«Измерение напряженности электромагнитного поля и помех» МИНСК, 2008 Электромагнитная совместимость – это способность радиоэлектронных средств (РЭС) одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех и не создавать недопустимых радиопомех другим РЭС. Помеха – любое нежелательное воздействие, которое ухудшает показатели качества полезного сигнала, устройства или системы.Помехи заранее неизвестны, поэтому не могут быть полностью устранены.
В зависимости от источника возникновения помехи подразделяются на собственные, взаимные и внешние.Собственные помехи возникают от источников, находящихся в данном устройстве, системе или канале связи (флюктуационные и контактные шумы, пульсации источников питания и т.д.). Взаимные помехи, создаваемые влиянием каналов связи друг на друга, возникают вследствие недостаточного переходного затухания фильтров, разделяющих каналы, различных повреждений аппаратуры и т.д. Внешние помехи возникают от внешних источников электромагнитных полей.
Они подразделяются на естественные и искусственные: К естественным помехам относят земные (разряды в осадках, радиоизлучения нагретых предметов) и внеземные (солнечные, космические, радиоизлучение звезд); Искусственные помехи подразделяются на станционные (радиовещание, телевидение, связь, локация) и индустриальные (энергетическое и промышленное оборудование и аппаратура широкого применения). Приборы для измерения напряженности поля и помех образуют подгруппу П и делятся на: П2 – индикаторы поля; П3 – измерители напряженности поля; П4 – измерители радиопомех; П5 – приемники измерительные; П6 – антенны измерительные.
Измерение напряженности электромагнитного поля Напряженность поля необходимо измерять для определения диаграмм направленности антенн, дальности действия радиостанций и ретрансляторов, наличия паразитных излучений, качества экранирования устройств и других характеристик, определяющих качество радиосвязи, телевидения, радиовещания и телефонной связи.
Напряженность электромагнитного поля (ЭМП) характеризуется векторами: - - плотность потока энергии (вектор Умова-Пойнтинга) (Вт/м2); - - напряженность электрического поля (В/м); - - напряженность магнитного поля (А/м). Эти векторы перпендикулярны друг другу и связаны между собой соотношениями: , (1) Для воздушного пространства волновое сопротивление среды (W) равно . Тогда П = Е2/120π = Н2•120π. (2) Из формулы (1.19) видно, что для определения интенсивности поля можно измерять любой из трех векторов. Еще одной характеристикой поля является плотность потока мощности, проходящей через поверхность площадью S, которая равна: Р = П•S. (3) Напряженность Е можно вычислить по результатам измерения мощности из выражения Е= , (4), где Sэфф – эффективная площадь антенны.
Для измерения интенсивности ЭМП используют два метода: 1) метод эталонной антенны; 2) метод сравнения.При измерении векторов Е и Н большое значение имеет ориентация их в пространстве, характеризующая плоскость поляризации ЭМП, которая может быть линейной, круговой и эллиптической.
По отношению к земной поверхности существует две линейные поляризации: 1) вертикальная; 2) горизонтальная. Метод эталонной антенны Если измерительную антенну поместить в ЭМП в плоскости, параллельной поляризации волны, то в ней будет индуцироваться ЭДС: , (5) где - действующая высота антенны.Она всегда известна, так как при измерениях используются измерительные антенны вида П6 с известными параметрами.
Значение ЭДС изменяется вольтметром.Этот метод применяется для измерения напряженности сильных полей вблизи источников излучения и на практике реализуется с помощью простых измерительных устройств индикаторов поля вида П2. Метод сравнения. Измерительные приемники и измерители напряженности поля Метод сравнения применяется для измерения слабых полей и реализуется на практике с помощью измерительных приемников вида П5 и измерителей напряженности поля и плотности потока мощности вида П3. Измерительный приемник представляет собой высокочувствительный гетеродинный радиоприемник с электронным вольтметром на выходе.
Если же он укомплектован измерительными антеннами, то называется измерителем напряженности поля. Структурная схема такого измерителя представлена на рисунке 1. Процесс измерения напряженности поля содержит три этапа: 1) предварительная настройка; 2) калибровка; 3) измерение.
При предварительной настройке ко входу измерителя подключают одну из измерительных антенн (в зависимости от частоты источника поля) и настраивают его на частоту источника, напряженность которого измеряется. Настройку осуществляют изменением частоты гетеродина по максимальному показанию вольтметра при произвольных положениях аттенюаторов (входного и ПЧ). При калибровке ко входу УВЧ подают известное напряжение от генератора-калибратора и, регулируя усиление УВЧ, устанавливают стрелку вольтметра на определенное значение.
