6.2 Еталони одиниць напруженості електромагнітного поля
6.2.1. Загальні положення
Вимірювання напруженості електромагнітних полів важливі при вивченні питань розповсюдження радіохвиль, визначенні параметрів антен різного призначення, оцінці зон покриття радіозв’язком і телебаченням, при визначенні параметрів електромагнітної сумісності і біологічного впливу полів на людину. Крім радіоелектроніки, техніка вимірювання параметрів електромагнітних полів застосовується в транспорті, метрології, геофізиці, медицині й інших областях науки і техніки.
Як відомо, перенос енергії електромагнітним полем однозначно описується за допомогою вектора Умова-Пойнтінга (рис. 6.10)
,
де
– густина потужності чи густина потоку
енергії (Вт/м2);
– напруженість електричного поля (В/м);
–
напруженість магнітного поля (А/м), тобто
електромагнітне поле у вільному просторі
визначається векторами
і
.
У плоскій лінійно-поляризованій хвилі вектори зв'язані співвідношенням
,
(6.4)
де
– хвильовий опір вільного простору
(Ом).
На
практиці при
<
30 МГц (
10 м) умови існування плоскої хвилі і
співвідношення (6.4) не виконуються. Тому
в цьому діапазоні створюють окремі
еталони напруженості електричного і
напруженості магнітного полів.
Для частот понад 30 МГц умови “вільного простору”, в якому існує плоска хвиля, в основному виконуються, співвідношення (6.4) справедливо, тому в цьому діапазоні створюють тільки один еталон, як правило, напруженості електричного поля.
Перші еталони електромагнітного поля (ЕМП) були створені в США. Метою їхнього створення було забезпечення калібрувальної служби для комерційних вимірювань напруженості поля при випробуваннях ефективності антен радіостанцій і визначенні зон стійкого зв'язку у діапазоні частот 30-300 МГц, виділеного для частотно-модульованого і телевізійного зв’язку. Робота виконувалася Центральною лабораторією розповсюдження радіохвиль Національного бюро стандартів США (нині NIST).
Задачі, що довелося вирішувати творцям перших еталонів ЕМП, не втратили актуальності і дотепер. Одним з таких питань є питання про те, який метод є оптимальним при створенні еталонів ЕМП: “еталонної антени” (еталон – вимірювач) чи “еталонного поля” (еталон – джерело).
Метод еталонного поля полягає в збудженні бажаної складової поля, розрахунку значення напруженості по розмірах і формі передавальної антени, розподілу струмів у ній, а також урахуванні границь області, в якій утворюється еталонне поле (рис. 6.11, а). Метод еталонної антени (вимірювача) базується на вимірюванні струму чи напруги, що збуджено в приймальній еталонній антені, і обчисленні напруженості з урахуванням форми, розмірів і орієнтації цієї антени (рис. 6.11, б).
а
б
Рис. 6.11. Структурні схеми реалізації методів еталонного поля (а) і еталонної антени (б)
При виборі методу побудови еталона (еталонної антени чи еталонного поля) вирішальними є такі обставини: у діапазоні частот до 30 МГц можна створити поля, локалізовані в обмеженій області простору і захищені від дії навколишніх предметів. У цьому діапазоні справедливі закони квазістаціонарних полів, оскільки розміри антен і обсяги полів значно менше довжини хвилі. У діапазоні частот вище 30 МГц створити поле з відомою напруженістю значно складніше через необхідність враховувати хвильовий характер поширення поля, вплив навколишніх предметів і т.і. Тому в цьому діапазоні звичайно використовується метод еталонної антени.
Розглянемо еталони напруженості полів на прикладі еталонів, створених у свій час у СРСР, потім модернізованих у Росії (ВНИИФТРИ). За своїми характеристиками вони відповідають світовому рівню в цій області.