Jakie są rodzaje komór pomiarowych w EMC?

Jak ewoluowały stanowiska pomiarowe w EMC, zarówno do testów emisji promieniowanej jak i odporności na pole?

Słyszeliśmy o komorach ekranowanych, czasem spotykamy okreslenie klatka faradaya, jednak tutaj krótko usystematyzuję i pokażę cztery najpopularniejsze typy komór i wyjaśnię zasadę działania.

Wiadomo, blog zawiera uproszczenie i skróty myślowe. Jak widzisz obszar do rozwoju, napisz proszę do mnie lub zadzwoń, a chętnie coś poprawię lub dopwiem.

W tym artykule opowiadam o ewolucji stanowisk pomiarowych stosowanych w kompatybilności elektromagnetycznej EMC, czy szerzej w pomiarach radiowych. Pokazuję różne typy komór i po krótce wyjaśniam różnice, wskazując wady i zalety każdego z rozwiązań.

Pamiętamy, że mamy dwa główne typy pomiarów i zjawisk w EMC: przewodzone i promieniowane. W tematyce komór, stanowisk ekranowanych raczej poruszamy się w zakresie wyższym, czyli zaburzeń promieniowanych, jednak pewne stanowiska są przydatne także dla stanowisk przewodzonych.

„Na początku było pole…”

Dawno, dawno temu, jak chcieliśmy zmierzyć anteną ile dane urządzenie może promieniować lub ile dany nadajnik transmituje energii to:

1. Wychodziliśmy na łąkę, pole, boisko
2. Stawialiśmy antenę w odpowiedniej odległości
3. Sygnał odbijał się od podłoża, które bywało różne, więc zamiast trawy na ziemi układaliśmy siatkę lub blachę metalową.
4. I jeśli deszcz nie padał mogliśmy mierzyć.

Z grubsza tak wyglądał Otwarty Poligon Pomiarowy – Open Area Test Site – OATS. Praprzodek wszystkich komór. Czyli podstawowe stanowisko pomiarów antenowych.

Na początku wszystko wykonywaliśmy ręcznie. Podnoszenie anteny (czasem kilka anten – zobacz wpis rodzaje anten w EMC). Do tego obrót urządzenia i zapisywanie wyników. Oczywiście z czasem doszedł stół obrotowy, ruchomy maszt i oprogramowanie sterujące pracą odbiornika radiowego i poszczególnych elementów.

I wszystko było by dobrze, gdyby…

No właśnie. Jaki był mankament z takim stanowiskiem pomiarowym?

Przecież jak umówiliśmy się na całym świecie, że mierzymy tak samo, to wyniki były dosyć powtarzalne. Zachowywaliśmy odpowiednie odległości pomiarowe, odpowiednią blachę na ziemi, te same odbiorniki, kable, anteny itd.

Czy chodziło tylko o czynniki atmosferyczne, takie jak deszcz, śnieg czy grad? A może zamiany temperatury, wilgotności?

Po części każdy z tych czynników był istotny i wpłynął na ostateczny kształt stanowisk pomiarowych jakie znamy dzisiaj. Z temperaturą i opadami można sobie przecież poradzić namiotem z materiałów lekkich, takich jak plandeka, folia. Odpowiednie klimatyzatory niczym na krytych kortach tenisowych mogą zapewnić odpowiednią temperaturę i wilgotność.

 

Rysunek 1. OATS z metalową blachą, anteną i stołem obrotowym.

Tak, pewnie już drogi inżynierze dawno zgadłeś, że chodzi o zaburzenia elektromagnetyczne, które występują w środowisku, nie pochodzą z naszego urządzenia, a mimo to nasza antena odbiorcza przekazuje na odbiornik niepożądane sygnały.

No dobra, ale można przecież (zresztą jak to miało miejsce) wykonać wcześniej skan tła pomiarowego, oglądając co nam w eterze „piszczy”.

No niby tak. Wiemy co jest aktualnie dookoła. Ale czy to się nie zmienia w czasie? Jak długo oglądać tło? Zresztą teraz, w dobie odbiorników pracujących w czasie rzeczywistym, pokazując bardzo szerokie widmo na raz, takie metody mogą mieć większy sens. Jednak nie zawsze będzie to satysfakcjonujące.

Co zrobić z sygnałem, który występuje w tła pomiarowym i przekracza limity – przykład – nadajnik radiowy czy telewizyjny?