Предварительно на аттенюаторе ПЧ устанавливают заданное значение ослабления . В результате усиление всего измерителя приводится к заданному и известному значению К. При измерениях переключатель переводят в положение «1» и, регулируя ослабление и , устанавливают стрелку вольтметра в любое удобное для отсчета положение.Шкала вольтметра проградуирована в значениях входного напряжения УВЧ и его показания определяются выражением из которого можно определить значение E: . (6) Пределы изменения напряженности поля такими приборами составляют от долей мкВ/м до сотен мВ/м, а плотности потока мощности – от сотых долей мкВт/см2 до десятков мВт/см2. Погрешность измерения определяется погрешностью используемой измерительной антенны, неточностью ее ориентирования, рассогласованиями, погрешностью аттенюатора и вольтметра.
Суммарная погрешность достигает значения ±30 %. Измерение помех в каналах связи Наибольшее влияние на качество связи оказывают внешние помехи.
Для техники связи характерно, что в телефонных и вещательных каналах измеряют не общее напряжение помех, а псофометрическое напряжение. При измерении такого напряжения учитываются избирательные свойства слуха человека.Измерение псофометрического напряжения помех Псофометрическое напряжение – напряжение помех, которое существует на сопротивлении нагрузки 600 Ом, согласованном с выходным сопротивлением питающей его цепи и измеренное с учетом неодинакового воздействия напряжения различных частот Uf на качество телефонной или вещательной передачи.
Неодинаковость воздействия учитывается с помощью весовых коэффициентов Аf напряжения Uψ относительно весового коэффициента для частоты сравнения Аfсравн.В соответствии с этим псофометрическое напряжение помех будет определяться . (7) Весовые коэффициенты устанавливаются в результате многолетних наблюдений и рекомендуются на определенный период для всех стран мира. Эти коэффициенты определяются по псофометрическим характеристикам для соответствующего канала.
Для телефонного канала выбрана частота сравнения 800 Гц, а для вещательного канала – 1кГц. Псофометрическое напряжение помех измеряется с помощью измерительного прибора, называемого псофометром. Его структурная схема представлена на рисунке 2. Псофометр представляет собой электронный вольтметр с избирательностью, определяемой псофометрическими характеристиками.Для этого служат полосовые фильтры: ПФ1 с телефонной и ПФ2 с вещательной псофометрическими характеристиками.
Для измерения полного напряжения помех служит эквивалентное звено (ЭЗ), затухание которого равно затуханию псофометрических фильтров на частотах сравнения. Погрешность измерения – единицы процента. Для всех каналов и систем связи установлены допустимые нормы псофометрического напряжения помех, соответствие которым и проверяется в результате их измерений.Измерение внешних радиопомех Измерение естественных радиопомех Всю шкалу используемых частот можно условно разбить на три области: 1) от 1 Гц до 3 МГц, где преобладают атмосферные помехи от грозовых разрядов. 2) от 3 МГц до 1 ГГц, где преобладают космические шумы. 3) больше 10 ГГц, где преобладают атмосферные помехи от тепловых шумов.
При измерении естественных радиопомех надо учитывать также пассивные помехи, которые проявляются в виде отражений от земной и водной поверхности, облаков и т.д. Измерение станционных помех Основной источник станционных помех  побочные излучения передающих устройств, которые возникают в результате нелинейных искажений в радиопередающих устройствах. Абсолютное значение мощности побочных излучений определяется путем измерения напряженности поля или плотности потока мощности, создаваемым этим побочным излучением в дальней от передатчика зоне, или путем измерения напряжения или мощности побочных излучений в фидерной линии.
Соответственно измерения называются измерениями по полю или измерениями по тракту.
Результаты этих измерений позволяют рассчитать мощности побочных излучений. В соответствующих нормативных документах установлены допустимые уровни радиопомех, приведены методики выполнения измерений и рекомендуемая измерительная аппаратура.Измерение индустриальных радиопомех Индустриальные помехи подразделяются на длительные (не менее 1 с) и непродолжительные (менее 1 с). Возникающие в помехообразующих элементах, и они могут распространяться как в открытом пространстве, так и по проводам.
Методики выполнения измерений зависят от источника помех и приведены в соответствующих нормативных документах. Измерители радиопомех Структурные схемы измерителей радиопомех аналогичны рассмотренным выше схемам измерительных приемников и измерителей напряженности поля, но они имеют свои особенности, обусловленные характером помех. Так как помехи имеют в основном случайный и импульсный характер, то, чтобы оценить их мешающее воздействие, они должны усредняться.Усреднение выполняется с помощью квазипикового детектора. Кроме квазипикового детектора в таких измерителях используются детекторы среднего, действующего и пикового значений.
Это позволяет получить дополнительные сведения о характере помех.ЛИТЕРАТУРА 1 Метрология и электроизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов /А.С. Сигов, Ю.Д. Белик. и др./ Под ред. В.И. Нефедова. – 2-е изд перераб. и доп. – М.: Высш. шк 2005. 2 Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов /Под ред.