Внешний вид датчика RSS2010AR производства DARE!! Instruments

Как обеспечить точность измерений напряженности поля

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье предложено решение проблемы метрологического обеспечения измерений напряженности электромагнитного поля по различным ЭМС-стандартам с помощью специализированного комплекса на базе активной антенной решетки и прецизионного изотропной антенны. Задача комплекса — сокращение общей погрешности измерений, совмещение требований в полном соответствии гражданским и иным стандартам в едином комплексе, а также снижение стоимости проведения испытаний и владения аппаратурой.
Схема генератора поля RFS2006B

Рис. 1. Схема генератора поля RFS2006B

В статье [1] подробно описан уникальный метод проведения испытаний на устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю по стандарту ГОСТ Р 30804.4.3-2013 (IEC 61000-4-3-2016) с помощью нового класса приборов — генераторов поля от компании DARE!! Instruments (Нидерланды). Основная идея метода заключается в замещении классической системы (рис. 1) на интегрированный в единый корпус измерительный прибор. Были рассмотрены основные ограничения и недостатки при выборе усилителя и антенны для коммерческих и иных стандартов при использовании стандартного метода испытаний:

  • высокая стоимость при одновременном соответствии требованиям по гражданским и иным стандартам;
  • низкий коэффициент усиления антенны;
  • недостаточно широкая диаграмма направленности антенны;
  • потери на выходе усилителя;
  • потери внутри усилителя;
  • потери на внешних кабелях от усилителя до ответвителя;
  • потери на кабелях от ответвителя до антенны;
  • общие потери 3–6 дБ, то есть более половины номинальной мощности стандартного усилителя;
  • низкая скорость измерения;
  • отсутствие контроля мощности после направленного ответвителя;
  • необходимость использования дополнительных фильтров для ЛБВ-усилителей.

 

Принцип работы генератора поля

Принцип комбинирования поля в активной антенной решетке (ААР) позволяет усилить подаваемый на ее вход радиочастотный сигнал и обеспечить формирование нормированного однородного электромагнитного поля на расстоянии 1 и 3 м от его излучающих элементов с заданной напряженностью поля. Сигнал, поступающий с генератора СВЧ-сигналов на вход генератора поля, делится на три равные части, каждая из которых поступает на вход отдельного усилителя мощности для измерения и контроля прямой и обратной мощности. С выхода каждого усилителя сигнал поступает через направленные ответвители на вход антенного элемента. Антенные элементы представляют собой логопериодические антенны, выполненные на печатных платах и расположенные параллельно друг другу (рис. 2). Запитка антенных элементов выполняется таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение излучаемых ими электромагнитных полей в направлении строительной оси генератора поля. Калибровка однородности поля осуществляется с помощью прецизионных безбатарейных лазерных датчиков напряженности поля, подключенных к общему шасси, на котором установлен блок управления генератором поля.

Конструкция генератора поля RFS2006B

Рис. 2. Конструкция генератора поля

При этом генератор поля может автоматически изменять поляризацию, используя специализированную радиопрозрачную антенную мачту. Управление поляризацией и подача сигнала происходят по единственному коаксиальному кабелю. Максимальный уровень напряженности поля по стандарту ГОСТ Р 30804.4.3-2013, доступный на начало 2017 года: 54 В/м в диапазоне частот 800 МГц – 6 ГГц на расстоянии 1 м.

Применение ААР для испытаний на устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю уже хорошо зарекомендовало себя и распространено в современных лабораториях по всему миру — от США до Южной Кореи. Простота проведения испытаний и сокращение используемых данных позволили применить данный принцип при построении более мощных и высокочастотных систем. Очевидно, что 54 В/м и верхнего предела частоты 6 ГГц недостаточно для обеспечения испытаний по авиационным, автомобильным и иным стандартам. Поэтому компанией DARE!! Instruments было принято решение разработать специализированные комплекты генераторов поля, которые соответствовали бы гораздо большему числу ЭМС-стандартов.

