Kompatybilność elektromagnetyczna - testy odporności sprzętu elektronicznego

Transduktory

Rys. 4. Typowa wartość współczynnika VSWR w funkcji częstotliwości dla anteny BiLog

Transduktory są elementami przekształcającymi promieniowanie elektryczne lub magnetyczne na napięcie bądź prąd. Najbardziej oczywistym przykładem transduktora jest antena, np. BiLog (rys. 4). Rolę transduktora może odgrywać także linia paskowa, zbudowana z dwóch, równoległych powierzchni przewodzących (metalowych) złączonych ze sobą na obu końcach - rysunku 5. Do jednego z zakończeń doprowadza się sygnał elektryczny poprzez układ dopasowujący, podczas gdy drugi koniec linii jest zakończony terminatorem.

Dzięki takiej konstrukcji pomiędzy okładzinami linii paskowej powstaje jednolite pole elektryczne, ale obszar zajmowany przez EUT nie powinien być zbyt duży. Wadą linii paskowych jest, oprócz ograniczenia do pomiarów małych urządzeń, podatność na odbicia. Objawia się ona zwłaszcza w sytuacji, gdy badanie jest przeprowadzane w ekranowanym pomieszczeniu pozbawionym pokrycia materiałem absorbującym promieniowanie w.cz. Otrzymane w takiej sytuacji wyniki nie są wiarygodne.

Jednym z rozwiązań tego problemu jest otoczenie linii paskowej płytkami absorbującymi, co pozwoli uniknąć wydatków na budowę komory bezechowej. Dokładność badania jest uzależniona m.in. od rozmiarów badanego urządzenia. Niektóre standardy (IEC 801-3) zalecają, aby wymiary EUT nie przekraczały 25cm, podczas gdy inne (EN 55020) dopuszczają wymiary nawet do 70cm, jeżeli uwzględniona zostanie stosowna poprawka.

Inną, znaczącą wadą linii paskowych jest wąskie pasmo częstotliwości mieszczące się praktycznie w zakresie od 0Hz do 200 MHz. Dla wyższych częstotliwości odległość między okładzinami staje się zbyt duża (przekracza połowę długości fali), co sprawia, że pole przestaje być jednorodne. Pewnym wyjściem z takiej sytuacji jest prowadzenie testów odporności z wykorzystaniem linii paskowej oraz anteny logarytmiczno-periodycznej. Pozwala to na ograniczenie wymaganej mocy wyjściowej wzmacniacza.

Wynika to bezpośrednio z małej wartości współczynnika WFS linii paskowej, który byłby znacznie większy w przypadku tradycyjnej anteny. Osobną kwestię stanowią przewody podłączane do EUT. Są one doprowadzane do urządzenia poprzez jedną z okładzin linii paskowej i tylko kilka centymetrów przewodu jest wystawione na bezpośrednie działanie pola elektrycznego. W takiej sytuacji urządzenie jest mniej podatne na zaburzenia, co może znacząco wpłynąć na wiarygodność badania i wymusić przeprowadzenie dodatkowych testów.

Konieczne będzie również powtórzenie badań dla różnej orientacji EUT ("wzdłuż" osi X, Y oraz Z), aby określić, w jakim ułożeniu urządzenie wykazuje największą podatność. Alternatywą dla linii paskowych są komory TEM będące w zasadzie szerokopasmowym przewodnikiem współosiowym. Oznacza to, że wewnętrzny przewodnik jest wykonany z metalowej, prostokątnej płaszczyzny przewodzącej otoczonej ekranem stanowiącym jednocześnie obudowę komory.

Niewątpliwe zalety komór TEM to: niska cena, niewielkie wymiary, możliwość uniknięcia budowy ekranowanego pomieszczenia oraz mniejsze wymagania co do mocy wyjściowej wzmacniaczy (w porównaniu do typowej anteny na pasmo do 300 MHz). Zalety te pozwalają prowadzić badania praktycznie w dowolnym miejscu, co szczególnie istotne, także w pracowni konstrukcyjnej. Przestrzeń pomiarowa do umieszczenia badanego urządzenia znajduje się pomiędzy przewodnikiem a obudową (rys. 6).

