Измерение помех излучения и восприимчивости к ним

Эталонная методика измерения напряженности электромагнитного поля в диапазоне частот 30….1000 МГц предписывает использование открытой измерительной площадки с идеальным проводящим покрытием, на которой отсутствуют сторонние электромагнитные излучения, кроме излучений испытуемого изделия. Идеальное проводящее покрытие гарантирует предсказуемые и повторяющиеся результаты, не зависящие от действительных электрических характеристик почвы, на которой размещается измерительная площадка.

Размеры открытой измерительной площадки зависят от расстояния D, на котором располагаются испытуемое изделие и мачта с измерительной антенной. Рекомендуемая форма площадки имеет вид эллипса, у которого размеры малой и большой оси связаны с расстоянием между испытуемым изделием и мачтой с измерительной антенной, как это представлено на рис. 3.6. Для получения свойств реальной площадки приближенных к свойствам идеальной площадки ее покрывают металлическим покрытием, которое простирается между испытуемым изделием и антенной мачтой и далее за точками их размещения. Создать такую площадку не трудно и не дорого. Она может быть даже временной структурой, в которой в качестве плоскости земли используется металлическая сетка, которая может быть легко свернута и развернута на новом месте.

На площадке (рис. 3.7) размещаются диэлектрический поворотный столик высотой 80 см для испытуемого изделия, поворотное устройство для вращения столика, измерительная антенна и антенная мачта, которая позволяет перемещать антенну по высоте от h_min до h_max. Сигнал с антенны поступает на измерительный приемник или анализатор спектра.

Коммерческие стандарты предусматривают использование трех расстояний между испытуемым изделием и антенной, D = 3, 10 и 30 м. Последнее применяется редко. Для площадок, на которых испытуемое расстояние составляет 3 м или 10 м, антенная мачта должна допускать возможность перемещения измерительной антенны по высоте в интервале от h_min = 1 м до h_max = 4 м. Для площадок, на которых D = 30 м, граничные значения перемещения по высоте составляют h_min = 2 м, а h_max = 6 м.

Основной характеристикой измерительной площадки является зависимость нормированного ослабления площадки от частоты. Эта характеристика определяет ослабление излучения от точки, где располагается испытуемое изделие, до измерительной антенны. Стандарты CISPR (CISPR-16 и
CISPR-22) содержат таблицы зависимости теоретического нормированного ослабления от частоты для горизонтальной и вертикальной поляризации для разных расстояний измерения. При подготовке площадки к испытаниям измеряют ослабление на площадке и сравнивают измеренное значение с теоретическим. Площадка считается пригодной для измерений, если измеренные значения нормированного ослабления отличаются от теоретических меньше, чем на ±4 дБ.

В качестве измерительных антенн используются антенны с линейной поляризацией. Антенна должна предоставлять возможность измерять горизонтальную и вертикальную электрическую составляющую электромагнитного поля. Антенны должны быть калиброваны. Это означает, что должен быть известен антенный множитель, который связывает напряжение на нагрузке антенны с напряженностью поля, которая создает это напряжение. Это позволяет по значению напряжения на входе измерительного прибора (измерительного приемника или анализатора спектра) определить напряженность электромагнитного поля в точке расположения измерительной антенны на выбранном расстоянии между испытуемым изделием и антенной. Поскольку антенный множитель зависит от частоты, то должна быть известна эта частотная зависимость.

Исторически для измерения излучений использовались два типа антенн: биконическая антенна и логопериодическая антенна. Обе антенны реагируют на электрическую составляющую электромагнитного поля и дополняют друг друга по диапазонам частот. Для биконической антенны диапазон частот обычно составляет 30…300 МГц, а для логопериодической 300…1000 МГц. В настоящее время на основе объединения этих антенн создана билогарифмическая антенна, которая имеет характеристики подобные характеристикам каждой из составляющих ее антенн в соответствующем диапазоне частот. Такая антенна обычно перекрывает диапазон частот 30 МГц…1 ГГц, хотя существуют разновидности с рабочим диапазоном частот от 20 МГц до 2 ГГц.

В диапазоне частот 30…1000 МГц для измерения напряженности поля могут использоваться диполи. Достоинством этих антенн является то, что их реакция на внешнее электромагнитное поле может быть рассчитана с высокой степенью точности, и при точном изготовлении антенны теоретические расчеты и результаты натурных измерений характеристик антенн (в том числе и антенного множителя) практически совпадают. Однако дипольные антенны имеют очень узкий диапазон рабочих частот. Для перекрытия диапазона 30…1000 МГц нужно иметь достаточно большой набор таких антенн, что делает испытания более дорогими и более затратными во времени. Диполи используют чаще всего для калибровки измерительной площадки, на которой происходят измерения излучений.

