Измерители мощности СВЧ

     Содержание 

I. Введение

II. Плотность потока энергии

III. Средства определения плотности потока ЭМИ

  1. Измеритель уровней электромагнитных излучений П3-41
  2. Измеритель электромагнитных излучений П3-31
  3. Измеритель плотности потока энергии П3-331

IV. Измеритель плотности потока энергии П3-18

  1. Антенна-преобразователь АП-ППЭ-1
  2. Индикатор Я6П-110

V. Защита от воздействия ЭМИ

  1. Общие рекомендации и меры защиты персонала
  2. Экранирующие свойства строительных материалов
  3. Радиопоглощающие материалы
  4. Экранирующие ткани

VI. Нормирование ЭМИ

  1. Нормирование РЧ и СВЧ излучений
  2. Микроволновые печи

VII. Расчетная часть

  1. Расчетные формулы
  2. Практическая часть

VIII. Вывод

XIX. Список литературы 

 

     

     І. Введение 

     Целью работы является: ознакомление с методами и средствами измерения плотности потока энергии СВЧ излучения, установление соответствия исследуемой микроволновой печи всем требованиям предъявляемые санитарными нормами (СН № 2666-83), и приобрести навыки контроля ППЭ от СВЧ-печи.

     Электромагнитное  поле — это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

     В наше время электромагнитные волны  очень широко используются. Их основными характеристиками принято считать период, частоту, длину волны, скорость и поляризацию. Длина волны прямо связана с частотой через скорость распространения излучения. В вакууме она равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Поляризация — это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Излучение может быть не поляризованным, либо быть частично или полностью поляризованным (различают линейную, круговую и эллиптическую поляризацию).

     Спектр  этих волн весьма широк, от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

     По  диапазону частот условно установлены  три шкалы электромагнитных излучений (ЭМИ):

     - радиотехническая (Международный комитет  по радиосвязи, МККР);

     - медицинская (Всемирная организация здравоохранения, ВОЗ);

     - электротехническая (Международная  электротехническая комиссия, МЭК).

     Электротехническая  шкала разбита на несколько частотных  диапазонов:

     - низкие частоты (НЧ) от 0 до 60 Гц;

     - средние частоты (СЧ) от 60 Гц до 10 кГц;

     - высокие частоты (ВЧ) от 10 кГц до 300 МГц;

     - сверхвысокие частоты (СВЧ) от 300 МГц до 300 ГГц.

     В данной работе будут рассматриваться  электромагнитные поля в СВЧ диапазоне. Источники таких полей всегда окружают нас, ими являются: радары (500 МГц – 15 ГГц), системы спутниковой связи (≈2,38 ГГц), системы сотовой связи (463 МГц – 1880 МГц), СВЧ–печи (2,45 ГГц) и многие другие бытовые приборы. Интенсивность ЭМП, в данном интервале, характеризуется поверхностной плотностью потока энергии, длительное воздействие которой отрицательно сказывается на здоровье человека. 

     Табл. 1. Возможные изменения в организме  человека под влиянием ЭМИ различных  интенсивностей

Интенсивность ЭМИ, мВт/см2 Наблюдаемые изменения
600 Болевые ощущения в период облучения
200 Угнетение окислительно-восстановительных процессов в ткани
100 Повышенное  артериальное давление с последующим  его снижением; в случае воздействия  — устойчивая гипотензия. Двухсторонняя  катаракта
Интенсивность ЭМИ, мВт/см2 Наблюдаемые изменения
40 Ощущение тепла. Расширение сосудов. При облучении 0,5-1 ч повышение давления на 20-30 мм рт. ст.
20 Стимуляция  окислительно-восстановительных процессов  в ткани
10 Астенизация после 15 мин. облучения, изменение биоэлектрической активности головного мозга
8 Неопределенные  сдвиги со стороны крови с общим временем облучения 150 ч, изменение свертываемости крови
6 Электрокардиографические  изменения, изменения в рецепторном  аппарате
4-5 Изменение артериального  давления при многократных облучениях, непродолжительная лейкопения, эритропения
3-4 Ваготоническая  реакция с симптомами брадикардии, замедление электропроводимости сердца
2-3 Выраженный  характер снижения артериального давления, тенденция к учащению пульса, не значительные колебания объема сердца
1 Снижение артериального давления, тенденция к учащению пульса, незначительные колебания объема крови сердца. Снижение офтальмотонуса при ежедневном воздействии в течение 3,5 месяцев
0,4 Слуховой эффект при воздействии импульсных ЭМП
0,3 Некоторые изменения  со стороны нервной системы при хроническом воздействии в течение 5-10 лет
0,1 Электрокардиографические  изменения
До 0,05 Тенденция к  понижению артериального давления при хроническом воздействии

 

     Так как в наше время микроволновые  печи используются практически повсеместно  (в поездах, в местах общественного питания и в быту), вопрос о нормировании их излучения звучит особенно актуально. Несмотря на то, что современные СВЧ-печи оборудованы достаточно совершенной защитой, которая препятствует проникновению электромагнитного излучения за пределы рабочего объема, нельзя говорить, что вне печи излучение будет полностью отсутствовать. 

