Cистемы для испытаний технических средств на эмиссию радиопомех.. Сборник Электромагнитная СовмеСтимоСть в Электронике
 Скачать 4.36 Mb.
|
|
170 Сборник «Электромагнитная СовмеСтимоСть в Электронике» • 2020 • http://emc-e.ru Приборы и системы Построение автоматизированных систем для испытаний технических средств на эмиссию кондуктивных и излучаемых радиопомех на основе программной платформы R&S ELEKTRA Николай Лемешко, в. н. с., д. т. н., Ао «корпорация «комета», nlem83@mail.ru Дмитрий БогАчеНков, руководитель направления ЭмС, ооо «РоДе и швАРЦ РУС», dmitry.bogachenkov@rohde-schwarz.com в статье рассматривается вопрос о построении автоматизированных ком- плексов для испытаний в области электромагнитной совместимости с ис- пользованием специального программного обеспечения (СПо) R&S ELEKTRA компании Rohde & Schwarz. Приведены примеры построения измерительных систем для анализа помехоэмиссии, функционирующих под управлением СПо R&S ELEKTRA. введение Построение испытательных радиолабо- раторий и оптимизация их функционирова- ния является одной из задач, сопутствующих разработке технических средств. Практика создания испытательных систем показала, что решение измерительных задач в области электромагнитной совместимости (ЭМС) требует наличия отдельных специализиро- ванных комплексов, что обусловлено спец- ификой реализуемых методов измерений [1], а в некоторых случаях и большим объемом измерений. Такие измерительные установки целесообразно снабжать средствами автома- тизации, что в широком смысле позволяет повысить эффективность их использования и, безусловно, соответствует современному уровню научно-технического развития. В настоящее время компания Rohde & Schwarz представляет на рынке новую про- граммную платформу — СПО R&S ELEKTRA, предназначенную для выполнения автомати- зированных измерений показателей помехо- эмиссии и помехоустойчивости технических средств, в том числе при проведении серти- фикационных испытаний. Применение авто- матизации при измерениях ЭМС позволяет обеспечить строгое соблюдение методов их проведения, предписанных стандартами, улучшить повторяемость и воспроизво- димость результатов измерений, снизить вероятность возникновения грубых ошибок при их выполнении. В общих чертах функ- циональность R&S ELEKTRA рассмотрена в [2–4]. Она подразумевает автоматическое управление средствами измерений и вспо- могательным оборудованием в соответствии с выбранными профилями испытаний, автоматическое сопоставление с нормами, установленными стандартами для продук- ции конкретного вида, документирование результатов измерений, а также гибкую настройку под задачи конкретного пользо- вателя. Программная платформа СПО R&S ELEKTRA построена по модульному прин- ципу и в зависимости от имеющегося при- борного оснащения может обеспечивать разную степень автоматизации измерений — от минимальной до практически полной. Цель настоящей публикации — рассмо- трение примеров построения измерительных систем для испытаний технических средств на эмиссию кондуктивных и излучаемых радиопомех на основе программной плат- формы СПО R&S ELEKTRA. Типовые схемы измерений при использовании СПо R&S ELEKTRA для обеспечения полной автоматизации измерений Концепция построения СПО R&S ELEKTRA предусматривает максимальный охват средств измерений и вспомогательных элементов измерительной установки уда- ленным управлением, при помощи которого и реализуются алгоритмы измерений, зало- Рис. 1. Типовая схема установки для измерения эмиссии излучаемых радиопомех при использовании ПО R&S ELEKTRA 171 Полный сПектр исПытаний на ЭМс www.test-expert.ru Приборы и системы женные в те или иные стандарты. Практика измерений ЭМС свидетельствует о том, что измерения помехоэмиссии могут быть авто- матизированы полностью, исключая аспек- ты управления испытываемым техническим средством. Что касается измерений показа- телей стойкости к электромагнитным полям и кондуктивным помехам, граница предель- но достижимой автоматизации охватывает управление оборудованием, применяемым для формирования и контроля электромаг- нитных воздействий, но за отклонениями в работе испытуемых объектов (ИО) в боль- шинстве случаев следит оператор, хотя и эту проблему в настоящее время возможно решить с помощью специального программ- ного дополнения для визуально контроля изменений ИО СПО R&S AdVISE [8]. Исходя из этих предпосылок, рассмотрим типовые схемы измерений при использова- нии ПО R&S ELEKTRA. На рис. 1 показана упрощенная схема установки для измерения эмиссии излучаемых радиопомех, в кото- рой применена одна комбинированная широкополосная измерительная антенна билогопериодического типа, а измерения проводятся по ГОСТ 51320–99 на альтерна- тивной измерительной площадке, выполнен- ной