Имитация узкополосных полей помех

Имитация узкополосных полей помех с учетом защиты охра­няемого правовыми нормами "электромагнитного спектра" дол­жна производиться в экранированных помещениях, облицован­ных поглотителями. Из-за высоких интенсивностей обучения во время испытаний в абсорбирующей камере не должен находиться обслуживающий персонал. При чрезмерных плотностях потока мощности существует опасность возгорания поглотителей. Ввод в эксплуатацию мощных генераторов сигна­лов и мощных усилителей предполагает наличие разрешения Федерального почтового ведомства. Для различных классов ок­ружающей среды требуемые степени жесткости испы­таний приведены в нормативных документах VDE 0843, ч. 3 .

В качестве передающих антенн вследствие принципа взаим­ности подходят все антенны, которые уже подробно описаны при изложении проблем измерений излучений. Различия между приемными и передающими антеннами в основном состоят в том, что, например, симметрирующий трансформатор на переходе коаксиальный кабель — антенна должен быть сконструирован с учетом допустимых нагрева и нелинейности при за­данной мощности передатчика. Для питания антенны применя­ются источники напряжения, состоящие из задающего генерато­ра и подключенного к его выходу усилителя мощности. В зависи­мости от ширины перекрываемого частотного диапазона могут потребоваться несколько задающих генераторов и усилителей мощности, которые основаны на различных принципах генери­рования и усиления. Чтобы достичь у испытуемого объекта по­стоянной напряженности поля при всех частотах, зависящие от частоты колебания усиления и рассогласования должны быть скомпенсированы посредством автоматической регулировки на­пряжения через цепь обратной связи. Последняя может быть ре­ализована в основном двумя способами. В первом случае измеря­ют напряженность поля у образца ненаправленной антенной и передают сигнал по световоду регулирующему усилителю, кото­рый после сравнения заданного и истинного значений подстраи­вает усиление (рис. 6.26). Регулирующие усилители, выполнен­ные по последнему слову техники, чаще всего имеют несколько входов для нескольких датчиков поля.

Рис. 6.26 – Имитация поля с контуром регулирования через датчик поля

В другом случае вместо датчика поля для получения истинно­го значения используют направленный ответвитель, выходное напряжение которого подводится к регулирующему усилителю (рис. 6.27). Направленный ответвитель допускает раздельное измерение мощности в прямом направлении (к антенне) и мощности, отраженной антенной обратно к передатчику. Разность обоих сигналов характеризуется мощностью, излучаемой антенной. По сравнению с направленным ответвителем регулировка уровня с мощностью ненаправленной антенны обладает тем преимуществом, что учитывается влияние диаграмм направленности передающих антенн.

Рис. 6.27 – Имитация поля с контуром регулирования через ответвитель

Специальные антенны, открытые и закрытые волноводы. Наряду с уже описанными антеннами, предназначенными для измерений помех в виде квазистатических электрических и магнитных полей применяются следующие специальные антенны или устройства наведения поля (VDE 0847, ч. 4[Л.]).

Магнитные поля частотой от 30 Гц до 3 МГц. Для исследования помехоустойчивости в сосредоточенных магнитных полях предназначена испытательная установка, изображенная на рис. 6.28. Осевая составляющая напряженности магнитного поля соленоида длиной 1 и числом витков N рассчитывается приблизительно

Рис. 6.28 – Соленоид для имитации сосредоточенных
квазистатических магнитных полей

Рис. 6.29 – Катушка-рамка для имитации магнитных полей, распределенных в пространстве

Рис. 6.30 – Пара катушек Гельмгольца для воспроизведения магнитного поля с незначительной неоднородностью, поддающегося расчету

Если весь испытуемый объект должен быть подвергнут воз­действию распределенного в пространстве магнитного поля, то используют испытательную установку, показанную на рис. 6.29. Она содержит фиксированную в деревянном каркасе катушку-рамку. Связь между напряженностью магнитного поля и током питания катушки устанавливается калибровкой с использова­нием магнитометрических зондов. Этот недостаток отсутствует у испытательного устройства, изображенного на рисунке 6.30. Между обеими расположенными на расстоянии кольцевыми катушка-ми радиуса г0 существует приблизительно однородное магнитное поле

. (6.14)

