Индикатор интенсивности электромагнитного излучения

 

Индикатор интенсивности электромагнитного излучения содержит печатную антенну на диэлектрической подложке, к выходу которой подключен квадратичный преобразователь (диод), и регистрирующее устройство. Предлагаемый индикатор выполнен 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 регистрирующее устройство, другой вход которого соединен с экранирующей пластиной. Все элементы индикатора, кроме излучающих, оказываются экранированными и не возмущают падающее электромагнитное поле. 1з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерениям энергетических параметров электромагнитного поля в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) при различных режимах генерации как в дальней, так и в ближней зонах излучения, и может использоваться как индивидуальное средство для оценки биологически опасных уровней электромагнитных излучений в месте нахождения человека или отдельных частей его тела.

Известен датчик электромагнитного излучения для оценки биологически опасных уровней электромагнитных излучений вблизи источника излучения (авт. св. N 1539687, кл. G 01 R 29/08, опублик. 30.01.90), содержащий антенны, к выходам которых подключены пленочные резисторы, расположенные на диэлектрической подложке, а также термочувствительный элемент, соединенный с индикатором.

Наличие термочувствительного элемента приводит к большой инерционности процесса измерения, а отсутствие термокомпенсации к зависимости показаний оконечного индикатора от температуры окружающей среды, что является недостатком устройства. Кроме того, отсутствие непосредственного преобразования мощности СВЧ-излучения в показания индикатора (СВЧ-поле вначале находит ток в рамочной антенне, ток нагревает резистор, подключенный к рамке, резистор нагревает подложку с термочувствительным элементом, в термочувствительном элементе под действием температуры наводится термоЭДС, индицируемая оконечным устройством) приводит к снижению чувствительности датчика.

К недостаткам данного датчика можно отнести и громоздкость конструкции, заключающуюся в наличии двух отдельных устройств, соединенных кабелем.

Известен дозиметр для измерения энергетической нагрузки на человека, подвергающегося воздействию ионизирующего излучения при обслуживании установок, излучающих энергию электромагнитного поля (авт. св. N 1596281, кл. G 01 R 29/00, опублик. 30.09.90), содержащий трехэлементную изотропную антенну, соединенную выходами с тремя квадратичными преобразователями, сумматор напряжений, N-разрядный аналого-цифровой преобразователь, интегратор, источники опорных напряжений, индикатор и сигнализатор. Главное отличие дозиметра заключается в том, что он измеряет не плотность потока электромагнитного поля, а энергетическую нагрузку, т.е. плотность потока за определенный промежуток времени (мкВт-ч/см²), регламентированный ГОСТ 12. 1006-84.

К числу недостатков этого дозиметра относится его сложность, наличие внешних источников питания. Кроме того, этот дозиметр непригоден к использованию в бытовых условиях, так как для последних нормы опасного (безопасного) излучения даются в единицах потока мощности (мкВт/см²).

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля СВЧ (авт. св. N 1201784, кл. G 01 R 29/08, опублик. 30.12.85), содержащее полупроводниковый диод, включенный между плечами электрического диполя, подключенного к одному из концов двухпроводной линии под углом 54,7^o, и индикатора с блоком усреднения. Отличием данного устройства является наличие антенны в виде одного диполя по сравнению с трехэлементными антеннами у предыдущих аналогов. Поляризационная изотропность достигается вращением диполя под углом 54,7^o к своей оси с одновременным усреднением напряжения детектора, пропорционального квадрату напряженности поля.

Недостатком является сложность конструкции, обусловленная наличием вращающихся деталей, необходимостью применения привода со стабилизированной скоростью вращения и источника питания этого привода. Кроме того, это устройство нельзя непосредственно использовать для оценки опасности излучения, так как необходим пересчет величины напряженности электромагнитного поля в интенсивности.

Наиболее близким по технической сущности и назначению (индикации уровня интенсивности ЭМИ, опасного для здоровья населения и технического персонала) является устройство, выбранное по максимальному количеству сходных существующих признаков за прототип [1] На фиг. 4 показан индикатор-прототип, в качестве антенны СВЧ предлагаются различные типы антенн, предназначенные для приема излучения определенной поляризации, например вибратор 1, размещенный на печатной плате 2. К выходным контактам антенны подключен выпрямляющий диод 3. К этим же контактам подключен индикатор 4, выполненный на светоизлучающих диодах 5, некоторые из которых для индикации уровней интенсивности ЭМИ включены последовательно с резистором 6. Для обнаружения полей с интенсивностью менее 50-100 мкВт/см² между выпрямляющим диодом 3 и индикатором 5 включен усилитель 7, содержащий транзистор 8 с источником питания 9.

