Měření EMC v částečně a v plně bezodrazových komorách

Abstrakt – v úvodu článku jsou uvedeny principy měření elektromagnetické kompatibility (EMC) v částečně bezodrazových komorách (SAR – Semianechoic room) a v plně bezodrazových komorách (FAR – Fully anechoic room). K porovnání obou měřicích pracovišť je využita řada měření, která jsou náležitě doplněna teoretickým rozborem provedeným v prostředí programu MATLAB. V závěru jsou diskutovány výhody a nevýhody obou technologií.

Úvod

Historicky nejstarším a stále používaným měřicím místem je testovací pracoviště ve volném prostranství (OATS – Open Area Test Site). Jak je patrné z obr. 1, je nutné zajistit pouze naprosto volný prostor ve tvaru elipsy o rozměrech  a zemnící plochu mezi zkoušeným zařízením (ZO) a měřicí anténou. Přičemž D označuje měřicí vzdálenost. Při této konfiguraci je zajištěno, že případný odraz od předmětů mimo definované prostranství urazí minimálně dvojnásobnou vzdálenost. Odražená vlna bude mít tedy intenzitu minimálně o 6 dB nižší.

Obr. 1 Půdorys OATS

Převážně s ohledem na stále se zvyšující úrovně okolního elektromagnetického rušení bylo nutné přesunout měření EMC do stíněných komor SAR, které určitým způsobem simulují OATS. Kromě těchto dvou nejčastěji používaných technologií (OATS a SAR) existuje i řada alternativních metod jako GTEM (Gigahertz Transversal Electromagnetic) buňky, reverberační komory a plně anechoické komory – FAR). Každá technologie má své kladné stránky i stránky záporné, včetně pořizovací ceny, rozměrů, požadovaného měřicího času apod.

V současné době je pro měření EMC nejpoužívanější z výše uvedených technologií částečně bezodrazová komora – SAR. Toto zkušební pracoviště má velmi blízko k pracovišti OATS (vodivá podlaha zajišťující odraz elektromagnetických vln a stěny i strop jsou pokryty absorbéry k zajištění bezodrazovosti). Na rozdíl od OATS poskytuje SAR výhody jako snížení okolního elektromagnetického rušení, stabilní klimatické podmínky, bezpečnost a samozřejmě také ochranu okolí před rušivými signály při zkouškách elektromagnetické odolnosti.

S ohledem na použití stále vyšších interních kmitočtů elektronických zařízení bylo původní kmitočtové pásmo do 1 GHz rozšířeno a měření v pásmu od 1 GHz je již předepsáno provádět v prostoru, kde jsou absorbéry zajišťující bezodrazovost umístěny i na vodivé podlaze. Absorbéry umístěné na podlaze jsou požadovány i pro testování elektromagnetické odolnosti, tudíž zde nastává potřeba změny zkušební sestavy (vodivá podlaha bez absorbérů a s absorbéry) při změně kmitočtového pásma i při změně charakteru testu.

Jako velice efektivní způsob pro testování EMC v celém kmitočtovém pásmu 30 MHz – 40 GHz se tedy jeví testování v plně bezodrazové komoře FAR. V principu může být jakákoliv komora SAR poměrně snadno „modifikována“ na komoru FAR (samozřejmě to může být nevhodné nebo minimálně velmi komplikované pro objemná a těžká zkoušená zařízení, jakými jsou např. vozidla).

Při zvážení nutnosti instalace absorbérů na podlahu pro vybrané druhy testů, a zvláště pak nutnosti hledání maximální měřené úrovně při změně výšky antény v SAR, se jeví měření ve FAR časově mnohem efektivnější. Přesto je FAR stále považována za pouhou alternativu k tradičním způsobům měření jako OATS nebo SAR, zvláště z pohledu Amerických standardů – ANSI C63.4 [1]. Cílem tohoto článku je porovnání výsledků získaných ve FAR a SAR.

Analýza EMC pracoviště

A. Model EMC pracoviště

EMC pracoviště je v principu uvedeno na obr. 2. Přímá elektromagnetická vlna se šíří směrem od EUT (zkoušené zařízení – Equipment under test) na vzdálenost r₁ a dochází k její interferenci s vlnou odraženou, která se šíří na vzdálenost r₂.

Obr. 2 Vyzařování ze zkoušeného zařízení (přímá a odražená vlna)

Intenzita elektromagnetického pole může být vyjádřena následujícím vztahem (1):

Kde E je celková (výsledná) intenzita elektromagnetického pole, E₁ je intenzita pole od přímé vlny, E₂ je intenzita pole odražené vlny, ρ je koeficient odrazu, i je imaginární číslo, k je vlnové číslo a Δ je rozdíl vzdáleností mezi přímou a odraženou vlnou.

E₁ představuje intenzitu elektromagnetického pole přímé vlny a E₂ intenzitu vlny odražené.

Koeficient odrazu záleží na polarizaci. Pro obě polarizace je amplituda stejná, ale u horizontální polarizace dochází ke změně fáze (koeficient odrazu je roven –1).

Intenzita pole dílčích složek je uvedena v následujícím vztahu (2):

Kde P_Σ je vyzářený výkon, D představuje směrovost a r_{1, 2} je vzdálenost pro přímou a odraženou vlnu.

Pro analýzu byl použit software Matlab [2]. Výsledky jsou uvedeny na obr. 3.

