Przystosowanie stanowisk i procedur wzorcowania anten pomiarowych do opracowywanej normy pt.

Zakład Kompatybilności Elektromagnetycznej (Z-21) - Wrocław Przystosowanie stanowisk i procedur wzorcowania anten pomiarowych do opracowywanej normy pt. CISPR 16-1-6: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods Part 1-6: Radio disturbance and immunity measuring apparatus EMC-antenna calibration Raport Z21/21300011/1476b/11 Wersja okrojona do Internetu WROCŁAW, grudzień 2011

Metryka dokumentu Nr pracy : 21.30.001.1 Nazwa pracy : Zintegrowany system ICT (teleinformatyczny) w podziemnych wyrobiskach kopalni. Zleceniodawca : Praca Statutowa Data rozpoczęcia : styczeń 2011 r. Data zakończenia : grudzień 2011 r. Słowa kluczowe : EMC, wzorcowanie anten, anteny pomiarowe Kierownik pracy : mgr inŝ. Marek Kałuski Wykonawcy pracy : mgr inŝ. Marek Kałuski mgr inŝ. Marek Michalak dr inŝ. Mirosław Pietranik mgr inŝ. Karolina Skrzypek mgr inŝ. Monika Szafrańska mgr inŝ. Piotr Tyrawa technik Michał Stajszczyk Praca wykonana w Pracowni Badania Pól i Zaburzeń Zakładu Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Łączności we Wrocławiu Kierownik Pracowni BPiZ: mgr inŝ. Marek Kałuski Kierownik Zakładu: dr inŝ. Janusz Sobolewski Niniejsze opracowanie moŝe być powielane i publikowane wyłącznie w całości Powielanie i publikowanie fragmentów wymaga uzyskaniu zgody Instytutu Łączności Copyright by Instytut Łączności, Wrocław 2011 2

Spis treści 1. Wprowadzenie... 4 2. Normy związane... 5 3. Nowe metody i procedury wzorcowania anten... 5 3.1. Wzorcowanie anten... 5 3.1.1. Wprowadzenie... 5 3.1.2. Badania jednorodności pola w hali w zakresie częstotliwości 10 khz 50 MHz... 6 3.1.3. Metoda pola wzorcowego... 6 3.1.4. Metoda podstawienia anteny standardowej... 6 3.1.5. Metoda ekwiwalentnej siły elektromotorycznej wydzielonej w antenie wzorcowanej.... 6 3.1.6. Szacowana niepewność wzorcowania anten prętowych... 6 3.2. Wzorcowanie anten pętlowych (ramowych).... 7 3.2.1. Wprowadzenie... 7 3.2.2. Układ pomiarowy, przebieg pomiarów... 7 3.2.3. Ocena niepewności pomiarów... 7 3.3. Procedura wzorcowania anten hybrydowych... 8 3.3.1. Wprowadzenie... 8 3.3.2. Metoda MTA, środowisko swobodnej przestrzeni... 8 3.3.3. Metoda MTA, stanowisko z metalową płaszczyzną... 9 3.4. Badanie właściwości pomiarowych hali Laboratorium Aparatury Pomiarowej EMC, wyznaczenie znormalizowanego tłumienia standardowego NSA... 9 3.4.1. Wprowadzenie... 9 3.4.2. Sposób wyznaczenia współczynnika NSA... 10 3.4.3. Testowanie stanowiska pomiarowego... 11 3.4.4. Ocena stanowiska... 15 3.5. Zakończenie... 16 Bibliografia... 16 3

