Практический опыт создания испытательных систем тестирования устойчивости к излучаемым помехам

Теоретическая подготовка

Испытания технических средств (ТС) на электромагнитную совместимость (ЭМС) включают четыре группы испытаний. Эти четыре группы предполагают испытания на эмиссию и устойчивость относительно кондуктивных и излучаемых помех. Иногда в отдельную группу выделяют тестирование устойчивости и эмиссии относительно качества сети питания. Независимо от видов испытываемых ТС, регламентируемых соответствующими стандартами по нормам и методам испытаний, каждая группа стандартов в той или иной степени содержит все четыре типа испытаний. Объяснимо, что испытательные лаборатории желали бы иметь в своем составе весь комплекс испытательного оборудования и средств измерений. В то же время, понимая разную стоимость технического оснащения под различные группы испытаний, организаторы лабораторий обычно начинают с наиболее бюджетной части, относящейся с кондуктивным помехам.

Инструментальное обеспечение испытаний ЭМС, касаемого излучаемых помех, чрезвычайно затратно материально. Особенно это относится к тестированию устойчивости ТС к излучаемым помехам. Поэтому при формировании требований к характеристикам воспроизводимых полей заказчики исходят из двух критериев:

• охват требований наибольшего количества стандартов по нормам и методам испытаний для выбранного частотного диапазона;
• возможность рационального наращивания оснащенности испытательной лаборатории относительно частотного диапазона испытаний в перспективе.

Традиционная схема испытательной установки обычно включает цепь генератор – усилитель мощности – антенна. Но в последнее время активно развиваются альтернативные схемы испытательных систем. Такие схемы, основанные, в частности, на GTEM-камерах или реверберационных камерах, обеспечивают минимизацию финансовых затрат при решении задач тестирования малогабаритных объектов с максимальным габаритным объемом до 1 м³. Для универсальных испытательных установок, не имеющих ограничений по габаритным размерам объектов испытаний, традиционная схема является предпочтительной.

При создании традиционной схемы испытательной установки первичным критерием формирования перечня испытательного оборудования является выбор частотного диапазона испытаний (с учетом перспективы усложнения задач желательно закладывать максимально широкий диапазон), и уже потом — уровня создаваемых воздействий. В определенной степени это обусловлено тем фактом, что, по мнению заказчика, недостающие уровни воздействий могут быть легко достигнуты уменьшением расстояния до объекта испытаний или подбором соответствующей излучающей антенны. При этом необходимое расширение частотного диапазона установки может быть обеспечено внедрением такого дополнительного оборудования, как антенны или усилители мощности под новые частотные диапазоны. В итоге изначально приобретается широкополосный генератор, а затем по мере расширения оснащенности приобретаются антенны и усилители мощности.

В таблице 1 сведены требования основных продуктовых стандартов по уровням создаваемых облучаемых электромагнитных полей [1–4]. При анализе таблицы 1 видно, что при подборе элементов испытательной установки показатели жесткости испытаний не всегда являются достаточными для выбора аппаратуры, в частности усилителя мощности и излучающих антенн. В общем случае необходимо принимать во внимание характер модуляции воздействия и требования к характеру и допустимым значениям вариации поля, чтобы учитывать именно максимальное значение (экстремальное значение) создаваемого поля.

В тоже время можно констатировать, что обеспечение испытаний в диапазоне 100 МГц—18 ГГц с уровнями воздействия 200 В/м закроет практически весь объем испытаний, исключая диапазон частот 18–40 ГГц.

Практический подход

Задача по созданию испытательной системы тестирования устойчивости к сильным электромагнитным полям была поставлена одним из заказчиков компании «Диполь» (причем включая и диапазон 18–40 ГГц). Основный же акцент делался на выполнение требований по тестированию авиационной продукции [2]. Требования данного задания указаны в таблице 2.

Особенностями задачи являлись следующие условия:

• традиционная конфигурация испытательной системы: «генератор – усилитель – антенна»;
• требуемые жесткости испытаний необходимо было создавать на удалении 3 м;
• требования к однородности поля отсутствовали, то есть не было ограничений на время проведения испытаний (количество позиций объекта при испытаниях);
• оптимальные количество и спецификации усилителей — то есть заказчик должен был иметь возможность использовать в конкретном случае только тот набор усилителей по частотному диапазону, который соответствует данной задаче испытаний.

