Generowanie pól EM dla testów zgodnie z normą PN-EN 61000-4-3

Strona główna
Akademia ASTAT
Generowanie pól EM dla testów zgodnie z normą PN-EN 61000-4-3

Wprowadzenie

W artykule omówimy temat generowania pola elektrycznego RF w zakresie częstotliwości od 1 do 6 GHz, porównując konwencjonalne metody z najnowocześniejszą technologią firmy Raditeq w postaci urządzenia RadiField Triple A. Zgodnie z komercyjną normą odpornościową PN-EN-61000-4-3, w odległości trzech metrów od końca anteny w tzw. strefie jednorodności pola (UFA – Uniform Field Area) należy wygenerować jednorodne pole elektryczne o odpowiednim natężeniu. Urządzenie poddawane badaniom (DUT) jest testowane pod kątem odporności na zadane pole elektryczne. Powierzchnia jednorodności według normy wynosi 1,5 * 1,5 m. Pole to uważa się za jednorodne, gdy 75% z 16 punktów pomiarowych w tym obszarze spełnia regułę +6 dB. W systemach testowania odporności RF wykorzystujących tradycyjne techniki projektant musi przeanalizować dużą liczbę indywidualnych parametrów komponentów, które są częścią systemu. Artykuł wyjaśnia, w jaki sposób firma Raditeq uprościła konfigurację tego typu systemów.

Moc czy pole?

Bardzo często analiza mocy wzmacniacza (z 1 dB kompresją), parametrów anten, szerokości wiązki anteny w pozycji H/V i tłumienności kabli RF wymaga wielu godzin pracy inżynierskiej. Ma to na celu ustalenie, czy połączenie wszystkich komponentów zapewni wymaganą zgodność z normą w odniesieniu do obszaru UFA i poziomu testowego. RadiField Triple-A oferuje użytkownikowi gwarancję wygenerowania odpowiedniego natężenia pola RF w komorze bezodbiciowej i zgodność z najnowszą edycją normy odpornościowej. Użytkownik nie musi się martwić o poziomy mocy wzmacniacza, punkty kompresji 1 dB, tłumienności itp. Wystarczy jedynie określić poziom.

Tradycyjne systemy testowania odporności promieniowanej w komorze bezodbiciowej

Generowanie pól EM dla testów zgodnie z normą PN-EN 61000-4-3

Rysunek 1. Konwencjonalny system do testowania odporności promieniowanej w komorze bezodbiciowej.

W tradycyjnym systemie zestaw wzmacniaczy (jedno- lub dwupasmowy) znajduje się w specjalnym pomieszczeniu zwanym „Amplifier Room” wraz z całym pozostałym wyposażeniem pomocniczym, takim jak: generator sygnału, mierniki mocy, sprzęgacze i komputer sterujący. Dochodzi więc do sytuacji, gdzie krytycznymi elementami wpływającymi na końcowy poziom pola są następujące kable RF i złącza połączeniowe:

od wyjścia wzmacniacza do wejścia dwukierunkowego sprzęgacza kierunkowego (DDC),
pomiędzy wyjściem DDC a panelem przepustowym na ścianie komory,
od panelu przepustowego komory do wejścia anteny.

Biorąc pod uwagę kable koncentryczne inżynier projektujący tego typu system musi uwzględnić wszystkie zależne od częstotliwości tłumienności przewodów. Typowe wartości tłumienia dla przeciętnego kabla RF wahają się od 1 do 2 dB na metr bieżący. W danych dotyczących tłumienia nie uwzględnia się również strat, które wprowadzają połączenia. Patrząc na rysunek będzie ich łącznie 6 sztuk!