1. Wprowadzenie Podstawowymi parametrami określającym środowisko elektromagnetyczne w danym miejscu są natęŝenie pola elektrycznego i pola magnetycznego oraz jego częstotliwość. Na podstawie znajomości tych parametrów jesteśmy w stanie określić zasięg nadawczej stacji telewizyjnej, radiofonicznej czy radiokomunikacyjnej, a takŝe oszacować dla celów ochrony środowiska strefy ochronne od tych stacji. Znajomość bezwzględnych wartości natęŝenia pola jest niezbędna takŝe w badaniach kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych, zarówno w przypadku pomiarów emisji pól zaburzeń, jak równieŝ odporności na zewnętrzne pola elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych. Niepewność pomiaru natęŝenia pola zaleŝy od stosowanej aparatury pomiarowej (dokładność pomiaru mikrowoltomierza lub analizatora widma), ale przede wszystkim od niepewności, z jaką przeprowadzono wzorcowanie wykorzystywanej w pomiarach odbiorczej anteny pomiarowej. Wzorcowanie anteny pomiarowej polega na wyznaczeniu współczynnika, zwanego Współczynnikiem Antenowym WA (ang. Antena Faktor AF), charakterystycznego dla konkretnego modelu anteny. WA wyraŝony jest w decybelach i dodaje się go do zmierzonego na dopasowanych zaciskach anteny napięcia, równieŝ wyraŝonego w decybelach. Sumując te wartości wyznaczamy natęŝenie pola w miejscu, w którym znajduje się antena pomiarowa. Wartość współczynnika antenowego moŝe się róŝnić w zaleŝności od częstotliwości. Ta sama antena moŝe mieć róŝne wartości WA w zaleŝności od tego, w jakich warunkach pomiarowych ma być stosowana. Współczynniki antenowe anteny przeznaczonej do pomiaru natęŝenia pola w warunkach swobodnej przestrzeni, np. do pomiaru zasięgu stacji nadawczych, będą inne od współczynników anteny stosowanej do badania emisji pól zaburzeń wytwarzanych przez urządzenia elektryczne. W tym drugim przypadku badania wykonuje się w odległości normowanej 1 m, 3 m lub 10 m, a więc w warunkach wzajemnego silnego sprzęŝenia elektromagnetycznego anteny z urządzeniem badanym. W Instytucie Łączności we Wrocławiu znajduje się akredytowane Laboratorium Aparatury Pomiarowej EMC działające w ramach Zakładu Kompatybilności Elektromagnetycznej, które jako jedyne w Polsce ma akredytację (AP 016) Polskiego Centrum Akredytacji na wzorcowanie anten pomiarowych. Dotychczas wzorcowanie anten jest przeprowadzane wg amerykańskich, dość ogólnych i mało precyzyjnych norm ANSI C63.5-2004 i SAE, ARP-958 1992, pozwalających na duŝą dowolność ich stosowania. Obecnie na ukończeniu jest proces uzgadniania nowej, bardziej od poprzednich szczegółowej normy dotyczącej wzorcowania anten pomiarowych pod nazwą Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods Part 1-6: Radio disturbance and immunity measuring apparatus EMC-antenna calibration, o symbolu CISPR 16-1-6. Norma ta ma obecnie status Public comments w Wielkiej Brytanii. Celem tego fragmentu pracy było przystosowanie stosowanych od wielu lat metod i procedur wzorcowania anten w Laboratorium AP 016 pod kątem wymagań sprecyzowanych w przygotowywanej w CISPR normie, i opracowanie nowych procedur, dotyczących anten wykorzystywanych w zakresie częstotliwości do 30 MHz, a więc anten prętowych oraz anten ramowych pasywnych i aktywnych. Głównym celem twórców normy było ujednolicenie w skali CISPR metod i procedur wzorcowania anten oraz jednoznaczne zdefiniowanie wykorzystywanej w trakcie wzorcowania aparatury pomiarowej. 4

Opracowywana norma definiuje, jakie anteny mogą być stosowane jako odbiorcze w poszczególnych technikach pomiarowych. Są to: dla składowej elektrycznej pola - anteny prętowe (unipolowe), dwustoŝkowe (biconical), dipolowe, logarytmiczno-periodyczne (LPDA), hybrydowe oraz tubowe/roŝkowe (horn antenna), zaś dla składowej magnetycznej - anteny pętlowe (ramowe). Nowoopracowywana norma dotyczy zakresu częstotliwości od 9 khz do 18 GHz, który jest podzielony na podzakresy, wynikające z pasm pracy poszczególnych typów anten, a takŝe wyszczególnia w poszczególnych podzakresach konkretne częstotliwości, na których współczynniki antenowe powinny być wyznaczane. W normie podane są wskazówki na temat niepewności wyznaczania współczynników antenowych dla proponowanych metod pomiarowych i dla poszczególnych typów anten. 2. Normy związane Następujące dokumenty są powiązane z normą CISPR 16-1-6. CISPR 16-1-4:2010, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods Part 1-4: Radio disturbance and immunity measuring apparatus Antennas and test sites for radiated disturbance measurements. CISPR 16-1-5:2003, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods Part 1-5: Radio disturbance and immunity measuring apparatus Antenna calibration test sites for 30 MHz to 1 000 MHz. IEC 60050-161, International Electrotechnical Vocabulary (IEV) Chapter 161: Electromagnetic compatibility. ISO/IEC Guide 98-3:2008, Uncertainty of measurement Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995). 3. Nowe metody i procedury wzorcowania anten 3.1. Wzorcowanie anten 3.1.1. Wprowadzenie Anteny prętowe, zwane równieŝ antenami unipolowymi, wykorzystywane są głównie w zakresie częstotliwości poniŝej 30 MHz, niektórzy producenci rozszerzają zakres ich stosowania do 50 MHz. Ze względu na długości anten prętowych, które są wielokrotnie mniejsze od długości fali, metody stosowane do ich wzorcowania są zdecydowanie inne niŝ dla anten przeznaczonych do pomiarów dla wyŝszych częstotliwości. Zachowując naleŝytą staranność podczas ich wzorcowania, moŝna uzyskać stosunkowo małą niepewność pomiaru, mniejszą niŝ 1 db. Do wzorcowania anten prętowych potrzebne jest odpowiednie stanowisko pomiarowe, wyposaŝone w duŝą i płaską powierzchnię metalową o dobrej przewodności elektrycznej, nad którą wytworzone jest pole elektryczne spolaryzowane pionowo przez pionową antenę prętowa zasiloną względem tej powierzchni. W wytworzonym przez antenę prętową polu wzorcowanie przedmiotowej anteny (AUC Antenna Under Calibration) moŝe odbywać się trzema metodami: - metodą wytworzonego przez antenę nadawczą pola wzorcowego, 5

