Искать

Оборудование для тестов на ЭМС: как грамотно обустроить лабораторию

Зачем нужно тестирование на ЭМС?

Тестирование электронной продукции на электромагнитную совместимость (ЭМС) – обязательный этап для вывода товара на рынок. Устройство, которое не сможет сосуществовать рядом с другими устройствами, бесполезно, а иногда даже опасно.

Тестирование на ЭМС нужно для того, чтобы понять, как прибор, содержащий радиоэлектронные компоненты, «ведет себя» в условиях различных электромагнитных помех, и не создает ли излишние колебания сам. Современный человек окружен бытовой техникой и гаджетами со всех сторон: от помех никуда нельзя спрятаться. Именно поэтому каждый образец техники создается с учетом его ЭМС.
Еще острее проблема электромагнитной совместимости стоит в сфере производства радиоэлектроники для военных нужд, авиастроения, атомной промышленности, транспорта.

В России, как и в странах Евросоюза, существуют правила и стандарты, которые жестко регламентируют требования к каждому конкретному прибору. Стандартов достаточно много: в них описаны все возможные типы оборудования и места, где они могут функционировать.
Чтобы провести качественное тестирование, нужна современная лаборатория, оснащенная оборудованием высокой точности. Любая уважающая себя компания, аккредитованная для оказания услуг по сертификации, должна следить за состоянием и ассортиментом лабораторного оборудования, вовремя заменять изношенную и устаревшую технику.

Помещение для испытаний

Главное требование к помещению лаборатории – это чтобы любые помехи и воздействия в нем сводились к нулю.  Помещение, где будет располагаться лаборатория (особенно если она создается для тестирования крупных по размеру образцов) в идеале должно быть заложено в проекте здания.

В зависимости от технических требований, это могут быть:

  • экранированные камеры (их стены внутри обшиваются металлическими листами, которые отделяют внутреннюю электромагнитную обстановку от внешней);
  • реверберационные камеры (облицованы внутри материалом, хорошо отражающим звук);
  • Безэховые камеры (экранированные камеры, которые изнутри облицованы радиопоглощающими материалами);
  • Полубезэховые камеры (обычно на полу у них стелется металлический заземляющий щит)
  • GTEM-ячейки (автономные и компактные камеры для работы в гигагерцовом диапазоне).

Безэховые, полубезэховые камеры и GTEM-ячейки часто оборудуются радиочастотными поглотителями. Дело в том, что в экранированном помещении можно обнаружить помехи и узнать, на какой частоте они возникают, однако измерить их уровень не представляется возможным из-за отражения сигналов от пол, стен и потолка. Чтобы измерить уровень помех, нужно ослабить их отражаемость. Для этого помещение покрываются плитами со специальными материалами. Поглотитель не должен ни проводить волну, ни блокировать ее. Задача материала – впустить сигнал внутрь и заставить его затухнуть.

Для каждого стандарта существуют свои поглотители. Изготавливаются они, в основном, из пенополиуретана. Бывает, что к этому материалу добавляется углерод, специальные диэлектрические и огнеупорные пропитки. Плиты могут состоять из пирамид или усеченных пирамид, хотя есть и плоские варианты. В виде плоских плит часто выпускают ферритовые поглотители. Можно встретить и пирамидальные пенополиуретановые поглотители с ферритовым основанием – разные модели дают при испытаниях разный эффект.

Безэховая камера всегда строится под конкретное помещение. Проектировка и реализация такого проекта занимает около года. Это всегда комплексное решение: в БЭК все продумано до мелочей. Специалист должны создать необходимый уровень экранирования, подобрать поглотители, спроектировать систему вентиляции, подачи электропитания.  Оснащение камеры обязательно предусматривает управляемый поворотный стол, антенную мачту для управления антеннами, пандус для перемещения тестовых образцов, удобные экранированные двери и т.д.

Ни один грамотный производитель не предложит готовое решение: инженеры выезжают на место еще на этапе постройки здания, создают чертежи, планируют подведение всех коммуникаций.

Лабораторное оборудование

Для проведения тестов на устойчивость к помехам и эмиссию существует множество оборудования, как основного, так и дополнительного. Обсудим самые важные узлы в измерительной цепочке.


