Селективный измеритель радиочастотных электромагнитных излучений
Селективный измеритель радиочастотных электромагнитных излучений
Селективный измеритель радиочастотных электромагнитных излучений предназначен для избирательного измерения параметров электромагнитного поля в отдельных частотных полосах в границах широкого диапазона частот от 30 МГц до 30 ГГц и оценки опасности каждой из контролируемых составляющих электромагнитного поля в этом диапазоне. Измеритель содержит экранированный корпус, плоскую печатную самокомплементарную антенну, высокочастотный антенный разъем, электромеханический блок коммутации, аттенюатор, усилитель, балансный модулятор, кварцевый генератор, активный трехполосный фильтр, логарифмический детектор широкого частотного диапазона, источник питания постоянного тока, микроконтроллер, встроенный в микроконтроллер аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, встроенный в микроконтроллер цифро-аналоговый преобразователь, сглаживающий фильтр, жидкокристаллический TFT-дисплей. Плоская печатная самокомплементарная антенна соединена с высокочастотным антенным разъемом, выходы которого расположены в экранированном корпусе и соединены с электромеханическим блоком коммутации, связанным с микроконтроллером через шину интерфейса UART и с первым входом балансного модулятора через аттенюатор и усилитель. Второй вход балансного модулятора соединен с кварцевым генератором, управляемым напряжением, подаваемым с цифро-аналогового преобразователя, встроенного в микроконтроллер, через сглаживающий фильтр. Выход балансного модулятора через трехполосный фильтр и логарифмический детектор связан с встроенным в микроконтроллер аналого-цифровым преобразователем, получаемым питание от источника опорного напряжения. С микроконтроллером также соединен жидкокристаллический TFT-дисплей через шину последовательного периферийного интерфейса SPI. При этом элементы измерителя, кроме плоской печатной самокомплементарной антенны, высокочастотного разъема и жидкокристаллического TFT-дисплея размещены в экранированном корпусе. Обеспечивается селективное измерение уровней электромагнитных излучений в отдельных частотных полосах в границах расширенного частотного диапазона от 30 МГц до 30 ГГц.Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)

Полезная модель относится к области контроля электромагнитной обстановки и может быть использована для селективного измерения параметров электромагнитного поля в отдельных частотных полосах в границах широкого диапазона частот от 30 МГц до 30 ГГц и оценки степени опасности каждой из контролируемых составляющих электромагнитного поля в этом диапазоне.

Учитывая, что электромагнитные излучения в частотном диапазоне от 30 МГц до 30 ГГц включают несколько поддиапазонов: ОВЧ (30 МГц - 300 МГц), УВЧ (300 МГц -3 ГГц) и СВЧ (3 ГГц - 30 ГГц) (Международный союз электросвязи. Рек. МСЭ-R V.431-8 «Номенклатура диапазонов частот и длин волн, используемых в электросвязи». 2015, с.1-3), предлагаемый измеритель можно использовать для контроля электромагнитной обстановки в широкой области применения, включая производственный и коммунально-бытовой сектор.

Известно устройство для измерения мощности СВЧ излучения, содержащее термопреобразователь, выход которого подключен на входы электронных ключей; последовательно соединенные электронные ключи, усилители низких частот и полосовые фильтры, выходы которых подключены на входы синхронных детекторов; последовательно соединенные генератор импульсов, делители частоты, логический элемент И, выход которого подключен на вход сдвигового регистра, выход которого подключен на входы электронных ключей и логических элементов ИЛИ; логические элементы ИЛИ, выходы которых подключены на входы электронных ключей; последовательно соединенные синхронные детекторы, сумматор и усилитель постоянного тока. Элементы устройства соединены в электрическую схему. Входом устройства является вход термопреобразователя, выходом - выход усилителя постоянного тока (патент RU 2298801, МПК G01R 21/04 (2006.01)).

Недостатками устройства являются узкий диапазон исследуемых частот вследствие контроля только СВЧ излучения; неселективность измерений, обусловленная отсутствием элементов, позволяющих избирательно контролировать электромагнитное поле в отдельных частотных полосах.

Известно устройство для измерения интенсивности электромагнитного поля в диапазоне СВЧ, содержащее печатную антенну на диэлектрической подложке, к выходу которой подключен квадратичный преобразователь, и регистратор. Устройство построено на основе резонаторной плоскости печатной симметричной поляризационно-изотропной антенны на диэлектрической подложке с экранирующей пластиной с двумя ортогонально расположенными выходами и содержит второй квадратичный преобразователь с идентичной первому характеристикой. Оба квадратичных преобразователя одноименными выводами подсоединены к ортогонально расположенным выходам и расположены в отверстиях диэлектрической подложки непосредственно под нулевыми точками эквивалентных магнитных токов ортогональной поляризации синфазно-излучающих кромок антенны. Другие выводы преобразователей соединены с экранирующей пластиной. Сумма выпрямленных преобразователями токов через общий контакт в центре печатной антенны в нулевой точке эквивалентных магнитных токов антенны для любой поляризации и соответствующее отверстие под ним в диэлектрической подложке и экранирующей пластины поступает на регистратор, другой вход которого соединен с экранирующей пластиной (патент RU 2098837, МПК G01R 29/08 (1995.01)).