с помощью конструктивных элементов экранированной камеры и радиопоглоща- ющих панелей. В данном случае программ- ное обеспечение по заданию оператора и в соответствии с планом измерений управ- ляет тремя ключевыми элементами схемы — измерительным приемником, контроллером антенной мачты и поворотной платформы. Такой охват и позволяет достичь полной автоматизации измерений, включая тра- диционно ручные операции — изменение высоты подъема антенны и ее ориентации для приема излучений с горизонтальной или вертикальной поляризацией. При измере- ниях по стандартам MIL-STD-461 и DO-160 СПО R&S ELEKTRA управляет только изме- рительным приемником, изменение высоты подъема антенны и поворота стола не требу- ется, а сами измерения проводятся в экра- нированной камере при измерительном расстоянии, равном 1 м. На рис. 2 показана упрощенная схема установки для испытаний на устойчивость к радиочастотным электромагнитным полям. В данном случае управлением и контролем могут быть охвачены все поддерживаемые элементы в составе системы формирования сигнала, подаваемого к антенне для созда- ния испытательного поля. Датчик мощности обычно подключается через направленный ответвитель, который выполняется как пас- сивный широкополосный элемент, а измери- тель мощности обеспечивает отображение уровня мощности и передачу данных в СПО R&S ELEKTRA. Средства ВЧ-коммутации могут использоваться в условиях примене- ния двух излучающих антенн и двух уси- лителей мощности, что считается обычной практикой в формировании облучающего поля. Наблюдение за состоянием и опре- деление откликов ИО на облучение может осуществляться с использованием вспомо- гательных технических средств, расположен- ных вне рабочего объема камеры. В схемах на рис. 1 и 2 в качестве интер- фейса управления используется Ethernet. Следовательно, существует возможность создания удаленно управляемых распре- деленных измерительных систем, а также оптимизации размещения и использования дорогостоящих средств измерения при про- ведении измерений. Далее рассмотрим примеры построения систем для измерений излучаемых радио- помех, основанных на применении ПО R&S ELEKTRA. Примеры построения системы для измерений эмиссии излучаемых радиопомех на измерительной площадке с применением По R&S ELEKTRA Измерения в области ЭМС являются одними из самых методически сложных и дорогостоящих. Материальная база совре- менных измерительных комплексов, исполь- зуемых для выполнения сертификационных испытаний по ЭМС, стоит десятки миллио- нов рублей. Но во многих случаях измери- тельные задачи по ЭМС не требуют столь значительных вложений, в особенности если речь идет о предсертификационных испыта- ниях. Вот почему целесообразно рассмотреть два варианта построения систем для измере- ний эмиссии излучаемых помех — бюджет- ный и с полной автоматизацией. Бюджетный вариант отличается низкой стоимостью используемого оборудования и повышенным значением неопределенности измерения [5]. В составе схемы измерений присутствует лишь необходимый минимум оборудования. Наиболее часто проблемы с повышенной помехоэмиссией наблюдаются в диапазоне частот до 1 ГГц, соответствен- но, при выборе оборудования целесообразно ориентироваться на этот диапазон. В соста- ве измерительного комплекса (рис. 3) пред- лагается использовать анализатор спектра начального уровня R&S FPC1000 с поло- сой рабочих частот до 1 ГГц (опционально до 3 ГГц) либо более старшую модель R&S FPL1000 со встроенными фильтрами для измерений помехоэмиссии и комбиниро- ванную логопериодическую измерительную антенну R&S HL562E (30–6000 МГц), спе- циально предназначенную для испытаний по ЭМС. При такой конфигурации измери- тельная система будет работать на частотах от 30 МГц. Если ориентироваться на стан- дарт MIL-STD-461, то измерения должны выполняться в экранированной камере без поворота стола, на котором размещается ИО, и без изменения относительного расположе- ния измерительной антенны и ИО, причем размещение последнего должно гарантиро- вать ориентацию измерительной антенны в направлении максимальной помехоэмис- сии. Модуль ELEMI-E ПО R&S ELEKTRA, предназначенный для измерений эмиссии излучаемых и кондуктивных помех, будет управлять только анализатором спектра. В отсутствие экранированной камеры измерения могут быть выполнены в условиях типовой радиолаборатории, но это чревато неконтролируемыми погрешностями из-за маскировки излучений от ИО посторонни- ми электромагнитными полями, а при созда- нии классической измерительной площадки по ГОСТ 51320–99 — из-за многолучевого распространения радиоволн. В последнем случае в соответствии со схемой на рис. 1 тре- буется использование полубезэховых камер. В представленной на рис. 3 схеме измере- ний ПО R&S