Obr. 3 Porovnání SAR a FAR (3 m)

Pro každý jednotlivý kmitočet byla simulována přímá a odražená vlna v závislosti na výšce přijímací antény s tím, že byla vyhodnocována maximální hodnota intenzity získaná při tomto výškovém scanu. Zkoušeným zařízením byl všesměrový zářič.

B. SAR a FAR

Na obr. 3 jsou uvedeny výsledky získané simulací pro měření v SAR i FAR.

Podle teorie (kdy ve FAR je měřena pouze přímá vlna) by rozdíl mezi FAR a SAR měl být 6 dB, avšak jak je z obr. 3 zřejmé, rozdíl je značně odlišný a kmitočtově závislý.

Jako kritické se jeví kmitočtové pásmo pod 100 MHz u horizontální polarizace, kdy je možné oproti základním předpokladům pozorovat dokonce nižší naměřené hodnoty u SAR díky „destruktivní“ interferenci. Místo očekávaného rozdílu +6 dB zde dochází k rozdílu až –6 dB.

Z uvedených výsledků je zřejmé, že pro 3m měřicí místo není dostatečné a korektní pro přepočet naměřených hodnot mezi FAR a SAR použít hodnotu 6 dB.

Měření parametrů SAR a FAR – vyzařování

A. Parametry SAR

Pro SAR i OATS je z hlediska „kvality“ pracoviště zásadním parametrem tzv. NSA (Normalized site attenuation – Normalizovaný útlum pracoviště), a to v kmitočtovém pásmu 30 MHz – 1 GHz. V kmitočtovém pásmu od 1 GHz výše pak SVSWR (Site Voltage Standing Wave Ratio – poměr stojatých vln daného pracoviště). Tyto parametry tvoří podstatnou část celkových nejistot měření elektromagnetického vyzařování. Sestava pro měření NSA je uvedena na obr. 4 a sestava pro měření SVSWR na obr. 5.

Obr. 4 Měření NSA – 30 MHz – 200 MHz

Obr. 5 Měření SVSWR – 1 GHz – 18 GHz

B. Parametry FAR

Pro ohodnocení komory FAR byl měřen parametr FAR RSM (reference site method – referenční metoda k OATS) dle standardu CISPR 16-1-4 [3]. Sestava měření je uvedena na obr. 6. Parametr SVSWR byl v komoře FAR také prověřen, viz obr. 7. Dle očekávání dosahoval parametr SVSWR pro obě polarizace v celém kmitočtovém pásmu 1 GHz – 18 GHz v komoře FAR lepších hodnot než u SAR (viz obr. 8).

Obr. 6 Měření FAR RSM – 200 MHz – 1 GHz

Obr. 7 Měření SVSWR – 1 GHz – 18 GHz ve FAR

C. FAR a SAR

Všechny měřené parametry (NSA, FAR RSM, SVSWR) splnily požadovaná kritéria, a to maximální odchylku ±4 dB pro NSA a FAR RSM a max. 6 dB pro SVSWR. Parametry NSA a FAR RSM byly u obou komor porovnatelné, avšak parametr SVSWR vykazoval lepší hodnoty u komory FAR (viz obr. 8), tudíž celková nejistota měření u vyzařování pak může být u FAR znatelně nižší.

Obr. 8 Porovnání SVSWR

Měření parametrů SAR a FAR – odolnost

Pro měření elektromagnetické odolnosti vůči vysokofrekvenčnímu poli je dle IEC 61000-4-3 [4] kritickým parametrem uniformita pole (Field Uniformity – FU), kde jsou vyhodnocována měření intenzity elektromagnetického pole v 16 bodech rovnoměrně rozložených na kalibrované ploše 1,5 × 1,5 m v měřicí vzdálenosti od antény, typicky 3 m. Požadavkem je, aby odchylka byla do 6 dB. V případě ideálně bezodrazového prostoru by všechny naměřené hodnoty byly totožné, tj. odchylka by byla nulová. Z porovnání měření parametru FU je zřejmé, že v případě plně bezodrazové komory FAR bylo dle předpokladů dosaženo znatelně lepší homogenity pole (viz obr. 9).

Obr. 9 Uniformita pole

Závěr

S využitím simulací v programu Matlab [2] byly prezentovány vztahy mezi hodnotami intenzity elektromagnetického pole ve FAR a SAR. Tyto simulace ukázaly, že není možno počítat s konstantním rozdílem 6 dB, jak by bylo možno zjednodušeně očekávat, a že tyto vztahy jsou mnohem komplikovanější, kdy záleží nejen na konkrétním kmitočtu, ale i na použité polarizaci.

Z hlediska nižší dosažitelné nejistoty, především díky lepšímu parametru SVSWR a FU u FAR, by bylo možno měřicí místo FAR doporučit jako vhodnější pro EMC měření.

Další nespornou výhodou FAR je rychlejší měření vyzařování díky absenci výškového scanu přijímací antény v porovnání se SAR. Na druhou stranu pohyb, a zvláště pak manipulace s objemnými a těžkými zařízeními, může být ve FAR komplikovaná. Tudíž oba typy komor mají v EMC testování své opodstatněné místo.

Literatura:

[1] ANSI C63.4-2009, American National Standard for Methods of Measerement of Radio Noise Emissions from Low-Voltage Electrical and Electronic Equipment in the Range of 9 kHz to 40 GHz, September 2009

[2] Available online: http://www.mathworks.com/products/matlab/ Matlab version R2008B

[3] CISPR 16-1-4 Ed. 3.1, 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, 2012-07

[4] IEC 61000-4-3: 2006-02, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-3: Testing and measurement techniques - Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test