УДК 621.317
Построение комплексных системных решений для измерений и испытания в области электромагнитной совместимости с использованием специального программного обеспечения R&S EMC32
В статье рассматривается вопрос о построении автоматизированных комплексов для измерений и испытаний в области электромагнитной совместимости. Приведены примеры построения измерительной системы на основе специального программного обеспечения EMC32 компании Rohde&Schwarz, проанализированы особенности одного из системных решений Rohde&Schwarz в области автоматизации измерений и испытаний по электромагнитной совместимости.
Комплексный подход к оснащению измерительных лабораторий
В современных испытательных центрах и лабораториях, работающих в сфере электромагнитной совместимости (ЭМС), все более актуальной становится задача сокращения времени проведения испытаний и экономии ресурсов при сохранении качества достигаемых результатов. Достижение желаемых показателей в этой области оказывается возможным в случае использования программных средств комплексной автоматизации измерений, которые должны отличаться широкой функциональностью и возможностями конфигурирования. Само построение комплексных решений в области ЭМС должно подчиняться требованиям стандартов, например, [1].
В настоящее время существуют разнообразные программные продукты, назначением которых является управление оборудованием при проведении измерений в соответствии с предусмотренными алгоритмами их выполнения. Их использование позволяет значительно ускорить выполнение измерений, сделать их менее затратными и более точными. Одним из перспективных в использовании является специальное программное обеспечение EMC32 компании Rohde&Schwarz, функциональные возможности которого охватывают измерения помехоэмиссии и помехоустойчивости.
Проекты, разработанные компанией Rohde&Schwarz для оснащения фирм-заказчиков, отличаются высокой экономической и временной эффективностью. С учетом реализации более чем 1500 таких проектов можно говорить о том, что компания Rohde&Schwarz обладает ключевыми компетенциями в области ЭМС, которые, несомненно, предусматривают глубокий системный подход к рассматриваемому вопросу.
Целью настоящей работы является анализ примеров построения комплексных решений для измерений в области ЭМС на базе специального программного обеспечения R&S EMC32. Дадим краткую его характеристику.
Особенности специального программного обеспечения R&S EMC32 СПО R&S EMC32 [2] поддерживает как выполняемые вручную, так и частично или полностью автоматизированные измерения помехоэмиссии и испытания на помехоустойчивость в соответствии с общепромышленными либо военными стандартами с гибким документированием полученных результатов. СПО поддерживает управление оборудованием не только компании R&S, но и сторонних производителей.
СПО EMC32 предусматривает возможность использования стандартных тестов либо пользовательских алгоритмов тестирования. Оно обеспечивает выполнение калибровки каждой составляющей радиочастотного тракта в отдельности в целях минимизации системной погрешности с внесением необходимой корректировки в получаемые при измерениях результаты.
Кроме того, СПО EMC32 обеспечивает:
— установку требуемой аппаратной конфигурации для необходимого соединения оборудования в измерительной/испытательной системе;
— выполнение предварительных измерений/испытаний, позволяющих оценить показатели ЭМС в условиях, несколько отличающихся от необходимых для
сертификационных испытаний;
— мониторинг функционирования исследуемого устройства при испытаниях на помехоустойчивость;
— оперативный переход между автоматическим и ручным управлением средствами измерений;
— отслеживание параметров измерительного/испытательного комплекса в рамках калибровочных процедур при помощи подходящего генератора сигналов, если таковой имеется в системе.
Таким образом, СПО EMC32 обладает весьма широкой функциональностью.
Рассмотрим примеры построения комплексных решений для измерений в области ЭМС с использованием СПО EMC32..
Пример построения комплексного решения для измерений излучаемых радиопомех на базе измерительного приемника высшего класса R&S ESW44
Предположим, что требуется создать автоматизированную систему для измерения эмиссии излучаемых радиопомех в соответствии со стандартом MIL STD 461, которая будет функционировать в диапазоне частот от 30 МГц до 40 ГГц. Предлагаемая для этого схема изображена на рис. 1, предполагает размещение в безэховом помещении и включает в себя следующие элементы.
В качестве основного средства измерений используется измерительный приемник высшего класса R&S ESW44 [3], являющийся прибором широкого спектра применения и имеющий рабочую полосу от 2 Гц до 44 ГГц. Этот прибор предназначен в первую очередь для измерения уровней радиопомех в соответствии с требованиями стандартов группы CISPR 16-1, а также MIL-STD-461, DO-160, и на сегодняшний день является одним из лучших по характеристикам измерительных приемников. Наличие
предусилителя и малошумящего усилителя позволяют достичь высокой чувствительности в диапазоне частот от 1 кГц до 44 ГГц. Его важным достоинством является возможность анализа спектра в реальном времени с полосой до 80 МГц.
