Leszek Kachel, Jan M. Kelner, Kamil Bechta Instytut Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna. Mieczysław Laskowski WUSM Politechnika Warszawska

Transkrypt

1 Leszek Kachel, Jan M. Kelner, Kamil Bechta Instytut Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna Mieczysław Laskowski WUSM Politechnika Warszawska Metodyka badania poziomu emitowanych zaburzeń radioelektrycznych przez urządzenia elektroniczne w świetle wymagań zawartych w normach obronnych i cywilnych Wiele różnorodnych urządzeń elektronicznych bardzo często znajduje zastosowanie na terenie obiektów o charakterze obronnym. Pomimo, że poziom emitowanych zaburzeń radioelektrycznych przez te urządzenia jest zgodny z wymaganiami norm europejskich powstaje pytanie czy urządzenia te można bez zastrzeżeń instalować we wszystkich obiektach obronnych. W artykule przedstawiono metodyki pomiaru zaburzeń radioelektrycznych emitowanych przez urządzenia na zgodność z wymaganiami norm obronnych i cywilnych. Z analizy przyjętej metodyki pomiarów i zawartej w obu rodzajach norm wynika, że porównywanie między sobą wyników z pomiarów uzyskanych według zaleceń norm obronnych i cywilnych jest niecelowe. Wynika to z odmienności przyjętych metod, analizowanych parametrów oraz stosowanej aparatury pomiarowej. 1. Wprowadzenie Urządzenia przeznaczone do użytkowania w obiektach obronnych powinny spełniać wymagania w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej zawarte w normach obronnych. Z zaleceń zawartych w normach obronnych wynika, że urządzenia powszechnego zastosowania, użytkowane autonomicznie lub wchodzące w skład zestawów urządzeń albo stanowiące integralną część składową innego urządzenia, powinny również spełniać wymagania norm obronnych. Urządzenia powszechnego zastosowania wchodzące w skład wyposażenia obiektów obronnych lub będące własnością personelu pracującego w tych obiektach, które są użytkowane w tych obiektach, powinny spełniać wymagania norm obronnych w zakresie emisji zaburzeń radioelektrycznych. Zastanawiające jest jak dalece odbiegać będą od siebie wyniki pomiarów dla urządzeń spełniających wymagania na dopuszczalną emisję zaburzeń określoną w obu normach. Zakres stosowalności stawianych wymagań zależy od miejsca instalacji urządzenia. Jeżeli urządzenie jest przeznaczone do użytkowania w więcej niż jednym typie obiektu, powinno spełniać najostrzejsze wymagania. Przyjęto następujące literowe oznaczenie kryteriów ostrości wymagań: A, L, S oraz symbol - oznaczający, że wymaganie nie jest stosowane. Są to następujące wymagania: PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXIX - nr 8-9/

2 A wymaganie powinno być bezwzględnie przestrzegane i nie może podlegać żadnym modyfikacjom na wniosek, zamawiającego, badającego lub użytkownika; L wymaganie stosuje się w ograniczonym zakresie, opisanym w normie; S wymaganie należy stosować wtedy, gdy jest ono określone w warunkach technicznych lub na podstawie dokumentu wystawionego przez zamawiającego; w tym przypadku wymaganie może być na wniosek zamawiającego zmodyfikowane, przy czym kryteria akceptowalności nie powinny być złagodzone. Od stycznia 1996 roku wszystkie wyroby dopuszczone do obrotu na rynku europejskim powinny spełniać wymagania Dyrektywy Rady Europy nr 89/336 EEC dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej. Zgodnie z wymaganiami dyrektywy urządzenie powinno być tak zbudowane, aby po jego poprawnym zainstalowaniu i w trakcie eksploatacji zgodnej z przeznaczeniem nie wytwarzało zaburzeń elektromagnetycznych przekraczających dopuszczalne poziomy. Przekroczenie dopuszczalnych poziomów mogłoby spowodować zakłócenie poprawnej pracy innych urządzeń znajdujących się w pobliżu zainstalowanego urządzenia. Pojęcie urządzenia, zgodnie z dyrektywą, obejmuje swym zakresem samodzielne urządzenia, systemy oraz instalacje rozumiane jako połączenie kilku np. systemów współpracujących ze sobą. W celu dopuszczenia urządzeń do eksploatacji dokonywane są pomiary poziomu emisji zaburzeń radioelektrycznych pochodzących od tych urządzeń zgodnie z normami. Urządzenia elektroniczne i radioelektroniczne instalowane są zarówno