Alternatywnym, ale mniej preferowanym rozwiązaniem, często stosowanym w przypadku odporności RF, jest umieszczenie wzmacniacza w komorze EMC. Powody takiego postępowania są jasne, jednak nie jest to dokładnie zgodne z normą! I chociaż takie ustawienie zmniejsza długość kabla między anteną, a wyjściem wzmacniacza to straty nigdy nie będą zerowe! Inną wadą tej metody jest to, że w przypadku, gdy system odporności jest przenoszony do komory EMC to taki fakt wpływa na żywotność systemu. Jest to też żmudny i czasochłonny proces. Dodatkowo urządzenia pomiarowe wbudowane system muszą być odporne na generowane pole wewnątrz komory.

Rozważania dotyczące anteny i wzmacniacza

W zastosowaniach EMC często spotyka się obciążenia o współczynniku VSWR wynoszącym > 1:6. Współczynnik VSWR wynoszący 1:6 oznacza, że 50% mocy wyjściowej zostaje odbite i wraca z powrotem do wzmacniacza. W kolejnych opiszemy kilka przykładów w zakresie częstotliwości od 20 do 1000 MHz pokazujących wpływ VSWR. Opiszemy też jak należy je uwzględnić przy wyborze odpowiedniego wzmacniacza ze względu na jego klasę pracy.

Rysunek 2. Typowy wykres VSWR dla anteny bikonicznej

Rysunek 3. Przykładowa antena bikoniczna

Wysokie wartości VSWR występują głównie podczas testów przy niskich częstotliwościach (20 a 80 MHz). W tym zakresie częstotliwości długości fal są duże, a anteny EMC o stosunkowo małych rozmiarach są kompromisem pomiędzy dopasowaniem impedancyjnym, wydajnością i rozmiarem. Przykładem takiej anteny jest antena bikoniczna, która z powodzeniem może zmieścić się w komorze bezodbiciowej.

A co z wyższymi częstotliwościami do 1 GHz?

Im wyższa częstotliwość tym długość fali maleje, a rozmiar anten zbliża się do korespondujących długości fal, co powoduje, że anteny są znacznie lepiej dopasowane. Dla wyższych częstotliwości zazwyczaj stosuje się anteny logarytmiczno-periodyczne, anteny rożkowe i inne struktury, które mają współczynniki VSWR znacznie poniżej 1:3 dla danego zakresu częstotliwości.

Rysunek 4. Antena logarytmiczno-periodyczna i jej VSWR 1:6,5 @ 80 MHz (50% mocy)

Jako ciekawostkę można powiedzieć, że zagięte elementy z tyłu anteny na rysunku 4 zwiększają wydajność między mocą wejściową anteny a generowanym polem. Wykres zależności mocy od pola (@ 3m) dla tej anteny przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5. Moc wejściowa w stosunku do generowanego pola @ 3 m

Sygnał CW vs. AM

Rysunek 6. Modulacja AM i CW

Rysunek 6 przedstawia kolejne zagadnienie związane z modulacją sygnałów. Można zauważyć, że obwiednia modulacji AM jest symetryczna do napięcia szczytowego sygnału CW. Oznacza to, że średnie napięcie sygnału zmodulowanego jest takie samo jak średni poziom napięcia sygnału CW.

Jednak ta zależność nie działa do mocy sygnału! Jest to spowodowane faktem, że moc sygnału jest odpowiednią całką napięcia. Średnia moc sygnału z AM jest nieznacznie (1,2 dB) wyższa niż wartość mocy sygnału bez modulacji.

Czy w przypadku sygnałów zmodulowanych naprawdę potrzebna jest klasa A wzmacniacza? Czy klasa AB wystarczy? Oprócz wymagań dotyczących mocy przyjrzyjmy się wymaganiom dotyczącym odbić i zniekształceń.

Przy 80 MHz wymagana moc forward (PEP) wynosi 162 W. Jednak nadal pracujemy ze wzmacniaczem o mocy średniej 66 W, ponieważ modulacja AM jest symetryczna wokół poziomu mocy CW. To właśnie ten poziom mocy wytwarza ciepło w końcowych stopniach.

