Измерение напряженности электромагнитного поля

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Физическим полем называется особая форма материи. Источниками физических полей являются частицы (например, для электромагнитного поля – заряженные частицы). Создаваемые частицами физические поля переносят взаимодействие между соответствующими частицами. Для интерпретации процессов, происходящих при взаимодействии частиц, используется волновая теория.

Наибольший интерес, с точки зрения передачи информации, представляют электромагнитное, оптическое и акустическое поля. Информативными параметрами перечисленных полей являются: амплитуда, фаза, поляризация, спектр и скорость распространения волны.

Измерение напряженности электромагнитного поля

Заряженные частицы создают вокруг себя электрическое поле. Движущийся электрический заряд вызывает появление переменного электрического поля, которое приводит к образованию переменного магнитного поля. В свою очередь, переменное магнитное поле индуцирует электрическое поле и т.д. В результате образуется электромагнитная волна, распространяющаяся в свободном пространстве со скоростью света.

Интенсивность электромагнитного поля характеризуется векторами плотности потока энергии П, Вт/м², напряженности магнитного поля Н, А/м. Напряженности электрического и магнитного полей совпадают друг с другом по фазе, изменяются по синусоидальному закону и в любой момент времени пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорциональности называется волновым сопротивлением среды и равен . Для свободного пространства Ом. Все три вектора перпендикулярны друг другу (рис. 4.1) и численно связаны между собой следующими соотношениями: П = Е·Н; .

Мощность Р потока энергии, проходящего через некоторую поверхность площади S,равна Р = П·S. Отсюда следует, что для измерения интенсивности электромагнитного поля можно измерять величину любого вектора.Практически удобнее всего измерять напряженность электрического поля Е, которая выражается в В/м, мВ/м, мкВ/м.

Важной характеристикой поля является его поляризация, определяемая направлением вектора Е. Различают линейную, эллиптическую и круговую поляризации. Эллиптическая поляризация характеризуется непрерывным вращением вектора Е в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, с одновременным изменением его длины. При круговой поляризации длина вращающегося вектора не меняется. Наиболее распространена линейная поляризация, при которой вектор Е сохраняет свое направление. Относительно земной поверхности существуют две линейные поляризации: вертикальная и горизонтальная.

Основными методами измерения напряженности электрического поля являются методы эталонной антенны и сравнения [10]. В первом случае используется антенна известных размеров и формы, которая располагается в электромагнитном поле в плоскости параллельной плоскости поляризации электромагнитной волны. В антенне индуцируется ЭДС где – действующая высота эталонной антенны. Значение определяется расчетным путем, а величина измеряется при помощи вольтметра или амперметра. Напряженность поля вычисляется по формуле . В диапазоне длинных, средних и коротких волн напряженность электрического поля лучше определять по напряжению на выходе эталонной антенны; в метровом и дециметровом диапазонах – по току в антенне, а на волнах короче 30 см – по мощности.

Метод сравнения реализуется способами замещения и калибровки. Для измерений используется произвольная антенна. Напряжение, наведенное в антенне измеряемым полем, сравнивается с напряжением, индуцированным в той же антенне полем эталонного генератора. Измерительное устройство перед каждым измерением калибруется по эталонному генератору. Для измерения сильных полей вблизи источника излучения удобен метод эталонной антенны, реализуемый в измерителях поля, а для измерения слабых полей – метод сравнения, на основе которого работают измерительные приемники.

Измерители поля состоят из эталонной антенны и прибора для измерения в ней напряжения, тока или мощности. В качестве эталонной можно использовать любую антенну, характеристики которой известны. При измерениях в диапазоне длинных, средних и коротких волн применяются рамочные антенны, в диапазоне метровых и дециметровых волн – полуволновые вибраторы, а в диапазоне сантиметровых волн – рупорные антенны. Иногда пользуются и простыми штыревыми антеннами.

Измеритель поля с рамочной антенной представлен на рис. 4.2. Рамочная антенна в форме квадрата или кольца содержит от одного до N витков изолированного провода. Чтобы распределение тока в рамке можно было считать равномерным, длина одного витка должна быть меньше где – длина волны электромагнитного колебания, напряженность которого измеряется. Конденсатор переменной емкости служит для настройки индикатора на частоту источника излучения.