- metodą podstawienia w miejsce AUC anteny o znanym współczynniku antenowym, który został wcześniej wyznaczony lub obliczony z prostych wzorów analitycznych. Antena taka staje się anteną standardową (STA STandard Antenna), - metodą ekwiwalentnej siły elektromotorycznej wydzielonej w antenie wzorcowanej AUC. Wzorcowanie anten prętowych zostało uruchomione w Laboratorium Aparatury Pomiarowej EMC (AP 016) dzięki moŝliwościom jakie otworzyły się po wcześniejszym przeprowadzeniu remontu w budynku C. Znajduje się w nim hala pomiarowa, której cała powierzchni podłogi została wyłoŝona blachą stalową ocynkowaną o wymiarach 6 m na 10 m, stanowiącą płaską, bardzo równą powierzchnię doskonale przewodzącą prąd elektryczny. Powierzchnia ta została następnie starannie uziemiona. Podstawowym kryterium dobrego stanowiska pomiarowego jest wytworzenie jednorodnego pola nad powierzchnia przewodzącą w miejscu wzorcowania anten oraz aby ani wzdłuŝ ani w poprzek hali nie tworzyły się fale stojące na częstotliwościach, na których antena jest wzorcowana. W praktyce trudno osiągnąć taką jednorodność pola nad całą powierzchnią płyty., Wpływ na to mają głównie efekty brzegowe tuŝ przy krawędziach powierzchni przewodzącej (prądy rozpływające się po powierzchni są na brzegach równe zero), oraz brak materiałów wytłumiających na hali pomiarowej Przedmioty przewodzące znajdujące się na ścianach i suficie pomieszczenia stają się wtórnymi źródłami promieniowania. Fale wtórne/odbite i pierwotne wyemitowane przez antenę nadawczą interferują z sobą, tworząc wewnątrz hali rozkłady fal stojących, czego skutkiem jest nierównomierny rozkład pola nad powierzchnię uziemienia. 3.1.2. Badania jednorodności pola w hali 3.1.3. Metoda pola wzorcowego 3.1.4. Metoda podstawienia anteny standardowej 3.1.5. Metoda ekwiwalentnej siły elektromotorycznej wydzielonej w antenie wzorcowanej 3.1.6. Szacowana niepewność wzorcowania anten prętowych Przy szacowaniu niepewności zakłada się, Ŝe antena jest zasilana w stosunku do dostatecznie duŝej płaszczyzny uziemienia, tj. 25 m na 20 m lub większej. W praktyce płaszczyzna odniesienia jest arkuszem blachy o ograniczonych wymiarach, zwykle 0,8 m x 6

0,8 m, integralnie związanym z anteną. Pojemność pręta względem tej przeciwwagi jest o 0,8 pf mniejsza. 3.2. Wzorcowanie anten pętlowych (ramowych). 3.2.1. Wprowadzenie Procedura dotyczy wzorcowania anten pomiarowych pętlowych głównie w zakresie częstotliwości od 9 khz do 30 MHz, ale równieŝ anten aktywnych, o znacznie szerszym zakresie, obecnie wykorzystywanych nawet od 20 Hz. Wzorcowanie jest przeprowadzane metodą pola wzorcowego, wytworzonego przez jednozwojową antenę nadawczą ramową o średnicy 30 cm [1]. Antena ramowa badana leŝy w osi anteny nadawczej w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny anteny nadawczej oddalonej od niej o R. 3.2.2. Układ pomiarowy, przebieg pomiarów Układ pomiarowy pokazano na rys. 3.13. Antena nadawcza R = 1m Antena wzorcowana Sonda Generator Mikrowoltomierz Rys. 3.13. Układ pomiarowy Napięcie z generatora poprzez sondę magnetyczną jest podawane na jednozwojową antenę nadawczą. W załoŝonej odległości pomiarowej 1 lub 3 m od niej umieszczona jest antena wzorcowana w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny anteny nadawczej. 3.2.3. Ocena niepewności pomiarów 7

