PL216148B1 - Urządzenie do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej, w szerokim zakresie częstotliwości, przeznaczone w szczególności do wzorcowania mierników natężenia pola elektromagnetycznego, wyposażonych zwłaszcza w anteny pomiarowe o sferycznej charakterystyce promieniowania. Urządzenie charakteryzuje się tym, że wyjście pierwszego tłumika (T1) połączonego do pierwszego generatora wysokiej częstotliwości (G1), połączone jest poprzez pierwszy regulowany przesuwnik fazowego (P1), pierwszy mieszacz (N1), pierwszy filtr (F1) i pierwszy wzmacniacz mocy (WM1) z pierwszą anteną logarytmiczno-periodyczną (A1), przy czym wejście pierwszego mieszacza (N1), połączone jest z generatorem małej częstotliwości (G2), a wyjście pierwszego skokowego przesuwnika fazowego (PF1) połączone jest jednocześnie z wejściem pierwszego modulatora (M1) i z wejściem drugiego modulatora (M2), wyjście drugiego skokowego przesuwnika fazy (PF2) połączonego do pierwszego generatora wysokiej częstotliwości (G1), którego wejście połączone jest z generatorem małej częstotliwości (G2), połączone jest poprzez drugi modulator (M2), trzeci tłumik (T3), trzeci regulowany przesuwnik fazowy (P3), trzeci mieszacz (N3), trzeci filtr (F3) i trzeci wzmacniacz mocy (WM3) z trzecią anteną logarytmiczno-periodyczną (A3), natomiast drugie wyjście generatora małej częstotliwości (G2) połączone jest poprzez pierwszy modulator (M1) i drugi tłumik (T2) drugi regulowany przesuwnik fazowy (P2), drugi mieszacz (N2), drugi filtr (F2) i drugi wzmacniacz mocy (WM2) z drugą anteną logarytmiczno-periodyczną (A2), przy czym pierwsza i druga antena (A1, A2) jest oddalona od obszaru pomiarowego (O) o pierwszą odległość (R1), a trzecia antena (A3) jest oddalona od obszaru pomiarowego (O) o drugą odległość (R2), ponadto pierwszy mieszacz (N1), drugi mieszacz (N2) i trzeci mieszacz (N3) podłączone są do drugiego generatora wysokiej częstotliwości (G3), korzystnie anteny (A1, A2, A3) umieszczone są w kabinie ekranowanej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej, w szerokim zakresie częstotliwości, przeznaczone w szczególności do wzorcowania mierników natężenia pola elektromagnetycznego, wyposażonych zwłaszcza w anteny pomiarowe o sferycznej charakterystyce promieniowania. Ponadto wytworzone pole elektromagnetyczne o trzech składowych przestrzennych stwarza szerokie możliwości badań związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną. Polaryzacja quasisferyczna jest praktycznym przybliżeniem polaryzacji sferycznej, która jest nierealizowalna fizycznie.

Sposób i urządzenie do wytwarzania składowej elektrycznej oraz składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego znane z polskiego opisu patentowego nr PL 137 257, umożliwia wytworzenie pola elektrycznego, bądź magnetycznego o polaryzacji quasisferycznej. Sposób wytwarzania składowej elektrycznej oraz składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego, polega na tym, że do trzech wzajemnie prostopadłych elementów biernych doprowadza się równocześnie trzy zasilające sygnały, przy czym do pierwszego elementu biernego doprowadza się sygnał wysokiej częstotliwości z generatora, do drugiego elementu biernego doprowadza się drugi sygnał przesunięty w fazie o plus π/2 i zmodulowany sygnałem małej częstotliwości z generatora, a do trzeciego elementu biernego doprowadza się sygnał wysokiej częstotliwości przesunięty w fazie o plus π/2 zmodulowany sygnałem m.cz.