Электрические поля частотой от 10 до 150 МГц.Квазистатическое электрическое поле можно генерировать устройствами, показанными на рисунках 6.31 и 6.32. Благодаря вход­ному трансформатору с отношением числа витков, например, 1:2 внутреннее сопротивление усилителя мощности 50 Ом может быть согласовано в 4 раза большим полным сопротивлением ан­тенны. Одновременно получают удвоение напряжения в антенне и ее напряженности поля и тем самым эффективнее использует­ся мощность усилителя высокой частоты. Нагрузочные сопро­тивления рассчитываются на тепловую нагрузку до нескольких киловатт. Дополнительный трансформатор преобразует сопротив­ление нагрузки в 50 Ом. Благодаря чему могут быть применены стандартные, выдерживающие большую тепловую нагрузку, ко­аксиальные высокочастотные резисторы.

Рис. 6.31 – Несиммет­рично питаемая ан­тенна в электричес­ком поле

Рис. 6.32 – Симметрично питаемая антенна для электрического поля с внешним нагрузочным сопротивлением

Создаваемые описанными устройствами электрические поля очень неоднородны, и их пространственное распределение обыч­но неизвестно. Более определенные поля получают с помощью открытых волноводов —полосковых линий (рис. 6.33) (см. нормы VDE0843,ч.3 [Л.]). Обе пластины образуют электрически длинную линию. Выбор размеров конических переходников и отношения ширины пластины к расстоянию между ними осуще­ствляется таким образом, чтобы волновое сопротивление от подвода тока до нагрузочного сопротивления было постоянным. При этом под волновым сопротивлением всегда понимается за­висящее от геометрических размеров полосковой линии отношение напряжения к току. Волновое сопротивление среды, т. е. отношение в объеме между проводниками составляет при поперечных электромагнитных волнах независимо от геометрических размеров в полосковой линии всегда

Ом,

если ; .

Рис. 6.33 – Открытый волновод (линия из параллельных пластин, полосковая линия)

При постоянном напряжении и низких частотах (λ>> l) между пластинами имеется квазистатическое электрическое поле, напряженность которого рассчитывается как

. (6.15)

Используемая высота, на которой может быть расположен ис­пытуемый объект составляет примерно треть расстояния между пластинами.

При высоких частотах (λ « l, λ « d) от подвода тока к на­грузочному сопротивлению распространяются направленные между проводниками электромагнитные волны с поперечно ори­ентированными векторами напряженностей электрического и магнитного поля. Поэтому электрическое поле по-прежнему мо­жет быть рассчитано из (6.15), однако воздействие на испытуе­мый объект получается иным, нежели в чисто квазистатическом поле. При очень высоких частотах (λ « d) пропадает поперечная ориентация векторов, формируются замет­ные высшие моды, и (8.15) не верно. Если участок с параллель­ными проводами полосковой линии короток, то открытый волновод ведет себя как конусообразная линия [Л.].

Другую возможность получения квазистатических электрических полей и связанных поперечных электрических и магнитных полей дают измерительные ТЕМ - ячейки. Это особые конструк­ции экранированных помещений, созданные специально для ис­пытаний объектов на помехоустойчивость к излучениям при раз­решении проблем ЭМС [Л.]. Они представляют собой коаксиальные волноводы с прямоугольным поперечным сечением, которые на обоих или только на одном конце переходят в коаксиальные кабельные системы с тем же волновым сопротивлением (чаще всего 50 Ом, рис. 6.34). Соотношение поперечных се­чений наружных и внутренних проводников, как и у открытых волноводов, выбирается так, чтобы волновое сопротивление оставалось постоянным. При условии, что g<< w, волновое сопротивление измерительной ТЕМ - ячейки согласно [Л.] приблизительно рассчитывается как

. (6.16)

Рис. 6.34 – Классическая измерительная мера для ТЭМ - волн (ячейки Крэйфорда [Л.])

Оптимальную с точки зрения волнового сопротивления кон­струкцию конических переходников и нагрузочного сопротивле­ния определяют рефлектометрией во временной области. При частотах ниже предельной для существования первой попереч­ной моды (поперечно-электрическая волна с и , [Л.]),

(6.17)

Здесь - скорость света. Напряженность электрического поля в центральной внутренней области, как и у полосковой линии, приближенно определяется как

,

где - выходное напряжение передатчика; - расстояние меж­ду наружным и внутренним проводниками. И здесь полезно ис­пользуемая высота для размещения объекта составляет примерно d/Ъ.

