Kompatybilność elektromagnetyczna - pomiar emisyjności

Rys. 1. Wykres współczynnika antenowego anteny BiLog

Konieczność spełnienia wymogów w zakresie EMC nie oznacza jednak, że produkt musi zostać poddany badaniom w certyfikowanym laboratorium, gdyż producent (lub importer) bierze na siebie odpowiedzialność za zgodność z normami, wystawiając stosowną deklarację zgodności. Przyjmuje się, że produkty, dla których wystawiono deklarację zgodności spełniają wymogi przewidziane przez unijne prawo, a producent jest uczciwy.

Niemniej prezes Urzędu Komunikacji Elektronicznej jest uprawniony do weryfikacji deklaracji i sprawdzenia, czy sprzęt rzeczywiście jest zgodny z wymogami dyrektywy. W przypadku stwierdzenia braku takiej zgodności na producenta może zostać nałożona kara pieniężna, nakaz wycofania urządzenia z rynku lub zakaz jego dalszej sprzedaży. Ocena zgodności urządzenia z dyrektywą EMC jest możliwa w zasadzie tylko po przeprowadzeniu stosownych badań.

Programy symulacyjne mogą być pomocne, ale nie dają gwarancji, że otrzymane wyniki będą zgodne z rzeczywistością. Cena pełnego badania w certyfikowanym laboratorium może być zbyt wysoka dla małych firm i biur projektowych i nieopłacalna dla urządzeń produkowanych w małych ilościach. Nie ma gwarancji, że koszty ograniczą się do jednego badania. W sytuacji, gdy laboratorium w wyniku przeprowadzonych badań stwierdzi, że sprzęt nie spełnia norm, konieczne będzie dokonanie poprawek projektu.

Po ich naniesieniu trzeba będzie wykonać badanie ponownie i zapłacić jeszcze raz. Nietrudno zauważyć, że kilka pomyłek przyniesie znaczący wzrost kosztów opracowania urządzenia, co odczują nawet większe przedsiębiorstwa. Na posiadanie własnego laboratorium wyposażonego w profesjonalną aparaturę i spełniającego wszystkie normy mogą pozwolić sobie jedynie największe firmy. Można jednak mniejszym kosztem przeprowadzić wstępne badania pozwalające oszacować poziom emitowanych zaburzeń. Niniejszy artykuł ma na celu pokazać, jak takie badania są przeprowadzane i jaki sprzęt jest do nich wymagany. Przy okazji przedstawia, dlaczego ceny ustalane przez certyfikowane laboratoria nie należą do niskich.

Sprzęt pomiarowy

Rys. 2. Dzięki przedwzmacniaczowi można uzyskać praktycznie płaską charakterystykę dla całego zakresu pomiarowego, typowo od 9 kHz do 30 MHz

Do przeprowadzenia pomiarów potrzebny jest przyrząd pozwalający zmierzyć natężenie pola elektromagnetycznego. Dużą pokusę stanowi wykorzystanie do tego celu oscyloskopu. Na korzyść tego rozwiązania przemawia stosunkowo niska cena, powszechność oraz wbudowane funkcje do analizy widmowej sygnałów (FFT). Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że oscyloskop nie nadaje się do tego celu. Mierzone częstotliwości sięgają 1 GHz, co dyskwalifikuje praktycznie wszystkie tanie oscyloskopy.

Ponadto niska czułość sprawia, że oscyloskop może być wykorzystywany jedynie w bardzo ograniczonym zakresie do wykrywania silnych zaburzeń. Nie nadaje się do pomiarów w sytuacji, gdy zaburzenia elektromagnetyczne wytwarzane przez testowane urządzenie mają poziom zbliżony do granicy dopuszczalnej przez normy. Znacznie lepszym wyborem jest analizator widma. Jego cena jest wyższa niż przeciętnego oscyloskopu, jednak oferowane możliwości są również większe, podobnie jak czułość wpływająca na dokładność pomiarów.

Sprzęt tego typu oprócz zalet ma także wady. Pierwsza z nich wynika z podawania sygnału wejściowego na mieszacz, co zmniejsza czułość urządzenia, choć i tak jest ona większa niż w przypadku oscyloskopu. Ponadto, obecność mieszacza przyczynia się do zwiększenia poziomu szumów, co w połączeniu z tłumieniem wprowadzanym przez przewody i inne elementy może sprawić, że zmierzony sygnał zostanie zamaskowany.

Warto mieć na uwadze, że diody używane w mieszaczach są bardzo podatne na uszkodzenia wynikające z chwilowego skoku mocy sygnału ponad dopuszczalny limit. Analizator widma może okazać się bardzo drogim przyrządem ze względu na koszty naprawy. Nie należy zapominać o ograniczonym zakresie liniowej pracy, który może zostać przekroczony w sposób niezauważony, powodując błędne wyniki pomiarów. Dokładniejsze wyniki zapewnia użycie preselektora.

Zawiera on obwody zabezpieczające przed zbyt dużą mocą sygnału, przedwzmacniacz oraz przestrajany filtr zsynchronizowany z heterodyną analizatora. Obwody zabezpieczające pozwalają uniknąć uszkodzenia obwodów wejściowych po doprowadzeniu do wejścia zbyt dużej mocy. Przedwzmacniacz zmniejsza poziom szumów w badanym sygnale, natomiast przestrajany filtr usuwa składowe częstotliwościowe spoza zakresu użytecznego.