Приемник электромагнитных помех

Приемник ЭМП нужен для измерения уровня электромагнитных помех – он принимает их и анализирует их параметры. Современные модели приемников ЭМП обладают множеством других полезных функций: анализируют спектр сигнала, модуляцию и т.д.
Передовые модели приемников почти полностью цифровые, они соответствуют всем принятым современным стандартам, а главное – могут работать в режиме реального времени. Приемники, работа которых основана на принципе Быстрого Преобразования Фурье, способны обрабатывать и записывать параметры сигнала в режиме реального времени: это экономит время и позволяет не упустить ни одной детали. Такие модели есть в линейках Narda PMM (модель 9010 Fast), Rohde&Schwartz. Для них создается современное программное обеспечение, позволяющее делать расчеты быстро и с высокой точностью.


Генератор сигналов

Генераторы сигналов, которые  позволяют получить (воспроизвести) радиочастотный сигнал с заданными характеристиками, теми, которые нужны для исследования. Оператор лишь задает параметры (форму сигнала, его электрические характеристики), а генератор выдает этот сигнал с лабораторной точностью. В ЭМС-исследованиях генератор нужен чаще всего для того, чтобы имитировать сигнал, поступающий на тестируемое оборудование.

В самых последних моделях генераторов многие типы сигналов уже запрограммированы: это автоматизирует работу и упрощает ее. Такие аппараты могут выдавать любую форму сигнала: треугольный, пилообразный, синусоидальный и т.д.


Усилитель мощности

Усилитель – «сердце» любого испытательного стенда и его самое важное звено. Можно тщательно подбирать все остальное оборудование, но без подходящего усилителя схема распадается. Именно усилитель является основной частью расходов на обустройство лаборатории либо испытательного стенда. 

Основная задача усилителя мощности - помогать создавать необходимую для испытаний напряженность электромагнитного поля. Особенно это актуально на низких частотах, где эффективность антенны, создающей напряжение, снижается.

Компании, создающие усилители мощности для испытаний на ЭМС, обычно ориентируются на существующие в разных отраслях стандарты. Усилители создаются целыми линейками, каждая из которых подходит для стандартов в отрасли автомобилестроения, для коммерческой техники, авиационной и военной отраслей.  К примеру, в ассортименте французского производителя Prana 11 серий усилителей, которые вместе охватывают диапазон от 10 кГц до 6 ГГц. Мощность на выходе достигает 12 кВт. Кроме этого производитель впускает весь спектр аксессуаров – матрицы для создания «цепочки» из нескольких приборов и удобного переключения между ними, и т.д. Усилители Prana легко монтируются в стойки. Все модели относятся к классу А и могут быть подвержены апгрейду – расширению частотного диапазона.

Усилители французской марки оснащаются современными системами водяного охлаждения, благодаря чему они надежны и не занимают много места.


Антенны

Измерительные антенны при испытаниях тоже играют важную роль. Именно антенна может быть как передатчиком, так и приемником электромагнитного излучения. Современные производители выпускают широчайший ассортимент измерительных антенн, разного размера, формы и принципа работы, подходящих под различные стандарты.  Главные факторы для любой антенны – ее частотный диапазон и ее чувствительность.

Основные виды измерительных антенн (существует еще много, но эти – наиболее востребованы) – биконическая, логопериодическая и рупорная.

Биконическая антенна напоминает собой два конуса, сращенных между собой узкими частями. Это наиболее распространенное техническое решение для диапазона 20 МГц-200 МГц. В пространстве, ограниченном этими «конусами» (они не обязательно физически выглядят как конусы, они могут состоять, например, из штырей), и возбуждается электромагнитное поле.

Логопериодическая антенна напоминает по виду равнобедренный треугольник – в основе его лежат две трубы, расположенные одна над другой, а к ним крепятся плечи вибраторов, которые к вершине «треугольника» становятся все короче. Частотный диапазон такой антенны зависит от длины самого длинного вибратора и длины самого короткого. Неоспоримое преимущество логопериодической антенны в том, что работая в широком диапазоне, она не изменяет своих направленных свойств.