Przecież jeśli coś z naszego badanego urządzenia (EUT) będzie emitowało coś, właśnie na tym zakresie częstotliwości, nie będziemy mogli wiarygodnie ocenić czy nie przekracza on limitów. I tak, ten problem występował od dawien dawna. Aby go uniknąć pomiary wykonywano w lesie, w górach, daleko od cywilizacji, gdzie prawie nie docierały sygnały radiowe…

Ale dzisiaj, czy da się uciec od nadajników radiowych? Zwłaszcza gdy kilka z nich nosimy w kieszeni, w postaci naszego „smartfona”. No nie bardzo.

Ale co w takim razie możemy uczynić aby odizolować się od fal elektromagnetycznych?

A może zamknijmy się w szczelnej, metalowej puszce? Ma to sens i faktycznie należy zastosować ekranowanie, zakrywając nasze stanowisko pomiarowe. Tak, wiem, że ekranowanie samo w sobie nie jest łatwe jeśli chcemy mieć drzwi, panele penetracyjne, zasilanie i oświetlenie.

Tematowi ekranowania poświęcę osobny wpis, jednak w międzyczasie można obejrzeć film z laboratorium ILIM – Jak zbudowana jest komora EMC (link na blogu).

 

Zamknijmy więc nasze stanowisko pomiarowe w ekranie, czyli metalowej klatce.

 

Rysunek 2. Metalowa kabina ekranowana z anteną i stołem obrotowym.

 

Uważny czytelnik od razu zobaczy pewne mankamenty takiego rozwiązania. Co teraz wykonaliśmy? Tzw. Klatkę „faradaya” (nie precyzyjne, ale… o tym kiedy indziej) i mamy zaekranowaną przestrzeń wewnątrz (i na zewnątrz, „nic” nie wyjdzie ze środka). Jednak powstała komora, gdzie mamy wiele odbić od ścian, których wcześniej, przy otwartej przestrzeni nie było. I co teraz? Przecież wewnątrz pojawią się rezonanse, fala stojąca. Skąd pewność co mierzymy, na jakim poziomie?

I teraz mamy rozdroże, bo albo idziemy w:

• komorę „odbiciową”, czyli rewerberacyjną, reverb chamber, albo
• komorę bezodbiciową, czyli anechoic chamber (częściowo lub całkowicie).

 

Dwa podejścia są spotykane i wykorzystywane w praktyce. Mają swoje wady i zalety oraz oddają różne warunki środowiskowe. Dlatego zastosowanie tych komór jest zależne od przeznaczenia produktu badanego.

Cztery najpopularniejsze komory w EMC

1. Komora odbiciowa – rewerberacyjna – reverb chamber

IEC 61000-4-21:2011 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-21: Testing and measurement techniques – Reverberation chamber test methods

Rysunek z nromy EN 61000-4-21

Komora rewerberacyjna to metalowa „puszka”, w której fale elektromagnetyczne odbijają się od wszystkich ścian. Pomiar w takiej komorze nie jest prosty i wymaga kalibracji. Ale, żeby tylko uzmysłowić najważniejszy problem, przypomnijmy sobie budowę kuchenki mikrofalowej i powstającą tam falę stojącą.

W naszej komorze, także powstaje fala stojąca i pomiar anteną w jednym miejscu nie daje nam pewności, czy zmierzyliśmy „górkę” czy „dołek”. Co można zrobić aby pomiar był wiarygodny? Na myśl przychodzi obróbka statystyczna i wiele pomiarów. Żeby zróżnicować próbki pewnie w różnych miejscach. I można powiedzieć, że jest to dobre rozwiązanie, wykorzystywane np. przy kalibracji. Jednak jest kilka czynników utrudniających taki pomiar, chociażby konieczność wejścia do komory i przestawienia anteny w inne (dostępne) miejsce.

Ciekawostka. Co ciekawe, dzięki odbiciom nie ma konieczności ustawiania anteny na wprost badanego obiektu, bo i tak sygnał nadawany odbija się wielokrotnie i trafi do anteny.

No dobrze, ale ile takich przestawień anteny należałoby dokonać?

(odeślę do literatury, będzie aktualizacja lub napisz mail to wyślę: tomek@emc4b.com)

Co z tym przestawianiem anteny – czy jest to konieczne?

Nie. Co można zmienia zamiast przestawiać antenę? Może obracać obiekt? Też można ale znowu mało praktyczne, szczególnie przy skomplikowanych obiektach z wieloma podłączeniami kablowymi (tak właśnie dzieje się w mikrofalówce domowej, to talerz z daniem się obraca).

