15 мая 2012
О лаборатории специальных исследований
Часть 20
К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов (продолжение)
Во всех предыдущих рекомендациях, когда речь заходила об измерении напряжённости полей в низкочастотном диапазоне (звуковых частот) всегда утверждалось, что вопросы эти хорошо разработаны, вполне освещены в действующих методиках и потому специально не рассматривались. Из общения с коллегами, особенно молодого поколения, выясняется, что не всё столь радужно…
Посему вновь приходится вернуться к этому вопросу в том виде и объёме, который допустим в открытом материале.
Итак, измерения полей в НЧ диапазоне. Именно полей, поскольку в «ближней зоне», то есть на расстояниях порядка (0,1 ÷ 0,2)λ электрическая и магнитная компоненты поля (об этом уже писалось в самом начале цикла) существуют, практически, независимо друг от друга. Для частоты, например, 10 кГц длина волны составляет 30 км. Следовательно всё ближе 3 ÷ 6 км – «ближняя зона», а уж наши обычные «единицы – десятки м» – тем более.
Поскольку чаще приходится иметь дело именно с магнитной, «Н» компонентой, то с неё и начнём. Измерения магнитной компоненты поля ведутся, почти без исключений, различными моделями рамочных антенн. Все они представляют собою один или несколько витков проводника (чаще всего – круглых, хотя есть несколько моделей и с квадратной рамкой), надёжно экранированных металлическим (обычно трубчатым) экраном с одним диэлектрическим зазором. Это обеспечивает хорошую экранировку от электрических компонент поля и, одновременно, не снижает чувствительности к полю магнитному.
Диаметр рамки у разных моделей сильно варьируется, от нескольких десятков мм до нескольких м. Общее правило, проистекающее из закона электромагнитной индукции (Майкл Фарадей, 1831 г.), заключается в том, что при прочих равных условиях ЭДС на выводах витка (при постоянной величине напряжённости магнитного поля) прямо пропорциональна площади витка, которая, в свою очередь, растёт пропорционально квадрату его радиуса.
В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:
(в системе СИ)
или
(в системе СГС).
В интегральной форме (эквивалентной):
(CИ)
или
Где:
напряжённость электрического поля,
магнитная индукция,
произвольная поверхность,
её граница. Контур интегрирования. 
подразумевается фиксированным (неподвижным, sis!).
То есть «действующая высота» антенны (условный коэффициент, имеющий размерность «м» (для электрической антенны, для магнитной - далее) и связывающий ЭДС на выходе антенны с напряжённостью поля в А/м и, Ка, «антенный коэффициент; Ка= В /(А/м) = м*Ом) будет тем лучше, чем больше площадь антенны (площадь витка).
Это одна сторона вопроса.
Но ведь любая «катушка», хотя бы и одновитковая – это индуктивность. Причём не идеализированная, а вполне реальная – следовательно с некоторой паразитной ёмкостью. Эта ёмкость складывается из «межвитковой» ёмкости, паразитной ёмкости экрана, разъёмов, кабеля и входной ёмкости того средства измерения, к которому подключена антенна. Причём эта ёмкость включена параллельно индуктивности. Что получаем? Правильно – параллельный колебательный контур. Значит, на некой частоте наступит неизбежный резонанс. А эта штука крайне неприятная, так как с одной стороны резонанс резко увеличивает чувствительность антенны. С другой делает её крайне частотозависимой и нестабильной из-за влияния на этот резонанс множества всяческих, плохо учитываемых, факторов.
Именно поэтому разработчики и изготовители рамочных антенн «рабочим» участком всегда считают область частот много ниже первого резонанса. Только там можно обеспечить стабильность характеристик на протяжении межповерочного периода.
По весьма схожим причинам (стабильность характеристик) весьма редко применяются антенны с ферритовыми сердечниками. Они весьма чувствительны к изменениям температуры, ударам и т.д.
