Столкнувшись в очередной раз с решением заказчиков приобрести самое дешевое оборудование, причем, более дешевое по конкретным позициям и более дорогое полное решение (и самое смешное - нерабочее), решено было написать им в помощь данную статью. Статья направлена на формирование обоснованного решения о том, какие антенны подходят для Вашего конкретного применения.
Существует много различных типов антенн, используемых для испытаний на ЭМС с различными параметрами и производительностью. Как вы решаете, какие из них подойдут Вам помимо цены и навязанного мнения продавца? Конечно же, антенна должна, во-первых, номинально обеспечивать требования стандарта, по которому Вы собираетесь работать, а во-вторых, физически выполнять свою функцию, быть удобной в эксплуатации, а уже потом быть дешевле аналогов. Какие вопросы возникают перед специалистом при конфигурации испытательного стенда? Может ли одна антенна закрыть весь частотный диапазон? Подойдет ли она и для измерения эмиссии помех и для испытаний на устойчивость? Какая нужна будет мощность усилителя для воспроизведения заданной напряженности на указанном расстоянии? Хватит ли мощности антенны для выбранного усилителя? Все эти важные вопросы, на которые мы надеемся дать ответы в статье, являются первостепенными для выгодной закупки и точных, воспроизводимых и комфортных испытаний. Для примера послужит стандарт МЭК 61000-4-3 (ГОСТ 30804.4.3). Понимание требований стандарта - это первое, что даст нам представление, какую антенну применить. А совместимость ее параметров с другими элементами стенда и влияющими факторами значительно сузит выбор.
Диапазон частот
Антенны должны работать в диапазоне частот от 80 МГц до 1 или 6 ГГц, в зависимости от того, какое конкретно оборудование Вы собираетесь испытывать или записывать в область аккредитации.
Напряженность поля
Далее - испытательный уровень. Его обычно задают стандарты на вид продукции, ибо определяет заказчик/лаборатория.
Значения испытательного уровня взяты из МЭК 61000-4-3. Почему уровень калибровки выше? Потому, что при воздействии обычно применяется амплитудная модуляция глубиной 80%, что дает увеличение амплитуды на коэф. модуляции - в данном случае х1,8. И именно на эту напряженность придется подбирать линейную мощность радиочастотного усилителя. Импульсная или частотная модуляция увеличения амплитуды не вызовут.
Зона однородности / освещения / покрытия
В МЭК 61000-4-3 это называется плоскостью однородного поля с минимальными размерами 0,5 х 0,5 м при условии, что все испытуемое оборудование и кабели в нее умещаются (обычно используют на частотах свыше 1ГГц). Предпочтительный размер плоскости однородности составляет 1,5 х 1,5м. Она охватывает область из 16 точек, 12 из которых на каждой частоте воздействия должны отличаться по напряженности не более, чем на 6дБ (вверх относительно минимального уровня калибровки. Вниз отклоняться нельзя. При этом и более, чем на 10дБ вверх уходить также нельзя). К сожалению, на практике, в процесс создания зоны однородности вовлечена не только антенна и датчик поля, но и их окружение - безэховая камера или испытательная площадка, как правило, усугубляющие теоретические расчеты возникновением резонансов и интерференцией прямых и отраженных от пола/стен лучей.
Если ориентироваться на плоскость 1,5 х 1,5м, при расстоянии до антенны 3м, получается, что диаграмма направленности (она отвечает за пространственное распределение амплитуды и фазы напряженности, получаемой с конкретной антенны) должна быть не уже, чем 28 градусов, если излучающая антенна располагается в центре проекции плоскости, на высоте 1,55м. Ширина обычно выбирается по уровню 3дБ на диаграмме направленности антенны. Крайние точки геометрически более удалены от антенны, чем центральные в плоскости, естественно, что без интерференций, напряженность в них будет сложнее развить. Нельзя, чтобы эта разность по напряженности или мощности была слишком большой.