Średnia moc odbita wynikająca z VSWR anteny wynosi 50% (1:6) czyli 33 W. Oznacza to, że ta antena może być stosowana z wzmacniaczem klasy AB o mocy 160 W (P1dB) przy VSWR 1:3 (maksymalna moc odbita to 25% mocy wychodzącej czyli 40 W).

Przy projektowaniu systemu odporności EMC należy wziąć więc pod uwagę dwa główne parametry:

punkt kompresji 1 dB wzmacniacza, aby zapewnić że sygnał wychodzący z wzmacniacza będzie bez wyższych harmonicznych,
niski współczynniki VSWR.

Pasmo 1 do 6 GHz - Typy anten

W zakresie częstotliwości od 1 do 6 GHz stosuje się przeważnie anteny logarytmiczno-periodyczne (LPDA) lub anteny rożkowe. Główną różnicą między tymi dwiema antenami jest ich wzmocnienie.

Antena Log-Per będzie miała wzmocnienie wynoszące zwykle od około 7 do 8 dB, przy czym antena rożkowa zazwyczaj posiada wzmocnienie rosnące wraz z częstotliwością, ponieważ rozmiar apertury staje się większy dla wyższych częstotliwości. Jeśli wzmocnienie anteny przekroczy poziom 12 dBi, zgodność z EN-61000-4-3 nie będzie już możliwa. Niestety też duże wzmocnienie anteny (choć jest kuszące) ma też negatywny skutek uboczny. Większe wzmocnienie zmniejsza obszar radiacji anteny. Innymi słowy stosując większe wzmocnienie, zgodność wymaganiem UFA 1,5 * 1,5 metra stawianym przez normę PN-EN 61000-4-3, nie może być już osiągnięty. Przy niższym wzmocnieniu obszar radiacji nie jest problemem. Jednak niższe wzmocnienie wymaga większej mocy netto anteny, aby uzyskać wymagany poziom pola.

Wzmacniacz klasy A czy AB?

W świecie EMC klasa pracy wzmacniacza jest często punktem dyskusji. Wzmacniacz klasy A jest postrzegany jako „niezbędny” do testów odporności EMC, aby zapewnić, że moc dostarczana do obciążenia, czyli anteny, nie będzie powodować rosnącego niedopasowania VSWR. Zanim wyciągniemy wniosek, którą klasę wzmacniacza należy zastosować, przyjrzyjmy się najpierw różnicom między tymi dwiema klasami pracy!

Wzmacniacz klasy A

Główną specyfiką wpływającą na klasę pracy dowolnego wzmacniacza jest jego całkowita wydajność, a dokładniej jego końcowych stopni. Przykładem prostego wzmacniacza klasy A, jak pokazano na rysunku 7, jest tranzystor, w którym prądy i napięcia sygnału wejściowego są znacznie mniejsze od sygnału wyjściowego. Teoretycznie, tego typu wzmacniacze mogą osiągnąć wydajność wynoszącą 50%. W rzeczywistości osiąga się wydajność od 20% do 30%.

Rysunek 7. Wzmacniacz klasy A

Wzmacniacz klasy B

Kiedy prąd sterowania wynosi zero, prąd płynący przez tranzystor zanika. Sygnał wejściowy jest więc wzmacniany tylko dla wartości dodatnich tak, jak pokazano to na poniższym rysunku 8. Sygnał wejściowy musi „otworzyć” wirtualną diodę baza-emiter tranzystora. To zwiększa wydajność takiego wzmacniacza, ale zniekształcenia sygnału w takim pojedynczym stopniu wzmocnienia jest ogromne, ponieważ na wyjściu tego stopnia dostępna jest tylko połowa oryginalnego sygnału CW.

