五、电磁辐射测量仪器
电磁辐射的测量按测量场所分为作业环境、特定公众暴露环境、一般公众暴露环境测量。按测量参数分为电场强度、磁场强度和电磁场功率通量密度等的测量。对于不同的测量应选用不同类型的仪器,以期获取最佳的测量结果。
测量仪器根据测量目的分为非选频式宽带辐射测量仪和选频式辐射测量仪。无论是非选频式宽带辐射测量仪还是选频式辐射测量仪,基本构造都是由天线(传感器)及主机系统两部分组成的
1 非选频式宽带辐射测量仪(综合场强仪)
工作原理
1.1 电场探头
偶极子和检波二极管组成探头
这类仪器由三个正交的2~10cm长的偶极子天线,端接肖特基检波二极管、RC滤波器组成。检波后的直流电流经高阻传输线或光缆送入数据处理和显示电路。
通常这类仪器探头响应快,动态范围大,但由于作为天线的偶极子的长度应远小于被测频率的半波长,以避免在被测频率下谐振。这一特性决定了这类仪器只能在低于几吉赫频率范围使用,不过随着仪器技术的不断发展,近年也有厂家能将频率范围扩展到四十吉赫频率,甚至更高范围。
热电偶型探头
采取三条相互垂直的热电偶结点阵作电场测量探头,提供了和热电偶元件切线方向场强平方成正比的直流输出,待测场强与极化无关,保证了探头有极宽的频带,容易做到极高的频率,但探头响应和动态范围要相对差一些。
1.2 磁场探头
由三个相互正交环天线和二极管、RC滤波元件、高阻线组成,从而保证其全向性和频率响应。
对电性能的要求
使用非选频式宽带辐射测量仪实施环境监测时,为了确保环境监测的质量,应对这类仪器电性能提出基本要求:
各向同性误差≤±1dB
系统频率响应不均匀度≤±3dB
灵敏度:0.5V/m
校准精度:±0.5dB
2 选频式辐射测量仪(频谱仪或测试接收机)
这类仪器用于环境中低电平电场强度、电磁兼容、电磁干扰测量。除场强仪(或称干扰场强仪)外,可用接收天线和频谱仪或测试接收机组成的测量系统经校准后,用于环境电磁辐射测量。
选频的意思是只选择某些频率进行测量,只让很小的频率范围的信号进来,滤除其余频率的信号。选频式测量仪器的灵敏度较非选频式的高很多。
根据所测量信号频谱的不同,选频式射频辐射测量仪器也按检波方式分为两大类,一类采用峰值检波,测量广播电视及通信等较窄的辐射源;另一类采用准峰值检波,测量火花放电等频谱范围很宽的电磁脉冲源。
电视场强仪,远区场强仪,峰值检波。干扰场强仪,测量接收机,准峰值检波。频谱分析仪,峰值检波及准峰值检波二者均有。
工作原理
场强仪(干扰场强仪)
待测场的场强值:
E(dBμV/m)= K (dB)+Vr(dBμV)+L(dB)………………………………(2.1)
式中K是天线校正系数,它是频率的函数,可由场强仪的附表中查得。场强仪的读数Vr必须加上对应K值和电缆损耗L才能得出场强值。但近期生产的场强仪所附天线校正系数曲线所示K值已包括测量天线的电缆损耗L值。
当被测场是脉冲信号时,不同带宽Vr值不同。此时需要归一化于1MHz带宽的场强值,即 :
E(dBμV/m)= K (dB)+Vr(dBμV)+20lg +L(dB) …………………………(2.2)
BW为选用带宽,单位MHz。测量宽带信号环境辐射峰值场强时,要选用尽量宽的带宽。相应平均功率密度为:
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上式中q为脉冲信号占空比,K、L值查表可得,Vr为场强值读数,于是E和Pd可以方便地计算出来。
频谱仪测量系统
这种测量系统工作原理和场强仪一致,只是用频谱仪作接收机,此外频谱仪的dBm读数须换算
dBμV。对50Ω系统,场强值为:
E(dBμV/m)= K (dB)+A(ABm)+107(dBμV)+L(dB)………………………………(2.4)
频谱仪的类型不受限制,频谱仪天线系统必须校准。
用于环境电磁辐射测量的仪器种类较多,凡是用于EMC(电磁兼容)、EMI(电磁干扰)目的的测试接收机都可用于环境电磁辐射监测。专用的环境电磁辐射监测仪器,也可用上面介绍的方法组成测量装置实施环境监测。
天线种类
作为测量用的天线,其参数主要是天线系数,应具有高的精确度。
天线系数AF:对于电场测量AF=E/vi,对于磁场测量AF=H/ vi,vi为电压表所测得的电压。电压表读数乘以天线系数即为所测场强,以dB表示时为相加。
对于选频式测量仪表,测量频率是变化的,对同一根天线,天线系数随频率而变。
① 半波天线
半波天线为全长等于所测量电磁波波长一半的对称振子天线,用于米波段电场测量。测量频带窄,实际上不常用作测量天线。
② 环天线
环天线为30MHz以下的磁场测量天线,磁场测量必须用环天线,环面积内磁通量的变化将在环线圈上产生感应电压。电压大小正比于环面积、环线圈匝数、待测磁场强度及频率。
③ 双锥天线
20-300MHz频段的电场测量天线。为半波天线的改进型。
④ 对数周期天线
⑤ 单极(鞭状、杆)天线
其他还有喇叭天线和超宽带复合式天线
3 工频测量仪器
工频场强测量频率低,一般不叫天线。
工频电场
工频电场测量探头由两个导体半球组成偶极子,沿赤道平面相互绝缘。目前仪器探头有方向性的和全向的两种。
意大利PMM公司的工频电场探头外形为正方体,可测量工频电场的全向三维分量,然后合成总的工频电场值,测量时不必调整探头方向。
工频磁场
主要结构由三个相互正交环天线组成。