No dobrze, można przecież zmieniać wymiary komory… choć wydaje się to trudne. A jak byśmy tak wprowadzili dodatkowe elementy metalowe wewnątrz komory, które łatwo będzie przestawiać?

MIESZADŁO…

Wprowadźmy element mieszający pole elektromagnetyczna. Czyli obiekt, który poprzez odbicia fal od swojej powierzchni, zamieniając położenie, zmienia rozkład natężenia pola EMC wewnątrz komory. Zmienia się układ odbić i fale nakładają się inaczej. To pozwala dosyć łatwo technicznie zmieniać położenie mieszadła, które obraca się, a my dokonujemy pomiaru za pomocą anteny, stojącej w jednym miejscu dla wielu położeń mieszadła. Dla ilu położeń mieszadła – zależnie od częstotliwości. (Ale to już szczegóły tego stanowiska, i albo na szkoleniu, albo będzie osobny wpis, albo do sprawdzenia w normie).

Mieszadła mają różny kształt, czasem jest ich kilka. Schematycznie pokazuje się je tak jak na rysunku z normy widocznym poniżej. W rzeczywistości można w gogle znaleźć bardzo różne konstrukcje.

Czyli za nami krótka opowieść o komorze odbiciowej – rewerberacyjnej. Jej główne zastosowanie to pomiary wojskowe, lotnicze, samochodowe.

• Można ją wykorzystywać do pomiaru zarówno emisji jak i odporności,
• Dość dobrze oddaje pewne środowiska, szczególnie wnętrza samolotów czy pojazdów,
• Małe wzmacniacze, b. duże natężenia pola,
• Komora w pełni odbiciowa – pomiar związany z wielokrotnymi odbiciami fal EM od metalowych powierzchni ścian i mieszadła. Pomiar emisji i badanie odporności związane jest z obróbką statystyczną duża ilość danych,
• Duża czasochłonność procesu kalibracji i pomiaru EUT,
• W czasie testu nie jest wymagana zmiana położenia badanego urządzenia – pomiar całkowitej mocy promieniowanej przez obiekt.

 

Komory bezodbicowe (Semi oraz Full)

Komora bezodbiciowa, jak nazwa wskazuje, w niej fala ma się nie odbijać… a przynajmniej nie od pewnych elementów. Pokażę dwie najbardziej popularne komory, czyli komorę SAC i FAR.

Zobacz też wpis wraz z wideo z laboratrium EMC – JAK ZBUDOWANA JEST KOMORA BEZODBICIOWA? W LABORATORIUM EMC – WIZYTA W ILIM

2. Częściowo bezodbiciowa – Semianechoic chamber – SAC

Komora SAC (Ciekawostka: czasem można spotkać nazwę SAR – Semi Anechoic Room, lecz ten skrót dużo częściej odnosi się do pomiaru wpływu pola EM na człowieka) to bezpośredni następca otwartego poligonu pomiarowego (OATS). Ma odwzorować dokładnie to stanowisko, wraz z bezkresną przestrzenią jaka pozostawała po za anteną i obiektem badanym. Jednak po zamknięciu w metalowej puszce, nie jest to tak proste.

Gdy zastosujemy ekran, czyli metalowe blachy (odpowiednio skręcone) to fala zacznie się odbijać i mamy zjawiska jak w komorze rewerberacyjnej, a tego chcemy uniknąć.

W tej komorze semi (czyli częściowo) bezodbiciowej ściany i sufit wykładamy specjalnymi absorberami pochłaniającymi fale elektromagnetyczne, aby nie następowały odbicia (minimalizacja tych odbić). Natomiast podłoga pozostaje metalowa i od niej fala będzie się odbijała.

Przykłady takiej komory

(zdjęcia pochodzą z materiałów reklamowych firm Franconia Group oraz Albatross Project)

3. W pełni bezodbiciowa – (full anechoic chamber FAC) – full anechoic room – FAR

IEC 61000-4-22:2010 Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-22: Testing and measurement techniques – Radiated emissions and immunity measurements in fully anechoic rooms (FARs)

CISPR 16-1-4 and measurement method acc. to CISPR 16-2-3

Jest to komora wyłozona absorberami zarówno na ścianach, suficie (tak jak SAC), a także na podłodze. Symuluje sytuację, gdy obiekt zawieszony jest w wolnej przestrzeni. Bardzo często jest to jedyne rozwiązanie do pomiarów charakterystyk anten, pomiary radiowe OTA, czy specyficzne pomiary w polu bliskim. Oczywiście pomiary EMC wykonuje się w układzie FAR, ale dla częstotliwości powyżej 1GHz, choć są opracowane metody na pomiar dla całego zakresu częstotliwości.