Ширина диаграммы направленности антенны напрямую связана с эффективностью излучения антенны, ее усилением. Антенна с слишком широкой ДН будет излучать хуже антенны с более узкой ДН, к тому же слишком много лучей будут отражаться от пола и придется закрывать РПМ большую площадь на полу, либо делать камеру полностью безэховой. Поэтому здесь придется искать компромисс. К тому же, усиление антенны (GAIN) обратно пропорционально антенному фактору, используемому при измерениях помехоэмиссии. Одна и та же антенна не может одинаково хорошо работать и на излучение и на примем.
Мощность
Теоретический расчет подаваемой мощности на антенну достаточно прост. Нужно лишь учесть все элементы антенно-фидерного тракта (и сделать запас на те, которые мы учесть не можем, например, свойства БЭК и удаленность крайних точек, потерями на согласование и др.).
E (дБ/мкВ/м) = P (дБмВт) + 107 + G - 10/(на каждое 3-х кратное увеличение расстояния относительно 1м) - Loss, где
P - выходная мощность усилителя;
Loss - частотно-зависимое затухание в кабелях (в дБ);
G - усиление антенны.
Здесь нужно учесть, что мощность имеет квадратичную зависимость от напряженности, поэтому, возрастает гораздо быстрее. Вычислив ее, необходимо убедиться в том, что она не превышает заявленной входной мощности антенны, иначе, она просто выйдет из строя (а в след за ней может повредиться и усилитель).
Приведем пример:
Для испытательного уровня 10В/м мы советуем заказчику купить подходящую по частотам антенну с широкой ДН, мощностью не менее 500Вт и усилением 8дБи, а также кабели, которые внесут в тракт ослабления не более 2,5дБ.
P = 145 -107-8+10+2,5 = 42,5 дБмВт или примерно 18Вт. Также предлагаем усилитель 30Вт с линейной мощностью не менее 25Вт с запасом на эксцессы.
Заказчик говорит: "Ваша антенна слишком дорогая" и, поддавшись на уговоры пронырливых менеджеров по продажам, выбирает конкурентное решение: антенну с минимальным усилением минус 15дБи (умолчим, что она работает с 200МГц, а не с 80, как того велит стандарт).
Считаем: Р = 145-107+15+10+2,5= около 3500Вт - нереализуемое решение.
Хорошо, говорит заказчик, мы будем использовать ее только на тех частотах, где ее усиление приемлемо, а для нижних купим другую (какую?). Усиление той антенны (якобы приемлемое) было +2 дБ.
Считаем: Р = 145-107-2+10+2,5= около 80Вт - уже лучше.
При этом, антенна плохо покрывает область однородности. Усилитель, соответственно, менеджер предлагает 100 или 150 Вт. На минуточку, усилитель не класса А, т.е. с линейной мощностью и рассогласованием намного хуже и стоит он пропорционально увеличению мощности или больше (усилитель - самая дорогая часть стенда). И нужна еще антенна - смысл? Хорошо, выбирается биконическая. КСВН у нее очень плохой, поэтому мощность на антенне будет заметно меньше подводимой. Исключением являются усилители класса А. Расчет приводить уже не будем, но расчетная мощность превысила допустимую входную. Мощность предлагаемого усилителя, соответственно, стоимость, была увеличена еще более.
Итак, что же приобрел наш заказчик у конкурентов? 2 антенны вместо одной, одной из которых жить осталось недолго, избыточной мощности усилитель и, скорее всего, отказ в аккредитации по ГОСТ 30804.4.3 при попытке аккредитации.
Решение, прямо скажем, компетентное. К тому же по стоимости оно превысило начальное.
Ребята, не поддавайтесь на провокации и уловки продавцов, просчитывайте сами, консультируйтесь!
Материалы частично взяты из гайда
Джейсона Смита jason@absolute-emc.com от 29 марта 2019.
