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.

Czułość systemu pomiarowego

Rys. 4. Minimalne wymiary OATS

Kolejnym aspektem związanym z pomiarem emisyjności jest czułość systemu pomiarowego. Problem ten nabiera szczególnego znaczenia, gdy antena jest podłączona do analizatora widma i jest oddalona od badanego urządzenia o 10 metrów. Po uwzględnieniu współczynnika antenowego, czułości analizatora widma i tłumienności przewodu może się okazać, że czułość całego systemu pomiarowego jest zbyt mała, aby określić, czy testowane urządzenie emituje zaburzenia na dopuszczalnym poziomie.

Niektóre komercyjne standardy wymagają, aby pole elektryczne wytwarzane przez urządzenia nie przekraczało 30 dBμV/m dla częstotliwości mniejszych niż 230 MHz oraz nie więcej niż 37 dBμV dla częstotliwości wyższych. Zestawiając wymogi dyrektywy z czułością przykładowego systemu (rys. 3), widzimy, że poprawny pomiar natężenia pola elektrycznego nie jest możliwy. Aby wpływ szumu był na poziomie mniejszym niż 1dB, poziom czułości sprzętu pomiarowego powinien być większy przynajmniej o 6dB od mierzonej wartości sygnału.

Wynika z tego, że bezpośrednie zastosowanie analizatora w niektórych sytuacjach nie jest możliwe. Znacznie większą czułość oferują pomiarowe odbiorniki zaburzeń, ale za odpowiednio wyższą cenę. Pewnym kompromisem jest stosowanie przedwzmacniaczy lub preselektorów, które umożliwiają zmniejszenie efektywnego poziomu szumu tła o 20...25dB. Dla prowadzonych pomiarów znaczenie ma także polaryzacja pola elektrycznego.

Może ono być spolaryzowane poziomo, pionowo lub być nachylone pod określonym kątem. Jest to uzależnione od właściwości nadajnika (w tym przypadku od ułożenia EUT) oraz odbić sygnału od pobliskich obiektów. Maksymalna wartość sygnału zostanie zarejestrowana, gdy polaryzacja będzie zgodna, natomiast minimalna wartość sygnału zostanie zarejestrowana, gdy polaryzacja będzie ortogonalna. Podczas przeprowadzenia pomiarów należy zadbać o to, aby anteny były spolaryzowane zgodnie, a otrzymywany sygnał był maksymalny. Ustalenie sposobu ułożenia urządzenia sprowadza się do wykonania serii wstępnych pomiarów, podczas których wykrywa się moment rejestracji najsilniejszego sygnału zaburzającego.

Miejsce prowadzenia pomiarów

Rys. 5. Stanowisko pomiarowe do określenia współczynnika NSA

Punktem odniesienia dla standardu CISPR są pomiary prowadzone w otwartym polu pomiarowym (Open Area Test Site - OATS). Minimalne wymagania, jakie musi ono spełniać, przedstawiono w normie EN55022. Pierwszym wymogiem jest usunięcie wszelkich metalowych obiektów, które mogłyby odbijać fale elektromagnetyczne (klamki, zawiasy, luźne przewody, metalowe puszki, obudowy komputerów etc.). Minimalne wymiary OATS pokazano na rysunku 4, choć w praktyce powinny być one większe, aby zagwarantować powtarzalne i w miarę dokładne wyniki.

Ponadto teren musi być płaski i nie może się w nim znajdować sprzęt pomiarowy. Można go umieścić pod otwartym polem pomiarowym, gdy jest ono zlokalizowane w wielopiętrowym budynku. Można rozważyć wykorzystanie płaskiego dachu pod warunkiem, że w jego pobliżu nie ma parkingu. Następną kwestią związaną z pomiarami są odbicia od podłoża. Podczas przygotowywania standardów były one niemożliwe do uniknięcia, więc ich występowanie zostało ujęte w opracowaniach związanych z pomiarami emisyjności.

