2008/3 – 16.1.2008
Simulátory pro zkoušky EMC rozměrných objektů Ing. Jan Puskely, Doc. Ing. Zdeněk Nováček, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav radioelektroniky, Purkyňova 118, 612 00 Brno, Česká republika email:
[email protected] ,
[email protected] Cílem tohoto článku je analyzovat vyzařovací vlastnosti širokopásmových anténních systémů vhodných pro zkoušky EMC rozměrných objektů se zaměřením na hexaedrický a rombický simulátor. V článku je rozebrána metoda výpočtu vyzařovacích vlastností vodičových simulátoru ve frekvenční oblasti. Výsledky vyzařovacích vlastností získané teoretickou analýzou byly zkonfrontovány se simulacemi a s měřením rozložení magnetického pole na zmenšeném modelu hexaedrického simulátoru.
1 Úvod Protože v posledních letech zažíváme obrovský rozmach sítí pozemních i družicových rozhlasových a TV vysílačů a zejména mohutný celosvětový rozvoj systémů mobilních radiokomunikačních služeb, nabývá výrazně na významu posuzování elektromagnetické odolnosti EMS všech elektronických zařízení vůči vlivu rušivých vysokofrekvenčních elektromagnetických polí. Pochopitelně tyto systémy nelze vypnout a nelze tedy ani plně odstranit jejich rušivé působení na jiná zařízení, proto je jedinou cestou zvyšovat elektromagnetickou odolnost elektronických zařízení vůči vf polím, s nimiž tyto systémy pracují. Pro posouzení elektromagnetické odolnosti zkoušeného objektu je potřeba umět vybudit pokud možno homogenní elektromagnetické pole s vysokou intenzitou. K těmto účelům nám slouží tzv. EMC simulátory.
2 Zkoušky odolnosti vůči vysokofrekvenčním EM polím Pro dosažení správných a reprodukovatelných výsledků zkoušek odolnosti je nutno zajistit, aby intenzita zkušebního elektrického pole v celém objemu zkoušeného objektu měla normou danou konstantní velikost, a to v celém pracovním kmitočtovém pásmu. Zkoušený objekt by tedy měl být ozařován homogenním polem o známé a konstantní intenzitě, přičemž pole v této ploše je považováno za homogenní, kolísá-li jeho měřená velikost o méně než ± 3 dB na 75 % plochy [1]. Základním principem zkoušek odolnosti vůči vyzařovanému vf elektromagnetickému poli je ozařování zkoušeného objektu příslušnými úrovněmi pole ve vzdálené oblasti pomocí speciálních antén [6]. Protože potřebná intenzita buzených zkušebních polí dosahuje až několika desítek V/m při kmitočtech sahajících do oblasti GHz pásem, doporučuje se měření přednostně provádět ve stíněných absorpčních prostorech [1]. Hlavními problémy uvedených zkoušek odolnosti jsou nutnost vhodného zkušebního prostoru a dosažení požadovaných vysokých hodnot intenzity zkušebního elektrického pole. Jiná možnost, jak otestovat zkoušený objekt, tkví v použití speciálních antén pro simulaci zkušebních EM polí. Těmito anténami (vedeními) lze vytvářet testovací pole s vysokou intenzitou několika desítek až vysokých stovek V/m při budicích výkonech o několik řádů nižších než při „volném ozařování“. Mezi takové anténní systémy patří více vodičové 55-1
2008/3 – 16.1.2008 přenosové vedení, deskové vedení a zkušební komory TEM (GTEM) [4]. Tyto antény jsou schopny generování vysokých elektrických polí na kmitočtech od 14 kHz do 2 GHz. Tyto speciální antény se používají pro zkoušky odolnosti relativně malých objektů. Pro zkoušky odolnosti rozměrných objektů nabývají konstrukce těchto antén nemyslitelných rozměrů. Nabízí se tedy jediná možnost, jak otestovat odolnost rozměrného objektu. Touto je postupné ozařovaní dílčích částí jedné strany směrovou anténou ve vzdálené oblasti. Tímto se ovšem měření stává hodně zdlouhavé a neefektivní a nejsme ani schopni tímto způsobem vytvořit testovací pole s dostatečnou hodnotu intenzity pole. Proto se k těmto účelům používají rozměrné EMC simulátory.