3.3. Procedura wzorcowania anten hybrydowych 3.3.1. Wprowadzenie Pomiarowe anteny hybrydowe obejmują bardzo szeroki zakres częstotliwości, zwykle od 30 MHz do 3 GHz. Są wykorzystywane w pomiarach natęŝenia pola w warunkach otwartej, swobodnej przestrzeni, w warunkach sprzęŝeń z badanym obiektem podczas badania jego niepoŝądanej emisyjności, jak i sprzęŝeń z zwierciadlanym odbiciem, gdy pomiary wykonywane są nad duŝą powierzchnią metalową o doskonałej przewodności. Antena moŝe być wykorzystywana tylko w warunkach pomiarowych takich, dla jakich wcześniej została skalibrowana. Norma przewiduje trzy metody wzorcowania anten hybrydowych: metodę trzech anten (MTA), (ang. TAM three-antenna method), metoda standardowego pola wzorcowego (MSPW), (ang. SSM standard site method), metoda standardowej anteny wzorcowej (MSA) (ang. SAM standard antenna method). W metodzie trzech anten (MTA) wykorzystuje się trzy anteny o tym samym zakresie częstotliwości, których współczynniki antenowe nie muszą być znane. Natomiast zaleca się aby były to anteny tego samego typu. W przypadku anten hybrydowych dopuszcza się małe odstępstwo od tej zasady, poniewaŝ najczęściej Laboratorium Wzorcujące nie dysponuje trzema takimi samymi antenami. Ze względu na szerokie pasmo częstotliwości pracy tego typu anten, do wzorcowania tych anten metodą MTA wykorzystuje się: - anteny dwustoŝkowe (BICON) w zakresie od 30 MHz do 300 MHz, - anteny logarytmiczno-periodyczne (ang. LPDA) w zakresie od 200 MHz do 1000 MHz, - anteny tubowe (ang. DRH lub DRG) w zakresie od 1 GHz do 18 GHz. - anteny dipolowe półfalowe (dostrajane na kaŝdej częstotliwości). W metodzie standardowego pola wzorcowego (MSPW) do wzorcowania anten równieŝ wykorzystuje się powyŝszy zestaw anten, ale współczynniki tłumienia pomiędzy poszczególnymi parami anten są wcześniej wyznaczone dla danego konkretnego stanowiska, a nie wyliczane jak w metodzie MTA. Metoda standardowej anteny wzorcowej (zwana czasem metodą podstawienia) polega na porównaniu anteny wzorcowanej (AUC) z anteną, dla której współczynniki antenowe były wcześniej wyznaczone np. metodą MTA lub obliczone wg zaleŝności analitycznych, np. dipola półfalowego (kaŝdorazowo dostrajanego). 3.3.2. Metoda MTA, środowisko swobodnej przestrzeni Środowisko zbliŝone do środowiska swobodnej przestrzeni w warunkach rzeczywistych jest bardzo trudne do stworzenia. Na ogół, stanowisko pomiarowe z powodu wygodnego dostępu do niego, jest budowane blisko Laboratorium Wzorcującego, a więc w zabudowie miejskiej w obecności budynków, drzew, słupów instalacji energetycznej i innych przedmiotów postronnych. W takich warunkach fale od nich odbite interferują z falami pierwotnymi, tworząc w miejscu stanowiska pomiarowego rozkłady fal stojących. Ponadto podłoŝem stanowiska pomiarowego jest dobrze przewodząca blacha lub siatka. Antena umieszczona nisko nad takim podłoŝem sprzęga się elektromagnetycznie ze swoim zwierciadlanym odbiciem, w wyniku czego zmienia się jej impedancja wejściowa, a tym samym i dopasowanie do współosiowej linii łączącej ją z odbiornikiem pomiarowym. Aby zatem wzorcowanie anten w warunkach swobodnej przestrzeni mogło być przeprowadzone, muszą być spełnione następujące kryteria: - wielkość stanowiska pomiarowego musi spełniać wymagania normy CISPR-16-1-4, 8