ELEKTRA обеспечивает сопо- ставление результатов с нормами заданного стандарта и формирование отчета. Для леги- тимности получаемых результатов оператор Рис. 2. Типовая схема установки для испытаний на устойчивость к радиочастотным электромагнитным полям при использовании ПО R&S ELEKTRA 172 Сборник «Электромагнитная СовмеСтимоСть в Электронике» • 2020 • http://emc-e.ru Приборы и системы должен тщательно соблюдать предписанные стандартами условия проведения измерений. Вариант с полной автоматизацией может быть представлен решением, соот- ветствующим схеме на рис. 4, построенной с опорой на стандарт MIL-STD-461. Такая схема измерений предназначена для изме- рений помехоэмиссии в диапазоне частот 10 кГц — 40 ГГц и может быть реализована в сертификационных центрах. Централь- ным ее компонентом является измеритель- ный приемник высшего класса R&S ESW44 (2 Гц — 44 ГГц) или анализатор спектра высшего класса R&S FSW c диапазоном частот до 90 ГГц и более. Также может быть использован измерительный приемник R&S ESR26 с полосой рабочих частот 10 Гц — 26,5 ГГц. Встроенный малошумящий пред- усилитель в составе указанных средств измерений позволяет достичь высокой чув- ствительности в диапазоне частот во всей полосе измерений помехоэмиссии. Важным достоинством измерительных приемников серии R&S ESW является возможность ана- лиза спектра в реальном времени с полосой до 80 МГц [6, 7]. Режим анализа спектра в реальном вре- мени применяется в основном для углублен- ного исследования индустриальных помех, а также для быстрого регистрации редко Рис. 3. Схема измерительной установки для анализа эмиссии излучаемых радиопомех в диапазоне частот 30 МГц — 1 (6) ГГц при использовании ПО R&S ELEKTRA Рис. 4. Схема автоматической измерительной установки для анализа помехоэмиссии в диапазоне частот 10 кГц — 40 ГГц при использовании ПО R&S ELEKTRA 173 Полный сПектр исПытаний на ЭМс www.test-expert.ru Приборы и системы повторяющихся помех, включая импульсные. Обычно для таких измерений достаточно полосы анализа шириной 80 МГц. Для охвата частотного диапазона 30 МГц — 40 ГГц потребуется не менее трех антенн, причем перекрытие их рабочих полос частот не считается недостатком измерительной системы. В составе установ- ки предлагается использовать антенны R&S HL562E (30–6000 МГц, комбинированная логопериодическая), R&S HF907 (0,8–18 ГГц, рупорная), Schwarzbeck BBHA 9170 (15–40 ГГц, рупорная). Фазовые центры антенн удалены от ИО на одно и то же расстояние, равное 1 м. Стандарт MIL-STD-461 предписывает ориентацию ИО к антеннам направлением максимального излучения, что может быть достигнуто фиксированным поворотом стола на определенный угол, в том числе с помощью автоматического привода. При наличии подходящих условий измерения могут быть реали- зованы во всей полосе частот 30 МГц — 40 ГГц. Для этого антенны должны быть расположены на индивидуальных мачтах, а удаление незадействованных в текущий момент антенн за пределы измери- тельной площадки должно устраняться минимизацией их взаи- мосвязи через механизм ближнего поля. Считается, что это условие выполняется при взаимном удалении антенн не менее чем на 1 м, что соответствует минимальному расстоянию между ИО и фазовым центром облучающей антенны при измерении устойчивости к радио- частотным полям. В этом случае удобно использовать электронную коммутацию антенн с попеременным, программно-управляемым подключением к входу измерительного приемника или анализатора спектра. Для этого в схему включен модуль коммутации ВЧ-сигналов R&S OSP-B112, предназначенный для работы в диапазоне частот до 40 ГГц. Для управления модулем коммутации в схеме на рис. 4 предусмо- трен базовый блок R&S OSP230 или R&S OSP320, имеющий дисплей и панель управления. Он обеспечивает как ручную, так и автома- тическую коммутацию антенн к входу измерительного приемника R&S ESW44 с использованием удаленного управления, реализуемого ПО R&S ELEKTRA. Стандарт MIL-STD-461 не предусматривает изменение высоты подъема антенн и вращение ИО вокруг своей оси. Но, например, в случае измерений по стандарту ГОСТ 51320–99 такие действия тре- буется осуществлять. Ввиду этого в схеме на рис. 4 предусмотрены контроллеры привода антенн (КПА) и контроллер привода враще- ния испытуемого объекта (КПВ), также поддерживаемые ПО R&S ELEKTRA. Измерительные антенны и ИО должны быть размещены внутри условно не показанной на рисунке экранированной камеры. Как и в бюджетном варианте, ПО R&S ELEKTRA устанавливает- ся на компьютер, при помощи которого осуществляется управле- ние измерительным комплексом. Для автоматических измерений эмиссии излучаемых радиопомех целесообразно применять базовый модуль R&S ELEMI-E, а для обеспечения расширенной функциональ- ности — модули