Ustalono, że podłoże musi zostać wykonane z materiału przewodzącego, którego minimalne wymiary pokazano już na rysunku 4. Jest to jednak niezbędne minimum, które należy zwiększyć. Najlepszym rozwiązaniem są zespawane arkusze blachy, jednakże często okazuje się to niepraktyczne. Lepsza pod tym względem jest metalowa siatka, gdyż w przeciwieństwie do blachy nie ulega wypaczeniu pod wpływem temperatury (po starannym ułożeniu) i łatwiej jest ją osuszyć.

Należy jednak mieć na uwadze, że oczka takiej siatki nie powinny mieć średnicy większej niż 10% długości fali dla najwyższej częstotliwości. Ponadto poszczególne ogniwa siatki powinny być ze sobą połączone w sposób zapewniający przewodność, a drut, z którego są wykonane, nie może być pokryty materiałami dielektrycznymi (jedynym akceptowalnym wyjątkiem jest farba). Oczywistą wadą otwartej przestrzeni pomiarowej są błędy wynikające z obecności zaburzeń elektromagnetycznych pochodzących od źródeł znajdujących się w pobliżu.

Szczególnie niekorzystne warunki panują w miastach ze względu na duże zagęszczenie nadajników radiowych, stacji bazowych telefonii komórkowej, alarmów itp. Emitowane przez nie pole elektromagnetyczne wpłynie na otrzymane wyniki i utrudni ocenę emisyjności EUT. Również zła pogoda stanowi utrudnienie. Deszcz może powodować powstawanie dodatkowych odbić od mokrych powierzchni i wpłynąć na wyniki pomiarów, a zamoczenie sprzętu grozi jego nieprawidłową pracą.

Najprostszym rozwiązaniem jest przykrycie testowanego urządzenia oraz sprzętu pomiarowego (jeżeli nie umieszczono go poniżej podłoża OATS). Do zabezpieczania przed deszczem najlepiej nadaje się włókno szklane.Wad otwartej przestrzeni pomiarowej pozbawione są ekranowane komory pomiarowe. Są one w całości obudowane blachą, przez co stanowią klatkę Faradaya, której wnętrze jest odizolowane od zewnętrznych pól elektromagnetycznych.

Zamknięty charakter takich pomieszczeń chroni przed zjawiskami atmosferycznymi. Problem stanowią jednak odbicia fal od ścian i sufitu co, po uwzględnieniu podłogi, daje 6 ścieżek propagacji odbitego sygnału. Testowanie sprzętu w takich warunkach jest zasadniczo niemożliwe, bo wprowadzane tłumienie sygnału jest bardzo trudne do kontrolowania i oszacowania. Jedynym rozwiązaniem jest wyłożenie wewnętrznych powierzchni materiałami absorbującymi fale radiowe.

Ocena jakości komory i otwartej przestrzeni pomiarowej

Rys. 6. Przykładowe rozplanowanie stanowiska pomiarowego

Przed rozpoczęciem badań w otwartej przestrzeni pomiarowej lub ekranowanej komorze należy sprawdzić, czy spełnia ona wymogi przewidziane przez standard. Odpowiedź na to pytanie daje pomiar współczynnika NSA (Normalized Site Attenuation). Jego wyznaczenie wymaga zestawienia sprzętu w sposób przedstawiony na rysunku 5.

Zadaniem generatora śledzącego jest wytworzenie sygnałów testowych (poszczególne częstotliwości w zakresie mierzonego pasma), które zostaną zmierzone przez odbiornik pomiarowy lub analizator widma kilkanaście razy dla różnych polaryzacji anten oraz dla różnych wysokości anteny odbiorczej. Odległość między antenami powinna wynosić 3m lub 10m. Po odjęciu współczynników antenowych od otrzymanych wyników, ostateczny NSA jest dany wzorem:

NSA [dB] = Vdirect - Vsite - Aft - Afr,

gdzie: Vdirect - amplituda sygnału emitowanego przez antenę nadawczą,
Vsite - amplituda sygnału zmierzonego przez antenę odbiorczą,
Aft i Afr - współczynniki antenowe, odpowiednio, anteny nadawczej i odbiorczej.