Urządzenie do wytwarzania składowej elektrycznej oraz składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego ma generator wysokiej częstotliwości, którego jedno wyjście przez pierwszy tłumik jest połączone z pierwszym elementem biernym, a drugie wyjście generatora przez pierwszy przesuwnik fazy jest połączone z wejściami dwóch mnożących układów, przy czym jeden mnożący układ jest zasilany bezpośrednio z generatora małej częstotliwości i zwierany kluczem, a drugi mnożący układ jest zasilany z generatora małej częstotliwości przez drugi przesuwnik fazy, natomiast wyjście pierwszego mnożącego układu przez drugi tłumik jest połączone z drugim elementem biernym, a wyjście drugiego mnożącego układu jest połączone przez trzeci tłumik z trzecim elementem biernym. Elementy bierne stanowią okładki trzech kondensatorów utworzone z sześciu wzajemnie prostopadłych płytek, tworzących sześcian, przy czym powierzchnie bocznych ścian są nieco większe od powierzchni okładek kondensatorów albo elementy bierne stanowią trzy wzajemnie prostopadłe cewki. Niedogodnością tego rozwiązania są silne sprzężenia pomiędzy źródłami trzech składowych przestrzennych pola elektrycznego i magnetycznego, sprzężenia pomiędzy obiektem badanym a układem wytwarzającym pole elektromagnetyczne oraz znacznie ograniczony obszar występowania pola, co uniemożliwia prowadzenie badań przy wyższych częstotliwościach, obiektów o większych rozmiarach oraz ograniczony zakres częstotliwości przestrajania. Dotychczas stosowane rozwiązanie jest w pełni przydatne do badań prowadzonych na jednej częstotliwości, jednak i tu występują ograniczenia ze względu na wytwarzanie takich filtrów, przeznaczonych zwłaszcza do urządzeń radiokomunikacyjnych, wyłącznie na kilka wybranych częstotliwości. Tymczasem badania związane z kompatybilnością elektromagnetyczną, a zwłaszcza badania w dziedzinie bioelektromagnetyki, są prowadzone w szerokim widmie częstotliwości, co wymaga możliwości dowolnego, zgodnego z programem badań, zmieniania pulsacji. Wprawdzie znany jest sposób cyfrowo-fazowego formowania takich sygnałów, w którym pulsacja może być dowolnie zmieniana, jednak ze względu na zawartość harmonicznych i inne wady układów fazowych, rozwiązanie to i jemu podobne nie przyjęły się w szerszych zastosowaniach.

Urządzenie do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej według wynalazku, zawiera dwa generatory, przy czym pierwszy generator wysokiej częstotliwości, którego pierwsze wyjście połączone jest z wejściem pierwszego tłumika, a drugie wyjście połączone z wejściem pierwszego skokowego przesuwnika fazy, natomiast generator małej częstotliwości ma wyjście połączone z drugim przesuwnikiem fazy.

Istota urządzenia polega na tym, że wyjście pierwszego tłumika połączone jest poprzez pierwszy regulowany przesuwnik fazowy, pierwszy mieszacz, pierwszy filtr i pierwszy wzmacniacz mocy z pierwszą anteną logarytmiczno-periodyczną. przy czym wejście pierwszego mieszacza, połączone jest z generatorem małej częstotliwości. Wyjście pierwszego skokowego przesuwnika fazowego połączone jest jednocześnie z wejściem pierwszego modulatora i z wejściem drugiego modulatora, wyjście drugiego skokowego przesuwnika fazy, którego wejście połączone jest z generatorem małej częstotliwości, połączone jest poprzez drugi modulator, trzeci tłumik, trzeci regulowany przesuwnik fazowy, trzeci mieszacz, trzeci filtr i trzeci wzmacniacz mocy z trzecią anteną logarytmiczno-periodyczną. Natomiast drugie wyjście generatora małej częstotliwości połączone jest poprzez pierwszy modulator

PL 216 148 B1 i drugi tłumik, drugi regulowany przesuwnik fazowy, drugi mieszacz, drugi filtr i drugi wzmacniacz mocy z drugą anteną logarytmiczno-periodyczną, przy czym pierwsza i druga antena jest oddalona od obszaru pomiarowego o pierwszą odległość, a trzecia antena jest oddalona od obszaru pomiarowego o drugą odległość, ponadto pierwszy mieszacz, drugi mieszacz i trzeci mieszacz podłączone są do drugiego generatora wysokiej częstotliwości, korzystnie anteny umieszczone są w kabinie ekranowanej.

Korzystnie, pierwszy, drugi i trzeci mieszacz są mieszaczami zrównoważonymi.

Korzystnie, pierwszy, drugi i trzeci filtr są jednakowe.

Korzystnie, pierwsza odległość jest równa drugiej odległości, przy czym w obszarze pomiarowym ₂ występuje pole dalekie spełniające warunek oznaczający, że każda odległość jest większa od 2d /λ. gdzie d jest największym wymiarem poprzecznym obszaru pomiarowego albo anten, zaś λ jest długością fali.

