Ćwiczenie Nr 3. Pomiar emisyjności urządzeń elektronicznych w komorze TEM

Transkrypt

1 str. 1/8 Ćwiczenie Nr 3 Pomiar emisyjności urządzeń elektronicznych w komorze TEM 1. Cel ćwiczenia: Zapoznanie z alternatywnymi metodami pomiaru emisyjności urządzeń teleinformatycznych oraz ze sposobami korelacji uzyskiwanych tymi metodami wyników z wartościami mierzonymi na stanowisku pomiarowym w otwartej przestrzeni (zalecanym normami przedmiotowymi). 2. Przygotowanie do ćwiczenia: Zapoznać się z obsługą przyrządów pomiarowych oraz budową komory TEM. Zapoznać się z metodami pomiaru emisyjności urządzeń teleinformatycznych w otwartej przestrzeni i w komorze TEM. Zapoznać się z dopuszczalnymi poziomami emisyjności, określonymi obowiązującymi normami. 3. Sprzęt pomiarowy: mikrowoltomierz selektywny typu WMS-4, mierniki zakłóceń ULMZ 4/50, urządzenie do testowania. 4. Metody pomiaru emisyjności Zgodnie z zaleceniami CISPR 16 (polski odpowiednik PN-93/T-06450), PN-EN oraz ANSI C63.4 badanie emisyjności urządzenia polega na sprawdzeniu, w określonym paśmie częstotliwości, jego pełnej charakterystyki promieniowania. Charakterystykę promieniowania urządzenia określa się mierząc w jego otoczeniu (w określonej odległości) natężenie pola elektrycznego. Podczas pomiarów urządzenie obracane jest w płaszczyźnie poziomej o kąt 360 0, a po każdym pełnym obrocie zmieniana jest wysokości położenia anteny pomiarowej, w zakresie od jednego do czterech metrów. Procedura ta wykonywana jest dla poziomego i pionowego usytuowania najdłuższego z boków badanego urządzenia.

2 str. 2/8 Antena pomiarowa Badane urządzenie r1 h =1-4 m a Komputer sterujący h r2 Analizator widma lub miernik zakłóceń GPIB d Rys. 1. Stanowisko do pomiaru emisyjności w otwartej przestrzeni Wynikiem pomiarów są największe ze zmierzonych wartości natężenia pola elektrycznego. Pomiary te przeprowadzane są na specjalnie do tego celu przygotowanym stanowisku pomiarowym w otwartej przestrzeni OATS (ang. Open Area Test Site). Przykładowe stanowisko pomiarowe przedstawiono na rysunku (Rys. 1). W celu ograniczenia wpływu zakłóceń radioelektrycznych na wyniki pomiarów zaleca się, aby stanowisko to zlokalizowane było daleko od terenów zurbanizowanych. Jednak zazwyczaj warunek ten nie jest spełniony. Wówczas dokładny pomiar natężenia pola elektromagnetycznego promieniowanego przez badane urządzenie jest znacznie utrudniony, ponieważ dla wielu częstotliwości z pasma MHz poziom zakłóceń (tzw. tło pomiarowe ) jest znacznie wyższy od dopuszczalnych wartości promieniowanych pól. Dostępność w ciągu roku stanowiska do pomiaru emisyjności w otwartej przestrzeni jest znacznie ograniczona ze względu na zmienne warunki atmosferyczne, a wysokie koszty jego budowy i utrzymania oraz pomiarów sprawiają, iż poszukuje się alternatywnych metod pomiarowych. Pod koniec lat 70-tych M.L. Crawford skonstruował komorę TEM (ang. Transverse Electromagnetic Cell), która umożliwiła pomiar emisyjności i podatności urządzeń na ciągłe i impulsowe pola elektromagnetyczne z całkowitym odizolowaniem od wpływów środowiska. Komora TEM (Rys. 2) stanowi odcinek współosiowej linii transmisyjnej o prostokątnym przekroju poprzecznym, z dołączonymi doń zwężającymi się sekcjami, umożliwiającymi w zależności od rodzaju badań przyłączanie (za pośrednictwem typowych złącz koncentrycznych) generatora i obciążenia lub przyrządów pomiarowych (np. miernika zakłóceń, oscyloskopu, analizatora widma). Komora TEM służy jako szerokopasmowy przetwornik, o liniowej fazie i amplitudzie, zamieniający natężenie pola elektromagnetycznego na napięcie o częstotliwości w.cz. i odwrotnie. Częstotliwość krytyczna (graniczna) komory Crawforda zależy od jej rozmiaru poprzecznego. Im jest on większy, tym częstotliwość graniczna jest mniejsza. W przypadku pomiarów emisyjności urządzeń stanowi to poważne ograniczenie, ponieważ dla pomiarów do częstotliwości 1 GHz wysokość przestrzeni pomiarowej nie może przekraczać 7,5 cm. Zwiększenia częstotliwości roboczych, powyżej częstotliwości krytycznej, możliwe jest poprzez częściowe wypełnienie komory TEM materiałem absorpcyjnym. Określenie emisyjności urządzenia przy pomocy komory TEM wymaga wykonania pomiarów napięć i faz sygnałów na wyjściach komory dla sześciu położeń badanego urządzenia w jej przestrzeni pomiarowej. Uzyskane wyniki pomiarów pozwalają, stosując odpowiednie procedury obliczeniowe, na wyznaczenie multipolowego modelu

