Материал: Устройства для оценки электромагнитного излучения

Устройства для оценки электромагнитного излучения

Содержание

Введение

1.1 Напряжённость магнитного и электрического полей

1.2 Описание функциональной схемы и характеристик сигналов в системе питания привязной платформы

1.2.1 Описание характеристик сигналов в линии передачи энергии

1.3 Поляризация электромагнитных волн

1.3.1 Виды поляризации электромагнитных волн

2.1 Описание известных схем индикаторов радиоизлучения

2.2 Выбор и обоснование структурной схемы разрабатываемого индикатора радиоизлучения

2.3 Характеристики основных узлов индикатора радиоизлучения

2.3.1 Характеристики магнитной антенны

2.3.2 Характеристики усилителя радиочастот

2.3.3 Характеристики гетеродина

2.3.4 Характеристики смесителя

.3.5 Характеристики указателя

.1 Методика измерения чувствительности устройства оценки электромагнитного излучения

3.2 Оценка электромагнитного излучения линии передачи энергии макетным образцом устройства

Введение

радиоизлучение сигнал электромагнитный излучение

В условиях широкого развития телекоммуникационных технологий базовые станции мобильной связи, радиорелейное и радиолокационное оборудование, расположенное на высотных сооружения, обеспечивают системами связи на очень высоком уровне. Такова, например, дорогостоящая спутниковая связь или связь, основанная на радиорелейных линиях с вынесением ретрансляторов на очень большую высоту для достижения огромной зоны видимости. Все эти виды телекоммуникационных систем, которые предоставляют мобильную и телевизионную связь, обширную Интернет связь ежесекундно посылают и принимают терабайты информации.

Что произойдет, если в результате природных явлений или поломки оборудования случится существенное нарушение связи на каком-либо участке телекоммуникационной сети или полностью исчезнет сигнал в результате стихийного бедствия? В таких случаях необходимо, если это возможно, оперативно восстановить связь путем ремонта уже имеющейся системы, но бывают случаи, когда нет такой возможности. С целью устранения указанных проблем необходимо установить какой-либо модуль связи, позволяющий восстановить сигнал с ближайшими передающими каналами быстро и с наименьшими затратами и сложностями эксплуатации, например, в условиях стихийного бедствия.

В настоящее время широкое развитие получили высотные телекоммуникационные платформы, реализуемые на автономных беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Основным их недостатком является ограниченное время функционирования, связанное с малым ресурсом аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов, оснащённых электрическими двигателями, или запасом топлива для двигателей. В связи с этим неоднократно выдвигалась идея создания привязных высотных телекоммуникационных платформ, в которых питание электродвигателей и аппаратуры осуществляется с земли по кабелю. Привязные высотные платформы занимают промежуточное положение между спутниковыми системами и наземными системами, оборудование которых (базовые станции сотовой связи, радиорелейное и радиолокационное оборудование и т.д.) располагается на высотных сооружениях. По сравнению с дорогостоящими спутниковыми системами, привязные высотные платформы более экономичны, а наземные телекоммуникационные системы превосходят по обширности области телекоммуникационного покрытия. Попытки реализации идеи создания привязных высотных платформ предпринимались в разных странах. [1]

Такие модули, основанные на технологии мобильных и стационарных многофункциональных привязных высотных телекоммуникационных платформ, уже разрабатываются в нашей страны, в частности в ИПУ РАН.

Для создания такой телекоммуникационной системы необходимо преодолеть десятки, а может быть и сотни этапов проектирования. Все эти этапы имеют огромную значимость в данном проекте. Например, этап разработки архитектуры наземного комплекса управления и соединительного кабель-троса высотной платформы обеспечит высокоскоростную передачу мультимедийной информации по оптоволоконному каналу и передачу энергии большой мощности с земли на борт. Этап расчета характеристик и выбор параметров бесколлекторных электродвигателей систем и архитектуры в целом высотного винтокрылого модуля обеспечит подъём и удержание телекоммуникационной платформы на заданной высоте в течение длительного времени функционирования. Ещё один очень важный этап проектирования заключается в оценки электромагнитного излучения линии передачи энергии. Именно этот этап проектирования будет рассматриваться в рамках данной работы.

Электромагнитное излучение непосредственно влияет на электронную аппаратуру (может вывести её из строя или привести к тому, чтобы она работала некорректно). В условиях работы привязной высотной телекоммуникационной платформы это влияние необходимо учесть, как на другие приборы внутри самой системы, так и на объекты за её пределами.