- anteny (nadawcza i odbiorcza) muszą być umieszczone na wysokości co najmniej 4 m nad powierzchnią przewodzącą, - lub powierzchnia przewodząca pomiędzy antenami musi być wyłoŝona materiałem pochłaniającym, jak pokazano na rys. 3.15. Rys. 3.15. Konfiguracja anten w metodzie wzorcowania MTA dla warunków swobodnej przestrzeni 3.3.3. Metoda MTA, stanowisko z metalową płaszczyzną 3.4. Badanie właściwości pomiarowych hali Laboratorium Aparatury Pomiarowej EMC, wyznaczenie znormalizowanego tłumienia standardowego NSA 3.4.1. Wprowadzenie Hala pomiarowa ma wymiary podłogi 10 m na 7,5 m i wysokość 5,5 m. MoŜna ją traktować jako alternatywne stanowisko pomiarowe, w pewnym stopniu zbliŝone do idealnego stanowiska pomiarowego swobodnej przestrzeni. Do badań zaburzeń radioelektrycznych spełnia ono kryteria pola R = 3 metry (długość większa od 2R, i szerokość większa od R 3 ). Natomiast do wzorcowania anten pomiarowych o załoŝonej niepewności wzorcowania ± 2dB, wymagania dotyczące wymiarów stanowiska pomiarowego są ostrzejsze. Wg normy CISPR 16-1-5 dla stanowiska 10 metrowego zaleca się wielkość powierzchni przewodzącej 40 m na 25 m, (proporcjonalnie dla stanowiska 3 metrowego powierzchnia ta powinna wynosić 12 m na 7,5 m). Zgodnie z tym zaleceniem, moŝna przyjąć, Ŝe stanowisko na hali spełnia równieŝ zaostrzone zalecenia normy. Drugim kryterium oceny przydatności stanowiska pomiarowego są wymiary wzorcowanych anten. Współczynnikiem, który określa stopień rozbieŝności pomiędzy 9

stanowiskiem idealnym a alternatywnym/rzeczywistym jest współczynnik zwany znormalizowanym tłumieniem stanowiska NSA (Normalized Site Attenuations). (i dalej nic o NSA, co to jest?) Dla alternatywnego stanowiska określa się tzw. przestrzeń pomiarową, którą definiuje się, jako objętość wyznaczoną przez obrót w płaszczyźnie poziomej i pionowej największego wymiaru urządzenia badanego, w tym przypadku - największego wymiaru anteny. W przestrzeni tej badana jest jednorodność pola, którą określa współczynnik NSA. 3.4.2. Sposób wyznaczenia współczynnika NSA Do wyznaczenia współczynnika NSA potrzebny jest zestaw dwóch anten nadawczej i odbiorczej z których jedna, np. odbiorcza przemieszczana jest od punktu do punktu w całej przestrzeni testowej, natomiast druga antena nadawcza zachowuje zawsze stałą odległość od anteny odbiorczej, zgodnie z CISPR 16-1-4. Rozmieszczenie punktów pomiarowych i wzajemne anten pokazano na rys. 3.17. Antena odbiorcza Antena nadawcza Right Front Center Back Left Rys. 3.17. Ustalenie punktów pomiarowych i wzajemne usytuowanie anten Anteny są tak samo spolaryzowane i skierowane głównymi wiązkami promieniowania na siebie. Dla kaŝdej częstotliwości wykonuje się dwukrotnie pomiar napięcia: raz zwierając ze sobą kable pomiarowe przy pomocy adaptera napięcie U G, i drugi raz, gdy są one podłączone do anten - napięcie U A. RóŜnica napięć daje wielkość tłumienia wprost pomiędzy wejściem anteny nadawczej a wyjściem anteny odbiorczej, tzw. SIL. Współczynnik NSA wylicza się z następującego wzoru: NSA pom = U G db V U A db V WAN WA, (3.61) [ ( µ )] [ ( µ )] O w którym: WA G - współczynnik antenowy anteny nadawczej w [db(1/m)], WA O - współczynnik antenowy anteny odbiorczej w [db(1/m)]. Współczynniki antenowe WA G i WA O zostały dla obu anten wcześniej wyznaczone na naszym zewnętrznym stanowisku pomiarowym OATS. 10