3 str. 3/8 promieniowania badanego urządzenia. W dalszej kolejności wyznaczana jest charakterystyka promieniowania tego modelu w wolnej przestrzeni i nad doskonale przewodzącą uziemioną płaszczyzną. Uzyskane w ten sposób wyniki mogą być porównane z określonymi normami dopuszczalnymi poziomami emisyjności. Możliwe jest także porównanie tych wyników z wartościami uzyskanymi podczas pomiarów emisyjności tego urządzenia na stanowisku w otwartej przestrzeni. W celu skrócenia czasu potrzebnego na przeprowadzenie pomiarów opracowano uproszczoną metodę określania emisyjności urządzeń. W celu obliczenia całkowitej mocy promieniowanej przez urządzenie niezbędne są jedynie wyniki pomiarów dla trzech wzajemnie ortogonalnych położeń BU w przestrzeni pomiarowej komory TEM. Całkowita moc promieniowana przez BU (suma mocy zmierzonych dla każdego położenia) nie pozwala na wyznaczenie modelu emisyjności. Można jednak przyjąć bardzo prosty model emisyjności w postaci dipola półfalowego, ponieważ jest mało prawdopodobne, aby samoistnie promieniujące urządzenia (elektrycznie małe) miało większy zysk antenowy od dipola półfalowego. Tak więc maksymalna wartość natężenia promieniowanego pola przez to urządzenie nie może być większa niż dla przypadku dipola antenowego promieniującego z mocą, równą całkowitej mocy emitowanej przez BU (zmierzoną przy pomocy komory TEM). Opierając się na tym założeniu można przeprowadzić matematyczną analizę promieniowania przyjętego modelu nad doskonale przewodzącą uziemioną płaszczyzną i wyznaczyć maksymalne poziomy emisyjności BU. Jeżeli wyniki obliczeń nie przekroczą dopuszczalnych poziomów, to wystarczą one do jakościowego określenia emisyjności BU. Jednak jeżeli poziomy zawarte w normach zostaną przekroczone, to fakt ten nie wystarczy, aby zakwalifikować to urządzenie jako nie spełniające wymagań zawartych w normie. Konieczne jest wówczas wykonanie dodatkowych pomiarów pozwalających na wyznaczenie modelu multipolowego badanego urządzenia, a następnie obliczeń wartości natężenia pola promieniowanego przez ten model. Górne drzwi Zewnętrzny ekran Dolne drzwi Podpory dielektryczne Komputer sterujący Przewodnik wewnętrzny GPIB Analizator widma lub miernik zakłóceń Przejście współosiowe Rys. 2. Stanowisko pomiarowe z komorą Crawforda