Изначально предполагается, что частота питающего напряжения соединительного кабель-троса высотной платформы будет примерно 102 кГц, а это значит, что она лежит в диапазоне низких радиочастот и имеет длину волны около 3 километров. Такое излучение формируется непосредственно у своего источника и распространяется в окружающее пространство, что может вызвать отказ работы других систем. Именно поэтому в данной работе будет необходимо провести оценку электромагнитного излучения линии передачи энергии (он же соединительный кабель-трос) высотной платформы на различных расстояниях от этой линии.

Приступая к этой работе, автор ставил перед собой следующие цели:

.        Обзор литературы о разработках технологии мобильных и стационарных многофункциональных привязных высотных телекоммуникационных платформ и, в частности, о соединительном кабеле-тросе высокой мощности и о его характеристиках.

2.       Анализ электрических принципиальных схем существующих измерителей электромагнитного излучения и на основе их разработка структурной схемы нового устройства.

3.       Сборка и тестирование узлов и элементов, входящих в устройство оценки электромагнитного излучения.

При реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

.        Отбор, изучение и систематизирование материалы по данной теме.

.        Анализ системы линии передачи энергии и вывод о возможной степени влияния электромагнитного излучения на сторонние системы.

.        Монтаж макетного устройства для оценки электромагнитного излучения

В качестве источников информации были использованы материалы сайтов Интернета, а также печатные издания по данной теме.

Основная часть выпускной квалификационной работы состоит из 3 глав. В первой главе автор раскрывает некоторые теоретические понятия, связанные с напряжённостью поля и поляризации волн, а также описывает характеристики линии передачи энергии и разбирает структурную схему системы питания платформы. Во второй главе рассматривается непосредственно имеющиеся радиолюбительские схемы устройств оценки электромагнитного излучения, далее автор обосновывает выбор структурной схемы устройства и описывает характеристики каждого элемента, входящего в конечное устройство. В третей главе автор измеряет чувствительность устройства и проводит теоретическую оценку электромагнитного излучения от линии передачи энергии.

Сложности при написании выпускной квалификационной работы возникали при отборе нужной, достоверной информации, так как материалов, опубликованных по данной теме небольшое количество.

1.1     Напряжённость магнитного и электрического полей

В рамках исследования в Институте Проблем и Управления были разработаны теоретические основы построения привязных высотных телекоммуникационных платформ длительного действия; проведено создание и испытание макетного образца такой платформы, не имеющей мировых аналогов. Основным преимуществом данного проекта по сравнению с отечественными и зарубежными разработками является возможность удалённой передачи энергии мощностью до 20 кВт по медным проводам малого сечения с земли на борт для питания электродвигателей и аппаратуры высотной платформы. Новая технология передачи энергии обеспечит возможность подъёма платформы на высоту до 300 метров с полезным грузом до 30 килограмм и длительным сроком функционирования.

Линия передачи энергии, как уже было ранее сказано, должна иметь мощность до 20 кВт. Достигнуть этого реально можно двумя способами: либо повышать напряжение в системе питания (делать его в кило вольтовом диапазоне), либо увеличивать частоту напряжения системы питания. Специалисты выбрали первый путь реализации. Значит, необходимо добиться очень высокого напряжения в линии передачи энергии, примерно 2 кВ для системы питания и для оборудования связи. При столь большом напряжении питания линии передачи энергии возникают помехи, которые могут повлиять как на внутренние системы платформы, так и на внешние электрические системы. [2] Предварительные расчеты показали, что частота напряжения в такой линии передачи энергии будет примерно от 95 кГц до 102 кГц, что соответствует радио частотам. Согласно ГОСТ Р51070-97 от 10.06.2011 года «Измерители напряженности электрического и магнитного полей. Общие технические требования и методы испытаний» для диапазона частот от 30 кГц до 30 МГц допустимое значение напряжённости магнитного поля лежит в диапазоне от 1 до 3000 В/м. А допустимое значение напряжённости электрического поля лежит в диапазоне от 0,5 до 500 А/м. А это значит, что электромагнитное излучение линии передачи энергии не должно превышать данные диапазоны.

Возникающие помехи так же влияют на биологические объекты, находящейся вблизи электронной установки. А в данном случае вблизи установки постоянно будут находиться люди (инженеры-связисты, инженеры по электропитанию и т.д.). Чтобы исключить влияние электромагнитных помех на человека, при проектировании линии передачи энергии необходимо соблюсти санитарные нормы. Согласно принятым санитарным нормам «Защита населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты» № 2971-84 предельно допустимый уровень электромагнитных полей в диапазоне частот от 30 кГц до 300 кГц (в нашем случае 95 кГц - 102 кГц) должен быть не более 20 - 25 В/м. Таким образом, проектируемый приёмник (измеритель напряжённости поля) будет работать вблизи нижней границы радиовещательного диапазона (около 150 кГц), а из-за малой мощности и симметрии линии передачи энергии напряжённость электрического поля вблизи линии передачи энергии будет меньшей, чем указано в нормах.

