автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.00, диссертация на тему:Сенсоры электромагнетического поля по использованию в электротехнической совместимости

1 Введение

2 Обзор современного положения и анализ проблематики

2.1 Датчики для измерения электрического поля.

2.2 Цилиндрическая антенна с бегущей волной

2.3 Резистивный диполь с бегущей волной.

2.4 Диполь с диодным детектором.

2.5 Выводы.

3 Цель диссертационной работы

4 Выбор методики изготовления

4.1 Числовой расчет резистивного диполя.

4.2 Анализ влияния производственных неточностей.

4.3 Модификация метода МоМ.

4.4 Анализ резистивного конустного диполя.

4.5 Числовой контроль результатов.

4.6 Числовой анализ диполя нагруженного детектором.

Уже много лет ведется сотрудничество между университетами мира в области электромагнитной совместимости (ЭМС). С началом проекта TEMPUS в 1991 по 1994, эта область получила развитие в довольно широком масштабе. Благодаря этому проекту, в 1991 году была построена лаборатория ЭМС в FEI STU, и на выделенные проектом TEMPUS средства, начала своё оснащение оборудованием, необходимым для проведения исследовательской и педагогической деятельности в этой области, таким как анализатор спектра с частотой до 1,8 ГГц, измеряющие антенны с частным диапазоном от 30МГц до 1ГГц, широкополосный высокочастотный усилитель, с мощностью выходного сигнала 20 Вт и генератор с диапазоном до 2ГГц. ЭНЭЛ АО помогла создать экранированную камеру, которая в настоящее время является третьей по величине в Словацкой республике. Чтобы лаборатория могла выполнять не только педагогическую, но и исследовательскую работу, возникали требования разработки измерительного оборудования. Для разработки оборудования ЭМС лаборатории было необходимо задействовать часть исследовательской нагрузки лаборатории.

Одной из главных задач лаборатории являлась разработка методики измерения устойчивости к фоновым помехам. Для анализа этой проблемы использовался существующий на тот момент стандарт IEC 801-31. Таким образом, возникла задача для исследования и разработки датчика для измерения электрической составляющей электромагнитного поля

19].

Представленная работа выпольнена в рамках двух грантов. Один из которых соответствует началу работы, это грант 1345/94 «ЭМС электронного оборудования» который был реализован в течение 1994-1996 гг. Заключительные же этапы диссертационной работы являются частью гранта G 4291/97. Это исследование было проведено в сотрудничестве со Словацким метрологическим институтом, ввиду общей заинтересованности исследования в этой области. хНа базе имеющегося в распоряжении оборудования, было возможно создать электромагнитное поле с частотой, соответствующей приведенному стандарту, но отсутствовала аппаратура, необходимая для мониторинга генерируемого поля.

5.3 Вывод

В пятой главе диссертационной работы было предложено два типа резистивных диполей: изготовленный достаточно точно (острый) и изготовленный с заранее известной неточностью (тупой). Предложение основывалось на известных фактах, описанных в главе 2, и результатах главы 4. В этой главе можно увидеть интересное предложение для измерения амплитудной характеристики и характеристики направленности. Как новшество можно рассматривать использование БШрЬте для измерения этих характеристик, что делает сам процесс измерения значительно эффективнее. Например, решились проблемы, связанные с изменением полярности волны при изменении частоты волны в закрытом пространстве (безотражающее).

При измерении амплитудной характеристики были подтверждены теоретические результаты и расчеты, приведенные в главе 4, этот результат значителен. Простым математическим методом можно получить нелинейную характеристику диодного детектора, подключенного к выходу антенны и также отношение между постоянным детектируемым и высокочастотным напряжением на выходе антенны.

Следующий важный факт, на который следует обратить внимание - использование Б1;пр1лпе в качестве источника опорного поля. Если разместить Э1;пр1лпе в безэховой камере, величина поля Е такого источника зависит лишь от размеров и напряжения на входе.

В заключении можно написать, что измерение «острого» диполя показывает его неизме- -г> няющуюся АЧХ от 80МГц до 1.1 ГГц, погрешность характеристики была на уровне ±0.5 дБ, что равняется погрешности профессионального сенсора поля Е - Но11ас1ау (работающего на

Глава 6

Заключение

Предложенная ДР служит для анализа, изготовления и синтеза диполей, служаших для измерения поля Е в ЭМС. Целью работы являлся анализ двух типов резистивных диполей - резистивный диполь с бегущей волной и конусный резистивный диполь. В работе также представлен анализ соединения параллельного детектора к выходу диполя и разработка измерения характеристик диполя или всей системы - сенсора.

