Уч пособие ЭМС_2. Е. М. Виноградов
Скачать 3.78 Mb.
|
3. Измерение параметров ЭМС технических средств
Измерение помех, распространяющихся по проводам, должно происходить без разрыва цепей, в которых измеряют эти помехи. Основным прибором, который используется в качестве датчика при измерениях помех, распространяющихся в проводах питания постоянного и переменного тока и проводах управления, является токосъемник в разных вариантах исполнения. Токосъемник работает как трансформатор тока. Первичной цепью этого трансформатора является испытуемый провод, по которому протекают токи помех. Вторичная обмотка трансформатора находится на торроидальном сердечнике токосъемника. Чтобы испытуемый провод можно было пропустить через торроидальный сердечник с вторичной обмоткой, сердечник сделан раскрывающимся (рис. 3.1). Напряжение, возникающее на выходе вторичной обмотки, пропорционально магнитной проницаемости торроидального сердечника, площади его поперечного сечения, числу витков вторичной обмотки, току в испытуемом проводе и частоте. Поверхности половинок торроида, соединяемые встык, обработаны так, чтобы воздушный промежуток между ними был как можно меньше и не влиял на концентрацию магнитного потока в сердечнике. Размещение и число витков вторичной обмотки определяют индуктивность и паразитную емкость обмотки. Поскольку максимальная рабочая частота токосъемника должна быть ниже собственной резонансной частоты обмотки, то токосъемник имеет ограниченный диапазон рабочих частот. Однако, используя несколько токосъемников, можно перекрыть диапазон частот от 30 Гц до 1 ГГц. Для измерения мощности токов электромагнитных помех в проводах используют поглощающие клещи. Поглощающие клещи имеют три особенности, к которым относятся (рис. 3.2):
При измерениях испытуемый провод размещают в клещах, так чтобы трансформатор тока был ближе к прибору, от которого идет интересующий провод. Второй конец провода соединяют с источником питания (если измеряют токи высокочастотных помех в цепях питания) или с вспомогательным оборудованием. Выход клещей соединяют с измерительным приемником электромагнитных помех или анализатором спектра. Измерительная установка в целом должна быть откалибрована. В процессе калибровки определяют калибровочный коэффициент, который связывает мощность тока, протекающего по проводу, и выходное напряжение клещей, измеряемое приемником электромагнитной помехи или анализатором спектра. Чтобы определить максимальную мощность электромагнитной помехи, поступающую в измеряемый провод, клещи перемещают вдоль провода, определяя максимумы показаний на любой данной частоте. При перемещении вдоль провода уровень на выходе периодически изменяется. Расстояние между пиками составляет примерно половину длины волны измеряемой частоты. Горизонтальный испытуемый провод вместе с землей действует как двухпроводная линия, в которой возникают стоячие волны, и клещи измеряют эти волны. Диапазон рабочих частот, в котором для измерения электромагнитных помех в проводах используют поглощающие клещи, составляет от 30 МГц до 1 ГГц. Еще одним устройством, которое используют для измерения электромагнитных помех в сетях питания, является эквивалент сети. Эквивалент сети может быть использован для измерения помех в проводах питания различных приборов, компьютеров и в сетях связи. При измерениях эквивалент сети выполняет следующие функции: – обеспечивает подачу питания на испытуемый прибор от сети переменного или источника постоянного тока; – обеспечивает защиту питающей сети или источника постоянного тока от помех, создаваемых в цепи питания испытуемым прибором; – ослабляет внешнюю помеху, присутствующую в сети, на сетевом разъеме испытуемого прибора; – обеспечивает стабильное высокочастотное сопротивление порядка 50Ω, к которому подключают приемник (или анализатор спектра) для измерения электромагнитных помех. На рис. 3.3 представлена схема эквивалента сети, предложенная CISPR [73]. Схема обеспечивает на выходе, к которому подключен измерительный приемник с входным сопротивлением 50 Ω, сопротивление эквивалентное 50 Ω с параллельно подключенной индуктивностью 50 µH (или 50 Ω, 5 µH для приборов с большим потреблением тока). LC фильтры, входящие в состав эквивалента сети, не