Błędy w pomiarach zaburzeń elektromagnetycznych powodowane obecnością metalowych elementów konstrukcyjnych kabin ekranujących

Transkrypt

1 Sławomir Musiał*, Ireeusz Kubiak* Błędy w pomiarach zaburzeń elektromagetyczych powodowae obecością metalowych elemetów kostrukcyjych kabi ekraujących W ostatich latach asyceie środowiska elektromagetyczego urządzeiami elektroiczymi bardzo wzrosło. Szczególie dotyczy to urządzeń do bezprzewodowej trasmisji daych (stacje radiowe i telewizyje, sieci iteretowe, telefoia komórkowa). Zjawisko to powoduje, że atężeie pola elektromagetyczego zaburzeń środowiskowych w otwartej przestrzei jest bardzo wysokie. Często przekracza oo dopuszczale poziomy (rys.1) określoe w odpowiedich dokumetach ormalizacyjych. rowe zamiast w otwartym tereie orgaizuje się w miejscach osłoiętych przed wpływem zewętrzych zaburzeń środowiskowych. Do takich miejsc moża zaliczyć duże podzieme lub azieme (o grubych ściaach) tuele oraz kabiy ekraujące. Przykłady takich poligoów pomiarowych przedstawioo a rys. 3, a poziom zaburzeń środowiskowych zmierzoych w jedej z kabi ekraujących a rys. 2. Rys. 1. Poziom tła zaburzeń środowiskowych w tereie otwartym i przykładowy poziom dopuszczaly określoy dokumetem ormatywym W takich warukach prowadzeie pomiarów zaburzeń elektromagetyczych jest bardzo utrudioe, a często wręcz iemożliwe. W zakresach częstotliwości, w których zmierzoy poziom tła tych zaburzeń przekracza poziom dopuszczaly (przedstawioy a rys.1), ie moża w prosty sposób określić, czy baday obiekt spełia określoe wymagaie. Z tego względu poligoy pomia- * Wojskowy Istytut Łączości, Zegrze, s.musial@wil.waw.pl, i.kubiak@wil.waw.pl Rys. 2. Poziom tła zaburzeń środowiskowych wewątrz kabiy ekraującej i przykładowy poziom dopuszczaly określoy dokumetem ormatywym Prowadzeie badań a alteratywych poligoach pomiarowych (rys. 3), choć dopuszczae przez dokumety ormalizacyje, wiąże się z pewymi (często zaczymi) degradacjami propagacji zaburzeń. Obserwuje się wówczas odbicia fal elektromagetyczych od ścia i sufitu pomieszczeia. Poadto parametry elektrycze podłogi zaczie odbiegają od parametrów grutu a otwartych poligoach pomiarowych, co rówież ma duży wpływ a rozkład pola elektromagetyczego. Dodatkowo istieje efekt promieiowaia wtórego od elemetów kostrukcyjych. Błędy pomiarowe, jakie mogą powstać w wyiku występowaia PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII r 7/

2 Wyiki uzyskae podczas testów wykazują duże podobieństwo do wyików symulacji, a widocze a rysukach iewielkie różice w rozkładzie pola wyikają ajprawdopodobiej z kostrukcji kabiy (sposób motażu paeli uiemożliwia uzyskaie gładkiej powierzchi ściay) oraz dokładości pomiarów (dokładość usytuowaia atey i receptora oraz ich charakterystyki kierukowej). Wyzaczoe odchyleie średiokwadratowe, zgodie z zależością: (Wp s= Rys. 3. Przykładowe alteratywe poligoy pomiarowe: a) tuel schrou kolejowego z czasów II wojy światowej; b, c) bezodbiciowa kabia ekraująca i =1 j =1 x ( i ), y ( j ) W x ( i ), y ( j ) 1 ) 2 (1) gdzie: s odchyleie stadardowe, Wp zmierzoa wartość atężeia pola elektromagetyczego, W średia wartość zmierzoego i obliczoego atężeia pola