Для оценки электромагнитного излучения достаточно измерить напряжённость электрической или магнитной составляющей поля вблизи объекта.

.        Напряжённость электрического поля. Заряды, находясь на некотором расстоянии друг от друга, взаимодействуют между собой. Это взаимодействие осуществляется с помощью электрического поля. Напряженность электрического поля - силовая характеристика электрического поля, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Силовые линии или линии напряженности электрического поля - это непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через которую они проходят, совпадают с самими векторами напряженности. [3]

2.       Напряжённость магнитного поля. Напряженность магнитного поля - это силовая характеристика каждой точки магнитного поля. Величина вектора, его направление определяется по касательной к силовой линии магнитного поля: через касательную точку надо провести силовую линию магнитного поля, по правилу буравчика определить его направление и по касательной к ней построить вектор. [4]

.        Напряжённость электромагнитного поля. Напряженность электромагнитного поля характеризуется тремя векторами:

·        вектором П - плотность потока энергии (вектор Умова-Пойнтинга) (Вт/м²);

·        вектором Е - напряженность электрического поля (В/м);

·        вектором Н - напряженность магнитного поля (А/м).

Эти векторы перпендикулярны друг другу и связаны между собой соотношениями:

Именно напряжённость электромагнитного поля линии передачи энергии необходимо оценить в данной работе. Оценить - значит сделать вывод, соответствует ли напряжённость электромагнитного поля стандартам и заданными параметрами привязной телекоммуникационной платформы. Для оценки данной напряжённости была поставлена задача спроектировать устройство (индикатор), который поможет сделать вывод о соответствии или несоответствии требованиям по электромагнитной совместимости.

1.2     Описание функциональной схемы и характеристик сигналов в системе питания привязной платформы

Для создания устройства оценки напряжённости электромагнитного излучения необходимо рассмотреть структурную схему являющейся источником излучения системы питания платформы рис. 1.

Рис. 1 Структурная схема системы питания платформы

Проектирование мобильной и стационарной многофункциональной привязной высотной платформы предполагает необходимость создания удалённой системы передачи высокочастотного переменного сигнала большой мощности в виде однофазной двухпроводной системы с земли на борт для питания электродвигателей и аппаратуры. В наземной части системы напряжение питающей сети (обычно частоты 50 Гц) выпрямляют для питания преобразователя DC/AC, который, в свою очередь, преобразует выпрямленное напряжение в высокочастотное с большим напряжением, поступающее в линию. На борту в преобразователе AC/DC с помощью трансформатора поступившее переменное напряжение понижается до уровня питания аппаратуры на БПЛА и выпрямляется. Для достижения высокой мощности специалистами были рассчитаны и заданы примерные характеристики линии передачи энергии для телекоммуникационной платформы.

1.2.1 Описание характеристик сигналов в линии передачи энергии

В качестве модель данной линии была выбрана модель однофазной двухпроводной линии, в которой текут встречные токи, и поэтому, возможно, их поля частично компенсируют друг друга. Это означает, что мощность помех, исходящих от данной линии, небольшая. Вследствие чего, требуемая чувствительность индикатора должна быть высокой. Отсюда следует, что описанные в литературе устройства напряжённости поля не подойдут для использования, потому что у них слишком малая чувствительность.

В однофазной электрической линии энергия передается потребителю по одному фазному проводу и нулевому проводу. Номинальное рабочее напряжение однофазной электрической линии промышленной частоты обычно составляет 220 В. Но в системах энергоснабжения привязных платформ и номинальное напряжение, и рабочая частота выбираются значительно выше. Такой выбор не случаен и делается для того, чтобы проектируемая система передачи энергии удовлетворяла заказным требованиям.

В качестве примера приведем характеристики линии передачи энергии для привязной платформы, разработанной в ИПУ РАН:

·        напряжение бортовой для питания аппаратуры равно 24 В постоянного тока;

·        напряжение питания в линии передачи энергии равно 2 кВ;

·        сила тока питания в линии передачи энергии равна 1,5 А;

·        частота напряжения питания в линии передачи энергии около 100 кГц;

Частота напряжения в линии передачи энергии находится в диапазоне километровых волн, а применением данного диапазона служит радиосвязь земной волны, радиовещание и навигация.

Рассмотрев функциональную схему системы питания и характеристики сигналов в линии передачи энергии, необходимо учесть ещё одну характеристику - поляризацию. Изначально неизвестно какова поляризация излучаемого сигнала, а это значит, неудобно использовать приёмник с длинной штыревой антенной. Так как заранее неизвестно, какая будет поляризация в системе, нужно будет учесть возможные варианты.