Артюхин А.В.

 НАО «Алматинский университет энергетики и связи», Казахстан

Исследование антенны для контроля уровня электромагнитных полей излучаемых телекоммуникационным оборудованием

 

Безопасность при работе с источниками электромагнитных излучений подразумевает обязательное наличие приборов контроля и оповещения в случае, если уровень электромагнитного поля (ЭМП) превышает допустимое значение. Для осуществления контроля недопустимых уровней ЭМП существует достаточно большое количество специализированных приборов, однако ни один из них не обладает такими свойствами, как широкополосность и возможность приема излучения с любого направления без соответствующей ориентации антенны. В связи с этим возникает  необходимость исследования специализированного прибора, обладающего данными свойствами.

В связи с тем, что от конструкции и типа антенны в значительной степени зависит точность проводимых измерений, к измерительным антеннам предъявляются специальные требования:

        - необходимость уменьшения взаимного влияния измерительной антенны и излучающих объектов;

        -  необходимость измерения как напряженности электрического поля, так и напряженности магнитного поля;

        - необходимость измерения трех взаимноортогональных составляющих напряженности ЭМП.

Разработка измерительной антенны, удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям, привела к необходимости проведения теоретических исследований с целью определения геометрических размеров измерительной антенны.

Исходя из общих требований, измерительная антенна должна иметь малые размеры, благодаря чему зона возмущенного ею поля занимала малую область пространства. В качестве меры искажения исходного поля используем относительные величины, выражаемые в процентах, КЕ – электрическое поле и КН – магнитное поле, определяемые как функции координат соотношениями

 

   КЕ(v) = (ЕВСТ) 100% ,                                               (1)

КН(v) = (НВСТ) 100% ,                                               (2)

 

где v – вектор, началом которого является центр измерительной антенны, начало координат, а концом – координаты данной точки пространства; ЕСТ и НСТ – напряженности соответственно электрического и магнитного сторонних полей в малой области; ЕВ – напряженность электрического поля, создаваемая вибратором в данной точке приема; НВ - напряженность магнитного поля, создаваемая вибратором в данной точке приема.

Некоторому фиксированному значению КЕ (КН) соответствует замкнутая поверхность (поверхность уровня). Совокупность таких поверхностей достаточно наглядно характеризует зону возмущения поля. Кроме того, величины КЕ  (КН) можно рассматривать, как оценочные значения погрешности измерений, вносимой за счет взаимного влияния измерительной антенны с окружающими предметами. Таким образом, задача сводится к определению таких геометрических размеров вибратора, чтобы поверхность уровня, соответствующая заданной максимальной погрешности измерений, была удалена от вибратора не более, чем на заданное минимальное расстояние между измерительной антенной и окружающими переотражающими предметами. Следует отметить, что практически во всех случаях ЕСТ и НСТ  возрастают по мере приближения к предметам, поэтому реально погрешность измерений будет заведомо меньше величин КЕ и КН.

Зона возмущения поля уменьшается по мере уменьшения длины вибратора LВ . Однако при этом уменьшается уровень сигнала на входе измерительного приемника. Кроме того, LВ ограничена снизу чувствительностью измерительного приемника. Поэтому геометрические размеры измерительных антенн должны определяться путем поиска компромисса между противоречивыми требованиями уменьшения взаимного влияния и обеспечения достаточного уровня сигнала на входе измерительного приемника.

         При расчетах тока вибратора предполагается, что закон распределения по длине плеча вибратора известен. Для случая, когда LВ много меньше длины волны, можно считать, с достаточной степенью точности, что ток распределен по линейному закону. Его значение максимально в точках питания и равно нулю на концах. При расчете тока в точках питания IВ вибратор представляется эквивалентной схемой, содержащей последовательно соединенные источник э.д.с., входное сопротивление вибратора и входное сопротивление линии связи, соединяющей вибратор с приемником (линия связи содержит две полосы  из высокоомного радиопоглощающего материала и диэлектрическую плёнку  между ними, которые образуют распределённый фильтр). 

Сопротивление нагрузки детектора может быть сколь угодно большим, его предельная величина определяется входным сопротивлением дифференциального усилителя индикатора напряжения. При этом величина IВ определяется по формулам /1,2/

 

IВ = ЕСТ LВ / 2(ZВ + W),                                                     (3)

 

где ZВвходное сопротивление вибратора,  Ом; LВ – длина вибратора, м; W – входное сопротивление линии связи, равное её волновому сопротивлению, Ом.

Активная составляющая входного сопротивления короткого вибратора RВ, Ом вычисляется по формуле /3/

 

RВ = 20π2(2ω LВ /с)2.                                                         (4)

 

Реактивная составляющая входного сопротивления XВ для случая, когда LВ < 0,3 λ находится из /4/

 

XВ = - 120[ln(LВ / d) – 1] ctg(βLВ),                                        (5)

 

где d – эквивалентный диаметр вибратора, м; β = 2π/λ – волновое число.