4 str. 4/8 Obliczenia metodą uproszczoną wykonuje się dla wszystkich częstotliwości, przy pomocy zamieszczonych niżej zależności: P xyz U U xyz yzx zxy =, Pyzx =, Pzxy =, (1) Z Z Z 0 0 U 0 gdzie: U xyz,u yzx,u zxy to napięcia zmierzone na wyjściu komory [dbµv] na impedancji Z o =50Ω Całkowita moc promieniowana przez BU w komorze TEM określona jest zależnością Ptot = Pxyz + Pyzx + Pzxy. (2) Odległości źródła rzeczywistego i jego obrazu (źródła urojonego) od punktu obserwacji wynoszą odpowiednio: gdzie: r = d + ( h h ) a r = d + ( h + h) a d - odległość anteny pomiarowej od BU, h - wysokość umieszczenia BU nad doskonale przewodzącą uziemioną płaszczyzną, h a - wysokość zawieszenia anteny pomiarowej nad doskonale przewodzącą uziemioną płaszczyzną (zob. Rys. 1). (3) x=0 x'=0 y, y' g -x' y'=0 z' +x' b y=0 -x z -y, -y' +x 2a Rys. 3. Widok przekroju poprzecznego komory TEM Składowe pozioma i pionowa natężenia pola elektrycznego w punkcie obserwacji wynoszą odpowiednio:

5 str. 5/8 gdzie: E = E SF, [µv/m] Hmax max E = E SF, [µv/m] k V max 0 SF SF E max V H 2π π f [ MHz] = =, λ 150 H V max = jk r jk r e e = r r jk r jk r 2 e e = d 3 r r 60 k0 e oy P tot 3 2 (4) (5), (6), (7), (8) eoy = 1 b Z 0 (9) b - jest wysokością przestrzeni pomiarowej komory TEM [m]. 5. Procedura uproszczonego pomiaru emisyjności urządzeń w komorze TEM Pomiar emisyjności urządzenia w komorze TEM można podzielić na dwa etapy. Pierwszy polega na rejestracji wszystkich częstotliwości promieniowanych przez BU sygnałów, dla trzech podstawowych położeń urządzenia w przestrzeni pomiarowej komory. W drugim etapie następuje selektywny pomiar napięć na wejściu komory TEM dla wszystkich wcześniej określonych częstotliwości. +z' -y' +y' +x' Rys. 4. Zalecany sposób określania układu współrzędnych BU 1) Wybrać początek układu współrzędnych badanego urządzenia (x',y',z'), tak aby pokrył się on ze środkiem źródła promieniowania tego urządzenia (jeżeli możemy je określić) lub z jego środkiem geometrycznym. Usytuowanie początku układu współrzędnych w środku geometrycznym urządzenia może być źródłem wystąpienia błędów w przypadku obiektów o dużych wymiarach. Zalecane jest, aby oś z' układu współrzędnych (x',y',z') była równoległa do osi pionowej urządzenia w warunkach jego normalnej pracy (Rys. 4). Nie jest to warunek konieczny, jednak dzięki temu uzyskuje się zgodność układu współrzędnych modelu urządzenia z układem współrzędnych przyjętym podczas

