В статье рассматриваются предложения по регламентации требований к уровням излучаемых помех при испытаниях электромагнитной совместимости с учетом изменений измерительного расстояния. Показано, что для наиболее популярных измерительных площадок типа полубезэховых камер используемая в стандартах поправка, основанная на обратно пропорциональной зависимости напряженности поля от расстояния, адекватно не учитывает влияние пластины заземления. Рассматриваются подходы и приводятся теоретические данные для более точных поправок пересчета норм помех или результатов измерений напряженности поля при изменении расстояния. Анализируются экспериментальные результаты, иллюстрирующие достоверность расчетов поправок и подтверждающие необходимость их уточнения для обеспечения воспроизводимости результатов измерений.
Современное развитие и эксплуатация промышленного оборудования характеризуется высоким уровнем применения радиотехнических средств. Высокая пространственная и частотная плотность размещения таких технических средств порождает проблему обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Согласно определению, под ЭМС понимается способность технических средств функционировать в заданной электромагнитной обстановке и не создавать электромагнитные помехи другим техническим средствам. Среди испытаний ЭМС разных типов важное место занимают измерения излучаемых помех в диапазоне частот 30–1000 МГц.
Поскольку результат измерений напряженности поля излучаемых помех зависит от измерительного расстояния, для обеспечения воспроизводимости этих результатов стандарты по методам испытаний и нормам к допускаемым уровням помех [1–3] устанавливают ряд фиксированных измерительных расстояний, наиболее распространенными из которых являются 3 или 10 м. Возможность применения нескольких измерительных расстояний учитывает габаритные размеры объектов испытаний и экономические затраты на создание и эксплуатацию необходимых измерительных площадок (ИП) с разным измерительным расстоянием.
Важным фактором, определяющим адекватность результатов измерений реальным условиям эксплуатации объектов испытаний, является влияние отражений от пола и локально расположенных предметов. Учет этого фактора обеспечивает получение максимально возможных уровней помех, которые достигаются синфазными сложениями сигналов с разных направлений. Таким образом, измерения излучаемых помех проводятся в основном в так называемых полубезэховых камерах (semi-anechoic chamber, SAC), где пол имитируется металлической пластиной заземления, а остальные поверхности покрыты радиопоглощающим материалом. Наибольшее распространение получили ИП типа SAC3 (измерительное расстояние 3 м) и SAC10 (измерительное расстояние 10 м), для каждой из которых стандартами определены свои нормы к помехам. Очевидно, что более достоверные измерения возможны на более удаленном расстоянии, в частности, на ИП SAC10. Обычно для этого измерительного расстояния регламентированы нормы к уровням излучений. Однако экономические обстоятельства делают приоритетными распространение SAC3, что заставляет корректировать результаты измерений на расстояние 10 м либо, наоборот, делать поправку с пересчетом норм с 10 на 3 м. Таким образом, существование ИП с разным измерительным расстоянием, возможность появления спорных ситуаций при принятии решения о соответствии нормам, необходимость обеспечения воспроизводимости результатов измерений на разных ИП, а также корректность обязательных в настоящее время межлабораторных сравнительных испытаний [6] побуждают подтверждать корректность связи результатов измерений помех на ИП с разным измерительным расстоянием. Тем не менее представляется, что устанавливаемый подход к расчету поправки [1–3], основанный только на обратно пропорциональной зависимости измеренной напряженности поля от расстояния, является упрощенным и слабо учитывает особенности измерений помех на ИП SAC. Следовательно, применяемая для частот 30–1000 МГц постоянная поправка 10 дБ должна быть уточнена. Это подтверждают и положения стандартов ЭМС в части требований к характеристикам ИП c разным измерительным расстояниям. Согласно этим положениям, валидация ИП предполагает измерение нормализованного затухания площадки (normalized site attenuation, NSA) и сравнение его с табулированными в стандартах значениями NSA идеальных ИП. Сравнение имеющихся значений NSA для разных расстояний позволяет заключить, что указанная поправка для пересчета норм с 10 на 3 м существенно отличается от 10 дБ и изменяется в зависимости от частоты. Таким образом, обнаруживается противоречие между количественным подходом к обоснованию норм и фактическими показателями к требуемым характеристикам ИП. Следовательно, возникает необходимость в уточнении подходов, обеспечивающих корректное сравнение норм или результатов измерений излучаемых помех на разных измерительных расстояниях.