Wartości współczynnika NSA dla stanowiska zewnętrznego idealnego, a więc pozbawionego odbić od przedmiotów postronnych i o duŝej i doskonale przewodzącej powierzchni uziemienia, dla której moŝna załoŝyć współczynnik odbicia równy ±1, są policzone i zamieszczone w normie PN-EN 55016-1-4 (Tablice 1 i 2), jako wartości znormalizowane. Dla warunków nie uwzględnionych w normie, znormalizowane tłumienie stanowiska moŝna policzyć z następującego wzoru ogólnego zamieszczonego w PN-EN 55016-1-4 (rozdział 5.8.2.1wzór (4)) NSA znor 5Z0. (3.62) = 20 log10 + 20 log10( Rm ) 20 log10 ( f[ MHz] ) 2 π W praktyce dla stanowiska pomiarowego waŝna jest róŝnica: NS = NSA znor NSA pom. (3.63) Stanowisko pomiarowe powinno spełniać następujące wymagania: dla stanowiska do badania emisyjności urządzeń elektrycznych róŝnica NS powinna mieścić się w przedziale ± 4 db dla obydwu polaryzacji, dla kaŝdej odległości i częstotliwości. dla stanowiska do wzorcowania anten róŝnica NS powinna mieścić się w przedziale ± 2 db dla obydwu polaryzacji, dla kaŝdej odległości i częstotliwości. 3.4.3. Testowanie stanowiska pomiarowego Testowanie naszego stanowiska pomiarowego w hali przeprowadzono dla zakresu częstotliwości od 30 MHz do 1000 MHz i dla odległości pomiarowej 1 m, ze względu na bardzo duŝe zapotrzebowanie na wzorcowanie anten pomiarowych w tej odległości. W centralnej części hali, w miejscu najczęściej wykonywanych pomiarów, na wysokości 2 m nad powierzchnią przewodzącą załoŝono przestrzeń pomiarową w postaci sześcianu o wymiarach 1,5 m x 1,5 m x 1,5 m, w której ustalono 64 punkty pomiarowe rozmieszczone zarówno na jej powierzchni jak i w jej wnętrzu. W zakresie częstotliwości od 30 MHz do 300 MHz wykorzystywano dwie jednakowe anteny dwustoŝkowe, a w zakresie od 200 MHz do 1000 MHz dwie anteny log-perioryczne. RozbieŜność współczynnika NSA od wartości znormalizowanej w naszej hali w załoŝonej przestrzeni testowej pokazano, dla trzech wybranych wysokości (2 m, 2,5 m i 3 m), odpowiednio na rysunkach: - dla pierwszego zakresu częstotliwości rys. 3.18, rys. 3.19 i rys. 3.20, - dla drugiego zakresu częstotliwości, rys. 3.21, rys. 3.22 i rys. 3.23. 11

5 4 3 2 Odchyłka NSA 1 0-1 -2-3 -4-5 111 211 311 411 121 221 321 421 131 231 331 431 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Częstotliwość [MHz] Rys. 3.18. Odchylenie NSA od wartości znormalizowanej w naszej HALI - zakres częstotliwości 30 MHz 300 MHz, - odległość pomiarowa 1 m, - wysokość nad uziemieniem 2 m, - powierzchnia badana 1,5 m x 1,5 m. 5 4 3 2 Odchyłka NSA 1 0-1 -2-3 -4-5 112 212 312 412 122 222 322 422 132 232 332 432 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Częstotliwość [MHz] Rys. 3.19. Odchylenie NSA od wartości znormalizowanej w naszej HALI - zakres częstotliwości 30 MHz 300 MHz, - odległość pomiarowa 1 m, - wysokość nad uziemieniem 2,5 m, - powierzchnia badana 1,5 m x 1,5 m. 12

5 4 3 2 Odchyłka NSA 1 0-1 -2-3 -4-5 113 213 313 413 123 223 323 423 133 233 333 433 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Częstotliwość [MHz] Rys. 3.20. Odchylenie NSA od wartości znormalizowanej w naszej HALI - zakres częstotliwości 30 MHz 300 MHz, - odległość pomiarowa 1 m, - wysokość nad uziemieniem 3 m, - powierzchnia badana 1,5 m x 1,5 m. 3.0 111 211 311 411 2.0 121 221 321 421 131 231 331 431 1.0 Odchyłka NSA 0.0-1.0-2.0-3.0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Częstotliwość [MHz] Rys. 3.21. Odchylenie NSA od wartości znormalizowanej w naszej HALI - zakres częstotliwości 200 MHz 1000 MHz, - odległość pomiarowa 1 m, - wysokość nad uziemieniem 2 m, - powierzchnia badana 1,5 m x 1,5 m. 13