Pomieszczenie spełnia normy, jeżeli NSA mieści się w granicach -4...+4dB. Oznacza to, że nadawany sygnał może być wzmocniony lub tłumiony przez pomieszczenie maksymalnie o 4dB. Warte uwagi jest to, że w ramach tego limitu należy uwzględnić niepewność pomiaru (omówioną w dalszej części artykułu).

Zmniejszenie niepewności pomiaru zwiększy szansę na uzyskanie wyników pozwalających zaklasyfikować przestrzeń pomiarową jako spełniającą wymogi standardu. Warto zauważyć, że w dopuszczalnym limicie -4...+4dB należy uwzględnić także zaburzenia przedostające się z zewnątrz, co będzie miało miejsce w otwartej przestrzeni pomiarowej. Nie można natomiast potraktować NSA jako poprawki nanoszonej na wyniki pomiarów.

Pomiary

Rys. 7. Zasada działania detektorów do pomiaru mocy w.cz.

Pomiary wykonuje się z wykorzystaniem stołu wykonanego z nieprzewodzącego materiału, którego blat będzie znajdował się na wysokości 80cm. Powinien być on obracany, gdyż podczas badania urządzenie musi być obracane wokół własnej osi w celu odnalezienia takiego jego ułożenia, w którym antena odbiorcza rejestruje maksymalny poziom sygnału. W sytuacji, gdy badane urządzenie jest zbyt duże, aby umieścić je na stole, należy być przygotowanym na możliwość przemieszczania anteny odbiorczej wokół stołu.

Oczywiście antena musi być oddalona od badanego urządzenia na określoną odległość (najczęściej 3m lub 10m). Rozplanowanie stanowiska pomiarowego pokazano na rysunku 6. Podstawową zasadą jest dążenie do zarejestrowania maksymalnego natężenia pola elektrycznego. Po pierwsze należy zmieniać wysokość anteny odbiorczej w zakresie od 1 do 4m, tak aby uniknąć sztucznego zaniżenia poziomu sygnału na skutek powstawania zaników.

Po drugie, konieczne jest obracanie urządzenia lub anteny, aby określić, od której strony EUT wytwarza najsilniejsze promieniowanie. Duże znaczenie dla emisyjności ma konfiguracja (tryb pracy) testowanego urządzenia. Zasadniczo należy przetestować wszystkie dostępne tryby pracy, aby określić maksymalne natężenie pola elektrycznego (tzn. zmierzyć emisyjność podczas odbierania i wysyłania danych, przebywania w trybie pełnej aktywności, obsługi pamięci, komunikacji z otoczeniem, ładowania, pracy z zewnętrznym zasilaczem itp.).

Pod uwagę bierze się także oprogramowanie, które wpływa na emisyjność. Przykładem może tu być rozpoczęcie transmisji radiowej po naciśnięciu przycisku czy zmiana konfiguracji wewnętrznej pętli PLL, skutkująca podniesieniem częstotliwości taktowania rdzenia. Niekiedy urządzenia wytwarzają pole elektromagnetyczne o dużym natężeniu przez krótki czas w długich odstępach (np. czujnik wysyłający dane drogą radiową co kilka minut).

Zarejestrowanie maksymalnego poziomu emisji będzie wtedy trudne i czasochłonne. Najlepszym wyjściem jest przygotowanie specjalnego trybu testowego, który powodowałby np. intensywne wykorzystywanie kanałów komunikacyjnych i układów peryferyjnych tak, aby łatwo można było zarejestrować maksymalny poziom zaburzeń. Szczególnej uwagi wymagają też urządzenia wyposażone w gniazda i złącza przeznaczone do urządzeń peryferyjnych (klawiatur, myszy, pamięci masowych).

