С момента своего зарождения человечество жило рядом с маломощными электромагнитными полями (ЭМП) естественного происхождения, не зная о них ничего. Обстановка кардинально изменилась, когда великобританский учёный Максвелл в 1865 г. доказал факт существования радиоволн. Тогда же возникла задача измерения параметров ЭМП.
В наши дни для изучения характеристик ЭМП используется целый класс специальных метрологических инструментов. К ним относятся тестеры плотности потока мощности, гамма-излучения и измерители электромагнитных полей.
В предлагаемом материале сделан акцент на последнем классе устройств, как наиболее распространённом в инженерной практике. Номенклатура таких измерителей отличается широтой и многообразием. Только в каталоге магазина Суперайс их имеется более двух десятков.
Настоящая статья написана для того, чтобы познакомить читателей с принципом действия, функциональными возможностями, метрологическими характеристиками и спецификой применения приборов рассматриваемого типа.
Время чтения: 24 минуты
Краткие сведения об ЭМП
С развитием радиотехники появились источники радиоизлучения искусственного происхождения, превышающие по мощности естественные в десятки тысяч раз. К ним относятся радиотелевизионные передающие центры, радиолокационные станции, оборудование для тропосферной радиосвязи и т. д. Такие сигналы, при определённых условиях, опасны для здоровья людей. Ситуация нуждалась в регулировании и контроле, для которого были созданы первые измерители напряжённости поля.
Ключевые области применения результатов тестирования интенсивности электромагнитных волн (ЭМВ) включают электронику, беспроводные телекоммуникации, охрану труда, медицину, проектно-изыскательские работы в перечисленных и смежных сферах.
Чтобы не перегружать читателя избыточной информацией, остановимся только на тех характеристиках ЭМВ, которые необходимы в контексте предлагаемой статьи. Поскольку ЭМП описывается не только интенсивностью, но и направлением в пространстве, то для его исследования применяются векторные величины. К ним относятся:
- Вектор Пойнтинга (или плотности потока мощности).
- Вектор напряжённости электрической и магнитной компоненты ЭМП.
- Вектор магнитной индукции.
Напряжённость электрического поля — это вектор, показывающий с какой силой оно действует поле на помещённый в него заряд и куда эта сила направлена. Характеристика измеряется в Вольтах на метр (В/м) и обозначается буквой Е.
Напряжённость магнитного поля — это векторная величина, вычисляемая как отношение силы, действующей на положительный полюс эталонного магнита, находящегося в данной точке, к его массе. Она вычисляется в Амперах на метр (А/м) и обозначается буквой Н.
Вектора Е и Н связаны через коэффициент пропорциональности, называемый волновым сопротивлением среды распространения радиоволн (РРВ). Эта скалярная величина для свободного пространства известна и численно равна 377 Ом:
Сегодня физиками рассчитаны и другие значения волновых сопротивлений для других условий РРВ, отличающихся от свободного пространства. Очевидно, что зная значение одной компоненты ЭМВ и волновое сопротивление среды РРВ, несложно рассчитать величину другой компоненты.
Вектор магнитной индукции — силовой параметр магнитного поля, обозначается буквой В, измеряется в Тесла на квадратный метр (Тл/м2) и вычисляется по формуле:
Здесь:
- μ0— константа;
- μ — магнитная проницаемость, зависящая от свойств среды РРВ (для большинства природных материалов она незначительно отличается от 1).
Комплексной характеристикой служит плотность потока мощности. Это векторная величина измеряется в Ваттах на квадратный метр (Вт/м2) и рассчитывается по формуле векторного произведения:
Пространственная ориентация рассмотренных векторов и соотношение между их амплитудами в плоской волне, распространяющейся в среде с потерями, иллюстрируется следующим рисунком.
В основе принципа работы тестеров интенсивности ЭМП лежит измерение одной из вышеуказанных величин и вычисления других с учётом поправочных коэффициентов. Наиболее часто встречаются анализаторы, в которых оценивается вектор E, поскольку измерение напряжённости магнитного поля сопряжено с определёнными трудностями. Главная из них в том, что в большинстве случаев РРВ амплитуда вектора Е в сотни раз больше, чем вектора Н, поэтому последнюю сложнее измерить:
- В гигагерцовом диапазоне проще тестировать плотность потока мощности. Анализатор характеристик диапазонов километровых, метровых и дециметровых волн представляет собой специализированный измерительный радиоприёмник, подключённый к антенне электрического (или магнитного) типа.