3.0 2.0 112 212 312 412 122 222 322 422 132 232 332 432 1.0 Odchyłka NSA 0.0-1.0-2.0-3.0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Częstotliwość [MHz] Rys. 3.22. Odchylenie NSA od wartości znormalizowanej w naszej HALI - zakres częstotliwości 200 MHz 1000 MHz, - odległość pomiarowa 1 m, - wysokość nad uziemieniem 2,5 m, - powierzchnia badana 1,5 m x 1,5 m. 3.0 2.0 113 213 313 413 123 223 323 423 133 133 333 433 1.0 Odchyłka NSA 0.0-1.0-2.0-3.0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Częstotliwość [MHz] Rys. 3.23. Odchylenie NSA od wartości znormalizowanej w naszej HALI - zakres częstotliwości 200 MHz 1000 MHz, - odległość pomiarowa 1 m, - wysokość nad uziemieniem 3 m, - powierzchnia badana 1,5 m x 1,5 m. 14

3.4.4. Ocena stanowiska Jak wynika z zamieszczonych powyŝej wyników pomiarów naszego alternatywnego stanowiska pomiarowego w HALI, odchylenie współczynnika NSA od wartości znormalizowanej (odniesionej do swobodnej przestrzeni), dla wszystkich pomiarów mieści się w przedziale ±4 db. Oznacza to, Ŝe w pełni nadaje się ono do wykonywania badań zaburzeń emisji promieniowanej od urządzeń elektrycznych w odległości standardowej 1 m, i w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1000 MHz. Wymaganie na NSA (±2 db) dla stanowiska do wzorcowania anten jest spełnione dla pewnych warunków (dla pewnych typów anten pomiarowych, a dla innych w ograniczonym zakresie częstotliwości). Jednorodność pola w miejscu anteny wzorcowanej, stosunek maksimów do minimów, zaleŝy od wielkości fal odbitych od róŝnych obiektów przewodzących w hali, odniesionych do poziomu fali bezpośredniej docierającej wprost od anteny nadawczej. Wielkość fali odbitej zaleŝy od gabarytów przedmiotów postronnych, ich odległości, ale przede wszystkim od szerokości głównej wiązki charakterystyki promieniowania anteny nadawczej. Im jest ona szersza, tym większy obszar wokół anteny jest napromieniowany, im jest węŝsza, tym napromieniowanie elementów połoŝonych z boku jest mniejsze, a tym samym mniejsza jest fala odbita. RównieŜ wymiary elementów postronnych dość istotnie decydują o poziomie promieniowania wtórnego. Jeśli są one porównywalne z długością fali, ich promieniowanie wtórne jest wtedy największe, im są krótsze, lub równe wielokrotności długości fali, tym ich promieniowanie jest mniejsze. Łatwo moŝna to zauwaŝyć, obserwując wyniki sprawdzenia naszej hali. Największa niejednorodność pola występuje w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 300 MHz, któremu to zakresowi odpowiada długość fali od 1 m do 10 m, i dla anten dipolowych w tym dwustoŝkowych. Charakteryzują się one dookólną charakterystyką promieniowania w płaszczyźnie wektora H, i ósemkową charakterystyką w płaszczyźnie dipola, a więc dość szeroką. Dla anteny typu bicon znaleziono jedno miejsce na hali na wysokości 2 m, na której w przestrzeni testowej 1,5 m x 1,5 m odchyłka NSA od wartości znormalizowanej nie przekracza ±2 db (rys. 3.18). WyŜej, na wysokościach 2,5 m i 3 m, dla niektórych częstotliwości odchyłka NSA dochodzi do ±4, a w innych równieŝ nie przekracza ±2 (rys. 3.19 i rys. 3.20). Znacznie mniejsze niejednorodności pola występują dla przypadku wzorcowania anten logarytmiczno-periodycznych w zakresie częstotliwości od 200 MHz do 1000 MHz. Bez trudu znaleziono przestrzeń testową o wymiarach 1,5 m x 1,5 m x 1,5 m, nieco większą od gabarytów anten log-perodycznych obsługujących ten zakres, w której odchyłka współczynnika NSA od wartości znormalizowanej nie przekracza ±2 db, a w niektórych przypadkach jest mniejsza (rys. 3.21, rys. 3.22 i rys. 3.23). W zakresie częstotliwości powyŝej 1 GHz jako anteny odbiorcze, pomiarowe wykorzystywane są najczęściej anteny tubowe, lub rzadziej małe anteny logarytmiczne. Są to anteny kierunkowe o stosunkowo wąskiej charakterystyce promieniowania w obu polaryzacjach, i o dość duŝym (powyŝej 15 db) wytłumieniu promieniowania wstecznego. W związku z tym, w zakresie częstotliwości od 1 GHz do 18 GHz i dla odległości pomiarowej 1 m, poziom sygnału bezpośredniego pomiędzy antenami nadawczą i wzorcowaną jest w całym zakresie większy o ponad 20 db od sygnału odbitego dochodzącego do anteny odbiorczej. Sprawdzono to wykonując wielokrotnie rutynowe wzorcowania tego typu anten zlecanych nam przez róŝne laboratoria pomiarowe. 15