elektromagetyczego, x(i), y(j) wartości współrzędych x i y w aalizowaym obszarze (kwadrat 10 x 10 puktów pomiarowych), a aalizowaym obszarze (100 puktów pomiarowych a obszarze 90 x 90 cm) wyosi 7%. Taka wartość błędu umożliwia przyjęcie stosowaej metody sumowaia fal jako wiarygodej do celów wyzaczaia rozkładu pola elektromagetyczego. Porówaie wyików pomiarów z wyikami obliczeń przedstawioo a rys. 5. elemetów zaburzających propagację fal pola elektromagetyczego, są ceą, którą iestety trzeba zapłacić za odpowiedio iski poziom zaburzeń środowiskowych. Walidacja metody wyzaczaia rozkładu pola elektromagetyczego Do wyzaczeia rozkładu atężeia pola elektromagetyczego wykorzystao metodę sumowaia fal [5]. Metoda ta umożliwia oszacowaie atężeia pola elektromagetyczego w obecości płaskich powierzchi przewodzących w wyiku sumowaia fali bezpośrediej i istotych fal odbitych. Poprawość tej metody sprawdzoo doświadczalie w kabiie ekraują- Rys. 4. Układ pomiarowy cej, której ściay ie zostały pokryte elemetami absorpcyjymi. Testy przeprowadzoo dla częstotliwości 30 MHz, 50 MHz i 200 MHz. Usytuowaie atey adawczej (moopol elektryczie krótki) oraz aalizowaych powierzchi przewodzących przedstawioo a rys Rys. 5. Porówaie wyików pomiarów (b, d, f) z wyikami obliczeń (a, c, e) dla częstotliwości 30 MHz (a, b), 50 MHz (c, d) oraz 200 MHz (e, f) PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII r 7/2014

3 Zaburzeia rozkładu pola elektromagetyczego powodowae obecością elemetów przewodzących Na otwartych poligoach pomiarowych pierwszym czyikiem mającym wpływ a rozkład pola elektromagetyczego jest ziemia. W porówaiu z propagacją pola w wolej przestrzei, obecość ziemi a otwartym poligoie pomiarowym wprowadza iewielkie zmiay powstałe wskutek jej oddziaływaia a rozchodzeie się fal elektromagetyczych. Zjawisko to przedstawioo a rys. 6. Rys. 6. Rozkład atężeia pola elektromagetyczego (f = 500 MHz) od elektryczie krótkiego dipola pioowego: a) w wolej przestrzei; b) ad ziemią rzeczywistą; c) i d) różice pomiędzy atężeiem pola w wolej przestrzei i ad ziemią rzeczywistą (V/m) Tabela 1. Zaburzeia rozkładu pola elektromagetyczego powodowae obecością elemetów przewodzących w odiesieiu do rozkładu pola w swobodej przestrzei Uwzględioe elemety metalowe Odchyleie stadardowe Błąd maksymaly Podłoga 31% 45% Podłoga i sufit 30% 56% Podłoga, sufit i ajbliższe ściay 36% 73% Podłoga, sufit i wszystkie ściay 39% 92% Podłoga, sufit, wszystkie ściay i odbicia podwóje 42% 103% Obserwowae różice pomiędzy rozkładem pola ad ziemią i w swobodej przestrzei są rzędu 10% (ok. 1 dbµv). Takie różice bywają w większości przypadków akceptowale. Warto jedak pamiętać, że aalizowaa sytuacja dotyczy grutu o parametrach elektryczych zaczie odbiegających od parametrów powierzchi metalowych, co występuje a poligoie pomiarowym, jakim jest kabia ekraująca. Sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowaa, gdy uwzględi się dodatkowe elemety przewoprzegląd TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII r 7/2014 Rys. 7. Rozkład atężeia pola elektromagetyczego (f = 500 MHz) od elektryczie krótkiego dipola pioowego w wolej przestrzei (a) oraz z uwzględieiem odbić od: (b) metalowej