 

     

     ІІ. Плотность потока энергии 

     В соответствии с межгосударственным стандартом (ГОСТ 12.1.006-84), интенсивность  ЭМП, в данном интервале, характеризуется поверхностной плотностью потока энергии, энергетическая нагрузка представляет собой произведение плотности потока энергии поля на время его воздействия .

     Плотность потока энергии – величина равная количеству энергии, переносимой через  единичную площадь, в единицу времени. 

       (1) 

     ППЭ – плотность потока энергии, Вт/м2;

     ФЕ – поток излучения (мощность передатчика), Вт;

     SЕ – эффективная площадь измерительной антенны, м2;

     NФ– коэффициент полезного действия фидерного тракта, зависящий от материала изготовления, геометрических размеров, передачи (проводимости) СВЧ – энергии;

     При измерении ППЭ, антенна-преобразователь  помещается в зону действия ЭМП. Сигнал с антенны, через фидерный тракт, поступает на индикатор прибора. Структурная схема представлена на рис. 2.1. 

     

     Рис. 2.1. Структурная схема измерителей ППЭ. 

 

      (2) 

     Z – затухание в фидерном устройстве, определяется как произведение  погонного коэффициента затухания  Z(f) на его длину; 

       

     КБВ – коэффициент бегущих волн ( );

     КСВ – коэффициент стоячих волн в  фидере, или волноводе, если фидерное устройство отсутствует, то Z = 0, а NФ = 1. КСВ может определяться при помощи коэффициента отражения, или отношения импеданса антенны к приемнику.

     Эффективная площадь антенны определяется по формуле: 

      (3) 

     SA – площадь антенны, определяемая её геометрическими размерами, м; – коэффициент использования площади, зависит от типа использованных антенн, синфазности электромагнитного поля. Например, для пирамидальных рупоров

      ≈ 0.49, для параболических антенн ≈0.55.

     Коэффициент направленного действия (КНД) антенн D определяется по формуле: 

      (4) 

     λ – длина волны, в свою очередь, определяется по формуле:

 

      (5) 

     где C = 2.998 · 108 м/сек.- скорость света в окружающей среде, или скорость распространения электромагнитных волн;

     f – частота при которой производятся измерения, Гц.

     Подставляя  формулы (3) в формулу (4): 

     

      (6) 

     Подставим теперь формулу (6) в (1), получим формулу  для определения плотности потока энергии: 

       

     Мощность ФЕ от источника излучения будет определять плотность потока энергии на определенном расстоянии от передающего устройства. А погрешность метода будет сведена к погрешности определения коэффициента усиления антенны передающего устройства, определением (либо измерением) её диаграммы направленности и коэффициентом полезного действия антенно-фидерного устройства, зависящего от КСВ (при КСВ = 1.2, погрешность от несогласования не превышает ± 3…5 %).

     В свою очередь мощность от источника  на определенном расстоянии зависит  от затухания высокочастотного сигнала  в атмосфере и представляется формулой: 

 

       

     β(f) – коэффициент затухания электромагнитной энергии в окружающей среде;

     r – расстояние до источника излучения.

     При проведении расчетов, необходимо обращать внимание с какой точностью заданы, или измерены параметры: мощность передатчика, диаграмма направленности антенны передатчика и коэффициент затухания, для мощности 3 дБ это на 100%, 2 дБ на 60%, 1 дБ на 25%, 0.5 дБ на 12% и т.д. 

 

     

     ІІІ. Средства определения плотности потока ЭМИ 

     В настоящее время, существует множество приборов предназначенных для измерения уровней плотности потока энергии. В данной работе будут рассмотрены приборы российского производства, способные зафиксировать излучение в пределах от 1 мкВт/см2 до 1 мВт/см2. Такими измерителями, удовлетворяющими этим условиям, являются П3-31, П3-33 и П3-41. 