3.5. Zakończenie W oparciu o normę [2] opracowano trzy nowe procedury wzorcowania anten pomiarowych, a takŝe przystosowano do niej dotychczas wykorzystywane procedury wzorcowania. Do nowo opracowanych procedur naleŝą: procedura wzorcowania anten prętowych pasywnych i aktywnych w zakresie częstotliwości od 1 khz do 50 MHz. procedura wzorcowania anten pętlowych pasywnych i aktywnych w zakresie częstotliwości od 1 khz do 30 MHz. procedura wzorcowania anten hybrydowych w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 18 GHz. Ponadto przeprowadzono testowanie naszego nowego alternatywnego stanowiska pomiarowego na hali, w której podłoga została pokryta płaską i gładką blachą o doskonałej przewodności o wymiarach 10 m na 7,5 m. Sprawdzono, dla jakich odległości pomiarowych stanowisko to nadaje się do badań zaburzeń emisji promieniowanej i odporności na promieniowane pole urządzeń elektrycznych, a takŝe, dla jakich warunków stanowisko to nadaje się do wzorcowania anten pomiarowych, w tym dla jakich odległości pomiarowych, w jakich zakresach częstotliwości, a takŝe dla jakich wysokości zawieszenia anten. Kryterium oceny przydatności alternatywnego stanowiska pomiarowego jest rozbieŝność współczynnika NSA od jego znormalizowanej standardowej wielkości zamieszczonej w normie [4], odnoszącej się do warunków swobodnej przestrzeni. Okazało się, Ŝe stanowisko to w pełni nadaje się do pomiarów natęŝenia pola zaburzeń radioelektrycznych dla odległości pomiarowej 1 m, w bardzo szerokim zakresie częstotliwości, bo od 1 khz do 18 GHz. TakŜe moŝe być wykorzystywane do wzorcowania anten pomiarowych, równieŝ dla standardowej odległości 1 m, ale w nieco ograniczonym zakresie częstotliwości, tylko dla niektórych typów anten o niezbyt duŝych gabarytach, a takŝe w ograniczonym zakresie częstotliwości. Pomimo wskazanych wcześniej ograniczeń stanowisko to jest dla nas bardzo przydatne, szczególnie w przypadku złej pogody, a takŝe w warunkach zimowych, kiedy pomiarów nie moŝna wykonywać na naszym zewnętrznym stanowisku pomiarowym (OATS). Bibliografia [1] M. Kanda, Standard Antennas for Electromagnetic Interference Measurements and Methods to Calibrate Them, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, November 1994, vol. 36 nr 4. [2] CISPR 16-1-6: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods. Part 1-6: Radio disturbance and immunity measuring apparatus EMC-antenna calibration. [3] PN-CISPR 16-1:1997, Wymagania dotyczące urządzeń i metod pomiarów zaburzeń radioelektrycznych i odporności na zaburzenia radioelektryczne, Urządzenia do pomiarów zaburzeń radioelektrycznych i odporności na zaburzenia radioelektryczne. [4] PN-EN 55016-1-4, 2010, Wymagania dotyczące aparatury pomiarowej i metod pomiaru zaburzeń radioelektrycznych oraz odporności na zaburzenia. Część 1-4: Aparatura do pomiaru zaburzeń radioelektrycznych i do badań odporności, WyposaŜenie pomocnicze, Zaburzenia promieniowane. [5] M. Kałuski, P. Tyrawa, Badanie pola bliskiego i dalekiego w otoczeniu źródeł pól elektromagnetycznych w aspekcie naraŝeń elektromagnetycznych i zarządzania widmem elektromagnetycznym, Praca statutowa nr IŁ/P21/21 30 003 4/04, Wrocław 2004. 16

[6] M. Kałuski, P. Tyrawa, Zestaw anten pomiarowych do badania emisyjności urządzeń w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1000 MHz, Telekomunikacja i Techniki Informacyjne, Instytut Łączności, Warszawa 2005. [7] M. Kałuski, P. Tyrawa, Procedury wzorcowania anten pomiarowych, Telekomunikacja i Techniki Informacyjne, Instytut Łączności, Warszawa 2005. 17