Прежде решение этой задачи сдерживало отсутствие в стандартах описания моделей измерений и требований к средствам измерений [4], относящихся к валидации ИП, а имевшиеся данные в табулированном виде приводились только для ограниченного набора частотных точек. В последующих версиях стандартов [5] были конкретно указаны типы антенн, выбранных для расчета табулированных NSA, и модель измерений. В частности, было показано, что расчет NSA ИП с идеальной пластиной заземления был проведен для антенн типа диполей Герца, а результирующий помеховый сигнал определялся как суперпозиция прямого и отраженного сигналов с учетом фазового соотношения между сигналами разных путей распространения. Эта информация позволяет рассчитать NSA для любых ИП типа SAC, а также для любых частот и поляризаций. В итоге было установлено, что разность значений NSA для SAC3 и SAC10 не является постоянной, зависит от частоты, поляризации и высоты источника помех. В частности, из приведенных графиков на рис. 1 видно, что разница между значениями NSA для измерительного расстояния 3 и 10 м существенно отличается от указанной ранее поправки 10 дБ. Более того, погрешность в оценке поправки (отличие от 10 дБ) достигает 4–6 дБ для отдельных частотных точек. Это значит, что корректировка норм для пересчета с измерительного расстояния 10 м на измерительное расстояние 3 м должна осуществляться тщательнее по сравнению с существующим подходом, который использует постоянную поправку 10 дБ.
а) б)
Рис. 1. Частотные зависимости поправок для норм и условий измерений SAC при разных высотах источника и разных поляризациях: а) горизонтальная (ГП); б) вертикальная (ВП)
Для проверки предлагаемых процедур были проведены экспериментальные исследования. Их целью являлось сравнение результатов измерений уровня излучаемых помех от некоторого калибровочного излучателя для удаленного расстояния 10 м, полученных из данных измерений на близком расстоянии 2 м простым пересчетом и пересчетом с учетом поправок, учитывающим влияние отражающей поверхности на SAC. В качестве калибровочного отражателя использовался малогабаритный излучатель KSQ1000A (производствa Teseq, Германия), создающий линейчатый спектр излучения в диапазоне 30–1000 МГц с установленным дискретным шагом по частоте 10 МГц.
Результаты сравнительных измерений представлены на рис. 2.
а) б)
Рис. 2. Экспериментальные результаты измерения: а) напряженности поля; б) отклонения от спецификации без поправки и с поправкой
Сравнение графиков показывает, что результаты пересчета к данным прямых измерений при учете конфигурации измерений и влияния ИП типа SAC лучше, что в целом подтверждает обоснованность применения более строгих поправок при обосновании норм и измерении излучаемых помех в целях воспроизводимости результатов испытаний ЭМС.
Литература
1. ГОСТ CISPR 11-2017. Электромагнитная совместимость. Оборудование промышленное, научное и медицинское. Характеристики радиочастотных помех. Нормы и методы испытаний.
2. ГОСТ CISPR 32-2015. Электромагнитная совместимость оборудования мультимедиа. Требования к электромагнитной эмиссии.
3. ГОСТ Р 51320-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств – источников индустриальных радиопомех.
4. ГОСТ CISPR 16-1-4-2023. Совместимость технических средств электромагнитная. Часть 1-4. Аппаратура для измерения радиопомех и помехоустойчивости. Антенны и испытательные площадки для измерений излучаемых помех.
5. ГОСТ ISO/IEC 17025-2019. Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий.