Наличие в составе устройства усилителя с внешним источником питания для обнаружения интенсивности ЭМИ до 10 мкВт/см², опасного для населения в соответствии с санитарными правилами защиты населения N 2963-84 и дополнением 4429-87, усложняет устройство. Применение поляризационно-анизотропных антенн приводит к существенным ошибкам в определении интенсивности в условиях, когда вид поляризации поля неизвестен. Размещение элементов непосредственно у контактов антенны приводит к паразитному наведению ЭДС на проводниках и этих элементах за счет магнитной составляющей поля, а также ортогональных составляющих электрического поля, что дает дополнительную погрешность измерения на 100-300% Кроме того, с помощью светодиода невозможно зафиксировать количественные характеристики интенсивности ЭМИ, так как свечение светодиода с различной яркостью наблюдается в большом диапазоне протекающего через него тока и его заметность зависит от уровня внешней освещенности.

Целью предлагаемого устройства является повышение точности измерения и определения опасного для человека ЭМИ от бытовых, медицинских приборов или источников, используемых в промышленности и работающих в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн при одновременном его упрощении.

Поставленная цель достигается тем, что индикатор интенсивности электромагнитного излучения, содержащий печатную антенну на диэлектрической подложке, выход которой соединен с квадратичным преобразователем (диодом), нагруженным регистрирующим устройством, выполнен на основе резонаторной плоской печатной симметричной поляризационно-изотропной антенны на диэлектрической подложке с экранирующей пластиной с двумя ортогонально расположенными выходами, содержит второй квадратичный преобразователь с идентичной первому характеристикой. При этом к каждому из ортогонально расположенных выходов подсоединены одноименными выводами оба квадратичных преобразователя (диода), расположенных в отверстиях диэлектрической подложки непосредственно под нулевыми точками эквивалентных магнитных токов синфазно-излучающих кромок (стенок) резонатора ортогональной поляризации. Другие выводы диодов соединены с экранирующей пластиной. Сумма выпрямленных диодами 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 пластине поступает на регистрирующее устройство, другой выход которого соединен с экранирующей пластиной. Все элементы индикатора, кроме излучателя, оказываются экранированными и не возмущают падающее электромагнитное поле.

При выполнении излучателя антенны в виде квадрата ортогонально расположенными выходами с нулевыми точками эквивалентных магнитных токов ортогональной поляризации синфазно-излучающих кромок антенны являются середины двух смежных сторон или две смежные вершины квадрата соответствующего резонансного размера.

Введение вышеуказанных признаков обеспечивает компактность индикатора интенсивности электромагнитного излучения, точность и чувствительность которого достаточны для измерения и индексации опасного для человека уровня ЭМИ. Поляризационная изотропность антенны, раздельное преобразование диодами ортогональных составляющих электромагнитного поля, экранирование всех элементов индикатора, кроме излучающих, позволяет достичь поставленной цели.

Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения, поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого индикатора; на фиг. 2 - разрез антенны в плоскости; на фиг. 3 электрическая схема предлагаемого индикатора.

Предлагаемый индикатор (фиг. 1) содержит антенну (излучатель) 1 на диэлектрической подложке 2, к выходу которой подключен квадратичный преобразователь (диод) 3, и регистрирующее устройство 4.