Rys. 5. Linia paskowa wykorzystywana do testów odporności

Oba zakończenia linii mają transformatory dopasowujące impedancję linii do impedancji obciążeń. Komory TEM posiadają pewne niedogodności, spośród których należy wymienić na pierwszym miejscu niewielką przestrzeń pomiarową. Nadmierne zwiększenie rozmiarów komory TEM ogranicza pasmo częstotliwości, w jakim może ona pracować. Górny zakres częstotliwości dochodzi do 1 GHz, gdy ograniczy się rozmiar przestrzeni pomiarowej do 7,5cm.

Przykładowe pasma pracy, w uzależnieniu od wymiarów, przedstawiono w tabeli 1. Poszerzenie pasma może uzyskać, wykładając wewnętrzne ścianki komory materiałem absorbującym. Wspomnieć należy także o konieczność wbudowania okna w obudowę komory. Wynika to z potrzeby wzrokowej oceny zachowania EUT i określenia, czy jest ono prawidłowe, czy też nie. Przykładem urządzeń wymagających obserwacji podczas badania są: odtwarzacze multimedialne, telefony komórkowe czy sprzęt pomiarowy.

Znacznie większe pasmo pomiarowe można uzyskać, stosując omówione już w poprzednim miesiącu komory GTEM. Ich koszt jest wciąż znacząco niższy niż koszt wybudowania ekranowanej komory bezechowej. Zwiększenie granicznej częstotliwości do ponad 1 GHz uzyskano dzięki specyficznej budowie, która przypomina nieco piramidę. Warto zauważyć, że komory GTEM można wykorzystać do testowania EUT w pełnym paśmie, bez konieczności posiadania zwykłych anten, ekranowanego pomieszczenia czy wzmacniacza o dużej mocy (jak w przypadku anten na dolny zakres pasma).

Komory GTEM pozwalają na testowanie urządzeń o większych rozmiarach niż komory TEM, ale mimo to wymiary te są także dość mocno ograniczone. Przykładowe zestawienie sprzętu pomiarowego wykorzystującego komorę GTEM pokazano na rysunku 7.

Pomiary

Rys. 6. Przykładowa komora TEM

Podobnie jak przy pomiarze emisyjności, tak i przy pomiarach odporności na zaburzenia, dąży się do opracowania metod zapewniających powtarzalne wyniki. Problemem jest jednakże brak jasno ustalonej granicy, po przekroczeniu której sprzęt zostanie uznany za niespełniający wymogów stawianych przez normy. Pierwszym czynnikiem utrudniającym ocenę zgodności są przewody, szczególnie gdy EUT ma małe wymiary w stosunku do długości fali.

Sygnał indukowany w przewodach może mieć zasadniczy wpływ na stabilność pracy urządzenia i wynik badania. Drugą kwestią przyczyniającą się do niejednoznaczności w ocenie zgodności z normami jest trudność z ustaleniem momentu, w jakim urządzenie przestaje pracować poprawnie. Łatwiej pod tym względem jest badać układy analogowe, gdyż można zaobserwować stopniowe pogorszenie jakości sygnału. O wiele trudniejszym zadaniem jest ocena urządzeń w pełni cyfrowych, gdyż niestabilna praca może być niezauważalna do chwili całkowitego zawieszenia układu.

Przed przystąpieniem do właściwego badania należy określić konfigurację pracy najbardziej podatną na zaburzenia, na którą składa się: ułożenie przewodów, polaryzacja anteny itp. Gdyby istniała więcej niż jedna, krytyczna konfiguracja EUT, należy przetestować je wszystkie. Warunki, w jakich przeprowadzane jest badanie, powinny odpowiadać warunkom, w jakich będzie pracowało docelowo urządzenie. Dotyczy to zwłaszcza przewodów użytych w czasie badania, których parametry takie jak długość czy rodzaj powinny odpowiadać parametrom przewodów stosowanych później przez użytkownika.