К недостаткам данного устройства можно отнести узкий диапазон исследуемых частот вследствие контроля только СВЧ излучения; неселективность измерений в связи с отсутствием элементов, позволяющих избирательно контролировать электромагнитное поле в отдельных частотных полосах.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемой полезной модели по максимальному количеству сходных признаков и достигаемому результату является устройство для измерения интенсивности электромагнитного поля в частотном диапазоне от 300 МГц до 3 ГГц, содержащее антенну, закрепленную на корпусе, в котором смонтированы радиоэлементы, электрически соединенные в радиосхему. Устройство выполнено с применением первого СВЧ-детектора для детектирования сигнала, поступающего с антенны, балансного модулятора для изменения выходного напряжения кварцевого генератора (гетеродина), подключенного к балансному модулятору, частотного фильтра сосредоточенной избирательности для выделения основной гармоники и подавления побочных гармоник кварцевого генератора (гетеродина), установленного между балансным модулятором и усилителем, на котором измененное напряжение усиливается, после чего вторым детектором детектируется и регистрируется индикатором магнитоэлектрической системы. При этом электропитание элементов осуществляется от источника питания постоянного тока (патент RU 2337370, МПК G01R 29/08 (2006.01)).

Недостатками описанного устройства являются узкий частотный диапазон (300 МГц - 3 ГГц); неселективность измерений в заявленном диапазоне исследуемых частот в связи с отсутствием элементов, позволяющих избирательно контролировать электромагнитное поле в отдельных частотных полосах в границах исследуемого частотного диапазона.

В основе полезной модели лежит техническая проблема, заключающаяся в необходимости создания селективного измерителя, позволяющего избирательно измерять электромагнитные излучения в отдельных частотных полосах в границах широкого частотного диапазона: 30 МГц - 30 ГГц.

Решение данной технической проблемы достигается тем, что селективный измеритель радиочастотных электромагнитных излучений, содержащий корпус, антенну, детектор, соединенный с кварцевым генератором балансный модулятор, усилитель, фильтр, источник питания постоянного тока, согласно полезной модели снабжен высокочастотным антенным разъемом, предназначенным для передачи контролируемого электромагнитного сигнала с выхода антенны, в качестве которой использована плоская печатная самокомплементарная антенна, на первый вход введенного электромеханического блока коммутации, связанного вторым входом с первым выходом введенного микроконтроллера через шину интерфейса UART и связанного первым выходом через введенный аттенюатор с первым входом балансного модулятора или связанного вторым выходом с первым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом балансного модулятора, со вторым входом которого соединен выход кварцевого генератора, подключенного первым входом через введенный сглаживающий фильтр к выходу введенного цифро-аналогового преобразователя, встроенного в микроконтроллер вместе с введенным аналого-цифровым преобразователем, соединенным первым входом с выходом детектора, в качестве которого использован логарифмический детектор широкого частотного диапазона, первый вход которого связан через фильтр, в качестве которого использован активный трехполосный фильтр, с выходом балансного модулятора, а второй вход соединен с выходом введенного источника опорного напряжения. Устройство также снабжено жидкокристаллическим TFT-дисплеем, соединенным первым входом через шину последовательного периферийного интерфейса SPI со вторым выходом микроконтроллера. Выходы источника питания постоянного тока соединены со вторым входом усилителя, вторым входом кварцевого генератора, вторым входом логарифмического детектора, входом источника опорного напряжения, входом микроконтроллера и вторым входом жидкокристаллического TFT-дисплея. При этом в корпусе, выполненном из плотного экранирующего материала, размещены элементы устройства, кроме плоской печатной самокомплементарной антенны, высокочастотного антенного разъема и жидкокристаллического TFT-дисплея.

Возможность избирательного контроля электромагнитных излучений в отдельных частотных полосах в границах широкого частотного диапазона от 30 МГц до 30 ГГц обусловлена объединением в предложенной полезной модели плоской печатной самокомплементарной антенны, трехполосного фильтра, логарифмического детектора широкого частотного диапазона, интегральных схем, построенных на основе современной технологии SiGe и, гетеродинной цепи, состоящей из кварцевого генератора, управляемого напряжением, подаваемым с цифро-аналогового преобразователя, встроенного в микроконтроллер, через сглаживающий фильтр, балансного модулятора и трехполосного фильтра, что в совокупности обеспечивает измерение задаваемых составляющих электромагнитного поля в необходимом частотном поддиапазоне.

На приведенном чертеже представлена функциональная схема селективного измерителя радиочастотных электромагнитных излучений.