В главе 2 представлен анализ ситуации в области современных датчиков. На основании публикуемых работ, использованных в этой главе были сформулированы основные цели ДР. Теория, представленная во второй главе, используется для решения проблемы резистивного диполя в последующих главах.

В главе 4 представлен анализ существующего резистивного диполя. Наиболее подходящим методом (в связи с продолжением работы) был использован МоМ. С помощью этого метода был произведен анализ резистивного диполя. Метод использовался в форме, которую легко применить для анализа резистивного диполя с производственными неточностями, выполнив, таким образом, две цели дисертационной работы. Также удалось модифицировать МоМ, что значительно экономит время, требуемое для подобного расчета. Эта модификация содержится в главе 4.2.

В главе 4.4 был модифицирован метод Ву Кинга для анализа резистивного диполя, применительно к цилиндрической антенне с бегущей волной, что оказалось не подходящим для использования в ЭМС. Однако этот анализ сэкономил средства для выполнения измерения этой антенны.

Глава 4.6 содержит анализ соединения паралельного детектора к резистивному диполю. Для решения этой задачи было использовано ПО М АТ Ь А В—БIМ и ЬIN К. Решение представляет собой простой и легкий метод, подходящий для любой антенны, нагруженной детектором. Необходимо знать схему замещения антенны. В этой главе были выполнены две цели диссертационной работы: был предложен метод для анализа детекторов, которые нагружают антенну и одновременно проведен анализ присоединения праллельного детектора к резистивному диполю.

Разработка резистивного диполя и датчика эл составляющей ЭМ поля осуществлен в

Глава 6. Заключение 61 главе 5.1. При разработке принимались во внимание доступные технологии такого производства и необходимость такого датчика в лаборатории ЭМС. Изготовленный таким образом диполь при измерении должен был подтвердить или опровергнуть аналитические расчеты, приведенные в главе 4. Можно констатировать, что в этой главе выполнена цель

ДР.

Последняя задача работы - разработка методики измерения представленна в главах 5.2.1, 5.2.2 и 5.2.3. Здесь описанны методики измерения амплитудной характеристики, характеристики направленности и АЧХ. Для измерений использовалось только оборудование лаборатории ЭМС, чтобы предложенные методики служили также для дальнейшего использования деятельности лаборатории.

В дисертационной работе я стремился широко охватить проблематику анализа и синтеза резистивных диполей, что в конечном итоге явилось разработкой датчика Е составляющей ЭМ поля. Практическим вкладом этой работы является обнаружение факта, что при нестрогости производства резистивного диполя можно произвести диполь с прекрасными параметрами. Вкладом в область исследований является измерение и колибровка приведенные в главе 5. Вкладом в теоретическую область является модификация метода моментов, который позволяет не только сэкономить время, но и предьявить меньшие требования к вычислительной технике.

Работа выполнена в рамках грантов G1345/94 и G4291/97 - Электромагнитная совместимость электронного оборудования, выполненых на кафедре метрологии FEI STU в 1994 году. Также помогла в создании лаборатории для испытания электромеров на ЭМС для словацкого метрологического института в Братславе. Позволила решить многие задачи, требующие практического решения (см приложение В).

Работа связанная с этой проблематикой могла бы продолжаться в области создания сенсоров ЭМ поля, принцип работы которых основан на использовании свойств прогибания, отражения лазерного луча под влиянием электрического поля. Эта область очень перспективна и могла бы дополнить знания представленные в данной дисертационной работе. При оптическом переносе не было бы проблемы с искривлением ЭМ поля, также бы исключи-лись проблеммы с индуцируемыми напряжениями в подводящих проводах к зонду Е поля. В этой области есть много нерешенных проблем, именно поэтому я думаю,что продолжение исследования и оценка использования таких сенсоров на практике могла бы продолжаться.

1. Altshuler, E. E.: The traveling-wave linear antenna, 1.EE Trans, on Antennas and Propagation, Vol AP-9, pp 324-329, Jul 1961.

