Устройство для измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки эффективности экранирования

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к измерительной технике, и может быть использована для измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки экранирующих свойств сооружений и экранированных помещений.

Основной технической задачей является создание устройства, обеспечивающего снижение влияния сторонних помех на точность и достоверность результатов измерений.

Устройство состоит из генератора синусоидальных сигналов 1, усилителя мощности 2, передающей антенны 3, измерительной антенны 4, измерительного приемника 5, ПЭВМ 6, модулятора 7, генератора сложного сигнала 8, устройства оптимальной обработки сложного сигнала 9.

Технический результат заключается в повышении точности и достоверности определения величины реального затухания электромагнитного поля, снижении вредного воздействия электромагнитных полей на обслуживающий персонал и упрощении процедуры проведения измерений. Илл. 4.

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к измерительной технике, и может быть использована для измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки экранирующих свойств сооружений и экранированных помещений.

Известно устройство для определения величины реального затухания электромагнитного поля (Переносной комплекс для измерения реального затухания электромагнитного поля при проведении аттестационных испытаний объектов информатизации «Зонд», http://www.nelk.ru), состоящее из генератора синусоидальных высокочастотных сигналов, усилителя мощности, передающей антенны, измерительного приемника с комплектом приемных антенн и управляющей ПЭВМ (Notebook). В качестве измерительного приемника использован анализатор спектра из состава программно-аппаратного комплекса «Навигатор-ПхГ» (http://www.nelk.ru). Управление перестройкой генератора синусоидальных сигналов осуществляется по интерфейсу RS-232 от управляющей ПЭВМ. Обмен данными между анализатором спектра и ПЭВМ осуществляется по шине GPIB.

Указанное устройство осуществляет измерение уровня напряженности электрического поля, создаваемого источником непрерывного высокочастотного синусоидального сигнала и передающей антенной в заданных точках пространства, на заданных частотах и сравнение полученных значений напряженности электрического поля с величиной напряженности электрического поля в точке расположения приемной антенны. Перестройка генератора синусоидальных сигналов и анализатора спектра (измерительного приемника) осуществляется синхронно по командам управляющей ПЭВМ.

Недостатком устройства является низкая достоверность результатов измерений при больших величинах затухания электромагнитного поля (более 40 дБ), что имеет место при оценке эффективности экранирования экранированных помещений.

Известно устройство для измерения эффективности экранирования экранированных помещений (A Low-cost Method for Shielded Enclosure Integrity Monitoring. Walter E. Gordon. ITEM 1994. P.199.). Данное устройство состоит из генератора сигналов, усилителя мощности, аттенюатора, передающей антенны, измерительной антенны, полосового фильтра, предусилителя, детектора. Генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с фиксированной частотой 900 МГц.

Недостатком данного устройства 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 техническому решению к заявляемой полезной модели является, выбранное в качестве прототипа, устройство для измерения реального затухания электромагнитного поля и эффективности экранирования «Акор-БЗС» (Комплект аппаратуры для измерения реального затухания электромагнитного поля и эффективности экранировки, http://www.bnti.ru), (фиг.1), состоящее из генератора синусоидальных сигналов 1, усилителя мощности 2, передающей 3 и приемной 4 антенн, измерительного приемника (анализатора спектра) 5, ПЭВМ 6. Генератор 1 последовательно во времени вырабатывает немодулированный синусоидальный сигнал на заданных частотах в диапазоне частот от 10 Гц до 1 ГГц. Эти сигналы излучаются передающей антенной (набором антенн) 3. Измерение уровня напряженности поля в заданных точках пространства осуществляется с помощью приемной антенны (набора антенн) 4 и измерительного приемника (анализатора спектра) 5. Управление перестройкой генератора 1 и измерительного приемника 5 осуществляется по интерфейсу RS-232 или USB от ПЭВМ 6.

Недостатком устройства является низкие точность и достоверность результатов измерений при больших величинах затухания электромагнитного поля (более 40 дБ) и наличии сторонних помех, что имеет место при оценке защитных свойств реальных экранированных помещений. Низкие достоверность и точность измерений обусловлены влиянием шумов, помех и посторонних сигналов, которые, накладываясь на слабый сигнал генератора синусоидальных сигналов, вносят существенную погрешность в результат измерения. Устранение указанного недостатка возможно за счет использования дополнительного усилителя для увеличения мощности излучаемого сигнала. Однако, требования действующих санитарных норм (Сан ПиН 2.2.4.1191-03. Электромагнитные поля в производственных условиях. М.: Минздрав России, 2003) и необходимость обеспечения электромагнитной совместимости при проведении измерений ограничивают допустимый уровень мощности излучаемого сигнала. С целью уменьшения влияния помех и посторонних сигналов на результат измерения в устройстве - прототипе необходимо использовать весьма сложный алгоритм отстройки генератора синусоидальных сигналов от помех по частоте, при котором измерение проводится на частоте, ближайшей к требуемой, где уровень помех минимален. Однако это существенно усложняет процедуру и увеличивает время проведения измерений.