В отличие от прототипа антенна 1 выполнена резонаторной плоской симметричной (например диск или квадрат) поляризационно-изотропной на диэлектрической подложке 2 с экранирующей пластиной 10 с двумя ортогонально расположенными выходами. Кроме того, индикатор содержит второй квадратичный преобразователь 11 с идентичной первому характеристикой. К каждому из ортогонально расположенных выходов подсоединены одноименными выводами оба квадратичных преобразователя 3, 11, расположенные в отверстиях диэлектрической подложки 2 синфазно-излучающих кромок для ортогональной поляризации перпендикулярно поверхности излучателя 1 (фиг. 2). Другие выводы преобразователей 3, 11 соединены с экранирующей пластиной 10. Выпрямленные преобразователями 3, 11 токи через металлический излучатель 1 и общий контакт 12 в центре печатной антенны 1 в нулевой точке эквивалентных магнитных токов антенны для любой поляризации и через соответствующее отверстие под ним в подложке 2 и экранирующей пластине 10 поступают на регистрирующее устройство 4, другой вход которого соединен с экранирующей пластиной 10. Все элементы индикатора, кроме излучателя, оказываются экранированными и не возмущают падающее электромагнитное поле.

Печатная антенна 1 может быть выполнена в виде квадрата, а ортогонально расположенными выходами с нулевыми точками эквивалентных магнитных токов ортогональной поляризации синфазно излучающих кромок антенны являются середины двух смежных сторон (фиг. 1, 3) или две смежные вершины квадрата соответствующего резонансного размера.

Регистрирующее устройство 4 представляет собой, например, резистор 13, микроамперметр 14 и потенциометр 15 (фиг. 3).

Индикатор интенсивности ЭМИ работает следующим образом.

Электромагнитное излучение, проникающее через неплотности в экранах корпусов с СВЧ- аппаратурой, в волноводных фланцах, излучаемое медицинской или технической аппаратурой, иногда с неизвестной поляризацией, принимается резонаторной плоской симметричной поляризационно изотропной антенной. Антенна представляет собой, например, квадратичный металлический излучатель 1 из фольги, расположенный над слоем диэлектрика 2 с металлическим экраном 10 (фиг. 1). Возбуждение такой антенны коаксиальной или полосковой линией от кромки обеспечивает компактность конструкции. Сама антенна по сути является отрезком открытой полосковой линии, длина которая равна где λ_л длина волны в полосковой линии. Каждая кромка излучателя отождествляется с узкой щелью, размеры которой обусловлены шириной отрезка полосковой линии (излучатель) и толщиной диэлектрической подложки, излучает в полупространство, ограниченное металлическим экраном 10. Для синфазного излучения эти щели должны отстоять друг от друга на расстоянии . Поляризация излучаемой (или принимаемой) волны определяется парой противоположных щелей антенны (кромок излучателя). Таким образом, если антенна квадратная со стороной то она может излучать (принимать) обе линейные компоненты плоской произвольной ориентированной линейно-поляризационной волны или волны с круговой поляризацией одновременно, если возбуждены две соседние кромки излучателя. Поляризационная изотропность антенны обеспечивается размещением полупроводниковых диодов 3, 11 с идентичными квадратичными характеристиками (подбирается пара) в центре двух соседних кромок излучателя. Другие контакты диодов подключены к экрану 10. Таким образом, каждый диод является возбудителем соответствующей пары излучающих щелей.

В случае, если диод подключены к двум соседним вершинам квадратного излучателя 1, поляризация излучения, принимаемого данным входом антенны, определяется диагональю квадрата, проходящей через этот вход, и резонансный размер антенны определяется диагональю.

Если излучатель 1 выполнен в виде диска, поляризация излучения, принимаемого данным входом антенны, определяется перпендикулярном к диаметру, проходящему через этот вход, и резонансный размер определяется диаметром диска.

Выпрямленный диодами 3, 11 ток через общий контакт 12 в центре излучателя поступает на резистор 13 и включенные параллельно ему микроамперметр 14 с потенциометром 15. Такая схема включения диодов 3, 11 и регистрирующего устройства 4 обеспечивает возможность регистрации интенсивности ЭМИ с любой поляризацией. Каждый диод при работе на соответствующей поляризации регистрирует мощность этого поля, в то время как другой диод не влияет на результаты измерения, поскольку он находится в нулевой точке кромки, расположенной на нулевой линии распределения поля полосковой антенны для этой поляризации. Общий контакт 12 схемы в центре излучателя антенны находится в нулевой точке распределения поля в антенне при любой поляризации. Таким образом, суммарный ток диодов 3, 11 пропорционален мощности падающего на антенну плоского поля любой поляризации, т.е.

, где K коэффициент передачи (K учитывает и эффективную поверхность антенны, следовательно, отображает интенсивность ЭМИ); модули напряженности линейных ортогональных составляющих падающего поля.