Селективный измеритель радиочастотных электромагнитных излучений содержит плоскую печатную самокомплементарную антенну 1, выход которой соединен с входом высокочастотного антенного разъема 2, предназначенного для передачи контролируемого электромагнитного сигнала с выхода антенны 1, выходы которого расположены в экранированном корпусе 3 и соединены с первым входом электромеханического блока коммутации 4, второй вход которого связан с первым выходом микроконтроллера 5 через шину интерфейса UART 6. Первый выход электромеханического блока коммутации 4 соединен с входом аттенюатора 7 или второй выход электромеханического блока коммутации 4 связан с первым входом усилителя 8. Выход аттенюатора 7 и выход усилителя 8 соединены с первым входом балансного модулятора 9, второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 10, управляемого напряжением, подаваемым на его первый вход с выхода цифро-аналогового преобразователя 11, встроенного в микроконтроллер 5, через сглаживающий фильтр 12. Выход балансного модулятора 9 через активный трехполосный фильтр 13 соединен с первым входом логарифмического детектора 14, выход которого связан с первым входом встроенного в микроконтроллер 5 аналого-цифрового преобразователя 15, питание на второй вход которого подается с выхода источника опорного напряжения 16. Второй выход микроконтроллера 5 соединен с первым входом жидкокристаллического TFT-дисплея 17 через шину последовательного периферийного интерфейса SPI (англ. Serial Peripheral Interface) 18. При этом элементы селективного измерителя, кроме плоской печатной самокомплементарной антенны 1, высокочастотного разъема 2 и жидкокристаллического TFT-дисплея 17, размещены в экранированном корпусе 3.

Питание подается на второй вход усилителя 8, второй вход кварцевого генератора 10, второй вход логарифмического детектора 14, вход источника опорного напряжения 16, вход микроконтроллера 5 и второй вход жидкокристаллического TFT-дисплея 17 через выходы источника питания постоянного тока 19.

Селективный измеритель радиочастотных электромагнитных излучений работает следующим образом.

Источник питания постоянного тока 19 создает разность потенциалов на усилителе 8, кварцевом генераторе 10, логарифмическом детекторе 14, источнике опорного напряжения 16, микроконтроллере 5 и жидкокристаллическом TFT-дисплее 17. Исследуемое электромагнитное излучение приводит к возникновению в плоской печатной самокомплементарной антенне 1 электромагнитного сигнала, поступающего на высокочастотный антенный разъем 2, с которого сигнал передается на электромеханический блок коммутации 4, через который передается на балансный модулятор 9 через аттенюатор 7 для плавного понижения интенсивности электромагнитного сигнала. При низкой интенсивности исследуемого сигнала или его отсутствии для повышения чувствительности контроля через шину интерфейса UART 6 с первого выхода микроконтроллера 5 на второй вход электромеханического блока коммутации 4 подается управляющий сигнал для соединения балансного модулятора 9 через усилитель 8. Выбор исследуемого поддиапазона выполняется микроконтроллером 5 с помощью встроенного в него цифро-аналогового преобразователя 11 путем передачи управляющего сигнала через сглаживающий фильтр 12 на кварцевый генератор 10 и формирования опорной частоты сигнала, подаваемого на балансный модулятор 9. Измененный сигнал из балансного модулятора 9 через трехполосный фильтр 13 поступает в логарифмический детектор 14, формирующий постоянное напряжение, подаваемое на встроенный в микроконтроллер 5 аналого-цифровой преобразователь 15, создающий в свою очередь цифровой сигнал, записываемый в собственную память микроконтроллера 5. Далее цифровой сигнал обрабатывается микроконтроллером 5 и через шину последовательного периферийного интерфейса SPI 18 передается на жидкокристаллический TFT-дисплей 17, где полученный сигнал представляется в требуемой форме и используется для избирательного управления режимами работы селективного измерителя радиочастотных электромагнитных излучений.

Технико-экономическая эффективность предлагаемой полезной модели выражается в создании селективного измерителя, позволяющего избирательно исследовать электромагнитные излучения в отдельных частотных полосах в границах широкого частотного диапазона (30 МГц - 30 ГГц).
Предназначен для избирательного измерения параметров электромагнитного поля в отдельных частотных полосах в границах широкого диапазона частот от 30 МГц до 30 ГГц и оценки опасности каждой из контролируемых составляющих электромагнитного поля в этом диапазоне.
Евгений
Титов
Владимирович
Ведущий научный сотрудник
Кандидат технических наук
Доцент
-
-
-
РОССИЯ
Андрей
Марков
Михайлович
Ректор
РОССИЯ
45.53.99
Прочие виды электротехнического оборудования
02.02.IQ
ENGINEERING, ELECTRICAL & ELECTRONIC
Евгений
Титов
Владимирович
40%
РОССИЯ
Александр
Казакеев
Геннадьевич
20%
РОССИЯ
Павел
Иванов
Владимирович
20%
РОССИЯ
Сергей
Казакеев
Геннадьевич
20%
РОССИЯ
АлтГТУ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"
1022201517854
Организация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральные государственные бюджетные учреждения