Pomiary skuteczności ekranowania

Wraz z rozwojem technologii oraz ogólnie pojętej informatyzacji i radiokomunikacji, zwiększa się potrzeba komunikacji na dalekie odległości. Taka komunikacja wymaga użycia nadajników różnego rodzaju. Nadajniki te są budowane w taki sposób, aby pokryć zasięgiem zarówno największe, jak i najgęściej zaludnione obszary. Powoduje to nagromadzenia w przestrzeni sygnałów o różnych mocach i częstotliwościach, które to sygnały mogą zakłócać prace czułych urządzeń lub uniemożliwiać badania EMC nad urządzeniami. Aby zniwelować wpływ PEM (Promieniowania Elektromagnetycznego), możemy zaekranować pewną przestrzeń w formie ekranowanego pudełka (jeśli mowa o małych urządzeniach), lub za pomocą klatki faradaya. Jeśli mowa o ekranowanych pudełkach to kwestia doboru materiału zależy od naszych potrzeb (ciężar, odporność na warunki zewnętrzne, grubość czy też typ materiału), nierzadko przyjdzie odkrywać coraz to nowsze materiały, które należy poddać badaniom pod kątem skuteczności ekranowania.

Czym są pomiary skuteczności ekranowania?

Pomiary skuteczności ekranowania – są to pomiary pozwalające na zbadanie właściwości ekranujących falę elektromagnetyczną przez materiał. Na skuteczność ekranowania składają się dwie właściwości fizyczne

1. Odbicie fali – zjawisko polegające na dosłownym odbiciu się fali od materiału. Gdy fala dociera do granicy pomiędzy różnymi ośrodkami o różnej przenikalności elektrycznej, fala ulega częściowemu bądź całkowitemu odbiciu zgodnie z zasadą odbicia światła, które tak naprawdę też jest falą elektromagnetyczną.
2. Absorpcja fali – zjawisko polegające na pochłanianiu fal przez materiał. Pochłonięte fale zwiększają energię cząsteczek, zwiększając tym samym temperaturę materiału.

Jak przeprowadzić badania skuteczności ekranowania?

Aby przeprowadzić rzetelne badania skuteczności ekranowania (SE), należy zadbać aby stanowisko pomiarowe było odizolowane od zakłóceń elektromagnetycznych, które występują w okolicy.

Badania wymagają, aby w pierwszej kolejności skalibrować anteny zgodnie z normą, według której wykonujemy badania. Po wykonaniu kalibracji możemy przystąpić do badań. Jeśli celem badania jest zbadanie SE materiału, jakim może być na przykład arkusz materiału ekranującego. Materiał należy umieścić w specjalnie do tego przystosowanym oknie pomiarowym, a następnie ustawienie anten zgodnie z normą. Natomiast gdy badamy pomieszczenie ekranowane, to powinniśmy wybrać takie punkty badawcze, które po pierwsze, mogą być prawdopodobnym źródłem przecieku sygnału, czyli wszelkie łączenia, drzwi, panele przelotowe, panele wentylacyjne i tym podobne, punkty muszą być dostępne dla anten.

Do wykonania kalibracji i pomiarów potrzebujemy:

• urządzenia generującego sygnał – generator
• urządzenia przetwarzającego sygnał na fale elektromagnetyczną i odwrotnie – anteny
• urządzenia przetwarzającego sygnał na dane – analizator widma
• odpowiednie kable połączeniowe

Kalibracja anten polega na ustawieniu ich naprzeciw siebie, tak aby były skierowane ku sobie. Należy znaleźć takie miejsce w otwartym polu pomiarowym, w którego pobliżu nie znajdują się żadne przeszkody oraz żadne urządzenia generujące fale elektromagnetyczne (np. router, nadajnik GSM). Wszelkie odległości (wysokość anten, odległość anten od siebie) ustawiamy zgodnie z normą, według której wykonujemy pomiary. Następnie należy ustawić generator i analizator na konkretną częstotliwość oraz ustawić jaką moc będziemy tłoczyć do anteny nadawczej. Należy pamiętać, aby dobrze ustawić poziom czułości analizatora, aby sygnał był widoczny oraz tak, by analizator nie był zbyt czuły, ponieważ gdy zadamy zbyt duży sygnał przy dużym wyczuleniu analizatora, to ryzykujemy uszkodzeniem analizatora. Po ustawieniu wszystkich parametrów uruchamiamy generator, po czym odczytujemy wartość na analizatorze. Tym samym uzyskujemy wartość referencyjną sygnału dla danej częstotliwości. Tą samą czynność należy wykonać dla pozostałych częstotliwości, które chcemy zbadać. W trakcie trwania kalibracji sygnały odbierane przez antenę odbiorczą są na tyle wysokie, że nie musimy przejmować się tak zwanym tłem. Pod pojęciem tła rozumiemy oczywiście wszelkie sygnały, które są odbierane przez antenę odbiorczą bez nadawania sygnału przez antenę nadawczą, takie jak fale radiowe odbierane przez radia, sygnały telewizji naziemnej czy satelitarnej czy chociażby sygnał generowany przez routery Wi-Fi.