- В области спектра, охватывающей сантиметровые волны, применяются микрополосковые или зеркальные антенны, которые не относятся ни к электрическим, ни к магнитным. Поэтому в этом и более высокочастотных участках спектра исследуют плотность потока мощности ЭМП.
- Для выполнения испытаний в трёх плоскостях одновременно используют излучающие системы, представляющие собой комбинацию из нескольких перечисленных излучателей.
Такой подход находит применение при оценке общего уровня электромагнитных помех независимо от их амплитуды, фазы, частоты, поляризацией и направления прихода. Принцип действия рассматриваемых приборов основан на преобразовании энергии ЭМП в напряжение электрического сигнала с амплитудой, пропорциональной величине измеряемой характеристики. Этот сигнал фильтруется, детектируется, преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя.
После оцифровки он обрабатывается микропроцессором. Полученное значение отображается на индикаторе в единицах исследуемой физической величины.
Классификация приборов для измерения электромагнитных волн
Освещение рассматриваемой темы осложняется отсутствием единой терминологии в названии средств измерений этого типа. Поэтому разные производители называют свои изделия по-разному: измерителями электромагнитного фона, тестерами ЭМП, детекторами напряжённости ЭМП и т. д.
Независимо от названий, все аппараты такого назначения можно классифицировать по следующим отличительным признакам.
- По типу анализируемого сигнала (колебания с частотой питающей сети переменного тока, радиоволны, гамма-излучение).
- По измеряемому параметру (напряжённости электрической или магнитной компонент ЭМВ, плотности потока мощности, магнитной индукции). Для оценки гамма-излучения регистрируется количество частиц в секунду, прошедших через сенсорный элемент прибора.
- По метрологическим характеристикам (точности, чувствительности, диапазону рабочих частот).
- По направленным свойствам — изотропные и анизотропные (т. е. направленного и ненаправленного действия соответственно).
- По способам анализа ЭМП (с селекцией по частоте и широкодиапазонные).
- По конструктивному исполнению и условиям эксплуатации (портативные измерители поля, изделия для лабораторных исследований, специализированные аппараты промышленного применения).
На примере нескольких моделей приборов различного предназначения кратко ознакомимся с их основными метрологическими качествами и функциональными особенностями.
П3-70/1
Устройство относится к измерителям поля для промышленности и представляет собой портативный тестер низкочастотных ЭМП. Он рассчитан на применение в сферах изучения электромагнитных явлений, ЭМ-совместимости радиоэлектронных средств, при специальной оценке условий труда на рабочем месте.
Аппарат позволяет оценивать:
- напряжённости динамически изменяющихся электрической и магнитной компонент;
- магнитную индукцию;
- напряжённость статического электрического поля.
Диапазон рабочих частот изделия от 5 Гц до 400 кГц. Его чувствительность в значительной степени зависит от типа применяемой антенны и частоты. При измерении магнитной компоненты ЭМП она принимает значения от 80 мА/м (100 нТл). Аналогичный параметр при диагностике электрической компоненты от 1 В/м. Погрешность тестирования компонент не более ±30%.
В комплект тестера входят собственно измеритель, по 2 эталонных излучателя магнитного и электрического типа, аккумуляторы и зарядный блок. Максимальные габариты рабочего комплекта устройства 140х140х690 мм. Масса 1,3 кг.
Аппарат П3-70/1 включён в Государственный реестр средств измерений (ГРСИ).
Портативный измеритель П3-34
Предназначен для мониторинга радипомеховой обстановки на различных промышленных объектах. Он позволяет тестировать среднеквадратические значения напряжённости электрического и магнитного полей в режиме непрерывного излучения. В отличие от описанного выше прибора, изделие обеспечивает оценку плотности потока энергии ЭМП.
Прибор работает в частотах 30 МГц до 18 ГГц. Чувствительность в режиме исследования электрической компоненты поля составляет 1 В/м, а при тестировании магнитной составляющей — от 0,1 А/м. При этом погрешность диагностики не более ±30%. При диагностике плотности потока мощности пороговая чувствительность равна 0,5 мкВт/см2. Погрешность не более ±2дБ.
Изделие поддерживает беспроводной интерфейс связи с внешними приборами Bluetooth. В комплект П3-34 входят три эталонные антенны, позволяющие проводить тесты в трёхмерном пространстве, измерительный и зарядный блок. Источник питания — встроенный аккумулятор. Максимальные размеры рабочего комплекта устройства 575х185х85 мм. Масса 0,8 кг. Изделие П3-34 включёно в ГРСИ.
