Kompatybilność elektromagnetyczna - testy odporności sprzętu elektronicznego

Rys. 1. "Plastry miodu" (honey comb) uszczelniające pomieszczenie elektromagnetycznie. Rozmiar oczka jest uzależniony od częstotliwości, na jaką komora została zaprojektowana

Obie sytuacje są niedopuszczalne i spowodują irytację końcowego użytkownika. Z tego względu konieczne jest zagwarantowanie, że sprzedawane urządzenia będą odporne na działanie zaburzeń elektromagnetycznych. W tym celu przeprowadza się odpowiednie testy, których celem jest sprawdzenie, czy sprzęt jest przystosowany do bezproblemowego funkcjonowania w otoczeniu innych urządzeń.

Szereg norm określa warunki, w jakich należy testować urządzenia i jaki poziom zaburzeń oraz wyładowań ESD powinien być przez nie tolerowany bez pogorszenia jakości funkcjonowania. Niniejszy artykuł ma stanowić wprowadzenie do tematu testowania odporności i pokazać, w jaki sposób tego typu badania są przeprowadzane oraz jak przygotować się do ich prowadzenia we własnym zakresie.

Wymagania zasadnicze

Badanie odporności układów na zaburzenia elektromagnetyczne nie może być prowadzane w dowolnych warunkach. Międzynarodowe regulacje prawne zabraniają zakłócania pracy urządzeń radiokomunikacyjnych (w tym pracy odbiorników radiowych oraz telewizyjnych), a sytuacja taka mogłaby mieć miejsce, gdyby wykorzystać do tego celu np. otwartą przestrzeń pomiarową. Generowane podczas badań pole elektromagnetyczne ma bardzo szerokie pasmo oraz znaczące natężenie, co może spowodować nieprawidłową pracę pobliskich urządzeń.

Z tego względu wymagane jest ekranowane pomieszczenie o tłumienności nie mniejszej niż 100dB. Wtedy pole o natężeniu 10V/m, wytworzone wewnątrz ekranowanej komory, będzie miało natężenie 40 dBμV/m poza nią. Konstrukcja pomieszczenia stanowi kompromis pomiędzy kosztami a jakością (w tym poziomem tłumienia sygnałów). Najdroższe rozwiązania bazują na panelach wykonanych z metalu oraz drewna, wentylacji w formie "plastrów miodu" (rys. 1) z wentylatorami umieszczonymi na zewnątrz, czy drzwiach w technologii nożowej precyzyjnie spasowanych z ościeżnicą.

Ponadto sprzęt pomiarowy powinien zostać umieszczony w osobnym pomieszczeniu, a przewody zaopatrzone w stosowne filtry, aby zminimalizować niepewność pomiaru. Oprócz sprzętu pomiarowego przydatny bywa komputer nadzorujący przeprowadzane badania i przetwarzający otrzymane wyniki. Powinien być on, podobnie jak sprzęt pomiarowy, umieszczony poza komorą pomiarową, najlepiej w specjalnie przeznaczonym do tego celu ekranowanym pomieszczeniu pomocniczym.

Rys. 2. Badanie odporności wymaga sygnału zmodulowanego przebiegiem sinusoidalnym

Z ekranowania dodatkowych pomieszczeń można zrezygnować, jeżeli istnieje pewność, że urządzenia pomiarowe nie będą interferowały z otoczeniem i mają własne, zadowalające ekranowanie. Należy pamiętać, że w czasie badania generowane jest pole elektromagnetyczne o znaczącym natężeniu i częstotliwości mogące negatywnie oddziaływać na człowieka. Z tego względu personel nie może przebywać w komorze pomiarowej w czasie testowania.

Niezbędna okaże się więc kamera pozwalająca obserwować zachowanie urządzenia poddanego działaniu zaburzeń elektromagnetycznych. Powinna oczywiście być odporna na warunki panujące w komorze i nie wpływać w znaczącym stopniu na otrzymywane wyniki. Najprostszy zestaw pomiarowy składa się z generatora sygnału, wzmacniacza oraz anten. Wszystkie te elementy muszą mieć zakres częstotliwości minimum 150 kHz...1 GHz.

Ponadto sygnał z generatora sygnałów musi być dopasowany do parametrów wejściowych wzmacniacza. Do przeprowadzenia typowego badania wymagany jest przebieg zmodulowany sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości 1 kHz z głębokością modulacji wynoszącą 80% (rys. 2). Przebieg tego typu często może być wytworzony w generatorze, ale niekiedy wymaga się sygnałów o innej obwiedni, stąd konieczny może być zakup dodatkowego wyposażenia.

Wcześniejsze standardy wymagały modulacji sygnałem 200Hz częstotliwości nośnej 900 MHz, aby symulować działanie urządzeń GSM. Zrezygnowano jednak z tego podejścia na rzecz uniwersalnej częstotliwości 1 kHz. Zdarzają się jednak wyjątki, które wymuszają modulację sygnałem o częstotliwości innej niż 1 kHz w celu zbadania specyficznych cech urządzeń.