Основной технической задачей является создание устройства, обеспечивающего снижение влияния сторонних помех на точность и достоверность результатов измерений.

Технический результат заключается в повышении точности и достоверности измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки эффективности экранирования, снижении вредного воздействия электромагнитного поля на обслуживающий персонал и упрощении процедуры проведения измерений.

Решение основной технической задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор синусоидальных сигналов, усилитель мощности, передающую антенну, приемную антенну, измерительный приемник и ПЭВМ, согласно полезной модели, дополнительно введены генератор сложного сигнала (СС), модулятор и устройство оптимальной обработки СС, причем вход модулятора соединен с выходом генератора синусоидальных сигналов, выход генератора СС соединен с управляющим входом модулятора, выход модулятора соединен с входом усилителя мощности, к выходу которого подключена передающая антенна, приемная антенна подключена к входу измерительного приемника, выход которого соединен с входом устройства оптимальной обработки СС, выход устройства оптимальной обработки СС соединен с ПЭВМ.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых элементов - генератора СС, модулятора и устройства оптимальной обработки СС, а также новых связей - вход модулятора соединен с выходом генератора синусоидальных сигналов, выход модулятора соединен со входом усилителя мощности, выход генератора СС соединен с управляющим входом модулятора, вход устройства оптимальной обработки СС соединен с выходом измерительного приемника, выход устройства оптимальной обработки СС соединен с ПЭВМ.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа. На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого устройства. На фиг.3 представлена блок-схема алгоритма управления и обработки измерительной информации. На фиг.4 показан действующий образец устройства для измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки эффективности экранирования.

Устройство для измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки эффективности экранирования (фиг.2) состоит из генератора синусоидальных сигналов 1, усилителя мощности 2, передающей антенны 3, приемной антенны 4, измерительного приемника 5, ПЭВМ 6, модулятора 7, генератора СС 8, устройства оптимальной обработки СС 9, причем выход генератора синусоидальных сигналов 1 соединен со входом модулятора 7, выход модулятора 7 соединен со входом усилителя мощности 2, выход генератора СС 8 соединен с управляющим входом модулятора 7, к выходу усилителя мощности 2 подключена передающая антенна 3, приемная антенна 4 подключена ко входу измерительного приемника 5, к выходу измерительного приемника 5 подключен вход устройства оптимальной обработки сигнала 9, выход которого соединен с ПЭВМ 6, осуществляющей управление генератором синусоидальных сигналов 1 и измерительным приемником 5, обработку поступающей на нее измерительной информации и отображение результатов измерений. Управляющий вход измерительного приемника 5 и управляющий вход генератора синусоидальных сигналов 1 соединены с первым и вторым управляющими выходами ПЭВМ 6 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Генератор синусоидальных сигналов 1 (фиг.2) вырабатывает высокочастотный сигнал (несущую) с частотой из заданного списка в требуемом диапазоне частот, хранящегося в ПЭВМ 6, который поступает на вход модулятора 7, на управляющий вход которого подается модулирующий сигнал с выхода генератора СС 8, вырабатывающего сложный, например, шумоподобный сигнал определенной длительности. Модулятор 7 переносит спектр СС на несущую частоту генератора синусоидальных сигналов 1 любым из линейных видов модуляции, например, балансной амплитудной модуляцией (манипуляцией). Далее промодулированный сигнал поступает на усилитель мощности 2, где происходит его усиление до требуемого уровня, и излучается передающей антенной 3. Расположенная в заданной точке окружающего пространства приемная антенна 4 с измерительным приемником 5 обеспечивают прием и предварительную обработку (фильтрацию) этого сигнала. Генератор синусоидальных сигналов 1 и измерительный приемник 5 перестраиваются по частоте синхронно, по командам, поступающим от ПЭВМ 6. Сигнал с выхода измерительного приемника 5 поступает на вход устройства оптимальной обработки СС 9, которое реализует оптимальную обработку принятого сложного сигнала на основе коррелятора или согласованного фильтра. С выхода устройства оптимальной обработки СС 9 обработанный сигнал поступает в ПЭВМ 6, которая обеспечивает управление перестройкой генератора синусоидальных сигналов 1 и измерительного приемника 5, осуществляет обработку поступающей в нее измерительной информации и отображение результатов измерений в соответствии с алгоритмом, показанном на фиг.3.