Zaletą urządzenia do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej, według wynalazku jest znaczne zredukowanie sprzężenia pomiędzy źródłami trzech składowych przestrzennych pola elektrycznego i magnetycznego, sprzężenia pomiędzy obiektem badanym a układem wytwarzającym pole elektromagnetyczne oraz znaczne zwiększenie obszaru występowania pola, co umożliwia prowadzenie badań przy wyższych częstotliwościach, obiektów o większych rozmiarach. Przestrzenne rozmieszczenie anten umożliwia uzyskanie polaryzacji quasisferycznej pola elektromagnetycznego w obszarze pomiarowym, a kierunki wirowania wektorów pola w obszarze pomiarowym są ustalane przesuwnikami fazy poprzez zmiany funkcji sinus na cosinus i odwrotnie. Mieszanie sygnałów w mieszaczach za pomocą generatora małej częstotliwości o małej pulsacji, pozwala na pracę urządzenia w szerokim zakresie częstotliwości.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat blokowy urządzenia do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej.

Urządzenie do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej ma dwa generatory wysokiej częstotliwości pierwszy G1 i drugi G3 oraz generator małej częstotliwości G2. Pierwszy generator wielkiej częstotliwości G1 ma wyjście połączone z wejściem pierwszego tłumika T1, którego wyjście jest połączone z wejściem pierwszego regulowanego przesuwnika fazowego P1, którego wyjście jest połączone z wejściem pierwszego mieszacza zrównoważonego N1, a dalej poprzez pierwszy filtr F1 i pierwszy wzmacniacz mocy WM1 z pierwszą anteną logarytmiczno-periodyczną A1. Równocześnie wyjście pierwszego generatora wysokiej częstotliwości G1 jest dołączone do wejścia pierwszego skokowego przesuwnika fazowego PF1 przesuwającego fazę o ±90°, którego wyjście jest połączone równocześnie z wejściami modulatorów pierwszego M1 i drugiego M2. Wyjście pierwszego modulatora M1 poprzez drugi tłumik T2, drugi regulowany przesuwnik fazowy P2, drugi mieszacz zrównoważony N2, drugi filtr F2 i drugi wzmacniacz mocy WM2 jest połączone z drugą anteną logarytmicznie-periodyczną A2. Generator małej częstotliwości G2 połączony jest równocześnie, z pierwszym modulatorem M1 poprzez drugi skokowy przesuwnik fazowy PF2 przesuwający fazę o ±90° z drugim modulatorem M2. Wyjście drugiego modulatora M2 jest połączone poprzez trzeci tłumik T3, trzeci regulowany przesuwnik fazowy P3, trzeci mieszacz zrównoważony N3, trzeci filtr F3 i trzeci wzmacniacz mocy WM3 z trzecią anteną logarytmiczno-periodyczną A3. Drugi generator wysokiej częstotliwości G3 jest połączony bezpośrednio z trzema mieszaczami zrównoważonymi pierwszym N1, drugim N2 i trzecim N3.

Pierwszy generator wysokiej częstotliwości G1 wytwarza sygnał nośny o pierwszej pulsacji nośnej Ω1. Sygnał ten jest doprowadzany poprzez pierwszy tłumik T1 i pierwszy regulowany przesuwnik fazowy P1 do pierwszego mieszacza N1. Równocześnie sygnał wyjściowy z pierwszego generatora wysokiej częstotliwości G1 jest doprowadzany poprzez pierwszy skokowy przesuwnik fazowy PF1 z przesunięciem fazy ±90° do dwóch modulatorów pierwszego M1 i drugiego M2. Równocześnie do mieszaczy pierwszego M1 i drugiego M2 jest doprowadzany sygnał małej częstotliwości o małej pulsacji ω, przy czym do pierwszego mieszacza M1 sygnał ten jest doprowadzany wprost, natomiast do drugiego mieszacza M2 poprzez drugi skokowy przesuwnik fazowy PF2 z przesunięciem fazy ±90°. Wyjścia mieszaczy pierwszego M1 i drugiego M2, są połączone odpowiednio poprzez drugi tłumik T2 i drugi regulowany przesuwnik fazowy P2 z drugim mieszaczem N2 oraz poprzez trzeci tłumik T3 i trzeci regulowany przesuwnik fazowy P3 z trzecim mieszaczem N3. Na wyjściach regulowanych przesuwników fazowych pierwszego P1, drugiego P2 i trzeciego P3 otrzymuje się sygnały prądowe 11, 12 i 13 o amplitudach A, B, C dla pierwszej pulsacji nośnej Ω1, opisane poniższymi wzorami.