w obiektach cywilnych jak i wojskowych i stanowią one niejednokrotnie części składowe systemów łączności przeznaczonych również do celów obronnych. Powstaje pytanie czy z chwilą wykorzystania tych urządzeń w obiektach wojskowych niezbędne jest spełnienie wszystkich wymagań zawartych w normach obronnych, nawet w przypadku uwzględniania wymagania typu S. 2. Przegląd ważniejszych cywilnych dokumentów normalizacyjnych W Polsce obowiązują zasadniczo normy IEC, CENELEC, ETSI, ISO. Z formalnego punktu widzenia normy IEC, CENELEC i inne stają się obowiązującymi dopiero po przetłumaczeniu na język polski i zatwierdzeniu na drodze rozporządzeń poszczególnych ministrów (Ustawa z dnia r. o normalizacji, Dz. U. nr. 55, pozycja 551). W Polsce, podobnie jak w innych krajach Unii Europejskiej, stosowane są w dziedzinie emisyjności zaburzeń radioelektrycznych normy na wyrób, grupy wyrobów oraz normy ogólne. Począwszy od 1996r. bardzo intensywnie wprowadzane są, po przetłumaczeniu na język polski, normy europejskie. Sukcesywnie zastępują one obowiązujące dotychczas odpowiedniki norm krajowych. Do podstawowych norm obejmujących problematykę badania emisji zaburzeń radioelektrycznych można zaliczyć między innymi.: PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna wymagania ogólne dotyczące emisyjności. Środowisko mieszkalne, handlowe i lekko uprzemysłowione. PE-EN Kompatybilność elektromagnetyczna wymagania ogólne dotyczące emisyjności. Środowisko przemysłowe. PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zakłóceń radioelektrycznych wytwarzanych przez urządzenia informatyczne. PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zakłóceń radioelektrycznych wytwarzanych przez urządzenia przemysłowe medyczne i naukowe wielkiej częstotliwości. PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna Dopuszczalne poziomy i metody pomiarów zaburzeń elektromagnetycznych odbiorników radiofonicznych i telewizyjnych oraz ich urządzeń dodatkowych. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXIX - nr 8-9/

3 PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zakłóceń radioelektrycznych wytwarzanych przez elektryczne przyrządy powszechnego użytku lub urządzenia o podobnym przeznaczeniu zawierające silniki elektryczne i elementy grzejne oraz narzędzia i podobne urządzenia elektryczne. PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zakłóceń radioelektrycznych wytwarzanych przez elektryczne urządzenia oświetleniowe i urządzenia podobne. 3. Obowiązujące normy wojskowe w zakresie emisji zaburzeń radioelektrycznych W zakresie badania emisji zaburzeń radioelektrycznych dopuszczalne poziomy emisji niepożądanych zawarte są w normie obronnej [4]. Procedury badań zaburzeń zawarte są w odrębnej normie [5]. Wymienione normy mają zastosowanie przy badaniach urządzeń lub zestawów urządzeń elektrycznych, elektromechanicznych i elektronicznych przeznaczonych do użytkowania w siłach zbrojnych RP lub przez inne instytucje wskazane przez Biuro Bezpieczeństwa Narodowego. Definicje i symbole zawarte w normach obronnych są zgodne z ogólnie przyjętymi pojęciami, które są również stosowane w normach cywilnych. 4. Charakterystyka środowiska pomiarowego zgodnie z wymaganiami normy obronnej Pomiary emisyjności urządzeń radiokomunikacyjnych powinny być wykonywane w kabinach ekranowanych, bezodbiciowych. Kabina ekranowana, zastosowana do pomiarów powinna w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1000 MHz powinna mieć tłumienie nie mniejsze niż 120 db. W skład stanowiska pomiarowego powinny wchodzić następujące elementy: kabina bezodbiciowa, ekranowana wraz z wyposażeniem pomocniczym, stołem obrotowym oraz kompletnym okablowaniem, zestaw anten pomiarowych, miernik zaburzeń, analizator widma, komputer z drukarką i wyposażeniem oraz oprogramowaniem umożliwiającym automatyzację prowadzenia pomiarów, stół laboratoryjny wraz ze stanowiskiem pracy obsługi. Zgodnie z procedurą pomiarową, badane urządzenie należy ustawić na obrotowym stoliku przodem w kierunku anteny pomiarowej o wybranej dla danego rodzaju pomiarów polaryzacji. Po dostrojeniu anteny należy zmieniać jej wysokość