Обзор тенденций в области испытаний ЭМС

Андрей Смирнов, руководитель направления ЭМС и радиоизмерений АО «НПФ «Диполь»
smirnov@dipaul.ru

Константин Басалаев, технический специалист направления ЭМС и радиоизмерений АО «НПФ «Диполь»
bk@dipaul.ru

Юрий Занин, cпециалист отдела проектов АО «НПФ «Диполь»
ZaninJuM@dipaul.ru

Характерной особенностью современной жизни является чрезвычайно широкое использование радиоэлектронных устройств в различных сферах жизни и деятельности, что обусловливает важность обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) между такими устройствами. Под ЭМС понимается «способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам». Это определение вводится Техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС № 20 «Электромагнитная совместимость технических средств», принятым решением Комиссии Таможенного союза от 9 декабря 2011 года № 879 и обязательным для государств — участников Таможенного союза (впоследствии преобразованного в Таможенный союз Евразийского экономического союза). Данный регламент распространяется на выпускаемые в обращение на единой таможенной территории Таможенного союза технические средства, которые могут быть чувствительны к помехам или сами создавать электромагнитные помехи. Известны испытательные системы оценки устойчивости к излучаемым помехам на основе различных замкнутых структур, в частности GTEM-камер. В статье анализируются возможности применения таких систем для измерений эмиссии излучаемых помех.

Можно сказать, что проблема ЭМС возникла сразу с появлением первых технических средств, имеющих в составе электрические или электронные (радиоэлектронные) модули, схемы и компоненты. Особой остроты проблема ЭМС достигла после внедрения и развития цифровых устройств, относительно которых любая помеха может с достаточной вероятностью привести к выходу из строя или ложному поведению. По одним источникам, именно появление массовых сбоев в банковских системах при воздействии помех сыграло решающую роль для критического пересмотра отношения к ЭМС. В итоге в Европе появилась директива 336ЕС 89 по ЭМС, которая обязала страны Европейского сообщества ввести единые стандарты по требованиям, методам испытаний и сертификации соответствия по показателям электромагнитной совместимости. Как результат — с 1996 года в Европе запрещается обращение на рынке технических средств без сертификата соответствия ЭМС. Для реализации этого положения к настоящему времени существует широкая сеть экспертных организаций, осуществляющих мониторинг продукции с точки зрения соответствия ЭМС с правом изъятия товаров из обращения или выставления штрафных санкций за несоблюдение требований ЭМС.

Как следует из приведенного определения, испытание ЭМС предполагает две взаимодополняющие процедуры: оценку эмиссии создаваемых помех и тестирование устойчивости к помехам. При этом предметом рассмотрения ЭМС становятся непреднамеренные помехи. Поэтому естественным путем к нормированию показателей ЭМС и обеспечению воспроизводимости и повторяемости результатов испытаний является регламентация режимов испытаний и характеристик помеховых сигналов при тестировании устойчивости, а также режимов измерений и требований к средствам измерений при оценке эмиссии помех. Важно, что при испытаниях должны быть созданы такие условия, которые наиболее критичны для остальных внешних приемников при оценке эмиссии или создают максимально жесткую электромагнитную обстановку при тестировании устойчивости. Именно поэтому часть испытаний ЭМС, связанная с измерением уровня помех, нередко в большей степени близка к испытательной процедуре, а не измерительной задаче, поскольку наряду с требованиями к средствам измерений чрезвычайно важным является выполнение требований к условиям измерений.

