Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электромагнитной совместимости. Учебно-методическое пособие
.pdf
4. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ
И ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ СОВМЕСТИМОСТЬ
Электрические и магнитные поля необходимо измерять по целому ряду
причин. Радиостанция или телестанция имеет лицензию на обеспечение
надежного покрытия в определенной географической зоне, и любой исправно
работающий приемник должен принимать сигнал и должным образом
реагировать на него. Это может быть гарантировано только в том случае, если
широковещательный сигнал имеет гарантированную минимальную мощность.
Кроме того, сигнал не должен быть настолько сильным, чтобы создавать
помехи удаленной станции, использующей ту же частоту. Поле вещания
должно быть измерено по его географической области покрытия, чтобы быть
уверенным, что она удовлетворяет обоим критериям.
Многие электрические устройства непреднамеренно излучают
электромагнитные поля, это например:
- генераторы в супергетеродинных радио- или телевизионных
приемниках;
- цифровые логические схемы;
- переключение контактов, особенно при снятом напряжении;
- автомобильные системы зажигания.
Рассеянные поля (излучения) от этих устройств могут создавать помехи
другим устройствам или даже самому излучающему устройству. Помехи между
двумя устройствами известны как межсистемные электромагнитные помехи,
тогда как если устройство создает помехи самому себе, то это внутрисистемные
электромагнитные помехи. Внутрисистемные электромагнитные помехи
обычно легко обнаружить, поскольку само устройство работает неправильно.
Межсистемные электромагнитные помехи обычно труднее изолировать. Его
результатом может быть простое раздражение, такое как шум в радио- и
телевизионном приемнике, вызванный электрическим пылесосом или
электрической дрелью. Однако это может быть гораздо серьезнее, например
когда портативный радиоприемник может повлиять на навигацию самолета или
критически важную связь. Также возможно, что устройство может быть
восприимчиво к полям, намеренно генерируемым лицензированным
передатчиком, таким как широковещательный или мобильный
радиопередатчик. Например:
- системы громкой связи;
- музыкальные (высокоточные) системы;
- телефонные линии и приборы;
- цифровые логические схемы.
В отличие от большинства разделов электротехники, контроль
электромагнитных помех не очень точен из-за сложности практичного
оборудования. Измерения могут значительно различаться между двумя
предположительно идентичными образцами из-за незначительных различий в
физических или геометрических размерах. Если измерить электромагнитные
31
помехи, возникающие в результате двух разных конструкций, то конструкция,
которая демонстрирует меньшие электромагнитные помехи, вероятно, лучше,
но не всегда. Инженер часто может определить, существует ли проблема с
электромагнитными помехами, но никогда не следует полагаться на точность,
обычно ожидаемую в других областях электротехники.
Электрическое поле генерируется распределением электрического заряда.
Если распределение меняется со временем, то изменится и электрическое поле.
Магнитное поле может создаваться постоянным магнитом или электрическим
током. Если постоянный магнит или путь тока перемещаются, или если
величина тока меняется со временем, магнитное поле будет меняться со
временем. Изменяющееся во времени электрическое поле создает магнитное
поле, и наоборот.
Электрические поля, обозначаемые E, обычно выражаются в вольтах на
метр (В/м). Магнитные поля обозначаются H и выражаются в амперах на метр
(А/м). Чаще всего магнитные поля воспринимаются как плотность магнитного
потока, которая обозначается B и выражается в - Вт/м
2
, также известная как
тесла (T). Единицей измерения, отличной от СИ, иногда встречающейся в более
старой литературе, является Гаусс, равный 10
-4
T. Конечно, любой единице
измерения может предшествовать префикс масштабирования, такой как микро
или пико. В свободном пространстве B равно μ
H, где μ0 равно 0,4π
0
(приблизительно 1,257) μT·м/A (эквивалентно μH/м).
Вблизи изменяющегося во времени источника электрического поля,
такого как распределение заряда, магнитное поле относительно слабое, но при
наблюдении с большего расстояния оно становится сильнее. На достаточно
большом расстоянии отношение E к H приближается к
/
, которое в
свободном пространстве равно 120π (приблизительно 377) Ом. Для
синусоидальной функции времени с частотой f это происходит на любом
расстоянии, которое велико по сравнению с λ/2π (приблизительно λ/6). Здесь λ длина волны, соответствующая f, равная 3·108/f м, если f указано в герцах.
