SENZORI DE CAMP ELECTROMAGNETIC

Antena,  interfata intre emitator si mediu sau intre mediu si receptor, poate fi utilizata si la masurarea CEM. Datorita domeniului larg de utilizare a antenelor, in prezent exista o mare varietate, iar literatura in domeniu este vasta.

O clasa speciala de antene, "antene electric mici", proiectate si perfectionate, mai ales, in ultimii 30 40 de ani, au fost denumite senzori de camp electromagnetic.

Optimizarea acestor senzori, pentru a fi utilizati la masurarea campurilor electromagnetice, se face referitor la: precizie, sensibilitate, caracteristica de directivitate, cresterea latimii de banda (pentru a permite masurari in domeniul timp), neperturbarea campului (considerente de topologie si simetrie la instalarea senzorilor si la conectarea lor la instrumentatia utilizata in procesul de masurare), posibilitati de functionare in anumite medii (aer, apa, tesuturi, "zona sursa" a unei descarcari atmosferice).

Senzorul de camp electromagnetic este o antena speciala cu urmatoarele proprietati [Baum78], [Baum83], [Baum86], [Miller86],:

este un dispozitiv analogic pasiv, care converteste o marime electromagnetica de interes, intr-o tensiune sau curent la bornele sale (o pereche de terminale);

este etalon primar, in sensul ca pentru convertirea campului in tensiune sau curent, sensibilitatea este determinata din geometria lui;

este la fel de precis din punct de vedere al calibrarii, ca un camp etalon (o precizie de cateva procente este usor de atins);

functia lui de transfer este simpla de-a lungul unei mari benzi de frecventa (de exemplu, tensiunea de iesire constanta functie de camp sau derivata campului).

Topologiile in gol, pentru senzorul de camp electric si in scurtcircuit, pentru cel de camp magnetic, precum si circuitele echivalente (Thevenin si Norton) ale acestor senzori, avand ca impedanta de sarcina impedanta caracteristica, Z_c, sunt date in fig. 1.

Senzorul de camp electric (dipolul electric - fig. 1) este alcatuit din doua conductoare separate, conectate la o pereche de borne.

Daca acest senzor este "iluminat" (se afla sub influenta) de un camp electric Eⁱ (camp electric incident), atunci la bornele lui apare o tesiune U_{gol e} (tensiune in gol pentru senzorul de camp electric), sau daca bornele sunt in scurtcircuit, un curent de scurtcircuit I_{sc e} (curentul de scurtcircuit pentru senzorul de camp electric). Parametrii de baza ai senzorului de camp electric sunt: (aria echivalenta), (lungimea echivalenta), si C (capacitatea),.

Deoarece:

, (1)

doar doi parametri sunt independenti.

In domeniul antenelor se utilizeaza pentru lungimea echivalenta, de obicei, termenul de lungime efectiva sau inaltime efectiva si se noteaza cu h_e.

Senzorul de camp magnetic (dipolul magnetic - fig. 1) este o bucla la intreruperea (interstitiul) careia se conecteaza o impedanta de sarcina.

Daca acest senzor este "iluminat" (se afla sub influenta) de un camp magnetic Hⁱ (camp magnetic incident), atunci la bornele lui apare o tensiune U_{gol h} (tensiune in gol pentru senzorul de camp magnetic), sau daca bornele sunt in scurtcircuit, un curent de scurtcircuit I_{sc h} (curentul de scurtcircuit pentru senzorul de camp magnetic).

(aria echivalenta), (lungimea echivalenta), si L (inductivitatea) sunt parametrii de baza ai senzorului de camp magnetic.

Exista si aici relatia de legatura intre si .

(2)

In cele ce urmeaza se va  determina raspunsul in frecventa al celor doi senzori de baza si se va reprezenta grafic in fig.2.

Pentu senzorul de camp electric, daca se considera schema echivalenta Thevenin din fig.1, rezulta transformata Laplace a tensiunii de iesire de forma:

In situatia: , rezulta:

,

deci raspunsul senzorului este proportional cu derivata campului .

In situatia: , rezulta:

,

deci raspunsul senzorului este proportional cu campul .

S-au obtinut, astfel, doua regiuni de operare, despartite prin frecventa critica pentru senzorul de camp electric, f_{cr e},.

Acestea sunt:

regiunea cu raspuns proportional cu derivata campului () - curba 1 din fig. 2, pentru ;

regiunea cu raspuns proportional cu campul () - curba 2 din fig.2, pentru

In jurul frecventei critice, raspunsul senzorului are o forma mai complicata neliniara), de aceea se evita aceasta regiune. Oricum, abaterea de la cele doua curbe ideale (curba 1 sau curba 2) este maxima (3 dB) la frecventa critica.

.

Pentu senzorul de camp magnetic, daca se considera schema echivalenta Thevenin din fig.1, rezulta transformata Laplace a tensiunii de iesire de forma:

In situatia: , rezulta:

,

sau daca tinem cont de relatia (2):

deci raspunsul senzorului este proportional cu derivata campului .

In situatia: , rezulta:

,

deci raspunsul senzorului este proportional cu campul .

Si de aceasta data au fost puse in evidenta cele doua regiuni de operare (proportionalitate cu derivata campului si proportionalitate cu campul), despartite de f_{cr h} (frecventa critica pentru senzorul de camp magnetic - h), care are valoarea:

Senzorii de baza prezentati (fig. 1) sunt pasivi si conceputi ca "senzori etalon", (precizie mare), atat pentru masurarea lui  sau, cat si pentru masurarea lui si . Ei au o sensibilitate slaba, deoarece cresterea benzii de frecventa necesita dimensiuni mici.

Ar trebui indeplinite doua cerinte pentru a extinde domeniul de utilizare al acestor senzori:

scaderea frecventei critice, pentru ca senzorul sa lucreze pe partea de proportionalitate cu campul;

cresterea sensibilitatii senzorului.

Indeplinirea, in parte, a acestor cerinte a dus la aparitia senzorilor activi sau semi activi de banda larga, utilizati la masurarea campurilor tranzitorii.

Senzorii activi au raspuns proportional la sau , au mare sensibilitate si o banda de frecventa de aproximativ 200 MHz, sau chiar mai mare (2 kHz 2 GHz).

Senzorul activ de camp electric este obtinut prin incarcarea unui senzor de camp electric cu un amplificator de inalta impedanta (amplificator de tensiune).

Senzorul activ de camp magnetic poate fi obtinut prin incarcarea unui senzor de camp magnetic cu un amplificator de mica impedanta (amplificator de curent).

Circuitele active sunt plasate in structura fizica a senzorului sau in imediata vecinatate, putand sa realizeze si transformarile de impedanta pe care le presupune existenta unei linii de transmisie.

Senzorul semiactiv se obtine dintr-un senzor de camp cu raspuns proportional la derivata campului si un integrator, care face raspunsul independent de frecventa.

El are o sensibilitate de 30 - 100 ori mai mare decat a unui senzor pasiv, dar mai mica decat a unui senzor activ. In schimb, banda lui de frecventa poate ajunge la 30 GHz.

Trebuie mentionat ca senzorii activi, mult mai complecsi decat senzorii pasivi de camp, nu mai sunt senzori etalon, ci trebuie calibrati in general prin metoda "campului etalon". Acest camp este obtinut intr-o celula TEM sau GTEM - §8.1 (in domeniul frecventa) si intr-un generator de puls electromagnetic (in domeniul timp).

In afara acestor senzori elementari - dipoli pentru E si bucle pentru H - mai exista si altii bazati pe efecte optice, efectul Hall [Antoniu99], senzori integrati, etc.