 

Dlaczego nie zastosować komory FAC także do pomiarów poniżej 1 GHz (<1GHz)?

• Odbiciowa podłoga (metalowa) pomaga uczynić pomiary emisji promieniowanej bardziej powtarzalnymi i dokładnymi. Wynika to z faktu skończonej dokładności wykonania absorberów i różnic pomiędzy typami, producentami, czy nawet ich parametrami w czasie. Do tego ich właściwości zależą od częstotliwości, kąta padania fali i sposobu zamontowania.
• Gdy mamy podłogę odbijającą (reflective ground plane) fala odbita jest znacznie bardziej jednorodna i powtarzalna, co pozwala na lepszą powtarzalność wyników w różnych komorach tego samego typu.
• Po za tym absorbery na podłodze to problem z umieszczeniem obiektu w odpowiednim miejscu, bo ciężko chodzić po absorberach, trzeba budować specjalne kładki, które pogarszają właściwości absorpcyjne stanowiska i stanowią dodatkowy koszt.
• SAC, czyli komora z przewodzącą podłogą jest najbardziej adekwatna pomiarom wykonywanym w wolnej przestrzeni, na poligonie pomiarowym (OATS), który jeszcze kilkanaście lat temu był całkiem popularnym stanowiskiem i nadal stanowi odniesienie do stanowisk alternatywnych.

4. Metoda alternatywna – Komora TEM i GTEM

IEC 61000-4-20 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-20: Testing and measurement techniques – Emission and immunity testing in transverse electromagnetic (TEM) waveguides

 Komora  GTEM – ETS-Lindgren

To jest inna komora, gdzie także nie chcemy mieć odbić, a całość jest dopasowana do impedancji 50 OHM. Szczegóły tego stanowiska, to myślę, temat na osbny wpis, bo przy okazji omawiania budowy, zasady działania, będzie można pokazać bardzo ważne zjawiska związane z propagacją fal, układem linii sił pola.

Może jedynie wskażę, iż komora TEM czy GTEM nadaje się zarówno do pomiaru emisji promieniowanej, jak i odporności na pole promieniowane. Przy testach odporności, dużą zaletą, tak jak przy komorze rewerberacyjnej, jest wysoka sprawność układu. To oznacza, że ze stosunkowo małych wzmacniaczy możemy wytworzyć duże natężenie pola (większe niż w FAR). Jednak ta metoda ma swoje ograniczenia, głównie związane z rozmiarem badanego obiektu. Pamiętajmy, że jest to metoda alternatywna i zawsze wynikiem są przeliczenia odnoszące się do OATS (czyli praktycznie do SAC).

 

Ciekawostka: Termin stosowany do pochałaniania fali to AbsorPcja (od łac. absorptio – pochłanianie) – termin stosowany w wielu dziedzinach oznaczający pochłanianie, wchłanianie.

A nie jak mogłoby się wydawać, z nazwy „absorber” – coś co absoBuje, a nie absorpuje.

Takie określenie można spotkać choćby w artykule naszych znajomych, na temat materiałów absorpcyjnych: „Możliwość zastosowania materiałów absorpcyjnych EMC do eliminacji zakłóceń w pracy radiowych systemów”, Instytut Logistyki i Magazynowania, Poznań (1), DataConsult Sp. z o.o., Kraków – link: http://pe.org.pl/articles/2014/8/14.pdf

Namioty ekranujące

Na koniec jako bonus zachęcam do rozpoznania tematu namiotów ekranujących, które stają się coraz bardziej dostępne, a przez to popularne. Do pewnych zastosowań wystarczają. Pamiętajmy o o graniczenia i odbiciach wewnątrz takiej konstrukcji.

Przykłady producentów kabin ekranowanych, komór i akcesoriów:

• Frankonia Group
• Albatross Projects
• Comtest Engineering bv
• MVG-World
• Teseq AG – AMETEK, Inc.
• Bluetest AB
• Holland Shielding Systems
• AP-FLYER
• E&C Anechoic Chambers

Tomek Utkowski

Ps. Niebawem pojawi się wpis: „Chcesz zbudować komorę EMC? Zobacz na co zwrócić uwagę przy tworzeniu specyfikacji i planowaniu projektu”

Zostaw nam swój adres e-mail, a otrzymasz informacje o nowych wpisach.