Известно, что помехи разделяются на кондуктивные и излучаемые. Это деление принципиально в связи с необходимостью применения специальных измерительных площадок при исследованиях характеристик излучаемых помех. В итоге обязательными элементами системы испытаний при измерении эмиссии излучаемых помех являются (табл. 1):

• нотификация специальных определений для характеристик эмиссии и норм к эмиссии излучаемых помех со стороны технических средств, размещаемых при испытаниях на соответствующих измерительных площадках;
• стандартизованные требования к измерительным площадкам, на которых допускается измерение эмиссии излучаемых помех, а также требования к средствам измерений;
• методики аттестации (сертификации, валидации, проверки) измерительных площадок;
• стандартизованные методики испытаний (измерений эмиссии излучаемых помех) на соответствующих измерительных площадках, отраженные в общих стандартах (табл. 1) или стандартах на конкретную продукцию;
• наличие нормативных критериев соответствия допускаемым уровням эмиссии излучаемых помех.

Таблица 1. Требования к аппаратуре для измерения радиопомех и помехоустойчивости и методы измерения

Цель измерения эмиссии излучаемых помех — определить характеристики помех, обусловленных излучением от объекта испытаний, в наименее благоприятных для потенциальных рецепторов условиях. Поэтому исторически на первом этапе оценка эмиссии излучаемых помех проводилась методом прямых замеров на измерительных площадках, когда наиболее критичное проявление помех моделировалось установкой на измерительной трассе пластины заземления и измерением максимальной напряженности помех, являющейся результатом суперпозиции прямого и отраженного излучения, в фиксированном диапазоне высот приемной антенны. При этом измерения проводились изначально в частотном диапазоне 30–1000 МГц последовательно для двух поляризаций (в основном для фиксированного расстояния 10 м и диапазона высот измерительной антенны 1–4 м). Выбор такого расстояния был достаточным для того, чтобы полностью исключить взаимодействие объекта испытаний и измерительной антенны. Для измерения использовались так называемые открытые измерительные площадки (OATS) и альтернативные измерительные площадки или полубезэховые камеры (SAC) типа OATS10 или SAC10.

До недавнего времени применение измерительных площадок типа ОATS или SAC было связано с тем, что существующие нормы к излучаемым помехам регламентировались именно для таких типов измерительных площадок. Поэтому в нормативном плане измерения эмиссии излучаемых помех были инструментально и методически обеспечены средствами измерений, площадками и методиками их аттестации, методиками измерений на данных площадках и требованиями к уровню помех при испытании технических средств на таких площадках. Однако при использовании OATS10 существовал ряд проблем, из которых особенно выделяются следующие:

1. Сложности при поиске открытой измерительной площадки вынуждали активно применять альтернативные площадки и полубезэховые камеры, требующие более трудоемких процедур аттестации.
2. Уровни излучаемых помех для многих технических средств нормировались для расстояния 10 м, поэтому создаваемые площадки SAC должны были быть большими (минимум 18 м в длину).

Разделение помех на кондуктивные и излучаемые является принципиальным в связи с необходимостью применения специальных измерительных площадок при исследованиях характеристик излучаемых помех

Таблица 2. Формирование требований по уровням излучаемых помех (дБмкВ/м) в диапазоне частот 30–1000 МГц (детектор QP, полоса фильтра 120 кГц)

Поэтому на первом этапе с целью уменьшения измерительного расстояния в диапазоне частот 30– 1000 МГц одновременно допускалось использование измерительных площадок меньшей протяженности, длиной до 3 м, в частности OATS3 и SAC3 (табл. 2).