В линейке Narda PMM логопериодические антенны представлены в трех вариантах – с частотными диапазонами 200 МГц-6 Ггц, 200 Мгц-3 Ггц, 800 МГц-6 Ггц. Новинка 2018 года – гибридная антенна BL-01 объединяет в себе все позитивные свойства как биконической, так и логопериодической антенн. Это позволяет ей быть универсальной при любых тестах (эмиссия и устойчивость), охватывая широкий диапазон от 30 Мгц до 6 Ггц.

Рупорная антенна получила свое название за схожесть с рупором – она выглядит как труба, расширяющаяся от одного конца к другому. Обычно поперечное сечение этого рупора с узкого конца примыкает к волноводу – они должны соответствовать друг другу, т.к. антенна по волноводу «принимает» электромагнитную волну определенного типа, а расширенной частью – распространяет ее в окружающую среду.
Рупорная антенна PMM DR-1 рассчитана на высокие частоты 6-18 Ггц. Подключается напрямую без адаптеров и кабелей к любому высокочастотному оборудованию.

Для тестирования по разным стандартам существует еще огромное количество антенн. На средних частотах, кроме биконических, работает классический диполь. На низких частотах – петлевые антенны, монополи, стрежневые антенны и тд. Широчайший ассортимент антенн на различные частотные диапазоны может увидеть в каталогах Schwarzbeck, а у Narda PMM особого внимания заслуживают наборы для передвижных лабораторий, которые приобретать выгоднее, нежели антенны по отдельности.


Эквиваленты сети

Эквиваленты сети относятся к вспомогательному оборудованию, однако провести без них качественные тесты на ЭМС просто невозможно. Обычные сети не позволяют качественно измерять помехи: их импеданс (комплексное сопротивление) постоянно изменяется. Чтобы его стабилизировать, и существуют эквиваленты сети – еще их иногда называют «цепь стабилизации импеданса линии» или LISN (Line Impedance Stabilization Network).

Эквивалент сети позволяет обеспечить тестируемому оборудованию стабильный импеданс сети, снабжает его напряжением и изолирует сеть от внешних помех.  Для выбора обращайте внимание на совместимость со стандартами, частотный диапазон, количество фаз.


Пробники напряжения

Пробники напряжения или датчики напряженности электромагнитного поля (иногда их называют электромагнитными зондами) – маленькие, но необходимые в лаборатории приспособления. Они измеряют напряженность, что позволяет оценить, насколько однородно воспроизведенное приборами электромагнитное поле. Кроме того, измерения напряженности позволяют убедиться, что на тестируемое оборудование воздействует именно то напряжение, которое нужно по стандарту.

Одни из передовых пробников, производящихся сегодня – датчики поля PMM из серии EP-60x. В серии – 5 моделей датчиков, покрывающих разный частотный диапазон – от 5кГц до 26, 5 Ггц. Датчики внесены в Реестр СИ – их можно успешно поверять и использовать для испытаний.

Сами по себе они крохотные: головка размером с монетку в 1 рубль. В комплекте идет достаточно длинный кабель с коннекторами, позволяющий подключать их к компьютеру через порт RS232 или USB.

Это высокоточная и при этом эргономичная, удобная техника -  датчик при необходимости устанавливается в специальный конический держатель – он позволяет ставить датчик вертикально или под любым углом (часто требуется установить его перпендикулярно направлению поляризации антенны). Вместе с подставкой датчик можно закрепить на штативе, чтобы установить его в любом месте лаборатории и поднять на нужную высоту.

Мы перечислили основные узлы системы – самое важное оборудование для лаборатории ЭМС. В частных ситуациях, бывает, требуется и дополнительная техника – анализаторы спектра, измерители мощности, модули расширения частотного диапазона приемников и многое другое. В идеале, конечно, подбирать для лаборатории технику одного производителя: в этом случае системой гораздо легче управлять, оборудование «подчиняется» специальному программному обеспечению. Процесс измерений происходит легко и, главное, результаты будут наиболее точными.

Качество измерений во многих современных лабораториях, увы, оставляет желать лучшего. Случаи выдачи протоколов испытаний с неточностями или фиктивных, фиксируются постоянно. Поэтому залог авторитета для лаборатории ЭМС -  применение высококачественного и надежного оборудования, совместимость разных узлов друг с другом, и, конечно же, ответственность сотрудников.