Для измерений на частотах выше 1 ГГц используют очень небольшие диполи, рупоры или Н-образные волноводы.

Рис. 3.7 показывает, что в измерительную антенну наряду с прямым лучом поступает и луч, отраженный от площадки. Сигналы этих лучей в антенне могут складываться как в фазе, так и в противофазе. В процессе измерений на каждой испытуемой частоте для ситуации наихудшего случая отыскивают максимальное значение излучений, которое создает испытуемое изделие на заданном расстоянии. С этой целью для каждого фиксированного положения испытуемого изделия поиск максимального излучения осуществляют, перемещая антенну вдоль мачты по высоте от h_min до h_max. Затем испытуемое изделие поворачивают на поворотном столике на некоторый угол, и процедуру измерений повторяют. Измерения проводят как для горизонтальной, так и для вертикальной поляризации.

При испытаниях изделия на соответствие нормам ЭМС измеренные на каждой частоте максимальные излучения сравнивают с нормативными значениями.

Измерения на открытых площадках страдают от шумов окружения. В процессе измерений уровень фоновых помех должен быть, по меньшей мере, на 6 дБ ниже уровня установленных граничных значений на излучения измеряемого изделия. Однако в Европе радиопомехи от окружающих радиосредств являются наиболее трудно разрешимой проблемой при создании открытых измерительных площадок. Помехи могут быть обусловлены работой передатчиков радиовещания, излучениями радиопейджеров, мобильных телефонов и других средств телекоммуникаций, а также индустриальными излучениями различного происхождения. Это приводит к тому, что некоторые излучения от испытуемого изделия могут быть забиты сильными помехами окружения. Поэтому наряду с открытыми измерительными площадками используются и другие альтернативные методы измерений излучений технических средств.

Альтернативой открытым измерительным площадкам являются экранированные помещения без поглотителей и безэховые экранированные камеры с внутренними поглотителями. Экранированные помещения изолируют испытуемое изделие и пространство, в котором находятся его излучения от внешних электромагнитных полей. Для любого экранированного помещения очень важно наличие непрерывной металлической оболочки без разрывов любого размера и вида. Это требование создает определенные трудности в устройстве дверей и вентиляции в таких помещениях. Сети питания и сигнальные провода, входящие или выходящие из экранированного помещения, должны быть оснащены необходимыми фильтрами. Экранированные помещения без поглощения имеют недостаток, состоящий в том, что в таких помещениях происходит отражение электромагнитной энергии от экранирующих стенок, и в них возможно появление стоячих волн, вызванных резонансными явлениями, когда экранированное помещение ведет себя как объемный резонатор.

Использование поглотителей высокочастотной энергии позволяет резко снизить амплитуду этих резонансов или вообще подавить их. Поглотители используют двух типов: большие клинья или пластины, обычно из полиуританового пенопласта, пропитанного углеродистым веществом, и ферритовые черепицы. Ферритовые черепицы имеют значительный вес, что является их недостатком. Оба вида поглотителей являются дорогими. Большой размер клиновидных поглотителей и большой вес ферритовых черепиц, а также их достаточно высокая стоимость означают, что для получения экранированных безэховых камер с хорошим нормированным ослаблением площадки поглотители следует располагать разумно.

Наряду с полностью покрытыми поглотителем безэховыми камерами используются помещения, в которых поглотителем покрыто все, кроме металлического пола.

В полностью безэховой камере, где отсутствуют отражения, не нужно сканировать измерительную антенну по высоте, что позволяет сэкономить время испытаний. В других экранированных помещениях процедура измерений происходит аналогично процедуре на открытых измерительных площадках.

Экранированные помещения и безэховые камеры применяются также для измерения помехоустойчивости (восприимчивости) технических средств по отношению к помехам излучения. В этом случае антенны, которые использовались в качестве измерительных, становятся передающими. Кроме того, должна существовать возможность изменения напряженности поля и его поляризации в месте размещения испытуемого объекта.

Поскольку экранированные помещения и безэховые камеры являются дорогостоящими объектами, то для измерения уровней излучений и помехоустойчивости к ним относительно небольших изделий используются камеры с поперечной волной, называемые Т-камерами или TEM- и GTEM-камерами.