Применение поляризационно изотропной резонаторной антенны с раздельным преобразованием ортогональных составляющих электромагнитного поля, согласование входного сопротивления антенны с нагрузкой и высокочувствительным регистрирующим устройством (микроамперметром) и экранирование всех элементов антенны, кроме излучателя, позволяет получить необходимую чувствительность индикатора, определяемую действующими санитарными правилами защиты населения от ЭМИ N 2963-84, дополнением к ним N4429-87 и для производственных условий ГОСТ 12.1.006-84. Градуировка стрелочного индикатора обеспечивается потенциометром 15 при калибровке прибора, помещенного в поле ЭМИ соответствующей интенсивности.

Эксперименты показали возможности регистрации индикатором плотности потока ЭМИ от 1 до 50 мкВт/см² при использовании диодов типа AA11OAP или AA11OБP. При этом максимальная чувствительность достигается при соответствии входного активного сопротивления антенны сопротивлению измерительной цепи. Рабочая полоса индикатора в основном определяется широкополосностью антенны, которая достигает 10% при использовании в качестве подложки диэлектрика с ε 2^oC3 (например фольгированного фторопласта) толщиной d (0,03^oC0,05)l. Размер излучателя зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика и его толщина. Для фторопласта вышеуказанной толщины d резонансный размер стороны квадрата излучателя составляет приблизительно 0,3 l, где l длина волны в свободном пространстве. Размер экранирующей пластины, определяющий габариты антенны, должен превосходить размер излучателя не менее чем на 25-30% т.е. поперечный размер антенны составляет ≈ (0,37^oC0,4) l.

Таким образом, для антенны, работающей, например, в диапазоне волн 2400^oC2500 мГц, предназначенном для использования в бытовой аппаратуре, а также медицинской, научной и промышленной аппаратуре, поперечный размер антенны составляет 45^oC46 мм. Это позволяет все элементы схемы, включая микроамперметр, разместить за экраном. При этом исключаются возможности паразитного наведения ЭДС, что значительно повышает точность измерения интенсивности ЭМИ.

При необходимости работы в сантиметровом диапазоне волн соответственно уменьшаются размеры излучателя, размер экранирующей пластины определяется в основном габаритами применяемого регистрирующего устройства, например микроамперметра.

Таким образом, предлагаемый индикатор интенсивности электромагнитного излучения может быть применен в качестве индивидуального, максимально упрощенного (без усилителя и внешнего источника питания), компактного прибора, элементы схемы которого не возмущают падающее электромагнитное поле. Этот прибор может использоваться для индикации опасного для человека ЭМИ от бытовых, медицинских приборов или источников, используемых в научной или промышленной аппаратуре, работающей в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.

Формула изобретения

1. Индикатор интенсивности электромагнитного излучения, содержащий печатную антенну на диэлектрической подложке, к выходу которой подключен диод, и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что индикатор выполнен на основе резонаторной плоской печатной симметричной поляризационно-изотропной антенны на диэлектрической подложке с экранирующей пластиной с двумя выходами, ортогонально расположенными в плоскости антенны, и содержит второй диод с идентичной первому характеристикой, при этом к каждому из выходов непосредственно подсоединены одноименными выводами оба диода, расположенные перпендикулярно к экрану в отверстиях диэлектрической подложки под нулевыми точками эквивалентных магнитных токов для взаимно ортогональной поляризации одной из синфазно излучающих кромок антенны, другие выводы диодов соединены с экранирующей пластиной, а к центру антенны, которым является нулевая точка эквивалентных магнитных токов для любой поляризации, подсоединен проводник, пропущенный через соответствующее отверстие под ним в диэлектрической подложке и экранирующей пластине и подключенный к входу регистрирующего устройства, другой вход которого соединен с экранирующей пластиной, причем все элементы индикатора, кроме антенны, экранированы.

2. Индикатор по п.1, отличающийся тем, что печатная антенна выполнена в виде квадрата, а ортогонально расположенными выходами с нулевыми точками эквивалентных магнитных токов взаимно ортогональной поляризации синфазно излучающих кромок антенны являются середины двух смежных сторон или две смежные вершины квадрата соответствующего резонансного размера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4