     
  1. Измеритель  уровней электромагнитных излучений П3-41
 

     Измеритель  П3-41 разработан с целью обнаружения  и контроля биологически опасных  уровней электромагнитных излучений  напряженности, плотности потока энергии  для обеспечения выполнения требований Общего Технического Регламента об электромагнитной совместимости и безопасности, действующего в странах Европейского Союза и РФ.

     Измеритель  П3-41 предназначен для выполнения измерений  в соответствии с действующими правовыми и нормативными документами Госкомэпиднадзора РФ: ГОСТ 12.1.006-84, ГН2.1.8/2.2.4.019-90, СанПиН 2.2.4/2/1/8055-96, СанПиН 2.1.2.1002-00, СанПиН 2.1.8/2.2.41190-03, СанПиН 2.2.4.1191-03. 

     Характеристики  антенн-преобразователей:

Тип антенны  преобразователя (АП) АП-1 (ППЭ) АП-2 (ППЭ) АП-3 (Е) АП-4 (Е) АП-5 (Н)
Рабочий диапазон частот (0,3 - 40) ГГц (0,3 - 40) ГГц (0,03-300) МГц (0,03-300) Мгц (0,03-50) МГц
Пределы измерения электрической составляющей напряженности (Е) (В/м) 1-615 61,4-1940 0,5-300 10-1500 -
Пределы измерения магнитной составляющей напряженности (Н) (А/м) - - - - 0,05-8
Пределы измерения плотности потока энергии (ППЭ) (мкВт/см2) 0,26-100000 1000-1000000 0,066-23800 26,5-600000 -
Неравномерность коэффициента преобразования в рабочем  диапазоне частот не более: 9 дБ 9 дБ 12 дБ 8 дБ 7 дБ

 
Пределы допускаемой дополнительной погрешности  измерителя, обусловленной отклонением  температуры окружающего воздуха  от нормальной в пределах рабочих  температур на каждые 10 ˚C. не более ±0,6 дБ ±0,6 дБ ±1,0 дБ ±1,0 дБ ±1,0 дБ

 

     Характеристики  устройства измерительного:

Результаты  измерения, выводимые на индикатор

(с подсветкой  в темноте)

 текущие значения В/м, А/м, мкВт/cм2 , мВт/cм2

максимальные  и средние значения В/м, А/м, мкВт/cм2 , мВт/cм2 за последние 6 минут измерения

результаты  измерения экспозиции: (В/м)2*t, (А/м)2*t, мкВт/cм2*t, где t - время с момента включения прибора

Основная  погрешность измерения при введении в процессор частоты анализируемого излучения (-2,7 …+2,7) дБ (произвольная  поляризация)
Дополнительные  функции отображение средних  и максимальных значений напряженности  поля за 8 часов работы на ПЭВМ через  волоконно оптический кабель с привязкой  к реальному масштабу времени  для обработки в программах типа MathCad
Функции предупреждения визуальное и звуковое оповещение при достижении одного из допустимых значений напряженности, ППЭ или экспозиции, вводимых пользователем в процессор
Калибровка автоматическая
Оптическая  развязка П3-41

от ПЭВМ

 Двойной оптический кабель от 10 до 100 м
Рабочая температура -10…+50˚C
Питание 2 аккумуляторных  батареи типоразмера AA емкостью 1 A*ч
Время непрерывной работы не менее 16 ч

 
     
  1. Измеритель  электромагнитных излучений  П3-31
 

     Измеритель  П3-31 предназначен для измерения  среднеквадратических значений напряженности электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля (ЭМП) в режимах непрерывной генерации, амплитудной, частотной и импульсной модуляций, а также для измерения плотности потока энергии (ППЭ) при проведении контроля уровней электромагнитного поля на соответствие требованиям норм по электромагнитной безопасности в соответствии с ГОСТ 27859, ГОСТ 12.1.006, ГН 2.1.8./2.2.4.019 и СанПиН 2.2.4/2.1.8.055. 