Rysunek 8. Wzmacniacz klasy B i Push-Pull (odpowiednio)

Teoretycznie jesteśmy w stanie stworzyć wzmacniacz klasy B typu Push-Pull. Jednakże prąd polaryzacji we wzmacniaczu klasy B jest bliski zeru, więc każda połówka sygnału wyjściowego nie jest dokładną kopią sygnału wejściowego. Każde z dwóch złączy BE (Baza-Emiter) we wszystkich tranzystorach muszą zostać „otwarte” przez sygnał wejściowy powodując, że sygnał wygląda jak przebieg pokazany na rysunku 10. Każdy tranzystor zaczyna przewodzić dopiero po przekroczeniu napięcia sygnału (napięcie diody BE) wynoszące około 0,7 wolta, aby otworzyć kolektor. Punkt, w którym przepływ prądu przełącza się między tranzystorami, to punkt przejścia, a towarzyszące mu zniekształcenie jest zniekształceniem. Jeśli przyjrzymy się ogólnej wydajności takiego systemu to zniekształcenia powstają przy niższych częstotliwościach.

Rysunek 9. Wykres sygnału wyjściowego wzmacniacz klasy B (Push-Pull)

Wzmacniacz klasy AB

Stosując napięcie stałe o wartości dwukrotnie większej od napięcia BE (patrz rysunek 11), oba tranzystory zaczynają przewodzić eliminując niepożądane zachowanie uwidocznione w klasie B, ponieważ zwiększyliśmy prąd polaryzacji.

Rysunek 10. Wzmacniacz klasy AB (Push-Pull)

Klasa A versus klasa AB w zastosowaniach EMC

Zastosowanie wzmacniaczy klasy A w porównaniu z klasą AB zawsze stanowiło ciekawy i ożywiony temat dyskusji. Przeanalizujmy więc rzeczywiste wymagania jakie się pojawiają podczas decydowania o systemach odporności.

Odbita moc

Kiedy wzmacniacz klasy A dostarcza wzmocniony sygnał do dopasowanego obciążenia, nadal obserwujemy wysoki poziom rozpraszania mocy. Gdy nie ma obciążenia lub gdy nastąpi zwarcie, końcowy stopień wzmacniacza otrzymuje 100% sygnału z powrotem w ramach odbicia! Cała ta moc wraca do końcowego stopnia i zamienia się w ciepło. Podczas projektowania wzmacniaczy tranzystorowych inżynierowie korzystają z obszaru bezpiecznej pracy (SOAR - Safe Operating ARea), aby zapewnić, że całkowita moc rozpraszana przez urządzenie znajduje się w obszarze SOAR.

W klasie A tranzystory wyjściowe pracują dobrze w swoim obszarze SOAR, a odbita moc powodująca generowanie ciepła jest akceptowalna przez wzmacniacz (bez jego uszkodzenia). Obszar ten ma jednak ograniczenia (zobacz rysunek 12).

Rysunek 11. Typowa krzywa SOAR układu półprzewodnikowego

Z rysunku 11 wynika też, że urządzenie ma ograniczenia dla maksymalnego prądu kolektora i maksymalnego napięcia kolektora. Limit rozpraszania mocy cieplnej (który jest produktem napięcia i prądu, minus moc netto dostarczona do obciążenia) pokazuje, jak daleko można się posunąć w nagrzewaniu wzmacniacza. W konstrukcjach klasy A (teoretycznie) 50% mocy to ciepło, a w konstrukcjach klasy AB to tylko 12,5% (teoretycznie).

Sprawność wzmacniacza typu AB jest okazuje się być najlepsza przy wysokich poziomach mocy wyjściowej. Ale co się dzieje, gdy współczynnik VSWR obciążenia wzrasta? Ponownie moc odbita wraca do wzmacniacza i zamienia się w dodatkowe ciepło, które może podnieść temperaturę układu (krzywa SOAR). Jeśli nie zostaną podjęte środki ochronne, urządzenie zostanie uszkodzone. Z tego powodu wzmacniacze klasy AB są wyposażone w system ochrony przed zwiększeniem VSWR.

Punkt 1 dB kompresji wzmacniacza

Różnice w charakterystyce 1 dB kompresji między klasą A i AB nie są duże, o ile obciążenie ma dobrą charakterystykę VSWR. Dlatego też parametry punktu kompresji 1 dB są dość porównywalne w obu tych klasach.