Расстояния, значительно превышающие λ/2π, считаются находящимися в
области дальнего поля; более близкие расстояния находятся в области
ближнего поля. Для несинусоидальной функции времени каждая частотная
составляющая Фурье должна рассматриваться отдельно, и область дальнего
поля начинается ближе к источнику для ее высокочастотных составляющих.
Вблизи изменяющегося во времени источника магнитного поля, такого
как контур тока, электрическое поле слабое, становящееся сильнее при
наблюдении с большего расстояния. На расстояниях, которые велики по
сравнению с λ/2π (область дальнего поля), отношение E к H снова
приближается к 120π Ом.
Поскольку H =
/· E и B = µH =·E в области дальнего поля для
любого типа источника, необходимо измерять только E или B, а остальные
-8
можно легко вычислить по ним. В свободном пространстве, ≈ 10
/3 Т·м/В, таким
образом, если E выражено в вольтах на метр, B ≈ 3,33EнT. Выбрав подходящую
32
антенну, можно измерить любое поле. Сила дальнего поля обычно указывается в
терминах поля E, независимо от того, измеряется ли поле E или B.
Альтернативно, напряженность дальнего поля может быть указана в
терминах плотности мощности, выраженной в ваттах на квадратный метр. Это
обозначает количество излучаемой мощности, проходящей через каждый
квадратный метр поверхности, перпендикулярной направлению от источника.
Для несинусоидального источника каждая частотная составляющая должна
рассматриваться отдельно, а общая средняя мощность представляет собой
сумму средних мощностей для всех частот. Поскольку H =
следует, что P = E
2
/377 Вт.
/·E, из этого
В областях, отличных от дальнего поля, отношение E к H сильно
изменяется, приближаясь к бесконечности для электрического источника поля
или для источника магнитного поля. Источник может генерировать как
электрические, так и магнитные поля; например, заряд, перемещающийся
между двумя электродами, вызывает протекание тока между ними.
Тогда отношение E к H может быть вообще любым значением.
Следовательно, на расстояниях менее λ /2π от источника поля, поля E и B
должны измеряться отдельно.
В области дальнего поля как электрическое, так и магнитное поля
перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны, и
они также перпендикулярны друг другу. Это все еще обычно позволяет
ориентировать поля под многими различными углами по отношению к
поверхности Земли. Направление электрического поля называется
поляризацией волны, которая может быть вертикальной, горизонтальной или
где-то посередине. Или волна может быть эллиптически поляризована, что
является результатом двух волн, которые не совсем совпадают по фазе, одна
поляризована вертикально, а другая горизонтально. Если волны равны по
величине и отклонены по фазе ровно на 90°, то волна поляризована по кругу.
Чтобы учесть все эти случаи, все поля должны быть проверены отдельно для
волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией.
Большинство электронных компонентов и приборов сконструированы
так, чтобы реагировать на напряжения или токи, а не на поля. Чтобы измерить
напряженность поля, необходимо преобразовать его воздействие в напряжение
или ток. Это достигается с помощью антенны. Хотя многие антенны имеют
простую форму проводника, их необходимо тщательно проанализировать, если
требуются точные количественные измерения.
Прямой проводник, погруженный в изменяющееся во времени
электрическое поле, будет создавать в нем ток. Если материал проводника
линейный (обычный случай), ток будет пропорционален приложенному
электрическому полю, поэтому их соотношение будет постоянным. Это
соотношение, однако, в значительной степени зависит от геометрических
размеров проводника и частоты электрического поля. Это должно быть
известно для калибровки антенны.
33
Аналогично, замкнутый проводящий контур, погруженный в
изменяющееся во времени магнитное поле, будет вырабатывать в нем ток.
Опять же, если проводник линейный, отношение тока к напряженности
магнитного поля является постоянным, но зависит от размеров контура и
частоты магнитного поля.