2. Wu, T. T. and King, R. W. P.: The cylindrical antenna with nonreflecting resistive loading, IEEE Trans, on Antennas and Propagat., Vol. AP-13, No. 3, pp. 369-373, May 1965.

3. King, R. W. P.: Theory of linear antennas Cambridge, MA: Harvard Univ. Press, 1956.

4. Kanda, M.: Standart probes for electromagnetic field measurement, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 41, pp 1349-1364, October 1993.

5. Kanda, M.: Analytical and numerical techniques for analyzing an electrically short dipole with a nonlinear load, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-28, No. 1, pp. 71-78, January 1980.

6. Kanda, M.: The Time-Domain Charakteristics of a Traveling-Wave Linear Antenna with Linear and Nonlinear Parallel Loads, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-28, No. 2, pp. 267-276, March 1980.

7. Kanda, M.: Time-domain sensors and radiators, in Time Domain Measurements in Electromagnetics, E. K. Miller, ed. New York: Van Nostrand, 1986.

8. Kanda, M. and Driver, L. D.: An isotropic, electric-field probe with tapered resistive dipoles for broadband use, 100 kHz-18GHz, IEEE international symposium on electromagnetics compatibility, IEEE, Vol. 1, pp. 256-261, 1986.

9. Randa, J., Kanda, M. and Orr, R. D.: Resistively tapered dipole electric-field probes ut to 40 GHz, IEEE international symposium on electromagnetics compatibility, IEEE, pp. 265266, 1991.

10. Kanda, M.: An electromagnetics near-field sensor for simultaneous electic and magnetic field measurements, IEEE Trans. Electromagnet. Compat., Vol. EMC-26, pp. 102-110, August 1984.

11. Kanda, M.: Transients in a resistively loaded loop antenna, 1984 International symposium of electromagnetics compatibility IEEE, Vol. 1, pp. 286-290, Oct. 16-18, 1984.

12. Randa, J. and Kanda, M.: Multiple source, multiple - frequency error of an electric field meter, IEEE Antennas and Propagation, Vol. AP-33, pp. 2-9, Jan. 1985.

13. Johnk, C. T. A.: Engineering electromagnetics fields and waves, New York: John Wiley & Sons, 1988.

14. Kraus, J. D.: Antennas, New York: McGraw-Hill, 1988.

15. Vavra, S., Turan, J.: Anteny a sirenie elektromagnetickych vln, Bratislava: Alfa, jul 1989.

16. Harrington, R. F.: Field computation by moment methods, Piscataway: IEEE Press, 1993.

17. Porti, J. A. and Morente, J. A.: A numerical analysis of wire antennas loaded with varistor-composite materials, IEEE Trans, on electromagnetic compatibility, Vol. 36, pp 23-31, February 1994.

18. Upton, M. E. G. and Marvin A. C.: The fields due to a small Loaded loop in free space, IEEE Trans, on electromagnetic compatibility, Vol. 36, pp 7-13, February 1994.

19. IEC 801-3 Electromagnetic Compatibility for Industrial Procces Measurement and Control Equipment, Part 3: Immunity to Radiated Radio Frequency Electromagnetic Fields, 2-nd edition, 1990.

20. EMC product conformance testing seminar, Hewlett Packard Company, Netherlands, February 1996.

21. Goedbloed, J.: Electromagnetic compatibility, Prentice Hall: New York 1992.

22. Tvarozek, V., Vanek, 0., Kovac, J., Donoval, D., Novotny, I., Rehacek, V.: Research Activities in Microsystem Technology at the Departament of Microelectronics STU, The workshop on microsystem technologies, Sinaia, Romania 1995.

23. Upton, M. E. G., Marvin, A. C.: The Field Due to a Small Loaded Loop in Free Space, IEEE Trans, on Electromagnetic Compatibility, Vol. 36, pp. 7-13, Feb. 1994.

24. Essele, K. P., Stuchly, S. S.: An Electrically Large Antenna for Transient Electromagnetic Field Measurements, IEEE Trans, on Inst, and Meas., Vol. 40, pp. 460-464, April 1991.

25. Hartansky, R.: Senzory elektromagnetickeho pola pre pouzitie v elektromagnetickej kompatibilite, Pisomna priprava k rigoroznej skuske. Bratislava 1996.