Urządzenia te powinny zostać podłączone, aby określić ich wpływ na poziom emitowanych zaburzeń. Długość użytych przewodów zasilających i komunikacyjnych powinna odpowiadać typowym długościom, z jakimi będzie miał do czynienia końcowy użytkownik. Na czas pomiaru przewody powinny być złożone, ale nie zwinięte w sposób tworzący pętlę. Podczas pomiarów powinien być zachowany dystans pomiędzy testowanym urządzeniem i anteną. Najczęściej spotykane wartości to 3, 10 i 30m.

W standardzie EN55022 dystans jest zdefiniowany jako odległość pomiędzy granicą urządzenia i punktem odniesienia anteny. Należy zauważyć, że dopuszczalny limit zaburzeń emitowanych przez badane urządzenie jest najczęściej podawany dla odległości 10m. Test może zostać przeprowadzony, gdy urządzenie jest oddalone od anteny o 3m, jednakże należy uwzględnić poprawkę wynikającą z tej odległości (przy odległości 10m zmierzony poziom sygnału będzie niższy o około 10,5dB).

Tabela. Materiały absorbujące promieniowanie radiowe

Pomiary z odległości 10m wymagają znacznie więcej miejsca, dlatego dystans 3m jest dość popularny. Podczas pomiarów antena jest ustawiana w taki sposób, aby otrzymywać największą możliwą wartość pola. Ustawienie jest uzależnione od zysku anteny i jej charakterystyki kierunkowej. Współczynnik antenowy jest najważniejszym parametrem, jaki należy mieć na uwadze podczas prowadzenia pomiarów.

Z tego względu anteny przeznaczone do pracy w szerokim zakresie częstotliwości są dostarczane z dokumentacją, w której zawarto współczynnik antenowy (w dB/m dla anten mierzących pole elektryczne) w funkcji częstotliwości. Dokonując pomiaru pola elektrycznego, należy pamiętać o uwzględnieniu - oprócz współczynnika antenowego - także tłumienia przewodu łączącego antenę z aparaturą pomiarową. Tłumienność przewodu jest funkcją częstotliwości, choć dodatkowo może być zależna także od temperatury.

Detektory i czas pomiaru

Do pomiaru mocy sygnałów radiowych wykorzystuje się detektory:

• szczytowe (peak), wykrywające maksymalny poziom sygnału i reagujące w sposób natychmiastowy,
• wartości średniej (average), mierzące wartość średnią sygnału i charakteryzujące się długim czasem reakcji,
• quasi-szczytowe (quasi-peak), czyli detektory szczytowe z ustawianym czasem ładowania i rozładowania.

Sposób pracy tych detektorów pokazano na rysunku 7. Czas potrzebny na przeprowadzenie wszystkich pomiarów jest najczęściej długi, co stanowi duży problem. Wynika to w dużej mierze z czasu, jaki jest potrzebny detektorom typu A i QP na poprawne zarejestrowanie wartości sygnału. Wady tej pozbawione są detektory szczytowe, gdyż ich czas reakcji jest praktycznie natychmiastowy, co znacznie skraca badanie.

Odbywa się to jednak kosztem zmniejszenia dokładności; wartość sygnału często jest przeszacowana, zwłaszcza gdy jest on zmodulowany lub ma charakter impulsowy. Niemniej testowanie urządzenia z użyciem detektora szczytowego może stanowić wstępną ocenę jego pracy. Wykrywa się wtedy składowe częstotliwościowe, których poziom przekracza dopuszczalny limit lub się do niego zbliża. W takiej sytuacji dokładnie mierzy się poziomy harmonicznych, dla których wymogi norm wydają się nie być spełnione.