Całość przekłada się na poprawę efektywnego zakresu dynamicznego. Oczywistą wadą preselektora jest koszt, który może być porównywalny z kosztem analizatora. Niemniej zakup preselektora można odłożyć w czasie do momentu, gdy okaże się on niezbędny. Uzupełnieniem analizatora widma jest często generator śledzący (tracking generator), który może być jego integralną częścią. Służy do generowania sygnału o zmiennej częstotliwości, skorelowanego ze zmianą częstotliwości heterodyny w analizatorze widma.

Amplituda sygnału jest utrzymywana na stałym poziomie, tak więc bezpośrednie połączenie generatora z wejściem analizatora powoduje pojawienie się na ekranie poziomej linii. Po włączeniu układu pomiędzy wyjście generatora i wejście analizatora można zbadać jego charakterystykę częstotliwościową, tzn. określić tłumienie poszczególnych składowych. Jest to pomocne podczas określania częstotliwości rezonansowych, skuteczności ekranowania obudów, badania charakterystyk filtrów, wzmacniaczy i tłumików, a także podczas badania tłumienności przewodów.

Najlepszy, ale również najdroższy, sprzęt stanowią odbiorniki pomiarowe (measuring receivers). Są one w większości przypadków w pełni zautomatyzowane, samodzielnie dokonując kalibracji i pomiarów sygnałów w zadanym zakresie częstotliwości. W porównaniu do analizatorów widma oferują wiele zalet: znacznie większą czułość, zwiększoną odporność na przeciążenia, możliwość pomiaru częstotliwości i amplitudy z większą dokładnością oraz są przystosowane do wykonywania pomiarów zgodnych ze standardami CISPR.

Anteny

Rys. 3. Zestawienie wymogów dyrektywy z czułością przykładowego systemu w tym przypadku pokazuje, że poprawny pomiar natężenia pola elektrycznego nie jest możliwy

Do pomiaru emisyjności niezbędne są elementy przekształcające składową pola elektrycznego lub magnetycznego na sygnał elektryczny możliwy do zmierzenia. Elementami takimi są oczywiście anteny. Odbiorniki pomiarowe są przystosowane do pomiaru napięcia przy określonej impedancji wejściowej (najczęściej równej 50Ω). Oznacza to, że zastosowana antena powinna zostać skalibrowana dla takiej impedancji w całym swoim paśmie.

Musi być znana wartość napięcia na wyjściu dla poszczególnych częstotliwości i danego natężenia pola. Charakterystyka taka nazywa się współczynnikiem antenowym. Historycznie antenę odniesienia stanowił dipol, jednak konieczność dostrajania go do poszczególnych częstotliwości sprawiła, że dopuszczono stosowanie anten szerokopasmowych. Do połowy lat 90. ubiegłego wieku stosowano najczęściej dwa typy anten:

• dwustożkowe dla częstotliwości z zakresu od 30 do 300 MHz,
• logarytmiczno-periodyczne dla zakresu od 300 do 1000 MHz.

Na uniwersytecie York w Wielkiej Brytanii opracowano antenę znaną pod nazwą BiLog. Stanowi ona połączenie anten dwustożkowej i logarytmiczno-periodycznej i jest przeznaczona do pracy w paśmie od 30 do 1000 MHz. Dzięki specjalnej konstrukcji zapewniono możliwie równomierny rozkład energii w całym paśmie. Na rysunku 1 przedstawiono wykres współczynnika antenowego anteny BiLog. Najważniejszą zaletą BiLog jest możliwość wykonania wszystkich pomiarów za pomocą jednej anteny.

Skraca to czasy pomiarów oraz zwiększa ich dokładność i powtarzalność. Niektóre standardy wymagają testowania emisyjności dla częstotliwości mniejszych od 30 MHz. W tym przypadku mierzone jest natężenie pola magnetycznego z użyciem anteny pętlowej. Ma ona postać cewki z rdzeniem powietrznym. Zgodnie z prawem Faradaya, na wyjściu otrzymuje się napięcie proporcjonalne do natężenia pola i częstotliwości. W przeciwieństwie jednak do pomiarów składowej elektrycznej, powtarzalne pomiary uzyskuje się, gdy antena znajduje się w pobliżu EUT (badanego sprzętu).

Problem stanowi w tym przypadku bardzo mała impedancja wyjściowa, niedopasowana do impedancji wejściowej przyrządu pomiarowego. Ponadto zależność napięcia wyjściowego od częstotliwości utrudnia prowadzenie badań. Można co prawda zmieniać liczbę uzwojeń, jednak wymaga to operacji manualnych i wydłuża czas testowania. Wymienione wady anteny pętlowej łatwo jest zrekompensować poprzez dodanie do niej przedwzmacniacza.

Jego zadanie polega na korygowaniu napięcia tak, aby uniezależnić je od częstotliwości i dopasować do impedancji wejściowej przyrządu pomiarowego. Niezbędne zasilanie może być pobierane z baterii lub z przyrządu, do którego podłączona jest antena. Dzięki przedwzmacniaczowi można uzyskać praktycznie płaską charakterystykę dla całego zakresu pomiarowego, typowo od 9 kHz do 30 MHz (rys. 2). Rozwiązanie takie pomimo wielu zalet ma też wadę, którą jest ryzyko wejścia anteny w stan nasycenia. W związku z tym konieczne jest zastosowanie dodatkowej sygnalizacji, która ostrzeże operatora, gdy zjawisko takie wystąpi.