= Acos Ω 1t, = Bsin Ω Itsinmt, = Csin Ω Icosmt.

PL 216 148 B1

Sygnały prądowe I1, I2 i I3 poddaje się mieszaniu w trzech mieszaczach zrównoważonych N1,

N2 i N3, sterowanych synchronicznie ze wspólnego generatora wielkiej częstotliwości G3 o drugiej pulsacji nośnej Ω2. Na wyjściach mieszaczy N1, N2 i N3 otrzymuje się sygnały o pulsacjach nośnych ηΩ1 ± mΩ2, gdzie n i m są dowolnymi liczbami naturalnymi. Zastosowanie mieszaczy N1, N2 i N3 zrównoważonych pozwala na wyeliminowanie opcji n=0 i m=0. W celu odfiltrowania sygnału o jednej, pożądanej pulsacji nośnej, to jest Ω1 + Ω2 lub Ω1 - Ω2. sygnały wyjściowe mieszaczy N1, N2 i N3 poddaje się filtracji w trzech jednakowych filtrach F1, F2 i F3, dostrojonych do jednej z tych pulsacji. Pozwala to na spełnienie niezbędnych tu trzech warunków: możliwości przestrajania urządzenia w szerokim paśmie częstotliwości, zasilenie anten A1, A2, A3 wytwarzających pole elektromagnetyczne przebiegiem harmonicznym o jednej, wybranej częstotliwości, która może być w razie potrzeby dowolnie modulowana oraz trzy sygnały emitowane przez anteny A1, A2, A3 spełniają warunek koherencji. Przesunięcia fazy w układach mieszaczy N1, N2 i N3 i filtrach F1, F2 i F3 nie są istotne, bowiem reguluje się przesunięcia fazy oraz amplitud A, B i C sygnałów prądowych 11, 12 i 13 doprowadzonych do mieszaczy N1, N2 i N3, co pozwala na dowolne kształtowanie polaryzacji od dowolnie usytuowanej w przestrzeni polaryzacji liniowej do quasisferycznej. Regulowanie tłumienia tłumikami T1, T2 i T3 pozwala na zmiany amplitud A, B i C, zaś zmiany fazy regulowanymi przesuwnikami fazy P1, P2 i P3, pozwalają na dowolne przesuwanie faz sygnałów doprowadzanych do mieszaczy zrównoważonych N1, N2 i N3. Na wejściach tych mieszaczy otrzymuje się pożądane składowe prądów, określonych wzorami, jednak pulsacja nośna tych sygnałów nie ulega zmianie i wynosi Ω1. Anteny A1, A2 i A3 zasilane są przebiegami o dowolnej częstotliwości, przy czym sygnały prądowe I1, I2 i I3 o pierwszej pulsacji nośnej Ω1 poddaje się mieszaniu w mieszaczach N1, N2 i N3 z sygnałem o drugiej pulsacji nośnej Ω2, doprowadzanym z drugiego generatora wysokiej częstotliwości G3. Ponadto zasilanie mieszaczy N1, N2 i N3 ze wspólnego drugiego generatora wysokiej częstotliwości G3 pozwala na uzyskanie koherencji trzech sygnałów pobudzających anteny. Pulsacje nośne wyjściowe mieszaczy N1, N2 i N3 wynoszą Ω1 ± Ω2. Sygnały wyjściowe mieszaczy N1, N2 i N3 poddaje się filtracji za pomocą strojonych filtrów F1, F2 i F3 dostrojonych do sumy lub różnicy tych pulsacji nośnych Ω1 ± Ω2. Po wzmocnieniu we wzmacniaczach mocy WM1, WM2 i WM3. sygnały są doprowadzane odpowiednio do anten A1, A2 i A3. Anteny pierwsza A1 i druga A2 umieszczone są w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych w pierwszej odległości R1 od obszaru pomiarowego O, w którym wytwarzane jest pole elektromagnetyczne o polaryzacji sferycznej. Trzecia antena A3 umieszczona jest na jednej płaszczyźnie z pierwszą anteną A1 w drugiej odległości R2 od obszaru pomiarowego O, przy czym kierunek promieniowania anten pierwszej A1 i drugiej A2 jest prostopadły do kierunku promieniowania anteny trzeciej A3. Odległości R1 i R2 mogą być jednakowe, jednak powinny odpowiadać występowaniu w obszarze pomiarowym O pola dalekiego, to znaczy, że odległości R1, R2 spełniają ₂ warunek R>2d /λ, gdzie d jest największym wymiarem poprzecznym obszaru O lub anten A1, A2 i A3, zaś λ jest długością fali. Rozmieszczenie przestrzenne anten A1, A2, A3 pozwala na uzyskanie w obszarze pomiarowym O pola elektromagnetycznego o trzech składowych przestrzennych, co w obecności dodatkowej modulacji małą pulsacją ω pozwala na uzyskanie przestrzennych obrotów płaszczyzny polaryzacji i uzyskanie pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej poprzez polaryzację quasielipsoidalną do polaryzacji liniowej, przy czym przestrzenne rozmieszczenie i wielkość poszczególnych składowych może być dowolnie regulowane za pomocą zmian tłumienia tłumików T1, T2 i T3 oraz przesunięć fazowych, za pomocą regulowanych przesuwników fazowych P1, P2 i P3.

