Антенны, необходимые для ЭМС-тестов

Мы публикуем отрывок, посвященный антеннам, из статьи Олега Дутова "Оборудование в лаборатории для испытаний на ЭМС", опубликованной в журнале "Компоненты и технологии" №10 2016 г. 

Антенны для испытаний

При выполнении проверок на ЭМС никак не обойтись без излучателя (при испытаниях оборудования на чувствительность к радиочастотному излучению) и приемника (при испытаниях на уровень  радиочастотного излучения). Антенна — именно тот элемент, который позволяет это сделать. 
Антнны, используемые для излучаемого  поля ЭMC-тестирования, имеют ключевое значение по сравнению  с остальной частью аппаратуры. За последние десять лет технологии антенны явно прогрессировали, теперь они адаптированы к различным тестам под требуемые стандарты. Лабораториям и центрам  нужно иметь в составе измерительного комплекса антенны широкого  диапазона частот, позволяющие подключать не одно, а несколько  устройств, работающих в более узких диапазонах. Это и экономичнее с финансовой точки зрения, и рациональнее с технической, так  как позволяет проводить персоналу лабораторий более перспективные разработки и измерения. Для антенны важна способность поддержки широкого частотного диапазона одновременно с возможностью необходимого соответствия существующим требованиям  к чувствительности и радиочастотному излучению. 
 

У любого производителя антенн спецификация к антеннам включает:

1. Графики на основе фактических измерений, а не математических  расчетов с уровнями интенсивности полей на наиболее востребованных расстояниях 1 и 3 м.

2. График зависимости ширины луча (в градусах) от частоты (МГц).
 

На практике любой антенне присуще свойство концентрации энергии излучаемых ею электромагнитных волн в определенной области пространства, то есть фокусирование энергии радиоволн. Для описания направленных свойств антенны используют специальные характеристики и параметры. К таким характеристикам относятся диаграммы направленности антенны (ДНА). Важным критерием оценки  качества рабочих характеристик передающей антенны при проведении  испытаний на ЭМС является возможность создавать необходимый  уровень напряженности поля в пространстве, формировать нужную  плотность потока мощности, а ключевым параметром — ширина диаграммы направленности, уровень боковых лепестков ДНА, коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усиления (КУ).

Ориентируясь на ДНА, специалисты лабораторий и испытательных  центров подбирают соответствующую антенну для проведения исследований в области ЭМС. Эффект усиления антенны заключается  в том, чтобы сконцентрировать силу в узкий луч и сделать процесс,  порождающий поле, более результативным. На низких частотах при  испытаниях оборудования на ЭМС эффективность применяемых  антенн низкая, поскольку нужны большие мощности, и их не хватает. Требуемая мощность для такой антенны зависит от необходимой напряженности поля и расстояния. Поэтому, если у лаборатории  или испытательного центра есть усилитель конкретной номинальной мощности, напряженность поля может быть увеличена за счет  сокращения испытательного расстояния. Однако мощность быстро  возрастает с увеличением напряженности поля или расстояния. К сожалению, существуют ограничения на минимально возможное тестовое расстояние. Стандарт рекомендует 3 м, но позволяет и расстояние  до 1 м. При тестовых настройках гармонические искажения антенн  равны по крайней мере –6 дБ, то есть гармонические составляющие  поля должны быть на 6 дБ ниже основных гармоник. Если это условие выполняется, тогда-то и минимизируется ошибка в соблюдении требований согласно стандарту, проведенные  измерения можно считать корректными, а испытания — естественными. 

Есть две причины, в соответствии с которыми следует увеличить расстояние при испытаниях:

1) применение направленных антенн (например, логопериодических), облучающих  меньшую площадь на близком расстоянии,  а это приводит к недостаточной площади  покрытия в однородном поле;

2) близость между антенной и испытуемым  техническим средством в конечном счете  изменяет характеристики антенны, нарушает калибровку поля, которая производилась ранее при отсутствии испытуемого  технического средства.
 

Перед выбором антенны для испытаний  рекомендуется учитывать следующие факторы и ответить на следующие вопросы:

• Каков размер испытуемого средства (далее  ИС)?
• Необходима ли калибровка и проверка  поля в экранированном помещении?
• Какое испытательное расстояние приемлемо для выбранного испытуемого средства?  (Обычно неплохим вариантом могла бы  стать антенна 80 МГц – 6 ГГц с шириной  луча, достаточной, чтобы измерить окно  на 1,5?1,5 м по всему частотному диапазону.)
• Какова коммутируемая мощность антенны? (Используются данные об антенне,  декларированные заводом-изготовителем.)
• Какую напряженность поля необходимо  создать в исследуемом пространстве?
• Имеются ли в спецификации графики зависимости основных параметров антенны?
• Каким образом проводились измерения  основных параметров антенн — математически или в реальных условиях, в свободной зоне или в камере? 
   

Следует учитывать возможные потери полезного сигнала при плохом контакте кабеля  питания антенны, то есть при увеличении  частоты передачи в тракте теряется полезная  составляющая сигнала и ее сложнее выделить среди других (паразитных) гармоник. Для коммутации оборудования рекомендуется использовать надежные кабельные СВЧ/ВЧ-сборки.  Надо понимать, если антенна не имеет потерь и полностью согласована с приемником,  а прием ведется с направления максимума диаграммы направленности приемной антенны,  то мощность, отдаваемая приемной антенной  во входную цепь радиоприемного устройства,  будет максимальна. Если антенна не согласована с приемником, то выделяемая на его входе  мощность, очевидно, будет меньше.