Рис. 4.2. Измеритель поля

Для выполнения измерения измеритель настраивают на нужную частоту, а антенну ориентируют в пространстве до достижения максимального показания вольтметра. При этом плоскость рамки совпадает с направлением на источник излучения. Напряженность поля Е определяется выражением

где U_c – напряжение на конденсаторе; R_p– активное сопротивление антенны на рабочей частоте; C₀ – емкость конденсатора в момент резонанса; S – площадь рамки; N – число витков рамки.

Измерителями определяются интенсивности полей, напряженность которых превышает десятки милливольт на метр. Погрешность измерений составляет 30…40 %.

Измерительные приемники используются для измерения напряженности полей от доли микровольта на метр до 10⁵ мкВ/м. Эти устройства представляют собой чувствительные радиоприемники с вольтметром на выходе. Для уменьшения погрешности перед каждым измерением шкалу выходного вольтметра калибруют по напряжению внутреннего калибровочного генератора.

Оптические измерения

Свет имеет электромагнитную природу. Его можно рассматривать как распространение энергии квантов или электромагнитных волн. Разным зонам спектра соответствуют названия: ультрафиолетовое (УФ) излучение, видимый свет, ближний, средний и дальний диапазоны инфракрасного (ИК) излучения. Видимый диапазон соответствует электромагнитному излучению с длинами волн от 0,4 до 0,9 мкм. УФ излучение характеризуется длинами волн менее 0,4 мкм, ближний ИК диапазон – 0,9…1,5 мкм, средний – 1,5…4 мкм и дальний – 4…100 мкм.

Информативными параметрами оптического излучения являются интенсивность, распределение интенсивности в диапазоне частот (спектр), распределение интенсивности в пространстве (изображение), фаза и поляризация. С целью измерения оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал с помощью специальных преобразователей (детекторов).

Детекторы электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучений, называются световыми детекторами (фотоприемниками). Фотоприемники предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы, приборы с зарядовыми связями (ПЗС) и т.д.

Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприемники, можно разделить на три основных вида:

· изменение электропроводности вещества при его освещении – внутренний фотоэффект;

· возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света фотоэффект в запирающем слое (используется в полупроводниковых фотоэлементах);

· испускание веществом электронов под действием света – внешний фотоэффект (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах).

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом фоторезистора является полупроводниковая пластинка, электрическое сопротивление которой при освещении уменьшается. Изменение проводимости материала фоторезистора происходит за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны вещества и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводности или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводности.

Основной характеристикой фоторезистора является чувствительность – отношение выходной величины ко входной. Чаще применяется токовая чувствительность S_Ф, фототока I_Ф к световому потоку Ф или к освещенности Е

S_Ф = I_Ф/Ф; S_E = I_Ф/E.

Фотодиоды имеют структуру обычного p-n-перехода. В результате освещения полупроводника по обе стороны от p-n-перехода увеличиваются концентрации основных носителей заряда. Если p-n-переход разомкнут, то происходи накопление отрицательного заряда в n-области и положительного – в p-области. ЭДС, возникающая на выводах фотодиода при его освещении, называется фотоэлектродвижущей силой. Ее величина зависит от светового потока, облучающего p-n-переход. Если параллельно фотодиоду присоединить резистор, то в цепи пойдет ток. При этом фотодиод работает в режиме генератора, преобразуя световую энергию в электрическую.

Однако чаще фотодиод включают в схему совместно с источником электрической энергии, положительный полюс которого подключен к n-области, а отрицательный – к p-области. Таким образом, на p-n-переход подается запирающее напряжение. Через фотодиод при отсутствии освещения протекает очень небольшой темновой ток. При освещении фотодиода поток носителей заряда через p-n-переход возрастает, увеличивается ток во внешней цепи.

Фототранзистор, как и обычный транзистор, имеет два p-n-перехода. Конструктивно фототранзистор выполнен таким образом, что световой поток облучает область базы. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода, но за счет усилительных свойств транзистора токовая чувствительность существенно выше.

Многоэлементные фотоприемники имеют плоскую решетку, образованную системой ортогональных проводников. Фоточувствительные элементы расположены в местах пересечения проводников и связаны с ними электрически. Электронные схемы управления обеспечивают последовательный опрос всех фоточувствительных элементов. В итоге получается полная информация о распределении светового потока по поверхности светочувствительной матрицы.

В качестве фоточувствительных элементов матрицы используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, приборы с зарядовыми связями.