Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 19 УДК 621.317.08:535.231.11 ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ УРОВНЕЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕГО ОСЛАБЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫМИ ЭКРАНАМИ Бойправ О.В., Лыньков Л.М., Борботько Т.В. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Республика Беларусь Описаны информационно-измерительная система и реализованная на ее основе мето- дика, применяемые для оценки уровней мощности электромагнитного излучения, прохо- дящего через конструкцию защитного экрана. Предложено использовать разработан- ную методику для планирования и проведения испытаний экранов электромагнитного излучения для безэховых камер. (E-mail: boipravolga@rambler.ru) Ключевые слова: информационно-измерительная система, мощность электромагнитного излу- чения, защитные экраны электромагнитного излучения, эффективная площадь измерительной ан- тенны. Введение В настоящее время широкое распростране- ние получили системы радиосвязи, телевиде- ния, локации, навигации. В большинстве слу- чаев они разворачиваются в непосредственной близости к предприятиям либо жилым районам. Электромагнитное излучение (ЭМИ) диапазона СВЧ, сопровождающее работу перечисленных систем, способно вносить помехи в функцио- нирование радиоэлектронного оборудования, используемого, например, в промышленности, а также оказывать негативное влияние на био- логические объекты [1]. В связи с этим одной из важных технических проблем современно- сти является решение задачи экранирования ЭМИ, заключающееся в создании конструкций экранов, обеспечивающих ослабление его энер- гии. Они отличаются набором входящих в их состав компонентов, структурой поверхности, а также диапазоном частот, в котором достига- ется их наибольшая эффективность. Нормируемым параметром ЭМИ диапазона СВЧ является плотность потока энергии (ППЭ), выражаемая в мВт/см2 [2]. Большинство методик, существую-щих в настоящее время, позволяют оценивать эффективность экранов ЭМИ путем измерения их коэффициентов отражения и передачи по напряженности, выражаемых в дБ. Данные параметры не поддаются нормированию (ввиду того, что выражаются в дБ, а не мВт/см2), значит, по их величинам нельзя судить о при- годности выбранного материала для исполь- зования в целях защиты биологических объектов и оборудования от воздействия ЭМИ диапазона СВЧ. Цель настоящей работы состояла в создании информационно-измерительной системы (ИИС) и методики, позволяющих оценивать мощность ЭМИ диапазона 0,8–18 ГГц, проходящего через конструкцию защитного экрана. Характеристики устройств информационно- измерительной системы Информационно-измерительная система для оценки уровней мощности ЭМИ, проходя- щего через конструкцию защитного экрана, ре- ализована на основе следующих устройств: – генератор ЭМИ диапазона 0,01–18 ГГц, входящий в состав измерителя модуля коэффи- циентов передачи и отражения SNA 0,01–18; – СВЧ измерительный тракт, включающий в себя передающую и приемную антенны; – измеритель мощности (ИМ) ЭМИ диапа- зона 0,01–18 ГГц. Для управления параметрами генератора ЭМИ (амплитудой и частотой) используется специальное программное обеспечение. По- грешность установки параметров генератора посредством данного программного обеспече- ния составляет ±0,1…±0,5 %. Средства измерений 20 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 Основная погрешность (δ, %) использо- ванного ИМ без учета рассогласования и до- полнительных переходов не превышает зна- чений: 6 0,1 1 ,k X P P               где Pk – конечные значения установленного предела измерения; Px – показания ИМ. Для частотного диапазона 0,01–18 ГГц Pk использованного ИМ составляет 10 мВт. Время установления его показаний до значения 95 % от задаваемого не превышает 1 с. За счет при- менения дополнительных аттенюаторов воз- можно расширение динамического диапазона ИМ, а значит, и увеличение Pk, до 10 Вт. Раз- решающая способность ИМ – 0,1 мкВт. Прибор работает в комплекте с термоэлектрическими и диодными преобразователями мощности в напряжение постоянного тока. Порядок соединения устройств ИИС и расположение исследуемых образцов в про- цессе измерений показаны на рисунке 1. Генератор Измеритель мощности Исследуемый образец Рисунок 1 – Структурная схема информационно- измерительной системы Оценка уровней мощности ЭМИ, прохо- дящего через конструкцию защитного экрана, с использованием описанной ИИС предполагает выполнение следующих этапов: 1) выбор значений частот и уровней мощ- ности электромагнитных воздействий на кон- струкцию защитного экрана с учетом предпо- лагаемой области ее использования и техниче- ских характеристик устройств ИИС; 2) калибровка ИИС на выбранных частотах и уровнях мощности ЭМИ; 3) измерения с использованием результатов калибровки уровней мощности ЭМИ, проходя- щего через конструкцию защитного экрана. Калибровка ИИС проводится при отсут- ствии между передающей и приемной антен- нами исследуемого образца (конструкции за- щитного экрана). Калибровка предполагает определение на каждой из выбранных частот уровней мощности ЭМИ генератора, соответ- ствующих определенному постоянному уровню мощности ЭМИ на приемной антенне. При этом последний контролируется посредством ИМ. Передающая и приемная антенны в про- цессе калибровки размещаются друг напротив друга. С целью увеличения точности дальней- ших измерений калибровку ИИС на каждой из выбранных частот и по каждому из выбранных уровней мощности ЭМИ предлагается прово- дить десятикратно. В