Abstract:

Semiconductor microwave detection devices represents a simpler solution and an alternative for evaluation of the power density of radiofrequency/microwave fieds, when not high accuracy is needed. The paper’s aim is to present an experimental approach by using a diode detector to measure the power density of an 400 MHz low level field, irradiated by a rod antenna inside a non-anechoic room. Calibration of the detector, experimental measurement of the power level of the incident field and the calculation of the power density are presented. Specific observations are outlined, and a comparison of the results with the value measured by a professional Narda survey meter are discussed.

Introducere:

Problema detectiei si masurarii exacte a nivelului densitatii de putere a câmpurilor de radiofrecventa si microunde presupune utilizarea unei aparaturi costisitoare si complexe [1,2]. Aceste masuratori se realizeaza de catre echipe de specialisti in unitatile militare care au in dotare surse de radiofrecventa si microunde (in speta in comunicatiile militare si in radiolocatie). Uneori insa este suficienta estimarea aproximativa a nivelului câmpului emis de surse, caz in care se poate utiliza un procedeu mai simplu, asa cum se va prezenta in lucrarea de fata. Experimental, s-a urmarit determinarea nivelului densitatii de putere a unui câmp slab de microunde, in apropierea unei antene filare, utilizand o dioda de detectie tip ROV564, si compararea valorilor obtinute cu cele masurate utilizand ulterior un survey metru profesional de tip Narda. Intr-o prima etapa s-a efectuat calibrarea diodei detectoare, iar apoi s-au efectuat masuratorile de câmp in zona de ineters. S-a constatat ca erorile obtinute din determinarile cu ajutorul diodei detectoare sunt relativ-mici, fata de cazul cand in masuratori s-a folosit un aparat de masura performant.

Fundament teoretic:

Aceasta metoda de detectie este realizata cu diode semiconductoare. Alegerea tipului de jonctiune tine cont de frecventa ridicata (f > 1010 Hz) si de nivelul mic de putere dat de generatoarele uzuale. Jonctiunile folosite in domeniul microundelor sunt de tipul metal-oxid-semiconductor realizate in configuratii punctiforme (W-Se) sau structuri Schottky. Detectia se realizeaza prin introducerea diodei (sau a unei sonde colectoare) intr-un maxim de câmp electric al radiatiei de microunde [3]. Tensiunea masurata pe dioda se inscrie in domeniul (0.0018-3)V si este dependenta de nivelul de putere al microundelor. In fig.1 este prezentata diagrama tensiune-putere pentru un detector punctiform tipic. Intervalul de tensiune (V) este dat in scara logaritmica, iar cel de putere in (dBm) (decibeli raportati la 1mW). Se observa trei domenii distincte de functionare a diodei:
- primul domeniu este denumit „al dependentei patratice"; in acest domeniu tensiunea detectata de dioda este proportionala cu puterea microundelor pana la puteri incidente de ordinul a (-20) dBm. Dificultatile de masura in acest domeniu sunt legate de nivelul mic al semnalului detectat (0.0018-0.008)V corespunzator la un domeniu de putere de ((-27)-(-20)) dBm; este domeniu de semnal mic;
- al doilea domeniu este un domeniu de proportionalitate, iar dependenta nu are un caracter matematic pur. Nivelul de putere al microundelor corespunzator acestui domeniu este situat intre (-20) - 15 dBm; este domeniul cel mai folosit in aplicatii;
- al treilea domeniu este denumit „al dependentei liniare" deoarece tensiunea detectata este proportionala cu amplitudinea câmpului electric. Tensiunile detectate sunt mai mari de 1,2 V. La masuratorile efectuate in acest domeniu nu se depasesc tensiuni detectate mai mari de 3V deoarece poate apare distrugerea jonctiunii (sau modificari ireversibile) .

O metoda de calibrare a detectorilor cu jonctiune punctiforma, pentru domeniu de proportionalitate, foloseste urmatoarea relatie de dependenta intre puterea microundelor Px si tensiunea corespunzatoare detectata Ux:
(1)
 

unde:
Pp,Up - puterea si tensiunea corespunzatoare masurate in zona patratica;
Ui -este punctul de intersectie al asimtotelor domeniilor liniare;
Determinarea acestei valori se face prin calibrarea detectorului conform relatiei:
 

(2)

unde : Up, Pp, Ux, Px sunt puncte in coordonate de tensiune – putere, determinate din masuratori de calibrare.
Pentru un domeniu de putere cuprins intre (-27 ...11) dBm, eroarea in putere data de relatia (1) este mai mica de DP = 0.1 dBm. Diodele semiconductoare sunt cele mai utilizate dispozitive de detectie ale radiatiei de microunde. Utilizarea lor este limitata in frecventa pana la valori de 60 GHz. La valori superioare ale frecventei radiatiei de microunde sunt utilizati detectorii termici (de tip bolometric).

Determinari experimentale:

a) Calibrarea detectorului cu dioda:

Pentru calibrarea detectorului ROV564, s-a utilizat o configuratie redata schematic in fig. 2. Masuratorile au fost efectuate la frecventa de 300 MHz – unda continua; câmpul a fost generat de un Q-metru Tesla BM512. S-au folosit doua antene identice, una cuplata la power-metru, iar cealalta la detector. Antenele au fost „lipite" una de alta intr-o teaca dielectrica si au fost pozitionate pe un suport fix, la 3 cm de antena de emisie a Q-metrului.

Pentru etalonare s-a reglat Q-metrul pentru o rezonanta la emisie si s-a modificat treptat puterea de emisie. Valorile citite la power-metru si la milivoltmetrul de curent continuu sunt redate in tabelul nr.1. Curba de etalonare este prezentata in fig. 3.