podłogi; (c) metalowej podłogi i sufitu; (d) metalowej podłogi, sufitu i ajbliższych ścia; (e) metalowej podłogi, sufitu i wszystkich ścia; (f) metalowej podłogi, sufitu wszystkich ścia oraz odbić podwójych dzące kabiy ekraującej ściay i sufit. Wpływ tych elemetów a rozkład pola elektromagetyczego (aalizoway obszar jak a rys. 4) zobrazowao a rys. 7. Dla uzyskaych wyików przeprowadzoo aalizę błędów w odiesieiu do wzorcowego przypadku propagacji w wolej przestrzei. Wyzaczoo odchyleie średiokwadratowe, zgodie z zależością (2), oraz maksymalą różicę (3) pomiędzy wyikami, uwzględiającymi oddziaływaie kostrukcji przewodzących, a rozkładem wzorcowym. Wyiki zobrazowao w tabeli s= Ww max (W i =1 j =1 x ( i ), y ( j ) Ww x ( i ), y ( j ) ) 1 2 [%] 2) 100 B= max Wx ( i ),y ( j ) Ww x ( i ), y ( j ) [%] (3) Ww max i (1..10 ), j (1..10 ) gdzie: s odchyleie stadardowe, B błąd maksymaly, W obliczoa wartość atężeia pola uwzględiająca odbicia od elemetów przewodzących, Ww obliczoa wartość atężeia pola w wolej przestrzei, Wwmax maksymala wartość Ww w aalizowaym obszarze, x(i), y(j) wartości współrzędych x i y w aalizowaym obszarze (kwadrat 10 x 10 puktów pomiarowych). 675

4 Przedstawioe w tabeli 1 wartości błędów w odiesieiu do waruków propagacji w wolej przestrzei są bardzo duże. Maksymaly błąd rzędu 100% odpowiada 6 db w mierze logarytmiczej. Tak duże rozbieżości w wielu przypadkach mogą prowadzić do błędych decyzji w pomiarach kompatybilości elektromagetyczej. Poadto sytuacja staje się jeszcze gorsza w przypadku wyższych częstotliwości (rys. 8). Przykładowo dla Zastosowaie ate kierukowych Przedstawioe wyiki aaliz dotyczą pomiarów i symulacji w przypadku, gdy atea odbiorcza była ateą o charakterystyce dookólej. W rzeczywistości większość ate wykorzystywaych do badań EMC charakteryzuje się większą bądź miejszą kierukowością (atey typu bicoical, logarytmiczo-periodycze czy Rys. 8. Rozkład atężeia pola elektromagetyczego (f = 1 GHz) od elektryczie krótkiego dipola pioowego w wolej przestrzei (a) oraz z uwzględieiem odbić od metalowej podłogi, sufitu i wszystkich ścia oraz odbić podwójych (b) Rys. 9. Rozkład atężeia pola elektromagetyczego od elektryczie krótkiego dipola pioowego z uwzględieiem odbić od metalowych elemetów kabiy dla częstotliwości a) 1 GHz oraz b) 500 MHz częstotliwości 1 GHz odchyleie stadardowe i błąd maksymaly, liczoe zgodie z zależościami (2) i (3), wyoszą odpowiedio 70% i 207% (czyli błąd maksymaly w mierze logarytmiczej to już 10 db). Dodatkowym utrudieiem przy zapewieiu powtarzalości pomiarów jest duża zmieość atężeia pola w zależości od położeia puktu pomiarowego. Dla częstotliwości 1 GHz, a odciku 20 cm, atężeie pola elektromagetyczego może się zmieić aż czterokrotie. Zjawisko to zobrazowao a rys. 9. Zmiejszeie wpływu metalowych kostrukcji kabiy a rozkład pola elektromagetyczego Na podstawie poprzedio podaych iformacji moża by wioskować, że badaie kompatybilości elektromagetyczej w kabiach ekraujących ie jest dobrym rozwiązaiem. Wyika to wprost z ieprzewidywalych rozkładów pola elektromagetyczego, dużych rozbieżości uzyskiwaych wyików i co się z tym wiąże braku powtarzalości pomiarów. W dalszej części artykułu zostaą omówioe sposoby umożliwiające zmiejszeie powstających błędów. 