Чувствительный индикатор электромагнитного поля

Задача обнаружения и детектирования слабых электромагнитных полей может быть успешно решена использованием в детекторе обращенных диодов. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) обращенного диода (ОД) приведена на рис. 1. Как видно, ее обратная ветвь начинается из нуля. Такая форма обратной ветви определяется тем, что ОД при нулевом смещении р-n перехода находится в состоянии электрического пробоя, или, иными словами, обратное напряжение пробоя такого диода равно нулю. Это свойство р-n перехода достигается высокой концентрацией легирующих примесей в исходном полупроводниковом материале.

Прямая же ветвь ВАХ ОД соответствует характеристике обычного диода и для различных полупроводников начинается с некоторого порогового напряжения, около 0,3 В для германия и 0,6 В для арсенида галлия. Таким образом, «перевернув» диод «вверх ногами», мы получаем идеальный детектор с ВАХ, начинающейся из нуля и с «обратным напряжением» — доли вольта. На рис. 2 показана повернутая на 180° ВАХ ОД, соответствующая характеристике, почти идеальной для детектирования малых сигналов — это лучшее, что существует в современной элементной базе.

Впрочем, внимательнее посмотрев на ВАХ обращенного диода, можно заметить и ярко выраженную нелинейность третьего порядка. Это позволяет с успехом применять ОД в смесителях высокочувствительных радиоприемников и конвертеров. Я не уверен в чистоте эксперимента, но в годы моей активной работы на диапазоне 432 МГц (конец 70-х, коллективная УКВ радиостанция МГУ UK3ACF) простая замена диода в смесителе конвертера на обращенный повышала громкость принимаемых радиостанций на 2...3 балла. При этом эфир субъективно казался «чище», поскольку практически полностью исчезали перегрузки от мощных станций.

Принципиальная схема. Итак, строим индикатор электромагнитного поля с детектором на обращенных диодах. Схема индикатора, показанная на рис. 3, соответствует схеме обычного детекторного приемника без колебательного контура.

Полярность головки указана верно — диоды обращенные, детектирование происходит на обратной ветви ВАХ. Чувствительность прибора определяется исключительно имеющимся стрелочным микроамперметром. При использовании прибора с полным отклонением стрелки при токе 50 мкА индикатор обнаруживает передатчики сотовых сетей с расстояния в несколько сотен метров. Радиовещательные передатчики УКВ и FM диапазонов обеспечивают отклонение стрелки индикатора на 30...70 % шкалы при дальности 1,5...2 км. Практически, перемещаясь с этим прибором по Москве, редко удается найти место, где бы стрелка не отклонялась. Особенно интересные эффекты можно наблюдать в квартирах на высоких этажах. Иногда в совершенно непредсказуемом месте комнаты прибор показывает почти полное отклонение стрелки. Подробное же исследование и осмотр близлежащих зданий, видимых из окна, выявляет нахождение в пределах прямой видимости передающих антенных систем.

Небольшая доработка прибора с введением колебательного контура (рис. 4) еще более увеличит чувствительность прибора и позволит наблюдать пространственные картины полей определенных радиопередатчиков или вещательных радиостанций. Теперь у нас получается резонансный, т. е. селективный индикатор электромагнитного поля. Для достоверной идентификации того или иного радиопередатчика целесообразно дополнить прибор высокоомными телефонами (R > 2 кОм), включенными по переменному току параллельно стрелочному прибору. Параметры катушки L1 и конденсатора С1 выбираются исходя из нужного диапазона частот. Отвод к антенне делается от 1/5, а к детектору от 1/3 общего числа витков катушки, считая от нижнего по схеме вывода (соединенного с общим проводом).

К положительным качествам прибора можно отнести также и то, что при помещении его в поля с высокой напряженностью детектируемое напряжение никогда не превышает долей вольта в силу специфики ВАХ обращенного диода. Это качество предохраняет микроамперметр от выхода из строя.

Детали. В индикаторе могут быть использованы обращенные диоды серий ГИ401 или АИ402 с любыми буквенными индексами. Конденсаторы С1 (см. рис. 3), С2 и СЗ (рис. 4) могут быть типа К10-17-1 в или любые другие керамические безвыводные для поверхностного монтажа, С4 (рис. 4) — КМ-6 или К10-28, К10-47. Переменный конденсатор С1 (рис. 4) — типа КПВ или любого другого, с воздушным диэлектриком.

Катушка L1 для работы индикатора в диапазоне метровых волн должна быть намотана толстым (0 > 1 мм), желательно посеребренным проводом на керамическом ребристом каркасе. В дециметровом диапазоне катушка L1 может быть бескаркасной, выполненной посеребренным проводом 0 > 2 мм. Достаточно всего 1...3 витка. На более высоких частотах целесообразно использование полосковых резонаторов.

В качестве стрелочного индикатора в приборе применен микроамперметр М4204 с током полного отклонения стрелки 50 мкА и сопротивлением рамки 1600 Ом. Эти параметры не критичны, поэтому подойдет любой микроамперметр, желательно с током полного отклонения стрелки не более 100 мкА.

Конструкция. Антенна прибора (рис. 5) представляет собой широкополосный симметричный вибратор с линейной поляризацией.

Она выполнена из односторонне фольгированного стеклотекстолита. На ней же расположены все элементы индикатора (рис. 6) и к ней же крепится микроампермвтр с помощью своих винтовых выводов. С помощью такой антенны легко определяется поляризация наблюдаемого электромагнитного поля и даже, при некотором навыке, изменение поляризации при отражении радиоволн от стен железобетонных зданий и крупных металлических предметов.

Данный прибор может быть весьма полезен в радиокружках и в учебных заведениях для наглядной иллюстрации пространственной интерференционной картины суммарного электромагнитного поля, окружающего нас повседневно.

При использовании антенны с более выраженной направленностью (многозлементные рамки, волновые каналы, логопериодические антенны) прибор можно использовать для «комнатной» игры «Охота на лис» в радиокружках. Впрочем, в этом качестве он может быть полезен, например, для поиска скрытых радиопередатчиков.

Для работы в диапазоне коротких волн (f < 30 МГц) этот индикатор не рассчитан, что связано с низкой эффективностью сильно укороченного вибратора — антенны.

Описанный прибор исправно работает у меня с 1985 г. Он ни разу не отказывал и не подвергался ремонту. В свое время, будучи разработчиком радиопередатчиков, я всегда держал этот прибор на рабочем стенде, обеспечивая контроль за качеством экранировки и отсутствием излучений не только на своем рабочем месте, но и в ближайшем окружении. И надо сказать, что справлялся он с этой задачей лучше, чем официальные службы радиоконтроля. Спасибо ему огромное!

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 3 номер 2003 год