таблице сведены значения случайной (Δxслуч), систематической (Δxсист), абсолютной (Δx) и относительной (δ) погрешностей калиб- ровки ИИС, проведенной на 20 частотах диапа- зона 0,01–18 ГГц по уровню мощности на при- емной антенне 1 мВт [3]. ЭМИ данного частот- ного диапазона сопровождается работа средств вычислительной техники, базовых станций мо- бильной связи, радиолокационных станций, устройств навигации. Таблица Погрешности калибровки информационно- измерительной системы по уровню мощности на приемной антенне 1 мВт Частота, ГГц Δxслуч, дБм Δxсист, дБм Δx, дБм δ, % 0,8 0,14 0,10 0,17 2,89 0,9 0,08 0,10 0,13 2,74 1 0,13 0,10 0,17 5,04 2 0,09 0,10 0,14 3,35 3 0,11 0,10 0,15 1,97 4 0,12 0,10 0,16 1,77 5 0,12 0,10 0,15 1,53 6 0,10 0,10 0,14 0,78 7 0,11 0,10 0,15 0,90 8 0,08 0,10 0,13 0,95 9 0,13 0,10 0,16 1,36 10 0,09 0,10 0,14 0,98 11 0,07 0,10 0,12 0,82 12 0,08 0,10 0,13 0,86 13 0,10 0,10 0,14 0,74 14 0,12 0,10 0,15 0,85 15 0,06 0,10 0,12 0,60 16 0,09 0,10 0,13 0,72 17 0,08 0,10 0,13 0,64 18 0,03 0,10 0,11 0,47 Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 21 После проведения калибровки ИИС иссле- дуемый образец размещается между измери- тельными антеннами. Далее с помощью генера- тора поочередно формируются ЭМИ тех уров- ней мощности, которые были определены в про- цессе калибровки, и снимаются показания ИМ. Для упрощения анализа результатов изме- рений предлагается на их основе строить гра- фические зависимости, откладывая при этом по оси абсцисс значения выбранных частот, по оси ординат – соответствующие им измеренные на третьем этапе значения уровней мощности ЭМИ (PЭМИ). Пример таких графических зави- симостей представлен на рисунке 2 (каждая из представленных зависимостей соответствует определенному постоянному уровню мощности ЭМИ, по которому осуществлялась калиб- ровка (Pвх); результаты получены при измере- ниях с использованием антенн П6-23М). Наличие пиков на представленных на ри- сунке 2 графических зависимостях обусловлено свойствами материалов, на основе которых из- готовлены исследованные экранирующие кон- струкции. Предложенная методика позволяет также определять ППЭ ЭМИ, проходящего через кон- струкцию защитного экрана. ППЭ представляет собой величину, равную количеству энергии, переносимой через единичную площадь, в единицу времени [4]: Ф Ф ППЭ NSE Е   где ФЕ – поток излучения (мощность передатчика), Вт; SЕ – эффективная площадь измерительной антенны, м2; NФ – коэффициент полезного действия фидерного тракта, зави- сящий от материала и геометрических размеров антенны, уровня мощности ЭМИ. Отношение Ф Ф N E определяется значени- ями, определяемыми посредством ИМ. Поэто- му для расчета ППЭ необходимо учитывать ве- личину эффективной площади измерительной антенны. Она зависит от частоты ЭМИ и коэф- фициента направленного действия (КНД) ан- тенны, который, в свою очередь, определяется ее геометрическими размерами. 2 2 КНД 4 π E c S f     , где с – скорость света в вакууме; f – частота электромагнитной волны. а б Рисунок 2 – Частотные зависимости уровней мощ- ности ЭМИ, проходящего через монолитную шун- гитобетонную экранирующую конструкцию (а) и экранирующую конструкцию, покрытую шунгито- бетонной смесью (б) Частотная зависимость эффективной пло- щади антенны П6-23М представлена на рисун- ке 3. Расчет КНД данной антенны проведен с использованием программного приложения SABOR. Заключение Предложенные информационно-измери- тельная система и методика позволяют произво- дить оценку уровней мощности электромагнит- ного излучения, проходящего через конструк- Средства измерений 22 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 цию защитного экрана, а также определять плотность потока энергии данного электромаг- нитного излучения. Значения относительных по- грешностей измерений при этом не превышают ±6 %. Рисунок 3 – Частотная зависимость эффективной площади измерительной антенны Предложенная методика может быть исполь- зована при планировании и проведении испыта- ний конструкций экранов электромагнитного из- лучения для безэховых камер. Список использованных источников 1. Лыньков, Л.М. Безопасность эксплуатации источ- ников электромагнитных полей / Л.М. Лыньков, В.В. Соловьев, Т.В. Борботько. – Минск, 2002. – 74 с. 2. Охрана труда и промышленная экология. Ме- тоды и средства экранирования электромаг- нитного излучения / Л.М. Лыньков [и др.]. – Минск, 2000. – 106 с. 3. Зайдель, А. Погрешности измерений физических величин / А. Зайдель. – Л., 1985. – 112 с. 4. Антенно-фидерные устройства и распростра- нение радиоволн : учебник для вузов / Г.А. Еро- хин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В.Г. Ко- чержевский ; под ред. Г.А. Ерохина. – 3-е изд., испр. – М. : Горячая линия – Телеком, 2007. – 531 с. __________________________________________________________________ Boiprav O.V., Lynkov L.M.,. Borbotko T.V Information-measuring system for evaluation of electromagnetic radiation power levels influence to its weakened by protective shields An information-measuring system and realized on the basis of its methodology used for evaluation of electromagnetic radiation power levels passing via the protective shielding construction are described. It’s proposed to use the developed methodology for the testing of electromagnetic radiation shields for anechoic chambers. (E-mail: boipravolga@rambler.ru) Key words: information-measuring system, electromagnetic radiation power, electromagnetic radiation protection shields, measuring antenna effective area. Поступила в редакцию 18.03.2013