Режим анализа в реальном времени в измерительном приемнике реализован как опция ESW-K55, которая в основном применяется для детального исследования побочных излучений РЭС, а также для быстрого поиска редко повторяющихся помех, включая импульсные. Полоса анализа шириной 80 МГц является достаточной для регистрации большинства редко повторяющихся радиопомех. Возможности и пример применения данного измерительного приемника показаны в статье [3]. В качестве альтернативы возможно использование измерительного приемника R&S ESU с полосой рабочих частот от 20 Гц до 40 ГГц.
Для перекрытия частотного диапазона от 30 МГц до 40 ГГц обычно используется не менее трех измерительных антенн, в данном случае предполагается использовать четыре антенны. Первая из них работает на частотах от 30 до 300 МГц и является диполем, который может быть как активным, так и пассивным. Использование активных антенн в этом
диапазоне частот предпочтительно, поскольку позволяет уменьшить размеры вибраторов и повысить частотную стабильность характеристик. Вторая антенна является логопериодической и предназначена для работы в полосе частот от 300 до 1000 МГц.
В некоторых случаях возможно использование антенн, конструктивно являющихся сочетанием дипольной и логопериодической антенн. Такие устройства характеризуются хорошим согласованием в полосе рабочих частот и могут использоваться для создания тестовых электромагнитных полей при испытаниях на помехоустойчивость, т.е. характеризуются широким применением.
Третья антенна — рупорного типа — представляет собой компактную широкополосную пассивную антенну, работающую в диапазоне от 1 до 18 ГГц. Антенна должна иметь высокий коэффициент усиления, что важно для обеспечения приемлемого коэффициента калибровки в диапазоне сверхвысоких частот, а также низкий коэффициент стоячей волны по напряжению. Использование четвертой антенны позволяет расширить диапазон измерений. Полоса её рабочих частот составляет от 18 до 40 ГГц, антенна имеет линейную поляризацию.
При определенных условиях, например, при пространственном разнесении измерительных антенн может быть реализованы измерения во всей полосе частот – от 30 МГц до 40 ГГц. Для этого антенны должны быть расположены на индивидуальных мачтах, а удаление неиспользуемых в текущий момент антенн за пределы измерительной площадки не должно быть обязательным, что имеет место, если антенны не влияют друг на друга через емкостную связь или в иной форме. В этом случае удобно использовать электронную коммутацию антенн с попеременным управляемым подключением ко входу измерительного приемника.
Для этого в схему включен модуль коммутации ВЧ-сигналов R&S OSP-B112, предназначенный для работы в диапазоне частот до 40 ГГц и имеющий шесть входов и один выход. Для управления модулем коммутации в схеме на рис. 1 предусмотрен базовый блок R&S OSP130, имеющий дисплей и панель управления. Он обеспечивает как ручную, так и автоматическую коммутацию антенн к измерительному приемнику R&S ESW44 с использованием удаленного управления.
Рассматриваемые измерения предполагают перемещение по высоте и вращение плоскости поляризации за счет поворота измерительных антенн вокруг их оси. Кроме того, вокруг своей оси должно вращаться и тестируемое электронное средство. Для этого в схеме на рис. 1 предусмотрены контроллеры привода антенн (КПА) и контроллер привода вращения испытуемого объекта (КПВ).
СПО ЕМС32 устанавливается на отдельный компьютер, с которого осуществляется управление измерительным комплексом. Для связи с управляемыми объектами используется высокоскоростной коммутатор, работающий по протоколу Ethernet либо GPIB. При использовании безэховой экранированной камеры управляющие сигналы целесообразно передавать по оптоволоконной линии, что позволит избежать проникновения внешних электромагнитных полей в защищаемый объем.
Итоговый облик спроектированной измерительной системы выглядит следующим образом. Она включает измерительный приемник R&S ESW44, базовый блок управления коммутацией R&S OSP130 с коммутатором R&S OSP-B112, компьютер с установленным СПО R&S EMC32, а также коммутатор. На площадке установлены четыре мачты с
антеннами, которые разнесены друг от друга на необходимое расстояние и снабжены управляемыми приводными устройствами. Размеры отражающей опорной плоскости (пластины заземления) должны быть не меньше требуемых стандартом [4]. Поворотный стол установлен на одинаковом измерительном расстоянии от антенн и снабжен приводом для вращения.
Таким образом, мы получили проект автоматической системы для измерений эмиссии излучаемых радиопомех в стандартных условиях [4] для частот до 40 ГГц.