W sytuacji, gdy specyfikacja połączeń nie jest odgórnie narzucona, można wykorzystać przewód o nominalnej długości 1m. Test przeprowadza się dla anteny nadawczej oddalonej na odległość przynajmniej 1m, jednakże preferowany dystans wynosi 3m. Zbyt mała odległość wpłynie negatywnie na jakość pomiaru. Badanie polega na zmianie częstotliwości nośnej zmodulowanego sygnału w zakresie przewidywanym przez normę i ustawianiu mocy wyjściowej wzmacniacza w taki sposób, aby wytworzyć pole elektromagnetyczne o wymaganym natężeniu.

W tym miejscu przydaje się znajomość charakterystyki systemu pomiarowego wyznaczonej podczas wspomnianego wcześniej procesu kalibracji. Zmiana częstotliwości generatora nie powinna następować częściej niż co 0,5s, choć należy rozważać dłuższe odstępy czasu - 2-3s. Im dłuższy czas, tym lepiej można ocenić zachowanie EUT i wykryć ewentualne nieprawidłowości. Zmiana częstotliwości odbywa się najczęściej w krokach z przyrostem o 1%, a nowa wartość jest zmieniana co 2-3s.

Można wyliczyć, że badanie, w którym zmiana taka odbywa się co 2 sekundy, potrwa około 8,5 minuty. Może się wydawać, że jest to niewielka ilość czasu, jednakże pełne badanie składa się z ośmiu takich serii - antena musi być skierowana w każdą z czterech stron EUT, dla polaryzacji pionowej oraz poziomej. Sytuacja jest jeszcze gorsza, gdy urządzenie może być dowolnie zorientowane w przestrzeni, czego najlepszym przykładem są urządzenia przenośne: telefony komórkowe, odtwarzacze multimedialne, konsole czy aparaty fotograficzne.

W takiej sytuacji badanie odbywa się przy antenie skierowanej w każdą z sześciu płaszczyzn urządzenia dla obu polaryzacji anteny. Daje to sumie dwanaście pomiarów i wydłuża całe badanie do min. 100 minut. Badając odporność urządzenia na działania pola elektromagnetycznego, należy mieć na uwadze, że przedstawiona procedura nie zawsze będzie wystarczająca. Może się zdarzyć, że specyficzne cechy urządzenia nie zostaną uwzględnione i badanie nie wykaże słabych punktów.

Tabela 1. Pasmo komory TEM w zależności od jej wymiarów

Do poprawnego badania niezbędna jest wiedza o funkcjonalności urządzenia i jego specyfice, a co za tym idzie - o potencjalnych słabych punktach. Należy pamiętać o szczególnie starannym testowaniu nośnych odpowiadających częstotliwościom sygnałów zegarowych wykorzystanych w układzie. Gdy nie można skorzystać z wiedzy o funkcjonalności i budowie urządzenia, należy przeprowadzić bardziej szczegółowe i dokładne testy, aby mieć pewność, że są jak najbardziej wiarygodne.

Niekiedy istnieje potrzeba stwierdzenia czy EUT spełnia wymagania stawiane przez normy "na styk", czy też istnieje duży margines bezpieczeństwa. Szerokość tego marginesu można wyznaczyć, przeprowadzając ponownie pełne badanie, ale zwiększając stopniowo za każdym razem moc wyjściową wzmacniacza.

Wykonując w ten sposób serię pomiarów, za każdym razem dla pola o większym natężeniu, można określić, jak duży margines bezpieczeństwa jest dostępny. Pozwoli to ustalić, czy ewentualny rozrzut parametrów produkowanego urządzenia wpłynie na wyniki i czy EUT mimo to będzie spełniało normy. Uzyskanie bardzo szerokiego marginesu bezpieczeństwa pozwoli usunąć nadmiarowe elementy (najczęściej filtry) i obniżyć koszty produkcji.