Claims (4)

1. Urządzenie do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasisferycznej zawiera dwa generatory, przy czym pierwszy generator wysokiej częstotliwości, którego pierwsze wyjście połączone jest z wejściem pierwszego tłumika, a drugie wyjście połączone z wejściem pierwszego skokowego przesuwnika fazy, natomiast generator małej częstotliwości ma wyjście połączone z drugim przesuwnikiem fazy, znamienne tym, że wyjście pierwszego tłumika (T1) połączone jest poprzez pierwszy regulowany przesuwnik fazowy (P1), pierwszy mieszacz (M1), pierwszy filtr (F1) i pierwszy wzmacniacz mocy (WM1) z pierwszą anteną logarytmiczno-periodyczną (A1), przy czym wejście pierwszego mieszacza (M1), połączone jest z generatorem małej częstotliwości (G2), a wyjście pierwszego skokowego przesuwnika fazowego (PF1) połączone jest jednocześnie z wejściem pierwszego modulatora (M1) i z wejściem drugiego modulatora (M2), wyjście drugiego skokowego przesuwnika

PL 216 148 B1 fazy (PF2), którego wejście połączone jest z generatorem małej częstotliwości (G2), połączone jest poprzez drugi modulator (M2), trzeci tłumik (T3), trzeci regulowany przesuwnik fazowy (P3), trzeci mieszacz (N3), trzeci filtr (F3) i trzeci wzmacniacz mocy (WM3) z trzecią anteną logarytmiczno-periodyczną (A3), natomiast drugie wyjście generatora małej częstotliwości (G2) połączone jest poprzez pierwszy modulator (M1) i drugi tłumik (T2) drugi regulowany przesuwnik fazowy (P2), drugi mieszacz (N2), drugi filtr (F2) i drugi wzmacniacz mocy (WM2) z drugą anteną logarytmicznoperiodyczną (A2), przy czym pierwsza i druga antena (A1, A2) jest oddalona od obszaru pomiarowego (O) o pierwszą odległość (R1), a trzecia antena (A3) jest oddalona od obszaru pomiarowego (O) o drugą odległość (R2), ponadto pierwszy mieszacz (N1), drugi mieszacz (N2) i trzeci mieszacz (N3) podłączone są do drugiego generatora wysokiej częstotliwości (G3), korzystnie anteny (A1, A2, A3) umieszczone są w kabinie ekranowanej.

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwszy mieszacz (N1), drugi mieszacz (N2) i trzeci mieszacz (N3) są mieszaczami zrównoważonymi.

3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwszy, drugi i trzeci filtr (F1, F2 i F3) są jednakowe.

4. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwsza odległość (R1) jest równa drugiej odległości (R2), przy czym w obszarze pomiarowym (O) występuje pole dalekie spełniające warunek ₂ oznaczający, że każda odległość (R1, R2) jest większa od 2d /λ, gdzie d jest największym wymiarem poprzecznym obszaru pomiarowego (O) albo anten (A1, A2 i A3), zaś λ jest długością fali.