Второй этап развития измерительных площадок был обусловлен необходимостью испытаний эмиссии технических средств в расширенном частотном диапазоне 1–6 ГГц, а в некоторых случаях и до 18 ГГц (табл. 3). Поскольку в этом частотном диапазоне излучение помех носит направленный характер, то моделирование отражений от пола и, следовательно, поиск максимума излучений в диапазоне высот оказываются ненужными. Вот почему актуальным стало применение полностью безэховых камер и построенных на их основе измерительных площадок типа 10 Оборудование FSOATS (Free Space OATS). В данном частотном диапазоне минимальное расстояние взаимодействия между объектом испытаний и измерительной антенной несущественно уменьшается, что позволяет проводить измерения эмиссии излучаемых помех на расстоянии 3 м. Кроме того, активное использование полностью безэховых камер в диапазоне выше 1 ГГц естественным образом расширило применимость данных методов в диапазоне частот до 1 ГГц, что было реализовано в измерительных площадках типа FAR (по сути, те же самые безэховые камеры). Различное обозначение полностью безэховых камер как FAR, так и FSOATS связано, скорее всего, с методами их аттестации (валидации, проверки). Если в диапазоне частот выше 1 ГГц качество БЭК оценивается измерением КСВН, что объясняется достаточно короткой длиной волны и возможностью оценки КСВН путем перемещения зонда на расстояние в пределах длины волны излучения, то в диапазоне частот менее 1 ГГц использование методик измерений КСВН представляется проблематичным. Поэтому в нижнем частотном диапазоне методики аттестации площадок на основе БЭК строятся на оценке коэффициента передачи в тестируемой БЭК и сравнении полученного значения с теоретическим коэффициентом передачи в фиксированных точках, определяющих рабочий объем, без перемещения зонда. Этот этап, начавшись в ЕЭС в 2010–2011 гг., утвердился в странах ЕвразЭС в 2015–2016 гг.

Таблица 3. Формирование требований по уровням излучаемых помех в диапазоне частот 1–18 ГГц (детекторы среднего/ пикового AV/P, полоса фильтра 1 МГц, расстояние 3 м)

Исследования в части излучаемых помех актуальны для ЭМС не только при оценке эмиссии, но и для тестирования устойчивости. Исторически первые испытательные системы тестирования устойчивости к излучаемым помехам также использовали безэховые камеры. Однако указанные эксплуатационные затраты и высокая стоимость усилителей мощности, присутствующих в составе таких испытательных систем, обусловили появление и развитие альтернативных испытательных систем. Эти системы отличаются использованием замкнутых полеобразуюших структур, например в виде генераторов плоского поля GTEM-камер или реверберационных камер, которые могут быть подобраны оптимальным образом к габаритным размерам объекта испытаний и уровню создаваемого воздействия. Сам факт замкнутости полеобразующих структур предпочтителен для создания измерительной системы оценки эмиссии излучаемых помех на основе таких структур. Очевидно, что подобные измерительные системы могут строиться только на методах косвенных измерений. Поскольку некоторые стандарты относительно эмиссии излучаемых помех нормируют мощность как характеристику излучаемых помех, а необходимая жесткость испытаний устойчивости задается мощностью на входе GTEM-камер, то естественным подходом для косвенных измерений эмиссии излучаемых помех с помощью GTEM-камер является оценивание именно мощности, а фактически — полной излучаемой мощности объекта испытаний. Знания этой величины достаточно, чтобы оценить максимальную напряженность поля помех на выбранном расстоянии с учетом наличия или отсутствия пластины заземления. Данные подходы применительно к GTEM-камерам и реверберационным камерам описаны в стандартах МЭК 61000- 4-20 и МЭК 61000-4-21, а также в соответствующих гармонизированных стандартах ЕвразЭС. Основной сдерживающий фактор использования подобных систем для сертификационных испытаний технических средств до недавнего времени заключался в отсутствии норм к эмиссии излучаемых помех, получаемых по результатам измерений уровней помех в GTEM-камерах или реверберационных камерах. И хотя сам факт использования данных систем для измерений эмиссии излучаемых помех стандартами допускался, только с введением в 2015– 2016 гг. требований к эмиссии излучаемых помех в стандартах (табл. 2) для GTEM-камер их применение перешло из разряда предквалификационных и исследовательских в квалификационные и сертификационные испытания в диапазоне частот 30–1000 МГц. Фактически это означало начало третьего этапа в области измерений эмиссии излучаемых помех, особенностью которого является нормативная правомочность использования косвенных методов измерений. И хотя в рамках отечественных стандартов пока для косвенных методов измерений допустим только частотный диапазон 30–1000 МГц с применением GTEM-камер, европейские тенденции в стандартизации методов измерений эмиссии излучаемых помех показывают расширение частотного диапазона косвенных измерений до 1–6 ГГц. Причем в этом частотном диапазоне допустимо применение как GTEM, так и реверберационных камер. Подтверждением этому служит введение в 2012 году нового стандарта CISPR 32.