26. Kovac, K., Hartansky, R.: Riesenie rezistivnych vodicovych anten pomocou programoveho systemu NEC, Workshop CAD&CAE, Praha, Ceska republika 1996.

27. Burke, G. J., Poggio, A. J.: Numerical Electromagnetics Code (NEC-2), Users Guide, Lawrence Livermore Nat. Lab. Rep. UCID-18834, Jan. 1981.

28. Rockway, J. W., Logan, J. C., Tam, D. W. S., Li, S. T.: The MININEC system: Microcomputer analysis of wire antennas, Norwood: Artech House 1988.

29. Deiseroth, K., Singer, H.: Treatment of Arbitrary Nonlinearly Loaded Thin-Wire Structures by Means of the Method of Moment, EMC '94 Roma, September 13-16, 1994.

30. Hoer, C. A., Roe, K. C., Allred, C. M.: Measuring and Minimizing Diode Detector Nonlinearity, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. IM-25, pp. 324-329, Dec. 1976.

31. Potter, C., Bullock, A.: Nonlinearity Correction of Microwave Diode detector Using a Repeatable Attenuation Step, Microwave Journal, Vol. 36, pp. 272-279, May 1993.

32. Bilik, V., Bezek, J.: Calibration of Detectors for Scalar and Six-Port Network Analyzers, Miteko '97, Pardubice, Ceska republika 1997.

33. Porti, J. A., Morente,J. A.: A Numerical Analysis of Wire Antennas Loaded with Varistor-Composite Materials, IEEE Trans, on Electromagnetic Compatibility, Vol. 36, pp. 23-31, Feb. 1994.

34. Hewlett Packard: Surface Mount Zero Bias Schottky Detector Diodes, Technical Data.

35. Kristan, L., Vachala, V.: Priruckapro navrhovani elektronickych obvodù, Praha: SNTL 1982.

36. Abell, M. L., Braselton, J. P.: Mathematica by Example, New York: AP Professional 1994.

37. Ralston, A.: Zaklady numericke matematiky, Praha: Academia 1978.

38. Mann, H.: Vyuziti pocitace pri elektrotechnickych navrzich, Praha: SNTL 1984.

39. Tekin, I., Newman, E. H.: Moment Method Analysis of the Magnetic Shielding Factor of a Conducting TM Shield at ELF, IEEE Trans, on Electomagnetic Compatibility, Vol. 38, pp. 585-590, Nov. 1996.

40. Hoppe, D. J., Rahmat-Samii, Y,: Impedance Boundary Conditions in electromagnetics, Bristol: Taylor&Francis 1995.

41. Novak, J. M., Riddle, A.: Moment Method for Antenna Analysis, Illinois: Wolfram Research, Inc. 1993.

42. Degauque, P., Hamelin, J .-.Electromagnetic compatibility, Oxford: Oxford University Press 1993.

43. Hartansky, R., Kovac, К., Hallon, J.: Manufacturing Imperfection Effect on Resistive Dipole Characteristics, 7-th Internat. Scientific Conference Radioelektronika '97, pp. 287 290, Bratislava 23 - 24 april 1997.

44. Hartansky, R., Kovac, K., Hallon, J .'.Effective Modification of Moment Method for Antenna Simulation, 9-th Conference on Microwave Techniques, pp. 262-265, Pardubice, 16 17 October 1997.

45. Hartansky, R., Kovac, K., Smiesko, V., Hallon, J., Szolik, I.: Analysis of the parallel detektor influence on the resistive dipole characteristics, 8-th Internat. Scientific Conference Radioelektronika '98, pp. 243- 246, Brno 28 29 april 1998.

46. Balanis, A., C.: Antenna Theory Analysis and Design, Harper & Row, Publishers, New York, 1982.

47. Vavra, S,: Metody Analyzy Yagiho Anten, habilitacna praca, Bratislava, marec 1977.

48. Vavra, S., Hajach, P.: Anteny a sirenie elektromagnetickych vin, Prirucka na cvicenia, STU Bratislava 1994.

49. Kovac, K., Hartansky, R., Hallon, J.: Analysis of the behavior two-layer absorbing structuresbased on ferrite absorbers, Elektrotechnicky casopis, special issue 8/s, pp. 92 -95, 1997.