В действующем образце устройства для измерения величины реального затухания электромагнитного поля и эффективности экранирования (фиг.4), генератор синусоидальных сигналов 1, усилитель мощности 2, модулятор 7 и генератор СС 8 объединены в одном блоке. Генератор синусоидальных сигналов 1 реализован по типовой схеме на основе PLL синтезатора типа ADF4106, усилитель мощности 2 выполнен на микросхеме GALI-6 и обеспечивает усиление сигнала до уровня +15 дБм, передающая и приемная антенны - типа АРК-А8. В качестве измерительного приемника 5 использован доработанный сканирующий приемник WR-3700. Преобразование сигнала ПЧ частотой 58 МГц в цифровой вид осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя AD6640. Модулятор 7 может быть реализован на широко распространенных элементах - балансном смесителе, коммутаторе или аттенюаторе. В действующем образце устройства был использован ВЧ коммутатор типа ADG 781. Генератор СС 8 реализован в цифровом виде на основе микроконтроллера АТ89С5131А, формирующего сигнал типа «М-последовательность» длиной 2048 бит. Устройство оптимальной обработки СС 9 может быть реализовано как в аналоговом виде, например, в виде коррелятора на основе структур на поверхностных акустических волнах, так и в цифровом виде на специализированных высокопроизводительных сигнальных процессорах, или, как сделано в действующем образце, программным способом на универсальной вычислительной машине типа Toshiba 2805.

Модулирующий СС относится к классу сложных сигналов, для которых выполняется условие:

B=FT>>1,

где В - база сигнала, F - ширина спектра сигнала, Т - длительность сигнала (Л.Е.Варакин. Теория сложных сигналов. М.: Сов. Радио, 1970, с.7). Использование оптимальных методов приема СС с В>>1 по сравнению с простыми сигналами, как в устройстве-прототипе, позволяет при оптимальной обработке получить выигрыш по напряжению в отношении сигнал-шум U_c /U_ш в раз (Л.Е.Варакин. Теория сложных сигналов. М.: Сов. Радио, 1970, с.26). Так, при типовой величине В=1000÷10000, выигрыш оптимальной обработки может достигать 33÷43 дБ, что позволит, при необходимости, пропорционально снизить мощность излучаемого сигнала или (и) повысить точность измерений реального затухания сигнала и оценки эффективности экранирования. На такую же величину уменьшится влияние сторонних помех, попавших в полосу пропуская приемника. Кроме того, такой выигрыш оптимальной обработки позволит повысить порог обнаружения П (фиг.3), что также способствует повышению достоверности измерений и контроля.

При измерении величины реального затухания электромагнитного поля устройство осуществляет измерение уровня напряженности поля (или плотности потока мощности), создаваемого передающей антенной в исследуемой точке пространства на заданных частотах и сравнение полученных значений с величиной напряженности электрического поля на некотором фиксированном расстоянии от передающей антенны (как правило, 1, 3 или 10 м). При оценке эффективности экранирования производится два цикла измерений. Сначала производятся измерения затухания при размещении измерительных антенн на некотором определенном удалении от передающей антенны в условиях открытого пространства, после этого производятся аналогичные измерения при размещении передающей (приемной) измерительной антенны внутри экранированного помещения на таком же удалении от приемной (передающей) измерительной антенны с учетом толщины стенки помещения. При этом эффективность экранирования S_э (дБ) определяется как отношение измеренного уровня сигнала E₁ без экрана (первое измерение) к уровню сигнала E₂ при наличии экрана (второе измерение):

Измерения производятся на частотах, определяемых программой измерений, хранящейся в памяти ПЭВМ 6.

Ввиду высокой помехозащищенности, обусловленной структурой СС и оптимальным алгоритмом его обработки, измерения можно проводить на любой необходимой частоте, даже на частоте мешающего сигнала. Более того, применение широкополосного СС позволяет измерять интегральную величину реального затухания электромагнитного поля и эффективность экранирования сразу в требуемой полосе частот за счет соответствующего выбора ширины спектра СС. При использовании простого (синусоидального) сигнала, для которого ширина спектра составляет примерно 10^-6 от частоты несущего колебания, время на проведение измерений в широком диапазоне частот увеличивается многократно.

Таким образом, предложенное техническое решение, по сравнению с прототипом, обеспечивает повышение точности и достоверности измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки эффективности экранирования, снижение вредного воздействия электромагнитных полей на обслуживающий персонал и упрощение процедуры проведения измерений, что обусловлено применением сложного широкополосного сигнала и оптимальным алгоритмом его обработки.

Устройство для измерения величины реального затухания электромагнитного поля и оценки эффективности экранирования, содержащее генератор синусоидальных сигналов, усилитель мощности, излучающую антенну, приемную антенну, измерительный приемник и ПЭВМ, отличающееся тем, что введены генератор сложного сигнала, модулятор и устройство оптимальной обработки сложного сигнала, причем вход модулятора соединен с выходом генератора синусоидальных сигналов, управляющий вход которого соединен со вторым управляющим выходом ПЭВМ, выход генератора сложного сигнала соединен с управляющим входом модулятора, выход модулятора соединен с входом усилителя мощности, к выходу которого подключена передающая антенна, приемная антенна подключена к входу измерительного приемника, управляющий вход которого соединен с первым управляющим выходом ПЭВМ, выход измерительного приемника соединен с входом устройства оптимальной обработки сложного сигнала, выход устройства оптимальной обработки сложного сигнала соединен с ПЭВМ.