Tabelul 1:
 

mW	0.120	0.100	0.082	0.065	0.050	0.037	0.030	0.020	0.010	0.005
mV	2.43	2.07	1.69	1.32	1.00	0.76	0.59	0.34	0.14	0.06

Observatii:

- pozitia persoanei care a efectuat masuratorile a modificat unda emisa in spatiu; apropierea la 40 cm de antene modifica puterea cu pana la 50% din valoarea emisa (prezenta unui obiect fizic in proximitate – corpul uman, „consuma" din puterea incidenta).

- la nivele mici ale semnalului (0.03mW/0.6mV) modificarea indusa de prezenta umana este drastica, mergand pana la a nu mai avea semnal masurabil pe scala de masura aleasa.

 
 

- pentru pozitionarea experimentatorului la distante ce depasesc 1.5 m de zona antenelor, semnalul nu mai pierde semnificativ din valoare.

b) Determinarea densitatii de putere a campului de microunde:

A doua faza a experimentului a urmarit evaluarea densitatii de putere a câmpului in apropierea unei antene filare conectate la generatorul de radiofrecventa. Semnalul emis de antena avut urmatoarele caracteristici: frecventa purtatoare = 400 MHz, impulsuri rectangulare, frecventa de repetitie = 1 kHz, durata impulsului = 0.5 ms. Campul emis de antena a fost masurat in interiorul unei incaperi cu pereti anecoici, de dimensiunile: 11.5x7x4 m.
In campul indepartat al antenei emitatoare a fost plasat detectorul ROV564, avand anexata o antena cu lungimea 2 x l/4 (l = lungimea de unda a radiatiei), adica o lungime totala de 375 mm (si un diametru de 1.3 mm) si a fost conectat la milivoltmetrul electronic (fig.4). Similar, se poate utiliza pentru determinarea puterii câmpului incident, intr-un anumit punct din spatiu, un powermetru la care s-ar conecta o antena constituita dintr-un cablu coaxial, la care pe o portiune de l/4 lipseste firul de masa (fig.4). Experimental am utilizat primul tip de configuratie, ca fiind mai sensibila.
S-a determinat in prima etapa puterea emisa de antena conectata la generatorul de radiofrecventa, utilizand curba de etalonare a detectorului. Pentru zona de interes din incapere, a fost masurata o valoare maxima a puterii incidente de 0.005 mW.
Pentru determinarea densitatii de putere a câmpului este necesara parcurgerea inca unei etape: calculul ariei efective A al unei antene (a antenei de receptie conectata la dioda detectoare). Aria efectiva a unei antene este o marime care depinde de unghiul de incidenta dintre frontul de unda (normala la forntul de unda) si normala la suprafata antenei.
Antena in cauza (antenuta detectorului) poate fi aproximata cu o suprafata metalica egala cu suprafata planului diametral al firului, in cazul acesta:
S= axb = 375 x 1.3 = 487.5 mm² (3)

unde: (a) este lungimea firului, iar (b) diametrul.
Considerand ca unghiul dintre frontul de unda si normala pe suprafata antenei (S) este nul (deci antenele de emisie si receptie sunt paralele), aria efectiva a antenei (A) este data de relatia:
A = 4 p S² / l² (4)
unde l este lungimea de unda in spatiul liber.
In cazul nostru (f=400MHz), l= 750 mm, iar aria efectiva a antenei utilizate A = 5.31 mm^{2 .}Cu acesta antena s-a detectat un semnal efectiv Ue=0.06mV, caruia ii corespunde prin etlonarea detectorului, o putere de microunde de P = 5mW.
Densitatea de putere (Ps) va fi deci:
Ps = P/A = (5/5.31) mW/mm² = 0.094 mW/cm² (5)
Ps = 94 mW/mm² (6)
 

Discutii si concluzii:
Este evident ca metoda de detectie utilizata este afectata de erori. Acestea sunt inerente, deoarece nu se poate tine seama de tipul de polarizare al undei, si nici nu se poate introduce in calcule un factor de corectie care sa tina seama de modulatia câmpului. Cu toate acestea, deteminari experimentale profesionale, efectuate in conditii identice, insa utilizand un survey metru Narda 8718 dotat cu antena model 8721 [4], a condus la o valoare masurata a densitatii de putere de 45 mW/mm². Desi eroarea absoluta a rezultatului este de 50%, trebuie tinut seama de faptul ca ambele valori ale densitatii de putere sunt foarte mici, si pe acest domeniu valoric sunt de asteptat erori mari.
Consideram insa ca metoda utilizata de noi poate inlocui metoda profesionala de evaluare a campului, atunci cand este nevoie de o evaluare grosiera si rapida.

1. *** Procedures for Evaluation of Exposure, in: Report no. 119 (1993) of National Commitee on Radiation Protection, „Practical guidance on the evaluation of human exposures to radiofrequency fields", pp. 69-129, U.S.A., 1993.
2. Trzaska H., Power Density as the Standardized Quantity, Proceedings of the COST 244 Meeting on Methods for Exposure Assesment Related to Standards & Design and Quality Control of Laboratory Experiments, Athens, 25-28 March, 1995.
3. Surducan E., Caracterizarea substantei prin masuratori de absorbtie a microundelor, Teza de Doctorat, Cluj-Napoca, 1997.
4. Bacanu M., Miclaus S., Determinarea densitatii de putere a undelor electromagnetice de hiperfrecventa. Utilizarea sistemului de masurare Loral Microwave Narda, Buletinul Stiintific al Academiei Trupelor de Uscat, Sibiu, nr. 1(3), 1997.