходят материалы с высокой электропроводностью. Как следует из (5), эффективность такого экрана возрастает на низких частотах и падает на высоких.

Например, для алюминиевого (немагнитного) экрана (электропроводность (относительно меди) = 0,61; магнитная проницаемость =1) на частоте 10 кГц затухание плоской волны при отражении составляет 140 дБ. Для внешнего поля с напряженностью Е1 = 2 мВ/м получаем из выражения (2), что Е2 - напряженность поля с внутренней стороны экрана составляет

0.2 нВ/м. Даже при длине рецептора 1 м, напряжение, наводимое на рецептор, составляет и = 0.1 нВ, т.е. менее нановольта.

При отражении электрического поля за счет экранирования для алюминиевого экрана на частоте 10 кГц удается достичь затухания около 220 дБ.

При работе на низких частотах (/ < 10 кГц, это условие соответствует длинам волн X >30 км), измерительная установка может находиться в ближней зоне излучения, определяемой соотношением г << Х/2п. В ближней зоне электрическое поле при некоторых условиях с увеличением расстояния убывает быстрее (1/г3), чем магнитное (1/г2) [8]. Поэтому, необходимо осуществлять эффективное экранирование магнитного поля.

Экранировать магнитные поля более сложно, т.к. затухание из-за отражения равно нулю для некоторых сочетаний материалов и частот. С уменьшением частоты ослабление магнитного поля за счет отражения и поглощения в немагнитных материалах (например, в алюминии) падает. Поэтому немагнитные материалы не подходят для создания экрана, эффективно экранирующего как магнитные, так и электрические поля.

В то время как электропроводящие материалы обеспечивают лучшее экранирование от

Рис. 2. Суммарный эффект экранирования электрических и магнитных полей, введем обозначения: шш  затухание при поглощении; шт электрические поля;

плоские волны;

магнитные поля

плоских волн за счет отражения, магнитные материалы - за счет поглощения.

Наиболее подходящим материалом, эффективно экранирующим как магнитные, так и электрические поля в области низких частот является пермаллой.

Суммарный эффект экранирования для пермаллоя (магнитного материала), определяемый уравнениями (3)-(6), для некоторых параметров изображен на рис. 2. Электропроводность пермаллоя (относительно меди) = 0,03; магнитная проницаемость = 80000.

Как видно из рисунка, экранирование за счет отражения (за исключением магнитных полей) преобладает на низких частотах, а за счет поглощения - на высоких.

Таким образом, экранирование вполне удовлетворяет потребностям практики в сведении к минимуму негативного действия помех.

Заключение

Проведенные количественные оценки напряжений на различные элементы конструкции установки для измерения шумов, под действием

атмосферных и индустриальных помех показывают, что наведенные напряжения могут достигать значений 100 мкВ. На частотах менее 10 кГц уровень помех становится сравнимым с уровнем измеряемых в эксперименте шумов. Таким образом, помехи могут существенно ухудшить точность получаемых в эксперименте данных.

В качестве способа борьбы с помехами рассмотрено экранирование. При работе на частотах /<10 кГц измерительная установка может находиться в ближней зоне излучения, в которой электрическое поле при некоторых условиях с увеличением расстояния убывает быстрее (1/г3), чем магнитное (1 /г2). Поэтому, необходимо осуществлять эффективное экранирование как электрического, так и магнитного полей.

В качестве материала, обеспечивающего приемлемое экранирование плоских волн, электрических и магнитных полей, можно использовать пермаллой.

Авторы благодарны И.Я. Орлову и В.Ф. Клюеву за полезные замечания по данной работе.

Список литературы

1. Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984. 272 с.

2. Защита от радиопомех / Под редакцией М.В. Максимова. М.: Сов. радио, 1976. 496 с.

3. Калиничев Б.П. О распределении амплитудных атмосферных помех // Электросвязь. 1968. № 2. С. 76-77.

4. Певницкий В.П., Полозок Ю.В. Статистические характеристики индустриальных радиопомех. М.: Радио и связь, 1988. 248 с.

5. Клюев А.В. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия Радиофизика. Выпуск 1(4). Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2006. С. 121-130.

6. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1981. 280 с.

7. Уайт Д.Ж.Р. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3-х вып. Вып. 2. Сокр. пер. с англ. М.: Сов. радио, 1978. 272 с.

8. Уайт Д.Ж.Р. // Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3-х вып. Вып. 3. Сокр. пер. с англ. М.: Сов. радио, 1979. 464 с.

ANALYSIS OF INTERFERENCES IN LOW-FREQUENCY NOISE MEASUREMENTS

A. V. Klyuev, A. V. Yakimov

The most essential interferences hampering low-frequency (LF) noise measurements and their impact upon the measurement equipment have been considered and analyzed. The voltages induced on measurement equipment elements by interferences have been estimated. Shielding is considered as a way of interference suppression. Under certain conditions, the LF electric field in the near-field zone decreases faster with distance than the magnetic field. Thus, it is necessary to shield both the electric and magnetic fields. Permalloy has been shown to be a material providing acceptable shielding of electric and magnetic field plane waves.