Поскольку конфигурация испытательной установки была определена как традиционная, то основное внимание уделялось выбору элементов этой системы, в первую очередь, усилителей мощности и излучающих антенн.

Наиболее важной задачей явился подбор усилителей мощности. Общим выражением, связывающим мощность и создаваемое электромагнитное поле, является оценочная формула следующего вида:

где E — напряженность электрического поля, R — расстояние от антенны, P — подводимая мощность, G — коэффициент усиления антенны.

Данное выражение позволяет оценить минимально необходимую излучаемую мощность, обеспечивающую требуемую напряженность поля. Оценочное значение является необходимым ориентиром при выборе усилителя мощности. При этом важными являются следующие обстоятельства:

• данное значение выходной мощности должно соответствовать линейному режиму работы усилителей. Часто в спецификациях и названиях моделей производители указывают максимальную мощность, в том числе и в режиме насыщения;
• характерные границы частотного диапазона выбирались, исходя из требований к частотному диапазону испытаний под различные стандарты. Это обеспечивает рациональную эксплуатацию установки в случае ограниченного применения по частот. В итоге рассматривались усилители мощности с верхними частотами из ряда 1, 3, 6, 18, 26, 40 ГГц или схожих значений;
• усилители мощности должны иметь встроенные каналы отвода падающей и отраженной мощности, возможность индикации уровней падающей и отраженной мощности. Это позволяет проводить калибровку системы по воздействию без использования внешних дополнительных двухсторонних направленных ответвителей, вносящих дополнительное ослабление;
• усилители мощности должны иметь защиту от высокого КСВН по входу с возможностью сохранения режима усиления сигнала. Это связано с возможностью попадания отраженного от объекта сигнала на выходные разъемы усилителей, что небезопасно для их работы. Большинство современных усилителей имеет встроенную защиту по большому КСВН на выходе, но часто это всего лишь предохранительный режим с переводом усилителя в «режим ожидания».

Относительно выбора излучающих антенн основными критериями при выборе были частотный диапазон, коэффициент усиления, допустимая входная мощность, значения КСВН.

Основные проблемы при создании сильного электромагнитного поля связаны с частотным диапазоном в пределах 100 МГц. Для обеспечения запаса по энергетике для этого частотного диапазона были выбраны так называемые сложенные антенны, фактически представляющие решетку из двух компланарных антенн. В то же время для диапазона частот выше 18 ГГц были выбраны различные комплекты оптимальных и неоптимальных рупорных антенн. Поскольку в этом частотном диапазоне направленные свойства антенн проявляются существенно, то различные типы облучающих антенн позволяют пользователю оптимизировать конфигурацию системы за счет выбора антенн, обеспечивающих минимизацию времени тестирования при последовательном облучении.

В итоге перечень основных элементов системы составили средства измерений и оборудование, приведенные в таблице 3.

Рис. 1. Общий вид предложенной системы

Используемые усилители мощности отличает существенная физическая масса. Для удобства эксплуатации усилители мощности вместе с локальными коммутаторами были размещены в мобильные стойки. Отдельная стойка содержала общие для всех генератор сигнала и общий коммутатор. Поскольку усилители мощности имеют достаточно высокое усиление порядка 50 дБ, то такая компоновка позволила размещать генераторную стойку далеко от рабочих усилителей мощности (рис. 1, 2). При этом излучающие антенны были размещены в непосредственной близости от соответствующих по частотному диапазону усилителей мощности. В результате пользователю системы достаточно было перемещать только необходимую для работы стойку с усилителем мощности.

Рис. 2. Одна из стоек системы

По завершению монтажа системы были проведены приемочные испытания. Результаты испытаний показали рациональный выбор конфигурации системы и соответствие реальных характеристик создаваемых воздействий требованиям технического задания, причем с запасом по полю в 1,3–1,5 раз по различным частотным диапазонам. Учитывая то, что выбранные усилители являются экземплярами из ряда усилителей мощности одинакового частотного диапазона, но разной выходной мощности, подобная конфигурация может быть использована для создания испытательной системы с меньшими значениями создаваемых электромагнитных полей, без изменений.