położenia w zakresie od 1 m do 4 m (w zależności od konkretnej normy), aż do wystąpienia maksymalnych wskazań przyrządu pomiarowego. Następnie badane urządzenie obraca się w płaszczyźnie poziomej wokół jego osi w celu znalezienia maksymalnego kierunku promieniowania. Obracanie urządzenia w płaszczyźnie poziomej jest konieczne, ponieważ większość urządzeń nie emituje zaburzeń radioelektrycznych przez obudowę jednakowo we wszystkich kierunkach. Należy ponownie dokonać zmiany wysokości położenia anteny. Czynności te należy powtórzyć po zmianie płaszczyzny polaryzacji anteny pomiarowej. Bardzo ważnym elementem podczas wykonywania pomiarów zaburzeń promieniowanych, który decyduje o jakości wykonywanych pomiarów jest sprawdzenie i kalibracja stanowiska pomiarowego. Sprawdzenie stanowiska pomiarowego polega na pomiarze unormowanego współczynnika tłumienia, który jest miarą strat między generatorem sygnałowym z dołączoną anteną nadawczą, a odbiornikiem pomiarowym z dołączoną anteną odbiorczą. Jest to bardzo ważna czynność, która wpływa na dokładność i powtarzalność wyników pomiarów. Zgodnie z obowiązującymi obecnie normami, jeżeli różnica między wartością zmierzoną współczynnika tłumienia nie odbiega więcej niż ±4 db od wartości teoretycznej dla idealnego poligonu, to testowane pole pomiarowe uważa się za spełniające wymagania i może być PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXIX - nr 8-9/

4 stosowane podczas pomiaru zaburzeń promieniowanych. Zasady pomiaru współczynnika tłumienia dla komory bezodbiciowej omówione są w literaturze (np. [1]). Współczynnik tłumienia pola pomiarowego jest równy stratom wtrąceniowym między zaciskami anteny i zależy od parametrów zastosowanych anten pomiarowych. W związku z tym, iż badane obiekty charakteryzują się określonymi rozmiarami istotne jest również określenie współczynnika tłumienia terenu pomiarowego dla przestrzeni zajmowanej przez badany obiekt. Określa się ją jako przestrzeń wyznaczoną przez największy rozmiar badanego obiektu obracany wokół osi obiektu w zakresie kątów od 0 do 360. Zalecane minimom objętości zawiera podstawę stołu (stół testowy) o wymiarach 1 m 1,5 m. Antenę nadawczą podczas określania tłumienia poligonu pomiarowego umieszcza się w przestrzeni zajmowanej przez badany obiekt. Pomiary tłumienia pola pomiarowego w kabinie ekranowanej bezodbiciowej wykonuje się dla polaryzacji pionowej i poziomej anteny. W przypadku polaryzacji pionowej wysokość anteny nadawczej powinna wynosić 1 m nad ziemię odniesienia (poziomu stołu obrotowego). Dodatkowo odległość między końcami anteny a ziemię odniesienia nie powinna być mniejsza niż 0,25 m, jeżeli badany obiekt ma wysokość większą niż 1,5 m, ale mniejszą niż 2 m, oraz końce anteny nadawczej nie sięgają 90% wysokości badanego obiektu (przy umieszczeniu anteny nadawczej na wysokości 1 m) to antenę nadawczą należy umieścić na wysokości 1,5 m. Poligon pomiarowy uważa się za właściwy do wykonywania pomiarów promieniowanego pola elektromagnetycznego, jeżeli wyznaczona na drodze pomiarów wartość tłumienia pola, dla obu polaryzacji anten, z tłumieniem nie większym niż ±4dB, jest równa wartości oczekiwanej wyznaczonej dla idealnego poligonu. W literaturze znane są zależności umożliwiające określenie wartości oczekiwanej dla idealnego poligonu pomiarowego. Wartości współczynników tłumienia pola w wielu normach podane zostały w postaci tablic lub odpowiednich wykresów. Najczęściej jako odniesienie przyjmuje się anteny szerokopasmowe lub też dipolowe anteny półfalowe. Te dwa typy anten powszechnie stosuje się podczas określania tłumienia poligonu pomiarowego. Mając określone tłumienie poligonu pomiarowego, można przystąpić do pomiaru maksymalnej wartości natężenia pola elektromagnetycznego promieniowanego przez badany obiekt w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1000 MHz. Dla typowej konfiguracji badanego obiektu, zmieniając położenie wchodzących w jego skład elementów, należy uzyskać maksymalne wartości mierzonego pola elektromagnetycznego. Do badanego obiektu należy dołączyć wszystkie przewody (zasilania, interfejsowe itp.). Przewody te powinny być