Wzmacniacz

Rys. 3. Moc doprowadzana do anten aby zapewnić natężenie pola wynoszące 10V/m w odległości 1m

Moc wyjściowa większości generatorów sygnałów spotykanych w handlu jest niewystarczająca, aby wytworzyć pole elektromagnetyczne o natężeniu wymaganym przez normy. W związku z tym niezbędny jest wzmacniacz, który zwiększy moc doprowadzoną do anteny. Wymagana moc wyjściowa jest uzależniona od natężenia pola, jakie będzie wytwarzane w otoczeniu testowanego urządzenia oraz charakterystyki użytej anteny.

Moc promieniowania nie jest liniowo zależna od mocy doprowadzonej do zacisków anteny (rys. 3). Warto zauważyć, że dla górnego zakresu częstotliwości wymagany poziom mocy jest znacząco niższy. Nie zawsze istnieje możliwość przeprowadzenia pełnego badania z wykorzystaniem jednego wzmacniacza, gdyż musiałby on dostarczać odpowiednio dużą moc w szerokim paśmie częstotliwości (1...1000 MHz). Konieczny może się okazać podział pasma pomiarowego na dwa zakresy obsługiwane przez dwie anteny oraz dwa wzmacniacze.

Istnieje możliwość wykorzystania tylko jednej anteny, jednakże konieczne będzie przełączanie, co wydłuży czas badania. Nie można zapominać o niedopasowaniu impedancyjnym pomiędzy anteną oraz wzmacniaczem skutkującym odbiciami sygnału. WFS różny od jedności oznacza, że część energii wraca do wzmacniacza i jest tracona. Wzmacniacz musi posiadać odpowiedni zapas mocy, aby skorygować charakterystykę anteny oraz niedopasowanie impedancyjne. Musi być też odporny na przeciążenia i skutki pracy z nieskończonym WFS, czyli brak dołączonego obciążenia lub zwarcie na wyjściu.

Regulacja natężenia pola

W czasie badania pole elektromagnetyczne w otoczeniu EUT (badanego urządzenia) musi mieć natężenie ściśle określone przez normy. Jego wartość jest zasadniczo niemożliwa do wyznaczenia na podstawie obliczeń, gdyż nie da się uwzględnić wszystkich czynników (np. odbić od ścian, tłumienia przewodów, charakterystyki anteny). Konieczne staje się zastosowanie układu mierzącego natężenie pola, który umieszcza się w komorze pomiarowej, w pobliżu EUT.

Układ tego typu może mieć trzy dipole zorientowane ortogonalnie względem siebie (wzdłuż osi X, Y, Z), co pozwala zmierzyć natężenie pola niezależnie od jego polaryzacji. Potrzebna jest również część elektroniczna wykonująca pomiary. W najprostszym przypadku będzie to prosty układ elektroniczny zasilany z baterii i wyposażony w wyświetlacz. Oczywistą jego wadą będzie konieczność odczytywania zmierzonej wartości przez operatora i manualne korygowanie mocy wyjściowej wzmacniacza.

Znacznie bardziej zaawansowane urządzenia są wyposażone w łącze światłowodowe do przesyłania wyników pomiarów. Istnieje wtedy możliwość automatycznego dostrajania sprzętu, co znacznie przyspiesza badanie. Łącze optyczne jest pożądane ze względu na brak interferencji i odbić, które mogłyby mieć miejsce w przypadku miedzianych przewodów. Pierwszym metodą automatycznej regulacji natężenia pola jest utworzenie układu z zamkniętą pętlą, w której znajdzie się wzmacniacz oraz układ pomiarowy.

Moc wyjściowa jest regulowana na bieżąco, w zależności od zmierzonej wartości sygnału. Należy być świadomym błędów występujących w tego typu rozwiązaniach powodowanych przez pomiar natężenia pola w jednym miejscu (punktowo) - natężenie pola mierzonego oraz pola oddziałującego na EUT może być inne, stąd nie ma pewności, że podczas badania do urządzenia dociera odpowiednio silny sygnał. Jak wspomniano wcześniej, sygnał doprowadzony do wzmacniacza musi zostać zmodulowany.

Normy wymagają, aby moc chwilowa zmodulowanego przebiegu była większa o 5,2dB w stosunku do mocy sygnału niemodulowanego. Pomiary natężenia pola przeprowadza się przy wyłączonej modulacji, aby uzyskane wyniki były dokładniejsze. Ponadto należy pamiętać o zwiększeniu mocy o 6dB, gdy pomiary nie są wykonywane w komorze bezechowej. Ma to na celu zmniejszenie prawdopodobieństwa poddania EUT działaniu pola o natężeniu mniejszym niż wymagane przez normy.