676 Rys. 10. Wpływ kierukowości ate pomiarowych a rozkład pola elektromagetyczego w kabiie ekraującej iewyposażoej w elemety bezodbiciowe; częstotliwość 1 GHz; a) odiesieie propagacja w wolej przestrzei, częstotliwość 1 GHz, atea dookóla; b, c, d) propagacja w kabiie z uwzględieiem wszystkich możliwych odbić; b atea odbiorcza dookóla, odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 74%, błąd maksymaly 197%; c atea odbiorcza kierukowa, tłumieie fal odbitych 6 db, odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 47%, błąd maksymaly 113%; d atea odbiorcza dookóla, tłumieie fal odbitych 10 db, odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 42%, błąd maksymaly 86% PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII r 7/2014

5 Rys. 12. Przykładowe rozwiązaia kostrukcyje absorberów oraz widok kabiy bezodbiciowej Rys. 11. Wpływ kierukowości ate pomiarowych a rozkład pola elektromagetyczego w kabiie ekraującej iewyposażoej w elemety bezodbiciowe; częstotliwość 10 MHz: a) odiesieie propagacja w wolej przestrzei, częstotliwość 10 MHz, atea odbiorcza dookóla; b) propagacja w kabiie z uwzględieiem wszystkich możliwych odbić, atea odbiorcza kierukowa, tłumieie fal odbitych od podłogi i sufitu 10 db odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 24%, błąd maksymaly 31% tubowe, których zysk kierukowy może być rzędu kilkuastu, a awet kilkudziesięciu dbi). W przypadku takich ate fale odbite od metalowych elemetów kabi, padające a ateę odbiorczą pod iym kątem iż wiązka główa atey, zostają stłumioe. Tłumieie to jest zależe od zysku kierukowego atey (rys. 10 i 11). Najmiej korzystie zachowuje się w tej sytuacji atea prętowa, której kierukowa charakterystyka promieiowaia umożliwia jedyie tłumieie fali odbitej od sufitu i podłogi. Jedak w tym przypadku długość fali (atey tego typu są wykorzystywae ajczęściej do 30 MHz) powoduje zacze zmiejszeie ierówomierości rozkładu pola, a błędy w odiesieiu do promieiowaia w swobodej przestrzei są zaczie miejsze iż dla dużych częstotliwości. Wyposażeie kabiy w elemety bezodbiciowe Podoby skutek moża uzyskać rozmieszczając a metalowych elemetach kabiy materiał absorpcyjy (rys. 12). Dzięki temu fale odbite od ścia są tłumioe już w chwili odbicia. Zalecae miimale tłumieie elemetów bezodbiciowych powio wyosić co ajmiej 6 db. W praktyce tłumieie to wyosi od 10 db do 40 db i więcej. Na uwagę zasługuje fakt, że w tym przypadku tłumioa jest rówież fala odbita od ściay, będąca w główej wiązce promieiowaia atey odbiorczej (rys. 13). W przypadku opisaym poprzedio zjawisko to ie występowało. Właściwe usytuowaie staowiska w kabiie Najtańszym, ale ajmiej skuteczym, sposobem zmiejszeia wpływu odbić a rozkład pola elektromagetyczego jest właściwe usytuowaie staowiska pomiarowego w kabiie. Często jest to możliwe do wykoaia jedyie w kabiach o odpowiedio dużych rozmiarach. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII r 7/2014 Rys. 13. Wpływ absorberów zamotowaych a wszystkich powierzchiach metalowych kabiy a rozkład pola elektromagetyczego w kabiie ekraującej, propagacja w kabiie z uwzględieiem wszystkich możliwych odbić: a) częstotliwość 1 GHz, atea odbiorcza dookóla, tłumieie fal odbitych 20 db, odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 6%, błąd maksymaly 17%; b) atea odbiorcza dookóla, częstotliwość 100 MHz, tłumieie fal odbitych 20 db, odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 3%, błąd maksymaly 4% Staowisko powio być zorgaizowae możliwie ajdalej od każdej z metalowych ścia. Im będzie oo bardziej oddaloe od ścia, tym bardziej stłumioe zostaą fale odbite. przedstawioe wyiki symulacji oraz pomiarów dotyczą staowiska zorgaizowaego w arożikach kabiy. Przeiesieie staowiska kabiy zgodie z rys. 14 umożliwiło prawie 50% zmiejszeie aalizowaych błędów (rys. 15). *** Prowadząc badaia a alteratywych poligoach badawczych, szczególą uwagę ależy zwracać a możliwość powstaia dodatkowych błędów. Ich przyczyą mogą być odbicia od metalowych elemetów kabiy. Prosta metoda wyzaczaia całkowitego atężeia pola elektromagetyczego w dowolym obszarze (metoda sumowaia fal) może być z powodzeiem 677

6 Rys. 14. Zmieioe usytuowaie układu pomiarowego względem przedstawioego a rys. 4 zastosowaa do przybliżoego wyzaczeia tych błędów oraz do przedsięwzięcia odpowiedich środków, mających a celu zmiejszeie zaburzeń rozkładu pola elektromagetyczego, co jest bardzo istote dla zapewieia poprawości i powtarzalości pomiarów. Jak łatwo moża zaobserwować a rysukach, ajskutecziejszą metodą miimalizacji błędów pomiarowych jest zastosowaie materiałów absorpcyjych. Jedocześie dla iektórych częstotliwości dodatkowym czyikiem, pozytywie wpływającym a poprawość wyików, jest stosowaie ate o odpowiediej charakterystyce kierukowej (jest to ajczęściej wymuszae przez odpowiedie dokumety ormalizacyje). W takiej sytuacji sumarycze tłumieie fali odbitej może wyosić kilkadziesiąt db, co umożliwia zaiechaie uwzględiaia w aalizach fal odbitych dochodzących do atey pomiarowej. Najgorszy przypadek dotyczy badań w iewielkich kabiach ekraujących iewyposażoych w elemety absorpcyje. Wówczas może się okazać, że ai dokładość, ai powtarzalość pomiarów ie jest wystarczająca do prowadzeia wiarygodych badań. Rys. 15. Wpływ orgaizacji staowiska pomiarowego a rozkład pola elektromagetyczego w kabiie ekraującej, propagacja w kabiie z uwzględieiem wszystkich możliwych odbić: a) częstotliwość 1 GHz, atea odbiorcza dookóla, odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 486%, błąd maksymaly 121%; b) atea odbiorcza dookóla, częstotliwość 100 MHz, odchyleie stadardowe względem rozkładu odiesieia 19%, błąd maksymaly 23% Literatura [1] Musiał S.: Możliwości prowadzeia badań kompatybilości elektromagetyczej w obecości kostrukcji przewodzących, KKRRiT, Kraków, 2005 [2] Musiał S.: Field disturbaces caused by coductig elemets placed ear the testig area, EMD, Białystok, 2004 [3] Paul C.R.: Itroductio to Electromagetic Compatibility, Wiley Itersciece, New York, 1992 [4] White D. R. J., Mardiguia M.: A hadbook Series o Electromagetic Iterfereces Ad Compatibility. Electromagetic Shieldig, Iterferece Cotrol Techologies, Gaiesville, 1998 PORTAL INFORMACJI TECHNICZNEJ ajwiększa baza publikacji o-lie 678 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII r 7/2014