Его можно отнести к классу компактных измерителей полей для лабораторий. С его помощью выполняется мониторинг ЭМП в режиме изотропных измерений в безэховых камерах, классических экранированных помещениях, ТЕМ-камерах и в полевых условиях. Аппарат обеспечивает диагностику напряжённости ЭП и МП, расчёт плотности потока мощности ЭМП.
Кроме того, TES-593 может эксплуатироваться как обнаружитель излучений радиосредств стандартов мобильной связи CDMA, DECT, GSM, WI-FI и различных промышленных и бытовых источников ЭМВ.
В каталоге товаров магазина Суперайс это наиболее высокочастотный анализатор. Диапазон рабочих частот от 10 МГц до 8 ГГц. Чувствительность тестирования ЭП составляет 20 мВ/м, а при тестировании магнитного 53 мкА/м. При оценке плотности потока мощности порог чувствительности составляет 1 мкВт/см2. Погрешность диагностики не более ±1 дБ.
Источник питания анализатора — батарея «Крона», входящая в комплект поставки. Максимальные размеры изделия 67х60х247 мм. Масса 0,25 кг.
Сканер ионизирующего излучения отличается от других измерителей способностью обнаруживать бета, гамма и рентгеновские лучи.
Чувствительность BR-6b составляет 80 cpm (частиц в минуту). Диапазон измеряемой интенсивности составляет от 0 до 99,99 μSV (микрозиверт-мкЗв), что соответствует более понятным для русского пользователя 9200 мкР (микрорентгенам). Погрешность тестирования не более ±10%. Устройство питается от двух элементов типоразмера АА. Габариты изделия 135х70х38 мм, масса 0,18 кг.
Применение измерителей напряжённости ЭМП
Научные исследования в области электромагнитных полей стали основой для решения следующих практических задач:
- расчёт дальности действия радиолиний;
- оценка эффективности излучающих систем;
- контроль электромагнитного загрязнения вблизи мощных радиопередатчиков, нахождение в которых людей вредно для их здоровья;
- специальная оценка условий труда производственно-технического персонала предприятий с точки зрения безопасности при работе с электромагнитными полями;
- производственный контроль;
- оценка загрузки радиочастотного спектра сигналами средств связи с целью организации их защиты от электромагнитных помех.
Изделия описываемого класса используются в самых разных ситуациях: в безэховых, экранированных камерах, на объектах заказчика и в полевых условиях. Рассмотрим несколько примеров.
Определение направления прихода ЭМВ от источника радиопомехи
Приведу пример из личного опыта применения измерителей. Они были нужны для получения сведений об интенсивности и направлении прихода радиопомех для диапазона 4.9–5.9 ГГц. Исследования проводились в разное время суток центре г. Рязани. Заказчик работ — один из региональных операторов связи.
Тестовая установка находилась на плоской крыше четырёхэтажного жилого дома и соединялась с измерителем радиочастотным кабелем с малыми потерями длиною около 2 метров. В радиусе 100 длин волн от места размещения оборудования отсутствовали металлические воздуховоды и другие крупные предметы, способные исказить результаты тестирования.
В эксперименте был использован метод вращаемой рупорной антенны. Она располагалась на поворотной опоре с угломерным устройством из комплекта измерителя плотности потока мощности П3-9. Принимаемый сигнал последовательно оценивался в плоскостях векторов Е и Н.
Вращение эталонного излучателя в азимутальной и угломестной плоскости осуществлялось оператором вручную в диапазоне углов от 0 до 360° с шагом в 10°. Выяснилось, что наиболее мощные станционные помехи в любое время суток приходили со стороны аэродрома, находящегося примерно в 5 км от точки размещения тестовой установки. Данные, полученные в ходе эксперимента, были использованы при определении точек размещения оборудования широкополосного радиодоступа AlvarionBreezeMAX в Рязанском регионе.
Инструментальная проверка уровня излучения в пределах санитарных защитных зон для мощных радиопередающих устройств
В наши дни зачастую передатчики и антенны базовых станций мобильной связи размещаются в населённых пунктах. А некоторые — на крышах жилых и административных зданий. Поэтому излучаемые ими волны должны быть безопасны для здоровья людей. Величина безопасной мощности радиоволн зависит от диапазона и времени воздействия. Эта зависимость носит нелинейный характер. Соответствующие нормы приведены в таблице предельно допустимых норм высокочастотного излучения.
| Время воздействия ЭМП, час | Диапазон частот (единица измерения) | |
| 50–300 МГц (В/м) | 0.3–300 ГГц (мкВт/см2) | |
| 8 | 10 | 25 |
| 7 | 11 | 29 |
| 6 | 12 | 33 |
| 5 | 13 | 40 |
| 4 | 14 | 50 |
| 3 | 16 | 67 |
| 2 | 20 | 100 |
| 1 | 28 | 200 |
| 0,5 | 40 | 400 |
| 0,25 | 57 | 800 |
| 0,125 | 80 | 1000 |
Предварительно размеры санитарных зон рассчитываются по существующим методикам. Они зависят от класса излучения, рабочей частоты, количества и мощности передатчиков, типов и высот установки излучателей над земной поверхностью, их угла наклона, пересечённости местности и электрических параметров почвы.