R&S ELEMI-A и R&S ELEMI-S, используемые для соз- дания систем с максимальной степенью автоматизации измерений. Для связи с управляемыми объектами предусмотрен высоко- скоростной коммутатор, работающий по протоколу Ethernet. При использовании безэховой экранированной камеры управляющие сигналы целесообразно передавать по оптоволоконной линии, что позволит уменьшить проникновение внешних электромагнитных полей в защищаемый объем. Итоговый облик построенной измерительной системы выглядит следующим образом: измерительный приемник R&S ESW44, базо- вый блок управления коммутацией R&S OSP230 с коммутатором R&S OSP-B112, компьютер с установленными программными модулями ПО R&S ELEKTRA, а также сетевой коммутатор. Используются изме- рительные антенны R&S HL562E, HF907, BBHA 9170, установленные на трех антенных мачтах. Пример построения системы для измерений эмисси и кондуктивных радиопомех с применением По R&S ELEKTRA Измерения эмиссии кондуктивных электромагнитных помех в методическом плане оказываются существенно проще из-за отсутствия необходимости любых механических перемещений (рис. 5). В качестве измерительного преобразователя здесь должен использоваться эквивалент сети [1], если рассматривается эмиссия помех в питающую электрическую сеть. Если ИО имеет типовое трехпроводное подключение, то в составе схемы измерений может использоваться двухпроводный V-образный эквивалент сети R&S ENV216 с рабочей полосой 9 кГц — 30 МГц. Если для ИО требуется Рис. 5. Пример схемы, предназначенной для измерений эмиссии кондуктивных помех в питающую электрическую сеть 174 Сборник «Электромагнитная СовмеСтимоСть в Электронике» • 2020 • http://emc-e.ru Приборы и системы трехфазное электропитание, необходимо использовать четырех- проводной эквивалент сети R&S ENV432. Эквивалент сети имеет специальный порт Remote Control с интерфейсами RS-232 и RS-485, а потому для протокола Ethernet должен применяться преобразова- тель интерфейсов. Выходной сигнал с эквивалента сети может пода- ваться на любой поддерживаемый ПО R&S ELEKTRA измерительный приемник R&S ESW, ESR, ESRP или анализатор спектра, например, R&S FPL1000, FPC. Управление всеми элементами измерительной системы осу- ществляется модулем R&S ELEMI-E, при необходимости функци- ональность установки может быть расширена за счет модулей R&S ELEMI-A и R&S ELEMI-S. ПО R&S ELEKTRA позволяет провести измерения эмиссии кондуктивных помех в полностью автомати- ческом режиме. Их целесообразно выполнять в экранированной камере для защиты от посторонних помех природного и техно- генного характера. Заключение Таким образом, существуют различные варианты построения измерительных комплексов на основе ПО R&S ELEKTRA. Возмож- ность использования как бюджетных, так и сертификационных средств измерений высшего класса позволяет создать измерительные установки в соответствии с текущими задачами — как исследователь- ского, так и прикладного характера. Сама концепция построения ПО R&S ELEKTRA подразумевает возможность реализации множества задач, для решения которых предназначен измерительный комплекс. Повышение степени автома- тизации измерений не требует полной смены аппаратно-программ- ного обеспечения, а достигается введением в измерительную систему поддерживаемого ПО R&S ELEKTRA устройства или их группы, после чего осуществляются необходимые программные настройки. Таким образом, модернизация испытательных систем, работающих под управлением ПО R&S ELEKTRA, фактически не требует наладки средств измерений и дополнительного оборудования. Литература 1. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. Пер. с англ. Кармашева В. С., Кечиева Л. Н. М.: Издательский дом «Технологии», 2003. 2 . R & S E L E K T R A . П р о г р а м м н о е о б е с п е ч е н и е д л я и с п ы т а н и й на ЭМС. Проведение испытаний на ЭМС от этапа разработки до сертифи- кации. Версия 01.01. Брошюра. 3. www.rohde-schwarz.com/ru/product/elektra-emcproductstartpage_ 63493–584628.html 4. R&S®ELEKTRA EMC TEST SOFTWARE. Specifications. Data sheet, Version 02.00. 5. ГОСТ 30805.16.4.2–2013 «Совместимость технических средств электро- магнитная. Неопределенность измерений в области электромагнитной совместимости». М.: Стандартинформ, 2014. 6. R&S ESW Измерительный приемник электромагнитных помех. Исключительные высокочастотные характеристики и уникальные возмож- ности измерений от 2 Гц до 500 ГГц. Техническое описание, версия 01.01. 7. Лемешко Н. В., Петров В. В., Поветкин О. В., Богаченков Д. А. Спектральный анализ в реальном времени для поиска случайных импульсных помех с по- мощью измерительных приемников серии R&S ESW//Электронные ком- поненты. 2016. № 6. 8. www.rohde-schwarz.com/ru/product/advise-productstartpage_63493–149761. html |