Самый простой способ откалибровать антенну – погрузить ее в известное
электрическое или магнитное поле и измерить ток или напряжение на выводах
антенны. Основная проблема заключается в генерации известного поля. Чтобы
определить его мощность, необходимо использовать «стандартную» антенну,
для которой можно рассчитать отношение тока к полю.
Чтобы вычислить требуемое соотношение, необходимо решить уравнения
Максвелла с учетом граничных условий проводника антенны. Для большинства
антенн точное решение закрытой формы невозможно. Однако для
синусоидально изменяющегося поля, встречающегося с прямым
цилиндрическим проводником, называемым дипольной антенной, такое
решение возможно, хотя и сложно. Как только решение получено, требуемое
соотношение становится простым выражением, если антенна резонансная или
настроенная. Это происходит для точной длины, которая немного меньше
половины длины волны λ изменяющегося во времени поля. Очевидно, что
антенна будет резонансной только на одной частоте, поэтому соотношение
будет справедливо только для поля, изменяющегося синусоидально на этой
частоте. Для несинусоидальных полей каждая составляющая частоты Фурье
должна измеряться отдельно, а длина антенны должна изменяться по мере
измерения различных частот. Чтобы упростить изменение ее длины, для
изготовления дипольной антенны обычно используются два телескопических
стержня, установленных вплотную друг к другу. Измерительный прибор
соединен между этими двумя стержнями с помощью линии передачи.
Для заданной частоты в любой точке антенны в ней протекает
определенный ток I, а также на ней имеется определенное напряжение U
относительно земли. Отношение этих фаз, U/I, известно, как импеданс точки
возбуждения. Точная длина резонансной антенны – это та, для которой U и I
точно совпадают по фазе, т.е. для которой импеданс точки возбуждения
является чисто реальным. При толщине стержня λ/400 резонансная длина
составляет 0,476λ. Импеданс точки возбуждения дипольной антенны таких
размеров составляет 64 Ом. Если прибор для измерения напряжения, такой как
радиоприемник или анализатор спектра, подключен к антенным выводам через
линию передачи и должным образом согласован с импедансом 64 Ом,
измеренное напряжение U
приложенного поля, а λ − длина волны. Отношение U
известно, как эффективная длина (l
будет равно 0,148λE, где E – напряженность
m
/E, равное 0,148λ,
m
) антенны, поскольку оно соотносит
e
напряженность поля в вольтах на метр с измеренным напряжением на клеммах
в вольтах. Очевидно, что она не равна физической длине антенны, а составляет
примерно треть от этого значения.
34
Чтобы упростить вычисления, E часто выражается в децибелах по
отношению к эталонному полю 1 мВ/м и обозначается E
. Аналогично, Um
d
выражается в децибелах по отношению к опорному напряжению 1 мВ и
обозначается как U
длина, выраженная в отрицательных децибелах, или AF = -20 log(l
умножение становится сложением, т.е. E
. Коэффициент антенны (AF) определяется как эффективная
d
). Тогда
e
= Ud + AF.
d
Приведенный выше коэффициент антенны предполагает, что антенна
идеально подобрана к приемнику, что подразумевает максимальную передачу
мощности. Несоответствие привело бы к изменению коэффициента усиления
антенны. Следовательно, поскольку импеданс точки возбуждения антенны
обычно не равен входному импедансу приемника, между антенной и
приемником должна быть установлена согласующая схема. Еще одним важным
соображением является баланс антенны. Большинство приемников и
анализаторов спектра имеют заземленную одну входную клемму. Если эта
заземленная клемма подключена к одной из клемм дипольной антенны, то
импедансы, подключенные к двум антенным клеммам, будут неодинаковыми
по отношению к земле. Это также повлияет на коэффициент усиления антенны,
поскольку одна сторона антенны не будет должным образом согласована с
приемником. Чтобы предотвратить это, между антенной и приемником должна
быть установлена сеть «сбалансированный-несбалансированный». Такая схема
обеспечивает высокое сопротивление по отношению к земле для обеих
входных клемм, обеспечивая при этом правильное входное сопротивление
(например 64 Ом) между ее входными клеммами. Обычно одна сеть
обеспечивает как функции согласования, так и балансировки.