Nowe podejście do systemów odporności promieniowanej – System RadiField

Na przykładzie systemu RadiField przeanalizujemy zalety nowego podejścia do testów odporności promieniowanej. System tego typu oferuje:

uproszczoną budowę systemu,
gwarantowany poziom pola elektromagnetycznego,
wysoki poziom integracji,
brak strat mocy RF,
niski koszt.

Porównując dwie konfiguracje przedstawione na rysunku 12 widać, że w przypadku rozwiązania RadiField złożoność systemu została znacznie zmniejszona. System ten wykorzystuje modułową jednostkę RadiCentre, która to zawiera moduł:

generator sygnału RadiGen 6 GHz,
laserowej karty sondy RF RadiSense 6 GHz,
moduł zasilania i sterowania RadiField.

Co ciekawe, ten system wykorzystuje tylko dwa kable. Jeden z nich biegnie z modułu zasilania przenosząc:

zasilanie,
sterowanie / komunikację,
sterujący sygnał RF.

Drugi kabel biegnie od wyjścia jednostki RadiGen do wejścia RF modułu RadiField. Wszystkie straty kablowe zostają dzięki temu wyeliminowane. Cała generowana moc RF jest dzięki temu zabiegowi bezpośrednio wprowadzana do anteny i zamieniana na pole elektromagnetyczne. To minimalizuje straty tłumienności. W przypadku systemu konwencjonalnego potrzebujemy o wiele więcej kabli RF o dużej długości!.

Rysunek 12. Porównanie dwóch systemów odporności promieniowanej. Pierwszy jest systemem tradycyjnym, przy czym drugi jest nowym podejściem do budowaniu systemów

Szybka instalacja systemu w nowym podejściu

Koncepcja RadiField zapewnia użytkownikowi bardzo krótki czas instalacji. Dzięki RadiCentre (wyposażony w generator sygnałowy, kartę RadiField i sondę pola RF), umieszczonym w pokoju kontrolnym inżyniera (CR – Control Room), do rozpoczęcia generowania pola elektromagnetycznego wystarczą tylko dwa kable koncentryczne (z RadiCentre do panelu wejściowego komory bezechowej i z panelu wejściowego do RadiField)!

Generowanie pola z RadiField

Z RadiField zdefiniowanie natężenia poziomu pola jest jeszcze łatwiejsze niż kiedykolwiek wcześniej. Parametr TME pozwala na łatwe przekalkulowanie natężenia pola w różnych odległościach pomiarowych. Wzór na przekalkulowanie pól w różnych odległościach jest następujący:

VD = 3 * TME / d

d – odległość pomiarowa,
VD – wartość generowanego natężenia pola dla danej odległości.

Zatem dla systemu o TME = 10 V/m ten system wygeneruje:

10 V/m * 3 / 10 = 3,0 V/m @ dla 10 metrów
10 V/m * 3 / 1 = 30,0 V/m @ dla 1 metra

Wysoka dokładność i niezawodność – Kalirbacja UFA

Testowanie odporności na promieniowanie polega na umieszczeniu urządzenia (DUT) w odpowiedniej przestrzeni. Kalibracja ta jest wykonywana przez sondę pola umieszczoną w 16 równoodległych pozycjach obszaru jednorodnego. Podczas wykonywania testu sonda RF jest usuwana z systemu, antena nadawcza generuje pole zgodnie z wcześniej skalibrowanymi wartościami.

Podczas procesu kalibracji zapisywane są zależności między zmierzonymi poziomami pola, a poziomami mocy mierzonymi na portach wyjściowych sprzęgaczy dwukierunkowych umieszczonych za wzmacniaczami mocy RF. Podczas testu, po usunięciu sondy pola, oprogramowanie sterujące „odpowiada” poziomom mocy, wykorzystując dane dotyczące mocy transmitowanej i odbitej z tłumika kierunkowego.