takiego samego typu i długości, jak podano w dokumentacji technicznej lub eksploatacyjnej badanego obiektu. Jeżeli stosuje się różne długości przewodów, to do badań należy wybrać długość przy której występuje maksimum promieniowania. Nadmiar przewodów zwija się w pętlę o średnicy 0,3 0,4 metra. Przewody względem płaszczyzny odniesienia należy ułożyć w sposób zgodny z rzeczywistym zastosowaniem. Wynikiem pomiaru powinna być wartość maksymalna natężenia pola elektromagnetycznego dla każdej częstotliwości pomiarowej. Do każdego zestawu wyników pomiarów należy dołączyć dokładny opis ustawienia badanego obiektu oraz ułożenia przewodów, tak aby warunki i wyniki badań były powtarzalne. 5. Metodyka pomiarów emisji zaburzeń radioelektrycznych według norm europejskich Zgodnie z wymaganiami norm europejskich pomiary zaburzeń radioelektrycznych wykonuje się w paśmie od 10 khz do 1000 MHz z podziałem na podzakresy: 10 khz 150 khz, 150 khz 30 MHz, 30 MHz 300 MHz, 300 MHz 1000 MHz. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXIX - nr 8-9/

5 Pomiary poziomu zaburzeń radioelektrycznych przewodzonych należy wykonywać w paśmie od 10 khz do 30 MHz, przy czym w chwili obecnej normami objęty jest zakres częstotliwości od 150 khz do 30 MHz. W pozostałych zakresach widma elektromagnetycznego wykonuje się dla większości urządzeń pomiary zaburzeń radioelektrycznych promieniowanych. Wyjątek stanowią urządzenia trakcji elektrycznej, dla których pomiary emisyjności zaburzeń radioelektrycznych wykonuje się w całym paśmie pomiarowym tzn. od 150 khz do 300 MHz jako pomiary zaburzeń promieniowanych oraz pojazdy samochodowe z silnikiem spalinowym i urządzenia zawierające takie silniki. Dla tych urządzeń wykonuje się pomiary zaburzeń radioelektrycznych promieniowanych w paśmie od 30 MHz do 1000 MHz. Emisja zaburzeń radioelektrycznych wytwarzanych przez linie energetyczne wysokiego napięcia oceniana jest na podstawie pomiarów natężenia pola w paśmie od 150 khz do 300 MHz dokonując pomiaru składowej magnetycznej natężenia pola zaburzeń radioelektrycznych. W normie obronnej obowiązują znacznie ostrzejsze kryteria wymagań dotyczące ziemi odniesienia. Według jej zaleceń powinna być ona wykonana z blachy mosiężnej lub miedzianej. Normy cywilne dopuszczają stosowanie ziemi odniesienia w postaci blachy aluminiowej. W obu rodzajach norm amplituda wskazań odbiornika pomiarowego jest podawana z dokładnością 2 db. Dodatkowo w normie obronnej podawana jest amplituda wskazań układu pomiarowego, tzn. łącznie z odbiornikiem, sondą i dołączonymi kablami, która wynosi 3 db. Odległość pomiarowa, a właściwie jej tolerancja podawana jest w procentach. W przypadku badań zaburzeń radioelektrycznych promieniowanych dla niektórego typu urządzeń np. linie energetyczne pomiary wykonuje się w warunkach eksploatacji urządzeń. Natomiast badania zaburzeń promieniowanych według zaleceń norm obronnych należy wykonywać na specjalnych poligonie pomiarowym lub kabinie bezodbiciowej. Aparatura pomiarowa stosowana podczas realizacji pomiarów według norm cywilnych charakteryzuje się odmiennymi parametrami w stosunku do aparatury stosowanej w badaniach według wymagań normy obronnej. W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry miernika zakłóceń radioelektrycznych lub analizatora widma w zależności od wybranego zakresu pomiarowego. Istotne różnice dotyczące parametrów aparatury pomiarowej są uzależnione od zakresu pomiarowego. Tabela 1. Główne parametry miernika zakłóceń według wymagań CISPR Parametr Jednostka Zakres częstotliwości miary khz 0,15 30 MHz MHz 0,3 1 GHz Przenoszone pasmo mierzone na poziomie 6dB Stała czasowa ładowania detekcyjnego układu woltomierza quasi-szczytowego Stała czasowa ładowania detekcyjnego układu woltomierza quasi-szczytowego Stała czasowa wskaźnika [khz] 0,20 ± 0,02 9 ± ± ± 20 [ms] 45 1,0 ± 0,2 1,0 ± 0,2 1,0 ± 0,2 [ms] ± ± ± 110 [ms] ± ± ± 20 Jak wynika z danych przedstawionych w tabeli 2 w przypadku pomiarów realizowanych według zaleceń normy obronnej również pasmo pomiarowe ulega zmianie. W zakresie PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXIX - nr 8-9/