К сожалению, если дипольная антенна не имеет точно правильной длины,
ее антенный коэффициент намного больше. Даже если измеряемая частота
отличается всего на несколько процентов от резонансной частоты антенны,
коэффициент усиления антенны становится непредсказуемым, а импеданс
точки возбуждения больше. Таким образом, электрическое поле не может быть
легко вычислено по измеренному напряжению на клеммах. Чтобы достичь
простого коэффициента усиления антенны, описанного выше, частоты
необходимо правильно регулировать длину дипольной антенны для каждой
частоты. Невозможно быстро сканировать спектр, как при использовании
анализатора спектра, если только нельзя каким-то образом изменить длину
антенны. Это приводит к механическим трудностям и обычно непрактично.
Однако другие типы антенн менее чувствительны к частоте. Примерами
являются биконическая антенна и логарифмически-периодическая антенна.
Биконическая антенна может работать приемлемо в диапазоне от 20 до 300
МГц, а логопериодическая антенна полезна в диапазоне от 300 до 1000 МГц. Их
антенные коэффициенты относительно постоянны, обычно изменяясь не более
чем на 20 дБ в их полезных частотных диапазонах. Коэффициенты антенны
обычно слишком сложны для вычисления, но их можно легко измерить, просто
наблюдая за напряжением на клеммах, возникающим в результате
синусоидально изменяющегося поля известной напряженности. Известное поле
35
сначала измеряется с помощью настроенной дипольной антенны, для которой
может быть рассчитан коэффициент антенны. Коэффициент антенны
измеряется таким образом на нескольких частотах во всем ее полезном
диапазоне, и результаты выводятся на график для использования с антенной.
В отличие от настроенного диполя, биконические и логопериодические
антенны не демонстрируют постоянных импедансов точки возбуждения во
всем диапазоне частот. Поскольку входное сопротивление приемника нельзя
настроить так, чтобы оно соответствовало изменению импеданса точки
возбуждения в зависимости от частоты, точное совпадение невозможно. Это
влияет на коэффициент антенны точно так же, как это было бы для
настроенного диполя. Чтобы компенсировать это, коэффициент антенны
должен быть измерен с помощью антенны, подключенной к известному
импедансу, который затем должен использоваться для всех измерений,
выполняемых с помощью этой антенны. Затем несоответствие учитывается в
самом коэффициенте антенны. Несоответствие действительно приводит к тому,
что антенна излучает принятый сигнал, но этот эффект может быть сведен к
минимуму путем выполнения измерений на открытой местности, что будет
обсуждаться позже.
Настроенные дипольные, биконические и логопериодические антенны
являются антеннами с линейной поляризацией, поскольку они реагируют
только на одну составляющую поляризации распространяющейся волны. Если
антенна ориентирована горизонтально, на нее будет влиять только
горизонтально поляризованная составляющая волны. Аналогично, только
вертикально поляризованный компонент будет влиять на вертикально
ориентированную антенну. Таким образом, при двух измерениях любая
линейно поляризованная антенна обнаружит любой тип поляризации поля.
Другие типы антенн, такие как спиральная антенна, предназначены для
обнаружения волны с круговой поляризацией. Они будут обнаруживать
вертикально и горизонтально поляризованные волны, но они могут пропустить
волну, которая поляризована по кругу в обратном направлении (например,
направление против часовой стрелки вместо направления по часовой стрелке).
Следовательно, антенны с круговой поляризацией запрещены для многих типов
полевых измерений.
Основной трудностью при измерениях электромагнитного поля является
повторяемость результатов. На электромагнитные поля влияют любые
материалы, находящиеся поблизости, даже некачественные проводники и
диэлектрики. Поэтому среда измерения должна быть тщательно определена, и
для всех сопоставимых измерений должны использоваться аналогичные среды.
Идеальной средой была бы такая, где единственным источником
электромагнитного поля является испытываемое оборудование и вообще
отсутствует «посторонний» материал, который мог бы повлиять на измеряемые
поля. К сожалению, единственное естественное место, где этого можно было
бы достичь, находится в космическом пространстве, поскольку сама Земля
36
влияет на электромагнитные поля. Поскольку это непрактично,
предпринимаются попытки смоделировать эту среду на Земле.