препятствуют подаче низкочастотного (50 Гц) или постоянного напряжения сети на испытуемый прибор, но обеспечивают развязку сети питания и разъемов питания испытуемого прибора по высокой частоте. Схемы эквивалентов сети, выпускаемые разными производителями, могут отличаться от схемы, рекомендованной CISPR, в части номиналов некоторых элементов и конструкцией индуктивностей. Однако в целом эти эквиваленты сети обладают всеми описанными выше свойствами. Связь приемника, измеряющего электромагнитную помеху, с выходом эквивалента сети обычно осуществляют через фильтр высоких частот (ФВЧ). На входе приемника также может быть использован ограничитель. ФВЧ имеет частоту среза около 9 кГц и снижает амплитуду низкочастотного шума, порожденного сетью питания (частоту 50 Гц и ее гармоники), который поступает в приемник. Это позволяет избежать проблем перегрузки входа приемника. Ограничитель является нелинейной схемой, которая препятствует поступлению на вход приемника импульсов большой амплитуды, возникающих при переходных процессах. Такого рода процессы могут возникать в потенциальном и нейтральном проводах сети питания при выключении испытуемого оборудования. Ограничитель весьма полезен для предотвращения повреждения входа приемника. Е сли измерения в линии не проводятся, эквивалент сети должен быть нагружен на сопротивление 50 Ω, что достигается соответствующим положением переключателя 50 Ω/вход ФВЧ (рис. 3.3). Для двухпроводной силовой линии питания используют два эквивалента сети. При трехфазной четырехпроводной линии следует применять четыре одинаковых эквивалента сети. Эквивалент сети дублируют в каждой фазе питания и в каждой нейтрали (нулевом проводе). Средства измерения, разработанные с использованием эквивалента сети, позволяют измерять напряжение как симметричных, так и несимметричных помех. Диапазон частот, в котором для измерений электромагнитных помех используют эквивалент сети, составляет от примерно 10 кГц до 30 МГц. Наряду с испытаниями, связанными с измерением кондуктивных помех, создаваемых радиоаппаратурой, важную роль играют испытания, связанные с оценкой восприимчивости аппаратуры к кондуктивным помехам. На рис. 3.4 представлена в общем виде схема испытаний аппаратуры на восп риимчивость к кондуктивным помехам. Генератор сигналов формирует требуемый вид помехи, а устройство развязки-связи обеспечивает ввод помехи в испытуемую цепь. Цепь может быть представлена конкретной точкой аппаратуры или проводом питания, управления или коммутации, соединяющим испытуемую аппаратуру с источником питания или вспомогательным оборудованием. Цель испытаний – подтвердить, что электромагнитная помеха определенного вида и уровня, вводимая в провода, не приводит к искажениям полезного сигнала или ухудшению режимов работы аппаратуры. Кроме того, испытания позволяют установить уровень, при котором помеха определенного вида вызывает ухудшение качества работы радиоаппаратуры. Качество полезного сигнала на выходе испытуемой аппаратуры и состояние режимов ее работы определяют, используя соответствующую измерительную аппаратуру, подключенную к испытуемой аппаратуре. Результаты измерений позволяют, как оценить рабочую характеристику аппаратуры, так и определить граничные значения параметров мешающих сигналов, при которых начинается заметное ухудшение качества работы испытуемой аппаратуры. Методы испытаний помехоустойчивости к кондуктивным помехам должны обеспечивать достаточно точный ввод высокочастотных напряжений или токов в испытуемое оборудование и его кабели. К устройствам развязки-связи, через которые вводят сигналы, имитирующие помехи, также предъявляют определенные требования. Они должны быть выполнены таким образом, чтобы не создавать помех в тех местах испытуемого прибора, которые не должны подвергаться действию помех в данном испытании. Обеспечивая связь источника помехи с конкретным проводом, устройство должно обеспечить развязку других элементов испытуемой аппаратуры от действия данной помехи. Можно выделить три типа датчиков, с помощью которых обеспечивается ввод помех в испытуемую аппаратуру: – прямой ввод помехи; – ввод помехи в провода с использованием электромагнитных клещей; – ввод помехи в провода посредством инжекции объемного тока. Устройства