 

Новый комплект генераторов поля 18 ГГц, 90 В/м

В конце 2017 года DARE!! Instruments выпустила новый комплект для испытаний на восприимчивость к радиочастотному электромагнитному полю в диапазоне частот 800 МГц – 18 ГГц, построенный на базе двух новых генераторов поля RFS2006BR (800 МГц – 6 ГГц) и RFS2018BR (6 МГц – 18 ГГц) (рис. 3) [2].

Генераторы поля RFS2006BR и RFS2018BR

Рис. 3. Генераторы поля RFS2006BR и RFS2018BR

Характеристики линейности и АЧХ новых генераторов поля RFS2006BR и RFS2018BR представлены на графике (рис. 4, 5).

График линейности генератора поля RFS2006BR

Рис. 4. График линейности генератора поля RFS2006BR

Таким образом, используя метод комбинирования поля в ААР, можно одновременно соответствовать требованиям для сертификационных и предварительных испытаний по принятым стандартам. При этом стоимость данных систем будет на 50% меньше, что существенно сэкономит бюджет лаборатории при приобретении оборудования, а также при обслуживании и сервисе.

График линейности генератора поля RFS2018BR

Рис. 5. График линейности генератора поля RFS2018BR

Но, несмотря на применяемый подход, важнейшей проблемой остается метрологическое обеспечение измерений напряженности поля при калибровке испытательного стенда, а также точные измерения характеристик однородности поля используемой безэховой камеры. На этапе разработки генераторов поля RFS2006BR RFS2018BR специалисты DARE!! Instruments столкнулись с некоторыми особенностями, присущими всем датчикам напряженности поля, выпускаемым сегодня.

 

Универсальность или точность

Стабильная работа измерительного оборудования компании DARE!! Instruments со сторонними производителями особенно важна, поскольку компания использует не только собственное программное обеспечение RadiMation, но и софт без базового шасси DARE!! Instruments. Данное программное обеспечение позволяет автоматизировать испытания согласно большинству существующих стандартов (EN, ISO, DO‑160, MIL-STD‑461 и т. д.), а также имеет свыше 4500 бесплатных драйверов от 110 производителей ЭМС-аппаратуры и оборудования в его составе.

Во время испытаний новых генераторов поля RFS2006BR и RFS2018BR инженерам DARE!! Instruments была поставлена задача использовать для калибровки ААР датчики напряженности сторонних производителей и интегрировать их в ПО RadiMation для совместной работы. В ходе тестирования напряженности поля специалисты DARE!! Instruments получили массив измеренных значений с каждого датчика поля, значительно различавшихся между собой. Поэтому приходилось постоянно вручную настраивать выходную мощность генератора сигналов и учитывать дополнительные погрешности по каждой оси. В среднем значения прямой мощности, подаваемой с усилителя для каждого датчика поля, отличались в 2–3 раза, однако при этом датчик поля отображал одинаковое значение его напряженности. Генератор поля заменили стандартной антенной с усилителем и выполнили ряд измерений при одинаковых усилителе, антенне и измерителях мощности с направленным ответвителем. Для более наглядной демонстрации различий в показаниях прямой мощности, на рис. 6 приведена зависимость частоты от прямой мощности с антенны. На графике изображена пара кривых для трех датчиков поля. Первая кривая — для каждого датчика при напряженности поля 100 В/м, вторая — для напряженности 200 В/м. При этом серьезные отклонения в значениях прямой мощности начинаются в диапазоне частот от 3 ГГц, несмотря на то что пробники отображают одинаковое значение напряженности поля 200 В/м.

ависимость частоты относительно прямой мощности при горизонтальной поляризаци


Рис. 6. Зависимость частоты относительно прямой мощности при горизонтальной поляризаци

Еще одна особенность, которую отметили при испытаниях специалисты DARE!! Instruments для всех датчиков поля, — значение ошибки по АЧХ для каждой измерительной оси X, Y и Z. На рис. 7 приведены графики c кривыми по каждой координате для тех же трех тестируемых датчиков. Значительные отклонения наблюдались от 3 ГГц, а также для датчика с батарейным питанием дополнительно ниже 100 кГц.