Niepewność pomiaru

Pomiary natężenia pól elektrycznego i magnetycznego są nieporównywalnie mniej dokładne niż pomiary "zwyczajnych" wielkości fizycznych, takich jak napięcie, prąd, rezystancja czy temperatura. Niedokładności wynikają z właściwości sprzętu pomiarowego, dostępnych metod oraz właściwości propagacyjnych fal elektromagnetycznych. Różnica między zmierzoną wartością i rzeczywistą może przekraczać nawet 10dB. Z tego względu wykonując pomiary we własnym zakresie, warto zachować pewien margines bezpieczeństwa i projektować sprzęt w taki sposób, aby nie spełniał wymagań norm "na styk".

Największy wpływ na błędy pomiaru ma czynnik ludzki. Wyszukiwanie maksymalnego poziomu emisji wymaga obracania testowanego urządzenia, zmiany wysokości anteny odbiorczej w zakresie 1...4m oraz testowania emisji dla polaryzacji pionowej i poziomej. W efekcie tego staranność człowieka może mieć znaczący wpływ na ostateczny wynik. Niektóre badania naukowe pokazują, że wyniki otrzymane przez różnych inżynierów testujących to samo urządzenie mogą się różnić nawet o 13dB.

Jest to bardzo duża rozbieżność, obrazująca, jak trudno jest przeprowadzić rzetelne, zgodne z wymogami standardów pomiary. Różnice wyników pomiarów zostały zmniejszone do 7dB w sytuacji, gdy wysokość anteny odbiorczej nie była zmieniana. Drugim czynnikiem mającym zdecydowany wpływ na niepewność pomiaru jest miejsce, w jakim następuje testowanie EUT. W otwartej przestrzeni pomiarowej trudno jest uniknąć wpływu zewnętrznych zaburzeń na wynik.

Jedynym wyjściem pozostaje pomiar tych zaburzeń i skorygowanie wyniku o zmierzoną wartość. Oczywiście pod uwagę należy wziąć również odbicia od podłoża, ścian i sufitu powstałe wskutek nieidealnego pochłonięcia energii przez materiał absorbujący, którym wyłożona zastała komora pomiarowa. Zmiany wysokości anteny podczas wyszukiwania maksymalnego poziomu sygnału stanowią kolejne źródło błędów.

Poziom sygnału może być zawyżony nawet o 6dB wskutek wzmocnienia spowodowanego nałożeniem się fal o jednakowym przesunięciu fazowym, ale może zostać również stłumiony o ponad 20dB, gdy wystąpi nałożenie się fal w przeciwfazie. Jest to uzależnione m.in. od wysokości anteny odbiorczej. Błędy tego typu są trudne do oszacowania i zależą także od częstotliwości, stąd też konieczność regulacji wysokości anteny, mimo że praktyka taka wprowadza znaczącą niepewność pomiaru.

Kolejnym źródłem błędów są przewody pomiarowe, które mają swoją charakterystykę częstotliwościową. Przewody dobrej jakości powinny mieć charakterystykę płaską dla całego zakresu częstotliwości, a wprowadzane tłumienie powinno być możliwie małe. Błędy wynikające z charakterystyki przewodu pomiarowego można uwzględnić w wynikach, niemniej trudno uwzględnić wpływ temperatury na tę charakterystykę.

Z przewodami nieodłącznie związane jest niedopasowanie impedancyjne, które wpływa na wynik w następstwie odbić sygnału. Rozmiar tego zjawiska określa współczynnik fali stojącej, którego wartość jest jednak funkcją częstotliwości, co przyczynia się do dodatkowego zwiększenia niepewności pomiaru. Źródłem niepewności pomiaru jest sam analizator widma czy odbiornik pomiarowy (w wyniku starzenia się podzespołów) oraz zmiany parametrów filtrów wejściowych, tłumików, źródeł sygnału odniesienia itp. wynikające z fluktuacji temperatury.