Амплитудно-частотная характеристика (она же Ка) условной рамочной антенны приведена на рисунке 19.1
Рисунок 19.1 типовая АЧХ рамочной антенны
Таким образом, с учётом некоторых ограничений действующих НМД, мы должны пользоваться рамочными антеннами с диаметром витка (витков) от ≈ 0,15 до 0,8 м, за исключением отдельных, специальных случаев. Меньше – недопустимо падает чувствительность. Больше – и неудобно пользоваться и рекомендации НМД «не пущають».
Итак, «рамки» разных «времён и народов», самые начальные сведения об имеющихся на рынке моделях приведены в части 5 этого цикла статей, где речь и шла об измерениях напряжённости поля (общие сведения).
Кроме вышеизложенного, следует знать, что рамочные антенны могут быть как «пассивными» (то есть просто виток, катушка), так и активными (со встроенным в конструктив предварительным широкополосным усилителем). Пассивные антенны имеют крайне низкие уровни собственных шумов, практически ничем не ограниченный динамический диапазон, но их чувствительность ограничена вышеприведённым выражением для электромагнитной индукции и шумами средства измерения. Зато их можно применять и как излучающие, необходимость чего встречается в практике исследований.
Активные антенны имеют динамический диапазон не более 120 ÷ 140 дБ, несколько большие шумы (ничего не поделаешь, все активные элементы «шумят»), но заметно большую чувствительность по полю (то есть меньшее значение Ка). Естественно, они необратимы и не могут применяться как излучающие.
Очень важной особенностью классической рамочной антенны является её направленность. КНД (коэффициент направленного действия, величина безразмерная) графически, в плоскости, проходящей перпендикулярно плоскости витка, представляет собою две окружности, соприкасающиеся в точке размещения антенны. В пространстве это две сферы, так же соприкасающиеся в точке размещения самой антенны (рисунок 19.2). Причём линия, проходящая через центры сфер перпендикулярна плоскости рамки. Из этого проистекает, что для обеспечения ориентации антенны по максимуму вектора поля её конструкция должна позволять свободное вращение, в идеале в трёх, но, хотя бы, в двух плоскостях на ± 2¶ радиан.
Рисунок 19.2 Характеристика направленности рамки или диполя
И последнее, о чём уже не раз писалось, но нелишне напомнить. Для витка в поле совершенно неважно за счёт сего меняется магнитный поток через него, за счёт изменения направления (или величины) вектора самого поля или за счёт движения витка относительно этого вектора. Сие означает, что любые колебания рамки будут сказываться на показаниях. В том числе и колебания рамки (или проводников в ней) за счёт воздействия акустического (вибрационного) воздействия на неё. То есть, сама рамка может служить классическим электродинамическим микрофоном (виток в магнитном поле земли). И сигналы, «генерируемые» за счёт такого эффекта (а так же за счёт ещё нескольких физических эффектов) невозможно отличить от сигнала, вызываемого аналогичным изменением самого измеряемого вектора поля. Антенны, к сожаления, «микрофонит», порою – весьма и весьма… Такие модели антенн для измерения весьма малых сигналов именно в области НЧ АЭП просто непригодны. Причём ни один из изготовителей типовых измерительных антенн именно такую задачу перед собою не ставит (снижение «микрофонного» эффекта).
О магнитных (рамочных) антеннах, пожалуй, всё.
Для измерения «Е» компоненты, практически без исключений, применяются укороченные (естественно, при длине волны в км!) диполи. И, опять, же, практически без исключений – активные. Иначе при столь малой длине диполей их чувствительность оказывается слишком низкой. И «микрофонят» они, порою, не меньше своих рамочных сестричек….
Направленность диполя, в плоскости, такая же, как у рамки (рисунок 19.2), но в трёхмерном представлении это не две сферы, а «бублик», тороид (понятно, что при пересечении плоскостью всё равно получится две окружности). Пространственно тороид размещён в плоскости, перпендикулярной линии осей диполей.
Об антеннах – всё. Перейдём теперь к особенностям измерения.
Продолжение следует