Если рассмотреть практическую сторону вопроса построения комплексных решений для измерений в области ЭМС, то здесь есть своя специфика. СПО EMC32 имеет широкие возможности адаптации, а функциональность комплекса зависит от используемого оборудования. Однако полная автоматизация измерений достигается при грамотной увязке
СПО и аппаратных средств в единую систему. Поэтому при построении комплексных решений в сфере ЭМС будет не рационально приобретать оборудование в отдельности и пытаться создать такую систему самостоятельно. Более того, это может привести к дополнительным издержкам, связанным с ошибочным выбором аппаратных средств.
По этой причине целесообразным оказывается использование готовых системных решений, предлагаемых компанией R&S. Кратко рассмотрим одно из них — систему R&SCEMS100.
Функциональные возможности системы R&S CEMS100
Система R&S CEMS100 представляет собой универсальное решение для проведения сертификационных испытаний на устойчивость к радиочастотным полям в соответствии со стандартами IEC/EN 61000-4-3, ГОСТ 30804.4.3-2013 . Дополнительные опции позволяют проводить испытания на устойчивость к кондуктивным помехам в соответствии с IEC/EN61000-4-6, ГОСТ Р 51317.4.6-99, а также осуществлять измерения эмиссии кондуктивных и излучаемых радиопомех.
Система R&S CEMS100 может быть доукомплектована дополнительным
оборудованием для расширения своих характеристик в соответствии с требованиями общепромышленных, аэрокосмических и военных стандартов (CISPR, EN, MIL-STD-461, DO 160, FCC и т .д .; а так же ГОСТ, ГОСТ Р и ГОСТ РВ). Она является подходящим вариантом для оснащения безэховых экранированных, реверберационных камер, а так же камер типа TEM и GTEM.
Структура системы R&S CEMS100 пояснена на рис. 2 и 3. Её основными элементами являются:
— приемо-передающая антенна;
— 19-дюймовая стойка, в которую установлено следующее оборудование:
— генератор сигналов серии SMB;
— широкополосный усилитель мощности серии ВВА;
— блок коммутации и управления серии OSP;
— измеритель мощности серии NRP с датчиками мощности;
— измерительный приемник серии ESR / ESU / ESW (опционально);
— контроллер управления поворотным столом и антенной мачтой
(опционально);
— IT-оборудование с оптической развязкой;
— компьютер с программным обеспечением R&S EMC32;
— датчик поля (опционально);
— оборудование для мониторинга при проведении испытаний (опционально).
Основные свойства испытательной системы R&S CEMS100 состоят в следующем.
1. Испытания на устойчивость к радиочастотным электромагнитным полям по IEC/EN61000-4-3, ГОСТ 30804 .4 .3-2013 (базовое):
— диапазон частот: от 80 МГц до 1/3 (6) ГГц;
— напряженность поля: 10 В/м, глубина амплитудной модуляции 80%, частота 1 кГц;
— дистанция облучения: 3 метра (от 80 МГц до 3 ГГц);
— неравномерность поля от 0 до +6 дБ, 1,5 х 1,5 м.
2. Испытания на ЭМВ к кондуктивным помехам по IEC/EN 61000-4-6, ГОСТ Р51317 .4 .6-99 (опционально):
— диапазон частот: от 150 кГц до 80 МГц;
— напряжение помех: 30 В, глубина амплитудной модуляции 80%, частота 1 кГц.
3. Измерение помехоэмиссии в диапазоне частот от 9 кГц до 6 ГГц (опционально)
4. Управление, контроль, калибровка, испытание и мониторинг с помощью СПО R&SEMC32.
5. Использование одной приемо-передающей антенны для испытаний на
помехоэмиссию и помехоустойчивость.
6. Возможность проводить сертификационные испытания по ЭМС в соответствии с
MIL-STD-461, DO 160, ГОСТ РВ 6601-001, ГОСТ РВ 6601-002 и другими стандартами(опционально).
Представленное решение имеет следующие достоинства.
1. Все элементы системы имеют возможность модернизации или замены в
соответствии с требованиями заказчика без дополнительных затрат на проектированиесистемы.
2. Функциональные возможности системы могут быть расширены с помощью
дополнительного оборудования и активации различных опций СПО EMC32.
3. Система может быть быстро собрана и введена в эксплуатацию за счёт
предварительной аппаратно-программной конфигурации.
Таким образом, преимуществом системы R&S CEMS100 являются компактность, гибкость и функциональная универсальность.
Заключение
Эффективность измерительных систем для оценки показателей ЭМС определяется не только качеством используемых средств измерений и оснастки, но и грамотным их объединением в комплекс на основе единых принципов управления. В этой связи оказывается целесообразным использование готовых решений, построенных для стандартных условий испытаний. Несомненным достоинством СПО EMC32 является возможность использования пользовательских алгоритмов измерений, что часто необходимо при исследовании нестандартных электронных устройств. Это позволяет использовать все преимущества автоматизированных измерений вне зависимости от специфики стоящих перед инженером задач.
Ваша команда R&S