Большая открытая площадка на открытом воздухе имитирует полусферу
свободного пространства. Такой испытательный полигон уместно назвать
полигоном в открытом поле. Если бы проводимость, диэлектрическая
проницаемость и газопроницаемость Земли были постоянными, каждый
участок открытого поля оказывал бы одинаковое влияние на электромагнитные
поля, излучаемые испытываемым оборудованием. Однако параметры Земли
действительно различаются. Чтобы компенсировать это отклонение, под
испытываемое оборудование прокладывается большой токопроводящий пол,
или плоскость заземления. Это приводит к тому, что все электромагнитные
волны полностью отражаются от поверхности земли, так что свойства Земли не
оказывают никакого влияния. Плоскость заземления должна быть достаточно
большой, чтобы она казалась бесконечной по отношению к испытываемому
оборудованию и соответствующему испытательному оборудованию.
Допустимые размеры составляют 1,73d×2d, где d – расстояние между
измерительной антенной и испытываемым оборудованием, обычно 3 или 10 м.
Излучаемые помехи должны измеряться во всех направлениях от
испытываемого оборудования и под различными углами наклона. Этого легче
всего достичь, поместив исследуемое оборудование на поворотный стол,
который затем поворачивается во время теста. Чтобы обеспечить возможность
измерения при различных углах наклона, необходимо изменять высоту
приемной антенны, и это достигается путем установки ее в другой конец.
Типичный участок в открытом поле показан на рис. 4.1.
Участок с открытым полем предоставляет воспроизводимые данные
только в том случае, если поблизости нет деревьев или сооружений, которые
могли бы вызвать нежелательные отражения. Прежде чем его можно будет
надежно использовать, он должен быть протестирован. Это делается путем
генерации известного электромагнитного поля. Поле обычно генерируется
радиочастотным генератором, приводящим в действие настроенную дипольную
антенну, для которой можно рассчитать излучение. Затем это излучение
измеряется так, как если бы оно генерировалось типичным тестируемым
устройством. Отношение напряжения на клеммах передающей антенны к
напряжению на клеммах приемной антенны известно, как локальное затухание.
Если затухание на объекте находится в пределах 3 дБ от его расчетного
значения, испытательный участок считается приемлемым.
Хотя площадка в открытом поле устраняет отражения, внешние
источники поля, такие как лицензированные передатчики, по-прежнему
вызывают проблемы. Поскольку электромагнитное излучение может
распространяться на тысячи миль, ни один участок открытого поля не будет
полностью свободен от электромагнитных полей. Чтобы устранить воздействие
этих случайных источников, тестирование должно проводиться внутри
экранированного корпуса. Там, однако, возникают сильные отражения, и
измерения становятся неточными и неповторимыми.
37
Идеальной средой для тестирования был бы экранированный корпус,
облицованный материалом, который не отражает электромагнитные волны.
Такое ограждение называется безэховой камерой, при том понимании, что это
название относится к электромагнитному эху. До недавнего времени такие
камеры были непрактичны, за исключением очень высоких частот, но
постоянно вносятся усовершенствования. Такое ограждение приемлемо для
тестирования, если оно соответствует требованиям к затуханию на площадке в
условиях настоящего открытого поля. Локальное затухание должно быть
измерено в нескольких точках внутри камеры, чтобы убедиться, что близость
стенок камеры не оказывает никакого влияния. К сожалению, такие камеры в
настоящее время очень дороги.
Рис. 4.1. Испытательный полигон в открытом поле
Силовые и антенные кабели проложены под плоскостью заземления,
чтобы они не влияли на измеряемые поля. Область, очерченная эллипсом,
должна быть свободна от всего, кроме тестируемого устройства, стола, на
котором оно покоится, и измерительной антенны. Чтобы облегчить измерение
излучения, исходящего от прибора во всех направлениях, он установлен на
поворотном столе. Вращая его во время тестирования и одновременно изменяя
высоту приемной антенны, определяют направление максимального излучения.