Идея построения TEM-камеры основана на расширении отрезка коаксиальной линии до размеров камеры. При этом центральный проводник кабеля переходит в металлическую пластину, разделяющую камеру на две части – верхнюю и нижнюю. Вид TEM-камеры и схема ее использования в процедурах измерений представлены на рис. 3.8. TEM-камера выполняется в виде двухпроводной системы, в которой зоной для проведения испытаний служит область между внутренним и внешним проводником. Обычно центральная перегородка (внутренний проводник) располагается на равном расстоянии от верхнего и нижнего внешних проводников. Однако, для расширения зоны, где размещается испытуемое изделие, перегородка может смещаться в вертикальном направлении.

В согласованной с нагрузкой коаксиальной линии, как в свободном пространстве, имеет место бегущая поперечная волна. Быстрое изменение размеров коаксиального кабеля приводит к резкому изменению волнового сопротивления линии и отражению электромагнитной волны от границ, где происходит перепад волновых сопротивлений. Чтобы обеспечить режим поперечной бегущей волны, переход от камеры к коаксиальному кабелю осуществляется посредством сужения камеры. При этом суженные участки должны быть плавными и длинными. Эти участки играют роль трансформаторов сопротивления, согласуя волновое сопротивление кабеля с волновым сопротивлением камеры. С одного конца камеры кабель нагружают на нагрузку 50 Ω, совпадающую с волновым сопротивлением кабеля. С другого конца камеры в зависимости от того, используется ли камера для измерения излучений испытуемого изделия или его восприимчивости (помехоустойчивости) к излучениям, подключают источник (генератор) сигнала или измерительный приемник, согласованные с кабелем, соединяющим соответствующий прибор с камерой.

ТЕМ камера создает экранированный объем, в котором отсутствуют многократные отражения, характерные для экранированных помещений без поглощений. В тоже время внешние электромагнитные поля не влияют на результаты измерений слабых излучений испытуемой аппаратуры, а создаваемое внутри камеры сильное испытательное поле при измерениях помехоустойчивости технических средств не будет воздействовать на внешние электронные устройства. При измерениях восприимчивости (помехоустойчивости) технических средств к помехам излучения ТЕМ-камеры позволяют создавать напряженность поля, в котором находится испытуемое изделие, от нескольких микровольт на метр до нескольких сотен вольт на метр. Создаваемое между внешним и внутренним проводником поле точно имитирует поле плоской волны в свободном пространстве и отличается постоянной амплитудной и линейной фазовой характеристиками.

Чтобы избежать нарушений однородности поля в камере, высота испытуемого изделия должна быть не более одной трети высоты пространства, в котором размещается это изделие (h₁ ≤ h/3). Полезный диапазон частот простирается от нуля до некоторого верхнего граничного значения, определяемого появлением наименьшей высшей моды. Значения верхней граничной частоты и объема камеры, доступного для испытаний, связаны обратно пропорциональной зависимостью.

Современные Т-камеры имеют разнообразный вид и конструкцию. Камеры, предназначенные для испытаний на частотах выше 1 ГГц, называют GTEM-камерами. На рис. 3.9 представлена одна из конструкций
GTEM-камеры. Вместо параллельных плоскостей эта GTEM-камера имеет вид четырехгранной пирамиды, положенной на одну грань, и поглощающую стену на основании, лежащем напротив вершины, в которую сходятся грани пирамиды. GTEM-камеры имеют значительные размеры, даже если используемая область для испытуемого изделия и его кабелей мала. Требования к высоте испытуемого объекта по отношению к высоте используемого пространства остаются прежними: h₁ ≤ h/3. При измерении помехоустойчивости плоская волна возбуждается на узком конце пирамиды и распространяется по ячейке, чтобы быть поглощенной на дальнем конце без отражений и искажений. Несмотря на то, что в реальности картина выглядит не столь идеальной, GTEM-камеры зарекомендовали себя на практике как хорошее средство для измерения излучений технических средств и помехоустойчивости к ним. При измерении излучений изделий вместо источника сигнала к GTEM-камере подключают измерительный приемник или анализатор спектра. Поскольку поляризация поля, создаваемая в камере, постоянна, при испытаниях изделия необходимо менять его ориентацию. Для этой цели используется поворотный механизм.

Испытания на восприимчивость технических средств к помехам излучения, также как и испытания на уровни излученных этими средствами помех, проводят в широком диапазоне частот при разных положениях испытуемого объекта.