6 str. 6/8 symulacji jego promieniowania w wolnej przestrzeni i nad doskonale przewodzącą uziemioną płaszczyzną. Zgodność jest szczególnie przydatna podczas badań porównawczych. 2) Przygotowanie stolika wykonanego z dielektryka (np. styropian) wewnątrz komory pokazanego na rysunku (Rys. 5). Stolik powinien umożliwiać zmianę wysokości tak, aby podczas pomiarów początek źródła znajdował się zawsze w środku przestrzeni pomiarowej. Rys. 5. Sposób umieszczenia BU w komorze TEM 3) Umieszczenie BU wewnątrz komory TEM na stoliku pomiarowym tak, aby początek układu współrzędnych badanego urządzenia (x',y',z') pokrył się ze środkiem przestrzeni pomiarowej oraz x II x', y II y', z II z'. 4) Rejestracja częstotliwości sygnałów emitowanych przez BU, których poziom przekracza wartości określone przez wykonującego badania. 5) Ustawienie BU w położeniu YZX tzn. tak, aby osie x II y', y II z', z II x'. Należy pamiętać o zachowaniu położenia początku układu współrzędnych badanego urządzenia (x',y',z') wewnątrz przestrzeni pomiarowej. 6) Rejestracja częstotliwości sygnałów emitowanych przez BU, których poziom przekracza wartości określone przez wykonującego badania i uzupełnienie listy (z pkt. 4) o nowe częstotliwości, które jeszcze nie wystąpiły. 7) Ustawienie BU w położeniu ZXY tzn. tak, aby x II z', y II x', z II y'. Należy pamiętać o zachowaniu położenia początku układu współrzędnych badanego urządzenia (x',y',z') wewnątrz przestrzeni pomiarowej. 8) Rejestracja częstotliwości sygnałów emitowanych przez BU, których poziom przekracza wartości określone przez wykonującego badania i uzupełnienie listy (z pkt. 6) o nowe częstotliwości, które jeszcze nie wystąpiły. 9) Ustawienie BU w położeniu XYZ i pomiar urządzeniem pomiarowym (miernik zakłóceń lub analizator widma) napięć na wejściu komory dla wszystkich częstotliwości z listy. ) Ustawienie BU w położeniu YZX i pomiar urządzeniem pomiarowym napięć na wejściu komory dla wszystkich częstotliwości z listy. 11) Ustawienie BU w położeniu ZXY i pomiar urządzeniem pomiarowym napięć na wejściu komory dla wszystkich częstotliwości z listy.

7 str. 7/8 6. Dopuszczalne poziomy emisyjności urządzeń Normy dotyczące wymagań na emisyjność poszczególnych grup urządzeń zostały zdefiniowane dla stanowiska pomiarowego w otwartej przestrzeni. Przykładowe wymagania stawiane przez normy obowiązujące w krajach Unii Europejskiej i Stanach Zjednoczonych Ameryki zobrazowano w tabeli (Tabela 1). Tabela 1. Porównanie granicznych poziomów emisyjności występujących w różnych normach (dla detektora quasi-peak) Klasa B - dla dowolnych obszarów Zakres częstotliwości [MHz] 0,15 0, Norma dbµv dbµv dbµv dbµv/m dbµv/m Uwagi EN m En m EN m Vfg m FCC p m Klasa A - dla obszaru wydzielonego EN m EN m EN m Vfg m FCC p m 7. Przebieg ćwiczenia 1) Do jednego z wyjść komory TEM podłączyć miernik zakłóceń, a drugie wyjście komory obciążyć impedancją dopasowaną do wyjścia. 2) Zmierzyć emisyjność odbiornika radiowego w komorze zgodnie z procedurą przedstawioną w pkt. 5. Pomiary wykonać przy włączonym detektorze quasi-peak, zwracając szczególną uwagę na poprawną kalibrację mierników podczas pomiarów. 3) Wyznaczyć dla każdej częstotliwości całkowitą moc promieniowaną przez BU. 4) Przy pomocy programu Mathcad obliczyć emisyjność badanego urządzenia nad doskonale przewodzącą płaszczyzną, symulując procedurę pomiaru zakłóceń na stanowisku w otwartej przestrzeni. Obliczenia wykonać w odległości 3, i 30 m. od urządzenia. Dane do symulacji: h = 1 m. h a = od 1 m do 4 m ze skokiem równym cm. d = 3,, 30 m Uwaga: wynikiem obliczeń powinny być maksymalne wartości składowych poziomej i pionowej natężenia pola elektrycznego dla każdej z odległości od BU. 5) Przedstawić w formie wykresu emisyjność badanego urządzenia i porównać otrzymane wyniki z dopuszczalnymi poziomami określonymi Polską Normą. 6) Dołączyć do sprawozdania wydruk procedury obliczeniowej z programu Mathcad.

8 str. 8/8 Literatura: [1.] Więckowski T. W.: Pomiar emisyjności urządzeń elektrycznych i elektronicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997 [2.] PN-EN : - Kompatybilność elektromagnetyczna - Wymagania ogólne dotyczące emisyjności - Część 1: Środowisko mieszkalne, handlowe i lekko uprzemysłowione [3.] Normy podstawowe na które powołuje się norma [2]. WROCŁAW 2000