Результаты расчётов уточняются при проведении натурных испытаний, в которых для инструментального контроля задействуются измерители параметров электромагнитных волн и лазерные дальномеры. Последние применяются для оценки расстояния от антенны радиопередающего устройства до точки, в которой производят измерения.
Для увеличения размеров обслуживаемой территории и получения требуемого качества связи большинство вышек мобильных операторов строится по многосекторной (в простейшем случае трёхсекторной) схеме. Работа каждого сектора обеспечивается отдельным приёмопередатчиком и антенной.
Поэтому инструментальный контроль плотности потока мощности ЭМВ проводится для каждого сектора в направлении максимального излучения на расстояниях от «базы», полученных расчётным способом.
Если тесты проводятся на участках открытой местности, проблем не возникает. Но в ходе исследований возникают ситуации, когда в выбранном для тестирования месте находятся разные строительные объекты. Поэтому измерения приходится проводить как снаружи, так и внутри них, когда ЭМП прямой волны, создаваемой антенной вышки связи, складывается с ЭМВ вторичных источников излучения. Такими источниками служат различные металлические конструкции и предметы, размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны. При этом интенсивность результирующей волны может оказаться значительно больше, чем прямой.
Поэтому эксперименты внутри строительного объекта по возможности осуществляются рядом с оконными и дверными проёмами, а также в середине помещения. Так как такое поле в ближней зоне является неоднородным, эталонный излучатель последовательно располагают в нескольких точках на разных доступных высотах и проводят тестирование в каждой из них. Точки выбирают так, чтобы расстояние до вторичных переизлучателей было более одного метра. Результаты экспериментов усредняют.
Итоги эксперимента считаются удовлетворительными, если полученные значения не превышают существующие санитарные нормы. В противном случае оператору связи придётся уменьшать эквивалентную излучаемую мощность радиопередающего устройства. Это можно сделать следующими способами:
- уменьшить мощность передатчика станции;
- использовать антенну с меньшим коэффициентом усиления.
К нестандартным задачам, которые возникают на практике, можно отнести исследование электромагнитной обстановки на узлах сотовой связи, где несколько БС эксплуатируются совместно разными операторами связи. Для этого разработаны специальные средства измерений высокочастотных волн. К такой технике относится устройство для селективной оценки ЭМП SRM-3000. Оно обеспечивает отображение вклада каждого оператора в общую картину загрузки выделенного участка радиочастотного спектра.
Как подобрать оборудование для диагностики радиочастотного излучения
Выбор средств измерений зависит от особенностей решаемых инженером задач. Остановимся на нескольких типовых случаях.
Спецоценка условий труда на рабочем месте
В этом случае должны применяться метрологические средства, отвечающие следующим требованиям:
- диапазон рабочих частот измерителя должен соответствовать СанПиН 2.2.4.3359-16;
- в тестах следует использовать трёхкоординатную антенну;
- средство измерений должно быть сертифицировано и иметь регистрацию в ГРСИ.
Испытания суммарного уровня излучения, создаваемого базовой станцией сотовой связи
Зона обслуживания таких станций разбита на несколько секторов (обычно не менее трёх), поэтому тесты проводятся для направления максимального излучения каждого из них.
В этой ситуации к приборам предъявляются следующие требования:
- в экспериментах задействуют трёхкоординатную антенну;
- сертификация аппаратуры является обязательной.
Точное определение азимута на источник непрерывного излучения
В данном случае оборудование для тестирования должно соответствовать ряду критериев:
- необходим измеритель с максимальной чувствительностью и селективностью по частоте;
- в тестах следует использовать эталонный излучатель направленного действия,
- сертификация аппаратуры является обязательной, если того требует заказчик.
Если точность определения азимута не требуется, наличие поворотной опоры необязательно. Для применяемой метрологической аппаратуры нового поколения рекомендуется выбирать такую, которая соответствует стандартам ISO и IEC. В выборе прибора из ассортимента магазина Суперайс по базовым метрологическим характеристикам поможет следующая сводная таблица.