прямого ввода помех могут иметь различную конструкцию. В частности, в качестве устройств прямого ввода используют контактные датчики напряжения, которые позволяют вводить высокочастотные сигналы непосредственно в проводники и провода компонентов через конденсатор. Значение емкости конденсатора, который применяют в качестве элемента связи между датчиком помехи и элементом, в который вводится помеха, зависит от частоты помехи: чем выше частота, тем меньше емкость конденсатора. Значение емкости может колебаться от 10 нФ до 10 пФ при изменении частоты помехи от 1 до 100 МГц. Электромагнитные клещи индуцируют высокочастотное напряжение в испытуемых кабелях, используя индуктивную и емкостную связи. Электромагнитные клещи были разработаны специально для такого вида испытаний. Диапазон их рабочих частот обычно составляет 150…1000 МГц. Внешне электромагнитные клещи выглядят подобно поглощающим клещам, которые применяют для измерения уровней кондуктивных помех в проводах. Однако это совершенно другое устройство как по своему назначению, так и по ряду элементов конструкции. Клещи обеспечивают как индуктивную связь через цепочку ферритов, смыкающихся вокруг испытуемого кабеля (или провода), так и емкостную связь через электрод, расположенный вблизи испытуемого кабеля и идущий вдоль длины клещей. Два вида связи (индуктивную и емкостную) используют таким образом, что обеспечивают значительную направленность помехи (на некоторых частотах лучше, чем 10 дБ). В этом случае конец электромагнитных клещей, обращенный в сторону вспомогательного оборудования, достаточно хорошо развязан по помехе. В методе испытаний посредством инжекции объемного тока в качестве датчика тока в испытуемый провод используют трансформатор тока. Разновидность схемы, реализующей этот метод, представлена на рис.3.5. В схеме использованы два трансформатора тока. Трансформатор Тр1 обеспечивает ввод помехи в кабель испытуемого оборудования. Трансформатор Тр2 используется для контроля и управления уровнем помехи, вводимой в кабель. Если в цепи измерений, содержащей транформатор Тр2, измерительный прибор –измеритель высокочастотной мощности или анализатор спектра – показывает, что значение измеренного т ока не соответствует требуемому значению, то по цепи обратной связи (цепи управления) поступает сигнал для управления усилителем мощности или генератором сигнала. Этот сигнал изменяет уровень вводимой помехи и гарантирует, что требуемый ток вводится в провод вне зависимости от полного сопротивления кабеля. Защиту вспомогательного оборудования или источника питания от вводимого тока помех осуществляют, используя набор ферритов, формирующих ферритовую трубку длиной от 200 мм и больше, которая обеспечивает поглощение помехи, поступающей в направлении оборудования, которое не должно подвергаться действию этой помехи. Чтобы обойти проблемы, связанные с резонансными явлениями в кабелях, схему рис. 3.5 упрощают, изымая цепь управления с трансформатором Тр2. Для новой схемы заранее готовят и хранят записи напряжений возбуждения на разных частотах, которые позволяют получить необходимый испытательный ток в коротком (нерезонансном) кабеле. В процессе испытаний воспроизводят необходимые управляющие напряжения на каждой испытуемой частоте. Результаты измерений уровней кондуктивных помех, создаваемых радиоаппаратурой, и восприимчивости к ним дают информацию, которая необходима для оценки и обеспечения ЭМС приборов различного назначения, которые размещаются на одном объекте и имеют между собой связи по проводам, например, при питании от одного источника постоянного тока или одной сети переменного тока.
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. Р азмеры 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 hmin до hmax. Сигнал с антенны поступает на измерительный приемник или анализатор спектра. К оммерческие 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 hmin = 1 м до hmax = 4 м. Для площадок, на которых D = 30 м, граничные значения перемещения по высоте составляют hmin = 2 м, а hmax = 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 hmin до hmax. 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. С овременные 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. |