Обычно напряженности поля имеют значения 100 и 500 В/м. В области частот, где формируются ТЕМ - волны, распределение поля может быть определено расчетом электростатических полей, что, однако, нерационально, так как при соблюдении усло­вий возникновения ТЕМ-волн напряженность поля может быть определена из (6.18), а при несоблюдении условий расчёты не­верны. Пространственное распределение напряженности элект­рического поля в особенности вблизи стен, измеряется зондами. На неоднородностях, например, в местах перехода от кони­ческих участков к прямоугольным в средней части ячейки, созда­ются элементарные волны, которые накладываются на основные, тем самым искажая поле в ячейке (рис. 6.35, a).

Рис. 6.35 – Искажения мод в ТЕМ - ячейке (а) и ГТЕМ - ячейка для измеренной эмиссии помех (б)

Если ограничить ТЕМ - ячейку рупорообразной частью со стороны источника питания, то можно получить так называемую гигагерцевую ТЕМ - ячейку (ГТЕМ - ячейку), в которой распространяется приблизительно сферический фронт невозмущенной ТЕМ - волны. Несимметричным расположением внутреннего провода можно обеспечить больший измерительный объем для размещения испытуемого объекта (рис. 6.35, б)).

Согласованный режим между центральным проводником и корпусом ячейки достигается при средних частотах комбинацией из последовательно и параллельно соединенных резисторов, образующих волновое сопротивление Z0. Однако точное согласование при помощи резисторов не возможно, торцевую стенку ячейки покрывают конусообразными поглотителями, сильно ослабляющими отраженные волны при повышенных частотах, и поэтому рупорообразную часть ячейки можно рассматривать как бесконечно длинную и не считаться с незначительными по амплитуде отраженными волнами.

ГТEМ-ячейки вследствие простой конфигурации особенно пригодны для измерений эмиссии помех объектами. При таких измерениях распространяющиеся во всех направлениях волны многократно отражаются от стенок рупорообразной части и попадают на поглотитель, что приводит к появлению блуждающих волн. Поэтому обычный для теории антенн принцип взаимности ставится под сомнение, и нельзя воспользоваться понятием ан­тенного коэффициента. Многосторонними измерениями при раз­ных положениях объекта относительно оси ячейки путем пере­расчета можно установить действительный уровень излучаемых помех. Полная информация о ГТЕМ - ячейках содержится, напри­мер, в [Л.].

Усилители. Выходная мощность обычных измерительных пе­редатчиков и генераторов сигналов обычно слишком мала, чтобы иметь возможность проводить испытания на помехоустойчивость в условиях, близких я реальным. Поэтому для питания антенн применяют специальные мощные генераторы сигналов или под­ключение к выходу усилители мощности. Так как требования к усилителям с большой шириной полосы частот и высокого коэф­фициента усиления противоречат друг другу, то как правило, требуются несколько усилителей, работающих в разных диапазо­нах и с различными активными элементами.

Важнейшими параметрами усилителей являются: ширина по­лосы частот, коэффициент усиления, выходная мощность, ста­бильность, допуск на рассогласование на выходе.

Идеальный усилитель в пределах ширины полосы частот (разность между верхней и нижней граничными частотами, В =f _г.в. –f _г.н. ) обладает постоянным коэффициентом усиления по напряжению независимо от нагрузки (между холостым ходом и номинальным режимом работы). У реальных усилителей коэффициент усиления колеблется в зависимости от частоты и нагрузки, поэтому частотную характеристику равномерной назвать никак нельзя. Однако коэффициент усиления постоянно должен быть таким большим, чтобы при максимальном сигнале на входе усилителя (например, 1 мВт) и в минимумах частотной характеристики на предусмотренной нагрузке могла быть получена требуемая выходная мощность. Обычные регулируемые усилители и при очень неровной частотной характеристике, как правило, вполне применимы при испытаниях. При несогласованной нагрузке, например, из-за сильной частотной зависимости полного сопротивления с высоким коэффициентом стоячей волны усилитель должен быть способным использовать отраженную мощность. Кроме того, ни в каком режиме работы из-за непредвиденной положительной обратной связи усилитель не может становиться генератором, для чего служат схемы защиты.