Эквивалентный диаметр для проводника некруглого сечения (тонкая лента) определяется как d = h/2, где h – ширина тонкой ленты. Напряжение, создаваемое вибратором на входе линии связи, находится как падение напряжения на входном сопротивлении линии связи W в эквивалентной схеме, при протекании тока IВ.  Напряжение на входе дифференциального усилителя UВ вычисляется с учетом затухания в линии связи. Выражение для UВ имеет вид

 

UВ = 50 IВ Antilg (b LЛС / 20),                                             (6)

 

где b – погонное затухание в линии связи, дБ/м;  LЛС – длина линии связи, м.

Поле измерительной антенны находится путем предварительного расчета векторного потенциала А по формуле /5/

 

                           А = μа(4π)-1 ,                                     (7)

где     β = 2π/λ – волновое число; J(s) – функции распределения поверхностного тока; μа – магнитная абсолютная проницаемость воздуха; r – расстояние от точки на поверхности S до точки наблюдения.

В связи со специальными требованиями предъявляемыми к разрабатываемой антенне далее расчет ведется для антенны, состоящей из трех вибраторов. Такое решение обосновано необходимостью измерения поля в трех плоскостях. Вибраторы располагаются  во взаимноортогональных плоскостях таким образом, что центры вибраторов совмещены с началом координат. Вследствие присутствия азимутальной зависимости потенциал и поле следует рассчитывать не только в плоскости XOZ, но и в плоскостях XOY и YOZ. При расчетах считается, что ток течет по оси провода. С учетом ориентации измерительных антенн, их геометрии и особенностей распределения тока расчетные соотношения для векторного потенциала, создаваемого вибраторами АXOZ, АXOY и АYOZ были получены в виде:

 

АXOZ = 1Z 2 IВ μа / (4πLВ) ,                          (8)

АZOY = 1Y 2 IВ μа / (4πLВ) ,                           (9)

АYOX = 1X 2 IВ μа / (4πLВ) ,                         (10)

 

где     r – расстояние от точки на оси провода до точки наблюдения; 1Z, 1Y, 1X – единичные орты декартовой системы координат.

По найденным значениям векторного потенциала рассчитываются электрическое и магнитное поле вибраторов по формулам /2/

      

Е = -j(ωξаμа)-1[grad div AВ + ω2ξаμа AВ],                                 (11)

 

Н = (μа)-1 rot AВ ,                                                          (12)

 

где ω – круговая частота;  μа и ξамагнитная и диэлектрическая абсолютные проницаемости воздуха, соответственно; β = 2π/λ – волновое число.

         Модули соответствующих векторов подставляются в (1,2), вычисляются значения КЕ и КН , после чего строятся кривые для фиксированных значений КЕ и КН – линии уровня. Расчеты проводились для вибраторов различной длины при напряженностях стороннего поля ЕСТ = 1 В/м и НСТ = 1 А/м. Все расчеты выполнены на ЭВМ по программам расчета токов, напряжений и линий уровня для КЕ и КН в зоне возмущения поля. На рисунках 1 и 2 показаны зависимости для антенны, состоящей из трех вибраторов. Такое решение обосновано необходимостью измерения поля в трех плоскостях. Расстояния r получены путем аппроксимации поверхностей уровня КЕ = const и КН = const сферами на разных частотах, где величина r представляет собой радиус сферы.

Рисунок 1 - Зависимость расстояния между вибратором и переотражающим предметом для различных значений Ке (  - Ке = 5%, …. - Ке = 10 %, .. - Ке = 15 %)

Рисунок 2 – Зависимость расстояния между вибратором и переотражающим предметом для различных значений Кh  (   - Ке = 5%, …. - Ке = 10 %, .. - Ке = 15 %)

 

На основании проведенных расчетов выбраны оптимальные геометрические размеры измерительных антенн с длиной вибратора 24 см.

 

         Выводы

Определены оптимальные геометрические размеры измерительной антенны, состоящей из трех плоских симметричных вибраторов с длиной вибратора 24 см., которая обеспечивает требуемую достоверность измеряемых значений электрического и магнитного сторонних полей в малой области, что в целом способствует изначально поставленной задаче снижения вероятности облучения несанкционированным излучением.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

   1.   Электрические кабели, провода и шнуры. / Справочник. Под ред. Н.И. Белоусова – 5 изд.,  перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

2.     Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1989. – 544 с.

3.     Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1977.

4.     Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. Коротковолновые антенны./ Под ред. Г.З. Айзенберга. – 2-е, перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1985. – 536 с.

5.     Вычислительные методы в электродинамике: Под ред. Р. Митры. Пер. с англ./ Под ред. Э.Л. Бурштейна. – М.: Мир, 1977. – 486 с.