Первая версия данного стандарта (2012 г., ред. 1.0) фактически просто объединила содержание стандартов СISPR 22 и CISPR 13, а также испытываемые технические средства (рис. 1). В отличие от предыдущей, вторая версия стандарта (2015 г., ред. 2.0) отменила с марта 2017 года действие стандартов СISPR 22 и CISPR 13 и включила нормы к излучаемым помехам в диапазоне частот 1–6 ГГц, получаемые с помощью GTEM- и реверберационных камер. В настоящее время в рамках ЕвразЭС действует ГОСТ CISPR 32-2015, аутентичный по отношению к стандарту CISPR 32 в редакции 2012 года (ред. 1.0). Тем не менее в ближайшее время ожидается внедрение стандарта CISPR 32 в редакции 2015 года (ред. 2.0). В итоге появятся нормативные основы для тестирования эмиссии широкого класса объектов мультимедийного оборудования в полном диапазоне 30 МГц — 6 ГГц с использованием GTEM-камер и в частотном диапазоне 1–6 ГГц с помощью реверберационных камер.

Поскольку минимальный частотный диапазон, в котором следует проводить тестирование эмиссии излучаемых помех, составляет 30 МГц — 1 ГГц, применение GTEM-камер для измерений эмиссии является более ожидаемым и скорее более вероятным по сравнению с реверберационными камерами. Так как основное назначение реверберационных камер заключается в проведении испытаний на устойчивость к излучаемым помехам, то для них измерение эмиссии становится дополнительной возможностью. В отличие от них для GTEM-камер оба вида тестов (устойчивость и эмиссия) после введения последних европейских стандартов считаются равнозначными. Поэтому выбор их в качестве универсальной полеобразующей может быть сделан испытателем независимо от того, какая из испытательных задач является приоритетной. Однако малый объем отечественных экспериментальных данных о результатах измерений уровней излучаемых помех ТС в GTEM-камерах в настоящее время становится сдерживающим фактором для их широкого применения в области испытаний ЭМС ТС. Хотя, например, в ГОСТ CISPR 14- 1-2015 непосредственно включены ссылки на ГОСТ IEC 61000-4-20- 2014, описывающий методику измерений эмиссии излучаемых помех в GTEM-камерах.

Рис. 1. Номенклатура оборудования,
охватываемого стандартом СИСПР 32

Основу методики измерений составляет допущение о возможности представления ТС как источника помех в диапазоне 30–1000 МГц некоторой электродинамической моделью типа электрического или магнитного вибратора, определенным образом ориентированного в пространстве. Данный вибратор создает электромагнитное поле, чей вектор напряженности некоторым образом также ориентирован в пространстве. При этом модуль вектора напряженности определяется тремя ортогональными синфазными компонентами. С учетом частотного диапазона измерений и ограничений габаритных размеров объекта испытаний фазовыми различиями компонента поля пренебрегают. Поскольку ориентация модельного вибратора неизвестна, а GTEM-камера наиболее чувствительна в вертикальной поляризации поля, то измерения выполняют для трех ортогональных ориентаций объекта испытаний внутри рабочего объема GTEM-камеры. Тогда полную излученную мощность помех рассчитывают через три составляющие, каждая из них определяется соответствующей компонентой напряженности поля помех напряжения GTEM-камеры при включении объекта испытаний. Замкнутый объем GTEM-камеры позволяет оценить после калибровки полную излучаемую мощность помех. Далее значение полной излучаемой мощности используется для расчета напряженности поля помех на выбранном расстоянии и заданной конфигурации (для полубезэховой или полностью безэховой камеры). В итоге последовательное измерение выходного напряжения для трех положений объекта (вертикальное положение, продольный наклон на 90° относительно исходного положения и поперечный наклон на 90° относительно исходного положения) позволяет рассчитать модуль напряженности поля помех:

Оценка напряженности поля помех, получаемая на основании (2), является первым приближением. Методика измерений предполагает дополнительно использовать два поправочных коэффициента:

• первый поправочный коэффициент вычисляется статистической обработкой различий результатов измерений эмиссии излучаемых помех некоторого эталонного излучателя, получаемых на открытой площадке и в GTEM-камере;
• второй поправочный коэффициент учитывает влияние направленных свойств излучения и является специфичным для каждой GTEM-камеры; данный коэффициент оценивается как разброс результатов измерений эмиссии, получаемых при различном исходном положении объекта испытаний, например при различном начальном угловом положении (соответственно 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°).

Важной характеристикой считается допускаемый габаритный размер объектов испытаний. Здесь определяющее значение имеют следующие факторы:

• габаритный размер объекта испытаний не должен превышать наибольшей длины волны;
• высота рабочего объема не превышает 1/3 высоты центрального проводника в GTEM-камере;
• габаритные размеры объекта испытаний не должны превышать границы рабочего объема.

Учитывая, что основополагающий стандарт определяет частотный диапазон 30–1000 МГц, максимальный габаритный размер объекта испытаний составляет 30 см. Поэтому, чтобы оптимально использовать потенциальные возможности GTEM-камер для измерений эмиссии, следует выбирать GTEM с высотой центрального проводника не менее 1000 мм. Для объектов меньшего размера предпочтительна соответствующая малогабаритная GTEM-камера.

Для оценки возможности измерений эмиссии излучаемых помех в GTEM-камере техническими специалистами компании «Диполь» были проведены измерения уровней излучаемых помех некоторого эталонного излучателя. Согласно методике измерений были выполнены три измерения уровня выходного сигнала GTEM-камеры при различных ортогональных положениях излучателя внутри GTEM-камеры (рис. 2). Затем были сделаны расчеты напряженности поля помех при различных поляризациях поля помех в конфигурации с пластиной заземления. Результаты сравнения данных расчетов и прямых измерений на открытой площадке приведены на рис. 3.

Рис. 2. Положение эталонного излучателя внутри GTEM-камеры

Рис. 3. Сравнительные результаты измерений эмиссии излучаемых помех в GTEM-камере и открытой измерительной площадке (частота в МГц)

Полученные результаты показывают хорошее совпадение, поскольку различие практически не превышает 2–3 дБ. Единственное исключение составляет частотная точка 200 МГц, где различие достигает 6 дБ. Такой скачок может быть связан с характеристиками КСВН-камеры на данной частоте (узел в частотной точке). Поэтому важна статистическая обработка результатов измерений, о которой было сказано ранее. Либо данное различие, как и в других участках частотного диапазона, может быть использовано как поправочный коэффициент для расчета эмиссий излучаемых помех для соизмеримых с эталонным излучателем объектов испытаний.

Обычно производители GTEM-камер предлагают на рынок целое семейство таких устройств, отличающихся габаритными размерами и параметрами рабочего объема (рис. 4). Это позволяет потребителю выбрать оптимальную с точки зрения требований по габаритным размерам GTEM-камеру и рационально использовать пространство лаборатории.

Рис. 4. Внешний вид GTEM-камер (вверху— GTEM 250 (1 м), внизу — GTEM 2000 (10 м))

Проведенные эксперименты показали возможность применения GTEM-камер для измерений эмиссии излучаемых помех и целесообразность их популяризации как альтернативного средства для испытаний ЭМС в части проверки уровней эмиссии излучаемых помех технических средств.