     Характеристики  антенн преобразователей при измерении  непрерывных электромагнитных излучений:

Тип антенны-преобразователя Диапазон частот Неравномерность АЧХ Пределы измерения
Широкополосная  А1 (0,3 - 40) ГГц (0 - -8) дБ (1 - 615) В/м,

(0,26 - 100000) мкВт/см2

Широкополосная  А2 (0,01 - 300) МГц ± 2,6 дБ в диапазоне (0,1 - 300) МГц

(0 - 5) дБ  в диапазоне (0,01 - 0,1) МГц

 (1 - 615) В/м
Широкополосная  А3 (0,01 - 30) МГц ± 2,6 дБ в диапазоне (0,06 - 30) МГц

(0 - 9) дБ  в диапазоне (0,01 - 0,06) МГц

 (0,5 - 30) А/м
Селективная А4 f1(1 ± 0,1)

f1=(0,8...1,6) ГГц

 Спад АЧХ  при отстройке от резонансной  частоты на октаву не менее 15 дБ (0,26 - 100000) мкВт/см2

(1 - 615) В/м,

Селективная А5 f2(1 ± 0,1)

f2=(1,6...3,2) ГГц

 Спад АЧХ  при отстройке от резонансной  частоты на октаву не менее 15 дБ (1 - 615) В/м,

(0,26 - 100000) мкВт/см2


 

     Технические характеристики:

  для электрической составляющей поля для магнитной составляющей поля для ППЭ
Диапазон  частот 0,01 - 40 000 МГц 0,01 - 30 МГц 0,3 - 40 ГГц
Диапазон  измерения 1 - 615 В/м 0,5 - 16 А/м 0,265 - 100000 мкВт/см2
Неравномерность собственной АЧХ не более  ±0,2 дБ
Мощность  выходного сигнала ГКЧ не менее 1 мВт
Уровень паразитных колебаний ГКЧ не более -25 дБ
Питание 2 аккумуляторных  батареи типоразмера AA емкостью 1 A*ч
Мощность, потребляемая от источника питания, не более ВА, 0,04 ВА
Пределы допускаемой основной погрешности измерения ППЭ и напряженности Е и Н поля известной частоты, дБ 2,7 дБ
Время непрерывной работы измерителя при  источнике питания емкостью 1А*ч, не менее, ч 60 ч

 

     Характерные особенности П3-31:

  • Портативен, экономичен и удобен в работе
  • Цифровая обработка результатов и автоматизация управления, измерений и установки параметров при подключении к ПЭВМ через RS-232S
  • Запись в энергонезависимую память текущих, средних и максимальных значений (по 880 точек) плотности потока энергии (ППЭ), напряженности электрического (магнитного) поля с интервалом 1 секунда, при интервале усреднения и периоде считывания информации от 10 сек до 15 мин с привязкой к реальному времени и указанием частоты электромагнитного поля (ЭМП) и типа используемого антенного преобразователя (А i)
  • Измерение экспозиции облучения
  • Высокая точность измерений и стабильность характеристик
  • Самодиагностика и контроль разряда элементов питания
  • Индикация результатов измерения в единицах В/м, А/м, мкВт/см2, В2/м2 ×час, А2/м2 ×час, мкВт/см2 ×час
 
     
  1. Измеритель  плотности потока энергии П3-33
 

     Измеритель  плотности потока энергии электромагнитного  поля П3-33 обеспечивает обнаружение  и контроль биологически опасных  уровней плотности потока энергии  электромагнитных излучений в соответствии с действующими правовыми и нормативными документами Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии и Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. Может применяться для аттестации рабочих мест, сертификации продукции и в научных исследованиях.

     Измеритель  П3-33 предназначен для измерения  плотности потока энергии (ППЭ) в  режиме непрерывной генерации при  проведении контроля уровней электромагнитного  поля на соответствие требованиям норм по электромагнитной безопасности в соответствии с ГОСТ 12.1.006, ГН 2.1.8./2.2.4.019 и СанПин 2.2.4/2.1.8.055 и СанПиН 2.2.41191-03.

     В качестве датчика ППЭ используется всенаправленная широкополосная антенна  с телескопической рукояткой.

     Особенности:

  • Одинаковая чувствительность при измерениях радиоволн:

     - любой частоты из рабочего  диапазона (широкополосность),

     - с любым направлением прихода  волны (изотропия).

  • Выбор режимов измерений:

     - с определением статистических  характеристик потока (средние и  максимальные значения за выбранные  интервалы времени),

     - с запоминанием массивов результатов  измерений,

     - с привязкой ко времени (поясному или от начала измерений).

  • Возможность связи с компьютером:

     - перезапись всех результатов  в память компьютера,

     - архивирование данных,

     - подготовка протоколов обследования  объектов.

  • Система ускоренной зарядки аккумуляторов.
  • Малые габариты и вес.
 