Rys. 8. Przykładowe komory GTEM

Nawet w dobrej jakości sprzęcie pomiarowym całkowity błąd może przekroczyć 5dB. Z tego względu producenci wbudowują w oferowane przez siebie urządzenia funkcję autokalibracji. Pozwala ona zniwelować wpływ temperatury, czasu oraz niedokładności procesu produkcyjnego na wynik pomiaru. Należy pamiętać, że sprzęt musi być wstępnie "rozgrzany", gdyż dopiero po ustabilizowaniu się temperatury w jego obudowie można otrzymać powtarzalne wyniki. Dobrym nawykiem jest włączanie urządzeń od razu po przyjściu do pracy i uruchomienie procedury autokalibracji bezpośrednio przed rozpoczęciem pomiarów.

Ocena zgodności

Testowanie emisyjności urządzenia wymaga skanowania częstotliwości w zakresie:

• 9...150 kHz przy szerokości pasma 200Hz,
• 0,15...30 MHz przy szerokości pasma 9 kHz,
• 0,03...1 GHz przy szerokości pasma 120 kHz.

Do określania poziomu zaburzeń wykorzystuje się detektor QP, a samo testowanie powinno odbywać się dla obu polaryzacji anteny: pionowej oraz poziomej. Dzięki wstępnemu skanowaniu możliwe jest znaczne przyspieszenie całego badania, tym bardziej że należy jeszcze uwzględnić regulowanie wysokości anteny, obracanie urządzenia w celu znalezienia maksymalnej emisji oraz testowanie różnych trybów jego pracy. Po wykonaniu pomiarów pozostaje odnalezienie normy dotyczącej produkowanego urządzenia i porównanie przewidzianych limitów z wartościami zmierzonymi.

Podsumowanie

Uzyskanie pewności, że urządzenie jest zgodne z wymogami dyrektywy EMC, jest najczęściej przedsięwzięciem dość kosztownym, bo konieczne jest badanie w certyfikowanym laboratorium. Tylko takie instytucje dają pewność, że pomiary są wiarygodne, gdyż spełniają wymogi przewidziane przez odpowiednie normy. Przekłada się to jednak na dość wysoki koszt pojedynczego badania ze względu na dużą ilość czasu wymaganą do jego starannego przeprowadzenia oraz koszty sprzętu używanego do tego celu. Decydując się na takie badania w certyfikowanym laboratorium, należy mieć na uwadze, że:

• testowany sprzęt może nie spełniać norm, co spowoduje konieczność naniesienia poprawek i zmusi do ponownego opłacenia badania,
• konieczne będzie wyszukanie konfiguracji (trybu pracy), w której EUT wytwarza najsilniejsze zaburzenia,
• niespełnienie wymogów dyrektywy EMC opóźni wprowadzenie produktu na rynek.

Wszystkie powyższe problemy można rozwiązać, wykonując badania wstępne na terenie przedsiębiorstwa. Wystarczy do tego mniej zaawansowany sprzęt i spełniająca podstawowe wymogi komora lub otwarta przestrzeń pomiarowa. Samodzielne testowanie sprzętu pod kątem wymogów dyrektywy EMC ułatwia i przyspiesza nanoszenie poprawek w sytuacji, gdy certyfikowane laboratorium wykryje nieprawidłowości.

Przykładowo, gdy zostanie stwierdzone, że EUT emituje zaburzenia o nieakceptowalnym poziomie dla jakiejś częstotliwości (np. przekracza normę o 12dB), można nanieść poprawki w taki sposób, aby stłumić harmoniczną przekraczającą normę o 18dB (6dB stanowi margines błędu).

Na pytanie, czy naniesione poprawki odniosły zamierzony skutek, odpowiedzą właśnie testy przeprowadzone przed ponownym oddaniem urządzenia do laboratorium. Bez możliwości prowadzenia badań we własnym zakresie koszty związane z zapewnieniem zgodności urządzenia z wymogami dyrektywy EMC mogą bardzo szybko stać się dużym obciążeniem finansowym dla firmy.

Jakub Borzdyński