Графики АЧХ

Рис. 7. Графики АЧХ для: а) датчика 1; б) датчика 2; в) датчика 3

Сегодня существует три основных подхода к проведению калибровки датчиков поля, которые основаны на стандарте, определяющем диапазон частот 9 кГц – 40 ГГц, а также частный случай, использующий метод интерполяции. Его характерной особенностью является использование зоны поворотной платформы полубезэховой камеры с применением дополнительного радиопоглощающего материала. Напряженность поля вычисляется по формуле:

где Кn — коэффициент калибровки по каждой оси X, Y и Z; En — измеренная напряженности по каждой оси X, Y и Z соответственно.

Таким образом, изотропность датчика существенно сказывается на результатах измерений. Необходимо также учитывать размер датчика, который вносит дополнительное искажение в создаваемое поле, в особенности в НЧ- и ВЧ-диапазоне 9 кГц – 1000 МГц, изменяя импеданс, а также в более высокочастотной области определяет погрешность АЧХ.

Все эти особенности создают значительную дополнительную погрешность при проведении измерений и при калибровке ААР внесут дополнительное нежелательное увеличение погрешности измерения ААР, так как генератор поля измеряет прямую и обратную мощности и подстраивает значение на генераторе сигналов для коррекции уровня, используя показания датчика поля.

Из графиков на рис. 7 видно, что отклонения в значениях прямой мощности, а также относительно ортогональных осей датчиков поля наблюдаются в одном и том же диапазоне частот от 3 ГГц. Проанализировав полученные данные, инженеры DARE!! Instruments пришли к выводу, что подобные особенности возникают из-за размера и формы датчика поля и некоторых других не менее важных факторов, таких как:

  • высокое значение изотропности и низкий уровень симметрии относительно антенных элементов каждой оси X, Y и Z;
  • нормирование изотропности всех датчиков поля частотах 10, или 100, или 1000 МГц, но не выше;
  • отсутствие возможности коррекции датчика поля.

 

Универсальный датчик поля RSS2010AR

Принимая во внимание основные недостатки и особенности современных датчиков поля, специалисты DARE Instruments создали универсальный датчик поля, который подходит для калибровки поля и ЭМС-систем в безэховых, реверберационных и ГТЕМ-камерах [2].

Внешний вид датчика RSS2010AR

Рис. 8. Внешний вид датчика RSS2010AR

Разработка датчика завершилась в конце 2017 года, и он получил наименование RSS2010AR (рис. 8). На сегодня RSS2010AR является самым точным прибором для измерения однородности поля и калибровки испытательных систем на устойчивость к РЧ-полю в диапазоне частот 9 кГц – 12 ГГц. На рис. 9 приведен график АЧХ датчика поля RSS2010AR с минимальной погрешностью не более 0,3 дБ и измерением напряженности поля до 1000 В/м.

График АЧХ датчика поля RSS2010AR

Рис. 9. График АЧХ датчика поля RSS2010AR

Независимо от погрешности АЧХ, которой обладает любой датчик поля, необходимо нормировать абсолютную погрешность, состоящую из квадратного корня из суммы квадратов линейности, температурного отклика, изотропности, ошибки по АЧХ, погрешности калибровки и нестабильности. Поэтому погрешность по каждой составляющей оси при проведении точных измерений должна быть минимизирована. Кроме того, отсутствие на территории Российской Федерации гармонизированного стандарта на датчики поля в диапазоне частот от 9 кГц до 40 ГГц вносит дополнительную неоднозначность трактования применяемых методов и понятий при проведении калибровки.

В российских лабораториях чаще всего используют один-единственный датчик поля, предназначенный для всех типов измерений, поэтому к выбору такого прибора необходимо подходить максимально ответственно и учитывать весь спектр задач, в которых он будет применяться.

Ваша лаборатория нуждается в снижении общей погрешности измерений? Датчик поля постоянно разряжается? Необходима аппаратура в реестре средств измерений, но за разумную стоимость? Разместите заказ или задайте интересующие вас вопросы на сайте.

Литература
  1. Кондрашов Д. Зачем менять устоявшиеся подходы к тестированию на ЭМС // Вектор высоких технологий. 2016. № 6 (27).
  2. www.ostec-electro.ru

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Дополнительный материал