Другим типом испытательной камеры является поперечная
электромагнитная ячейка. Он состоит из увеличенного участка волновода, в
38
котором электромагнитные поля могут быть точно предсказаны. Они подходят
только для тестирования небольших устройств на относительно низких
частотах. Длина стволовой клетки не может превышать длины волны на
тестируемой частоте. Например, для тестирования на частоте 200 МГц ячейка
может быть не больше 1,5 м или 5 футов, а само устройство не должно
превышать 1/6 этого значения, или 10 дюймов. Однако для небольших
устройств поперечная электромагнитная ячейка отличается высокой точностью
и не подвержена влиянию источников рассеянного поля.
Если подходящей безэховой камеры нет в наличии, устройство можно
протестировать в обычном экранированном корпусе, чтобы узнать, какие
частоты оно излучает. Значения напряженности поля будут неточными из-за
внутренних отражений. Затем устройство тестируется в реальных условиях
открытого поля, и предполагаемые частоты измеряются количественно. Любое
поле, превышающее допустимые пределы, затем наблюдается при
выключенном устройстве. Если оно не исчезнет, то, очевидно, порождается не
испытываемым оборудованием. Эта процедура приемлема, хотя и не так
проста, как тестирование в безэховой камере.
Предварительные измерения могут быть выполнены даже в обычной
комнате. Они не будут сопоставимы с аналогичными измерениями, сделанными
где-либо еще, из-за воздействия близлежащих проводников и диэлектриков.
Здесь также необходимо отключить устройство, чтобы определить, являются ли
какие-либо выбросы случайными внешними источниками, а не из
испытываемого оборудования. Эта процедура позволяет получить
приблизительную оценку выбросов от испытываемого оборудования и обычно
экономит время при любых последующих испытаниях на настоящем полигоне.
Различные методы измерения приведены в табл. 4.1.
Допустимые уровни выбросов указаны в своде федеральных
нормативных актов. Эти правила предполагают проведение измерений в
открытом поле, которые являются максимально точными из возможных. Даже
там типичны колебания в пределах ±6 дБ. Следовательно, производитель
должен учитывать коэффициент безопасности при выполнении измерений,
предназначенных для обеспечения соответствия с государственными
нормативами. В противном случае устройство может пройти тестирование
производителем, но потерпеть неудачу, если позже будет протестировано
правительством с использованием предположительно идентичной процедуры
тестирования. Поскольку в этом случае преобладают государственные
измерения, честность производителя может быть поставлена под сомнение.
39
Сравнение методов измерения электромагнитных помех
Необходим
ие
Требуемо
о места
Может
жения
Обычно
ий
От 4 до 6
Использ
ниях
17х20 м
ий
Использ
ниях
Таблица 4.1
№
1
2
Метод
Обычная
комната
Экраниро
ванная
комната
ое
оборудован
Антенна и
приемник
Экраниров
анная
комнатная
антенна и
приемник
е
количеств
от 3 до 10
м
м
Точность
Средняя,
подверже
нная
влиянию
структур
ы, ±20 дБ
Слабая,
±30-40
дБ,
зависит
от
отражени
я
Внешнее
влияние
быть
серьезным
в
зависимост
и от
местополо
Обычно
никакое
Стоимость
Минималь
ная
Умеренная
Коммен
тарии
приемле
мо для
предвар
ительны
х
испытан
уется
для
предвар
ительны
х
испытан
ий в
шумных
помеще
4
Открытое
поле
5
Экраниро
ванная
безэховая
камера
Антенна и
приемник
Безэховая
камера,
антенна и
приемник
открытог
о поля без
какихлибо
близлежа
щих
сооружен
от 6 до 15
м
Отличная,
обычно
±6 дБ
Очень
хорошая,
±10 дБ
Может
быть
серьезным
в
зависимост
и от
местополо
жения
Обычно
никакое
Высокая, в
зависимост
и от
логистики
Очень
высокая
Стандар
тный
метод
испытан
ия
уется
для
точных
испытан
ий в
шумных
помеще
Коэффициент антенны: ее эффективная длина, выраженная в
отрицательных децибелах.
Интерфейсное устройство, используемое для изоляции дипольной или
другой сбалансированной антенны от воздействия приемника, имеющего одну
заземленную клемму.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]