Тестирование различного радиоэлектронного оборудования в лабораторных условиях
В этом случае к лабораторным приборам для тестирования предъявляются следующие требования:
- необходимость частотной, пространственной и компонентной селективности аппаратуры зависит от целей испытаний;
- сертификация аппаратуры и её включение в ГРСИ обязательны.
В экспериментах типа 2–4 диапазон рабочих частот и амплитуд прибора должен соответствовать исследуемому участку спектра.
В испытаниях типа 2 и 3 необходимы портативные метрологические средства с автономным питанием, устойчивые к перепадам температур и влажности окружающей среды, с широким диапазоном рабочих температур и устойчивые к механическим нагрузкам, возникающим при транспортировке.
Для тестирования волн по отдельным компонентам (Е или Н) выбирают аппарат, в комплекте которого имеются сменные измерительные электро- и магнитные антенны. При исследованиях в диапазоне СВЧ оценивают только вектор Пойнтинга. В таких экспериментах применяют зеркальные, рупорные или микрополосковые излучатели, входящие в состав тестера, либо подходящие изделия сторонних производителей. Независимо от целей экспериментов, необходимо использовать только поверенное оборудование. Калибровка приборов и подготовка их к работе должна происходить в соответствии с рекомендациями производителя.
Для применяемой метрологической аппаратуры нового поколения рекомендуется выбирать такую, которая соответствует стандартам ISO и IEC. В выборе прибора из ассортимента магазина Суперайс по базовым метрологическим характеристикам поможет следующая сводная таблица.
| Марка (модель) | Диапазон частот, МГц | Пределы измерения | |||
| Напряжённость электрического поля, В/м | Напряжённость магнитного поля, А/м | Вектор магнитной индукции, мкТл | Плотность потока мощности, Вт/м2 | ||
| TES-593 | 10–8000 | 0,02–108 | 53х10-6–286,4х10-3 | 0,01–199 | 1х10-6–30,93 |
| TES-92 | 50–3500 | * | * | нет | * |
| TES-1390 | 30–300 Гц | нет | нет | 0,01–199 | нет |
| LZT-1000 | 5x10-6–3500 | 0,01–1999 | * | 0,01–19.9 | * |
| LZT-1130 | 5x10-6–5000 | 1–1999 | * | * | * |
| SMART SENSOR ST-1393 | 20x10-6–3500 | * | * | 0,1–99.9 | * |
| Smart Sensor AS-1392 | 30–300 Гц | 0,1–200 | * | 0,01–199 | * |
| TZ-5000E | 5x10-6–3500 | 1–1999 | * | 0,01–1999 | * |
| Noyafa NF-602 | * | * | * | 0,01–99.9 | * |
| Noyafa NF-601 | * | * | * | * | * |
| WinAPEX ET825 | * | * | * | * | * |
| Wintact WT3121 | 5x10-6–5000 | * | * | * | * |
| Wintact WT3120 | 5x10-6–3500 | * | * | * | * |
| Benetech GM3120 | * | * | * | 0,1–99.9 | * |
| DT-1130 | 50x10-6–3500 | 1999 | * | нет | 1999х10-6 |
Примечание.* — то же, что в ячейке выше.
Организациям, специализирующимся на выполнении высокочастотных тестов и работающих в условиях перспективной многозадачности, целесообразно приобретать лучшие в своём классе образцы метрологического оборудования.
Большое предложение различных моделей измерителей предоставляет инженеру свободу выбора устройства с учётом особенностей решаемых задач. Аппараты для тестирования параметров радиоволн отличаются сложной схемотехникой и спецификой практического применения. Последняя в том, что измерение электромагнитных полей чаще всего происходит в обстановке непрерывного изменения условий распространения радиоволн и интенсивности внешних радиопомех. Исключение из этого правила распространяется только на исследования, проводимые в условиях безэховой камеры, что возможно далеко не всегда.
Правильный выбор оптимального устройства для проведения тестирования с точки зрения вышеописанных критериев, позволяет получить желаемый результат ценой минимальных материальных и временных затрат.
Для подбора измерительного устройства для радиотехники любого класса и предназначения, отвечающего предъявляемым требованиям, удобно использовать ресурсы сайта магазина Суперайс. Здесь можно самостоятельно выбрать товар по заданным техническим характеристикам измерителей поля, а при возникновении затруднений получить онлайн-консультацию специалиста.
Такой подход позволяет сэкономить драгоценное время и не ошибиться в выборе.
