Как уменьшить стоимость испытательных установок для ЭМС?

Особенности испытаний устойчивости технических средств к электромагнитным помехам в помещениях. Уменьшение стоимости испытательных установок.

Андрей Смирнов, д. т. н., руководитель направления электромагнитной совместимости и радиоизмерений
smirnov@dipaul.ru

Среди испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС) исключительное значение имеют испытания на устойчивость технических средств (ТС) к излучаемым помехам. Методология и порядок проведения таких испытаний в отношении ТС общепромышленной продукции регламентируется стандартом (ГОСТ 30804.4.3-2013. «Совместимость технических средств электромагнитная»). Стандарт предписывает степени жесткости испытаний и характеристики модуляции облучающего сигнала. Минимальный частотный диапазон испытаний составляет от 80 МГц до 1 ГГц, хотя для некоторых ТС частотный диапазон следует расширить до 6 ГГц. Особое внимание стандарт обращает на распределение создаваемого электромагнитного поля, нормируя максимальное отклонение его напряженности в пределах так называемой плоскости однородного поля (ПОП), равное 6 дБ во всем рабочем частотном диапазоне. Отклонение в 10 дБ допускается не более чем при 3% значения частоты. Специфика регламентов тестирования общепромышленной продукции состоит в том, что требуемая жесткость испытаний должна обеспечиваться во всей ПОП. Это подразумевает, что выходная мощность усилителей должна быть больше по крайней мере на 6 дБ, чем выходная мощность для расчетной жесткости испытаний. Последнее условие необходимо для компенсации неоднородности поля. Традиционная конфигурация испытательной установки (ИУ) включает последовательно соединенные генератор сигналов, усилитель мощности и излучающую антенну. Основными техническими проблемами создания данных ИУ являются:

• применение мощных усилителей для обеспечения требуемой напряженности поля во всей зоне ПОП, в том числе с учетом модуляции сигнала;
• устранение источников побочных отражений для обеспечения заданного максимального отклонения напряженности поля в пределах ПОП.

Источниками отклонений напряженности поля являются отражения от поверхностей помещения, поэтому данные ИУ размещаются в безэховых камерах (БЭК). В итоге обеспечивается хорошая однородность поля (существенно лучше значения 6 дБ), но необходимость применения БЭК делает испытания финансово затратными. Поэтому уменьшение суммарной стоимости таких ИУ представляет технический и практический интерес, что, в свою очередь, делает актуальным исследование возможности создания подобных установок в обычных лабораторных помещениях, без применения дорогостоящих БЭК.
В связи с этим была исследована возможность создания ИУ в лабораторном помещении с диэлектрическим полом, без использования радиопоглощающих материалов. За основу выбрали установку для диапазона частот 80 3000 МГц с размерами ПОП 1,5×1,5 м на удалении 3 м от облучающей антенны и высотой нижней границы от подстилающей поверхности 0,8 м. Обычно для данного диапазона достаточно использовать одну логарифмическую антенну. С ростом частоты ширина лепестка диаграммы направленности в Е-плоскости уменьшается, в Н-плоскости — почти не изменяется. Следовательно, с ростом частоты следует ожидать уменьшения отклонения поля в выбранной ПОП. В ходе моделирования оценивалось отклонение напряженности поля на эквидистантной пространственной сетке, покрывающей ПОП, и проверялось соответствие распределения поля критерию однородного поля. Результирующее поле в любой точке ПОП предполагалось равным суперпозиции прямого и отраженного сигнала. Согласно принятому критерию относительное отклонение напряженности облучающего поля в 75% от общего количества точек измерений из исследуемой зоны не должно превышать 6 дБ. На рис. 1 приведены зависимости минимального отклонения напряженности поля в 75% зоны ПОП от зеркального коэффициента отражения для различных частот. Из приведенных зависимостей видно, что при коэффициенте отражения по полю менее 0,65 обеспечивается нормативный критерий однородности поля во всем диапазоне частот.



Для экспериментального опробования возможности создания ИУ в условиях лабораторного помещения была собрана система на базе производства TESEQ, конфигурация которой показана на рис. 2. Измерения проводились над деревянным полом.



В качестве источника сигнала применена специализированная испытательная система для оценки устойчивости — ITS 6006 (№ 2 на рис. 2). Система содержит генератор сигналов 80 МГц — 6 ГГц, встроенные коммутатор и переключатель, три канала измерений мощности и блок мониторинга объекта испытаний. Для создания требуемой напряженности поля, равной 10 В/м, использованы усилители мощности CBA 1G-070 (№ 1) c выходной мощностью не менее 70 Вт в диапазоне 0,08–1 ГГц, CBA 3G-025 (№ 3) с выходной мощностью не менее 25 Вт в диапазоне частот 0,8–3,1 ГГц с излучающей антенной CBL 6144 (№ 6). Для контроля распределения поля использован трехкомпонентный зонд электрического поля EP 603 (№ 8), установленный на мачте CAM 6330 (№ 7). Постоянный уровень поля в диапазоне частот обеспечивался цепью автоматической регулировки, образованной направленным ответвителем (№ 4), измерителем мощности (№ 5) и блоком управления из состава ITS 6006 (№ 2).

 

Измерение характеристик ПОП проводилось в соответствии с методологией испытаний. Результаты измерений частотной зависимости минимального отклонения напряженности поля для горизонтальной и вертикальной поляризаций показаны на рис. 3. Из представленных графиков видно, что для каждой поляризации распределение напряженности поля в 75% точек соответствует норме в 6 дБ во всем диапазоне частот, за исключением единственной точки для каждой поляризации, для которой минимальное отклонение составляет 10 дБ. Поскольку общее количество значений частоты составляло 36, а одна выпавшая точка с отклонением 10 дБ не превышает 3% от указанного количества, то можно считать, что критерий, основанный на норме в 6 дБ, выполнен для всей полосы частот и обеих поляризаций.
Таким образом, теоретически обоснована и экспериментально показана возможность создания ИУ поля для проверки устойчивости к излучаемым помехам в диапазоне частот 80–6000 МГц в обычных лабораторных помещениях и с требуемыми отклонениями напряженности. Оборудование, предлагаемое компанией «Диполь», обеспечивает проведение испытаний без использования БЭК.