     Основные  характеристики:

    Рабочий диапазон частот 0,3 - 4,0 ГГц
    Диапазон  измеряемых потоков СВЧ-излучения 0,1 - 250 мкВт/см2
    Основная  относительная погрешность измерения ± 3 дБ
    Ресурс  автономной работы не менее 10 ч
    Условия эксплуатации:

    температура

    относительная влажность воздуха при температуре 25 С

    атмосферное давление

    		 от +5 до +40˚С

    до 90%

    70 - 106,7 кПа

    Масса не более 550 г
    Габариты 210х100х60 мм

 

 

     IV. Измеритель плотности потока энергии П3-18 

     В данной работе используется измеритель плотности потока энергии электромагнитного поля П3-18 предназначенный для измерения средних значений плотности потока энергии (ППЭ) электромагнитного поля (ЭМП) в дальней зоне СВЧ источников излучения и непосредственно на рабочих местах персонала, обслуживающего радиотехнические установки.

     Основные  элементы измерителя ППЭ:

  • антенна-преобразователь (АП-ППЭ-1);
  • индикатор Я6П-110;
  • сетевой (встроенный) и аккумуляторный блоки питания.

     Работа  измерителя ППЭ ЭМП основана на приеме и преобразовании СВЧ сигналов в  постоянный ток антенной–преобразователем и отсчета значения постоянного тока, пропорционального интенсивности ЭМП, цифровым индикатором. Отсчет измеряемой величины производится в децибелах (дБ) [5].

     Принцип действия ИППЭ поясняется схемой: 

     

     Рис. 4.1. Структурная схема измерителя ППЭ ЭМП 

     
  1. Антенна-преобразователь  АП-ППЭ-1
 

     Антенна-преобразователь (АП) выполнена на основе системы последовательно соединенных тонкопленочных термопар (многослойная термопара), размещенных на конической поверхности. При измерениях АП помещается в измеряемое ЭМП, при воздействии, которого, за счет поглощения энергии ЭМП, на каждой из термопар возникает градиент температур, величина которого прямо пропорциональна величине ППЭ ЭМП.

     Измерение градиента температур осуществляется путем изменения термоЭДС, возникающей на термопарах. Суммарная термоЭДС по резистивной линии связи (ЛС) передается к измерителю температуры, который состоит из линейного усилителя постоянного тока (УПТ), размещенного в ручке АП и индикатора, вход которого соединен с выходом УПТ.

     В индикаторе происходит преобразование усиленного сигнала по логарифмическому закону, затем преобразование в цифровую форму и отсчет измеряемой интенсивности  ЭМП на цифрах табло в дБ относительно нижнего предела измерений используемого  АП.

     Антенны-преобразователи (АП) предназначены для приема и преобразования ЭМП в напряжение постоянного или квазипостоянного тока. Общий вид и развертка конической поверхности АП представлены на рис. 4.2. 

     

     Рис. 4.2. Развертка конической поверхности.

 

     АП  выполнена в виде датчика электромагнитного излучения, содержащего резистивные пленки, расположенные на диэлектрическом основании, соединенные с измерителем температуры. При этом резистивные пленки выполнены в виде последовательно соединенных тонкопленочных термопар, а диэлектрическое основание имеет форму конической поверхности, угол при вершине которой составляет 109,5 ± 10˚. С целью уменьшения эффективной диэлектрической проницаемости конической поверхности основание имеет ажурную конструкцию. Тонкопленочные термопары расположены по образующей конической поверхности, концы которых при вершине и основании соединены проводниками. Конструктивно АП состоит из девяти последовательно соединенных термопар преобразователь (1-9), размещенных по образующей на конической поверхности (10), высокоомной резистивной линии связи (11) и усилителя постоянного тока (12). Термопарные преобразователи представляют собой П-образный тонкопленочные резистивные цепочки термопар (13), выполненные методом вакуумного напыления висмута и сурьмы на полиамидную пленку (14). Термопарные преобразователи, входящие в состав АП, содержат 18 термопар. Термопарные преобразователи соединены между собой последовательно проводниками (15). Для предохранения от механических повреждений термопарные преобразователи закрыты кожухом (16), а резиновые проводники линии связи (11) размещены внутри ручки (17). Кожух (16) и ручка (17) выполнены из удачного полистирола. УПТ, предназначенный для усиления сигналов, снимаемых м термопарных элементов. размещен на конце ручки. УПТ имеет регулируемый коэффициент усиления, что обеспечивает приведение коэффициента преобразования АП к уровню, необходимому при калибровке измерителей ППЭ. 

Измерители мощности СВЧ 📙 Реферат → 🆔 97499

Измерители мощности СВЧ 📙 Реферат → 🆔 97499

Измерители мощности СВЧ