6 częstotliwości od 0,15 MHz do 300 MHz pasmo pomiarowe odbiornika pomiarowego według normy obronnej ma zbliżoną wartość w stosunku do wymagań norm cywilnych, to jednak istotna różnica tkwi w sposobie detekcji sygnału. Natomiast w paśmie od 30 MHz do 300 MHz różnice między obu wymaganiami na aparaturę w normach są ewidentne (szerokość pasma). Parametr Przenoszone pasmo mierzone na poziomie 6dB Tabela 2. Wymagane szerokości pasma odbiornika pomiarowego Jednostka miary 0,03 1 khz 1 10 khz Zakres częstotliwości khz 0,25 30 MHz 0,03 1 GHz 1 40 GHz [khz] 0,01 0, Rodzaj detektora detektor wartości szczytowej Wyposażenie dodatkowe mierników zakłóceń radioelektrycznych tj. sieci sztuczne, anteny pomiarowe, również są uzależnione od zakresu wykonywania pomiarów w normach europejskich. Dla zakresu 10 khz do 150 khz normy europejskie zalecają stosowanie sieci sztucznych typu 50 Ω / 50 μh natomiast w zakresie od 150 khz do 30 MHz zalecana jest sieć sztuczna typu V (50 Ω / 50 μh), która może być konstruowana na zakres prądu do 100 A. W normie obronnej stosowany jest jeden elektryczny typ sieci sztucznej zaś pomiaru zaburzeń emisji przewodzonych w przewodach zasilania obejmuje pasmo od 30 Hz do 10 MHz i dotyczy prądu zaburzeń. Natomiast od 10 khz do 40 GHz dokonuje się pomiaru prądu zaburzeń wyłącznie w terminalach antenowych. W przypadku pomiarów zaburzeń promieniowanych istotne różnice polegają na tym, że występują odmienne odległości pomiarowa niż w normach cywilnych. W zakresie częstotliwości od 30 Hz do 100 khz zalecany jest pomiar indukcji magnetycznej w odległości 7 cm i 50 cm od źródła. Dla niektórych urządzeń w paśmie od 10 khz do 18 GHz wykonuje się pomiar składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego w odległości 1 m od badanego urządzenia. W normach cywilnych w przypadku pomiarów natężeń pól zaburzeń radioelektrycznych preferowane są odległości: 3, 10 i 30 m. Zalecany jest najczęściej pomiar poziomej składowej elektrycznej natężenia pola zaburzeń. Cechą wspólną w obu normach jest szerokość pasma miernika zaburzeń i odbiornika pomiarowego która podawana jest na poziomie 6 db. 5. Podsumowanie Przy pomiarach emisyjności nie jest możliwe porównywanie wyników pomiarów uzyskanych na podstawie wymagań zawartych w normach cywilnych z wynikami pomiarów zrealizowanych zgodnie z zaleceniami normy obronnej. Można tylko domniemywać, że jeżeli urządzenie o charakterze cywilnym (np. sprzęt powszechnego użytku) będzie spełniał wymagania norm cywilnych to również nie powinien zakłócać urządzeń spełniających normy obronne pod względem odporności. W sytuacjach, w których brak jest stosownych wymagań dotyczących sprzętu obronnego, a takie wymagania zawarte są w normach cywilnych, należałoby się posługiwać normami cywilnymi do chwili uaktualnienia wymagań w tym zakresie w normach obronnych. Analiza porównawcza obowiązujących standardów w zakresie emisyjności zaburzeń radioelektrycznych może dotyczyć zatem standardów obejmujących taką samą metodykę wykonywania pomiarów, zakres częstotliwości, na których dokonuje się pomiary i zakres wykonywanych pomiarów. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXIX - nr 8-9/

7 Literatura 1. T. Więckowski, Badania kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych i elektronicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław W. Rotkiewicz (red.), Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne i ich zwalczanie, WKŁ, Warszawa Normy wyszczególnione w punkcie 2: PN-EN , PE-EN , PN-EN 50022, PN-EN 50011, PN-EN 50013, PN-EN 50014, PN-EN Norma obronna NO-06-A200 Kompatybilność elektromagnetyczna. Dopuszczalne poziomy emisji ubocznych i odporności na narażenia elektromagnetyczne. 5. Norma obronna NO-06-A500 Kompatybilność elektromagnetyczna. Procedury badań zakłóceń elektromagnetycznych i odporności na narażenia. 6. Polska Norma PN-CISPR Kompatybilność elektromagnetyczna Wymagania dotyczące urządzeń i metod pomiarów zaburzeń radioelektronicznych i odporności na zaburzenia radioelektryczne. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIII - i WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXIX - nr 8-9/