Ilustracja 1: Schemat pomiarów SE z wykorzystaniem ekranu

Ilustracja 2: Schemat kalibracji anten dla pomiarów SE dla ekranu na zdjęciu po lewej.

Oczywiście istnieje możliwość automatyzacji powyższych czynności za pomocą komputera oraz oprogramowania, które automatycznie będzie ustawiała odpowiednie poziomy oraz częstotliwości na urządzeniach.

Ilustracja 3: Widok stanowiska dla kalibracji anten rożkowych

Po wykonaniu kalibracji możemy przystąpić do pomiaru interesującego nas materiału. Ważnym jest, aby badania przeprowadzać w odizolowanym środowisku, tak aby na drodze fali najsłabszym elementem ekranującym był badany przez nas materiał. Dla przykładu załóżmy dużą klatkę Faradaya, przedzieloną ekranującą ścianą z otworem do umieszczania próbek.

Otrzymujemy tym samym dwie komory, jedną dla części nadawczej, oraz drugą dla części odbiorczej. W oknie pomiarowym umieszczamy badany materiał oraz naszą konfiguracje pomiarową oraz powtarzamy te same czynności co przy konfiguracji, pamiętając jednak, iż teraz badany jest materiał, który posiada pewną SE i a co z tym się wiąże poziom otrzymany na analizatorze powinien być mniejszy niż podczas kalibracji.

Ilustracja 4: Pomiary arkusza blachy

W zależności od ustawień analizatora możemy otrzymać wartości w różnych jednostkach. Jako że SE podaje się w dB to najlepiej analizator ustawić w taki sposób, aby odczytywał wartości w dBm właśnie wtedy równanie na SE jest bardzo proste:

gdzie

a_sskuteczność ekranowania w dB
E₀Wynik kalibracji podany w dBm
E₁Wynik pomiarów ekranu podany w dBm

Jeśli analizator natomiast nie posiada możliwości ustawienia dBm, możemy ustawić dBµV i aby otrzymać skuteczność ekranowania muśmy posłużyć się danym wzorem:

gdzie

a_sskuteczność ekranowania w dB
E₀Wynik kalibracji podany w dBµV
E₁Wynik pomiarów ekranu podany w dBµV

Ważnym aspektem w trakcie wykonywania pomiarów jest dynamika układu. Poprzez dynamikę określamy jaką maksymalną wartość możemy wygenerować i odczytać na analizatorze widma, oraz jak niski sygnał jesteśmy w stanie zmierzyć. Dla przykładu, jeśli generator jest w stanie wygenerować 20dBm mocy na wyjściu gdzie przy zakładanych 5dB stratach związanych z tłumiennością kabli i parametrami anten, otrzymujemy tym samym wartość 15dBm na wyświetlaczu analizatora. Gdzie zakres szumów własnych analizatora ukazywałby się już na poziomie -50dBm, sprawi iż będziemy w stanie zbadać nie więcej niż 65dB tłumienności, mimo iż zakładany materiał ma w rzeczywistości ~100dB zdolności tłumienia. Poszerzyć dynamikę możemy podnosząc poziom sygnału na wyjściu za pomocą wzmacniacza, lub inwestycją w nowy analizator widma. W momencie, kiedy otrzymywanym wynikiem jest szum, możemy założyć, że tłumienie jest co najmniej takie samo lub wyższe od mierzonej obecnie wartości.

Ilustracja 5: Przykładowy rzeczywisty wynik pomiarów panelu wentylacyjnego zamontowany w klatce Faradaya