3 Rozměrné vodičové EMC simulátory V tomto článku bude soustředěna pozornost na rozměrné simulátory tvaru hexaedrického a rombického. Simulátory mohou mít symetrickou či nesymetrickou strukturu. Počáteční a koncová část jsou skloněné, aby bylo možné systém snadno napájet a připojit přizpůsobenou zátěž. Pokud je uvažována mezi krajními částmi i horizontální část, hovoříme o hexaedrickém simulátoru viz. Obr. 1a, v opačném případě se jedná o simulátor rombický viz. Obr. 1b.
)
) Obr. 1: Struktura nesymetrických EMC simulátorů nad dokonale vodivou plochou; 1a) hexaedrického, 1b) rombického Vodivé plochy simulátorů jsou obvykle aproximovány soustavami paralelně spojených a rovnoměrně rozmístěných vodičů. Simulátory jsou umístěny ve volném prostoru a jsou buzeny symetricky. Jejich umístění v souřadné soustavě je souměrné dle obr. 1. Funkční výhodou “vodičové“ realizace je ta skutečnost, že zde nemohou téci příčné proudy a tím se snižuje nebezpečí vzniku vyšších vidů. Vlivem povrchového jevu však velká část proudu teče pouze krajními vodiči. Testované zařízení se umisťuje doprostřed mezi vodiče, kde se nachází pracovní oblast simulátorů. 55-2
2008/3 – 16.1.2008
3.1 Návrh hexaedrického a rombického simulátoru Experimentálním a teoretickým zkoumáním hexaedrického simulátoru v časové oblasti (pulsním buzení) [5] se zjistilo, že hlavní podíl na rozložení EM pole v pracovní oblasti má proud vybuzený v místech blízko zdroje. Z toho lze usoudit, že nejvíce přispívá náběžná část. Příspěvky střední a sestupné části byly malé ve srovnání s náběžnou části. Úkolem horizontální části je zřejmě vést proudový puls ke svorkám tak, aby se zabránilo odrazu. Výše uvedené odhady jsou platné za předpokladu, že délka b rovnoběžné části simulátoru je srovnatelná s jeho výškou h. Je zřejmé, že návrh rozměrů simulátoru je intuitivní a přístup je individuální. Na základě těchto znalostí byly zvoleny podélné a výškové rozměry hexaedrického simulátoru. Rozměry rombického simulátoru jsem zvolil takové, abych si ověřil předpoklad, že na rozložení EM pole v pracovní oblasti má větší vliv proud vybuzený ve vodičích blízko zdroje více než ve vodičích uprostřed. Rozšířil jsem šikmé vodiče hexaedrického simulátoru do tvaru rombického simulátoru. Zvolené rozměry jsou v části 5.
4 Metodika výpočtu blízkého pole Při výpočtu intenzity pole vybuzeného v prostoru mezi vodiči simulátoru jsou vodiče rozděleny na krátké elementy ds konečného počtu [5]. Délka elementu ds je volena tak, aby proud na elementech byl konstantní, přičemž koncové body elementů na vodičích leží na příčných rovinách kolmých k podélné ose simulátoru. Počet elementů na každém vodiči je pak stejný, ale jejich délky se na šikmých úsecích antény liší. Anténa je tak nahrazena kaskádním spojením úseků vedení.
ds o
I ds
r P
Obr. 2: Symetrický hexaedrický simulátor umístěný v souřadné soustavě
ro
Obr. 3: K výpočtu intenzity pole
Intenzita elektrického a magnetického pole v bodě pozorovaní P je vyjádřena jako superpozice příspěvků od všech elementů (obr. 2) L
M
N
E d E lmn , l 1 m 1 n 1
L
M
N
H d H lmn
(1a, 1b)
l 1 m 1 n 1
kde L je počet vodičů, M je počet anténních částí (M = 2 pro rombický tvar a M = 3 pro hexagonální tvar) a N je počet elementů na jednotlivých anténních částech. Pro výpočet příspěvků od každého elementu vodiče k intenzitám elektrického pole E a
55-3
2008/3 – 16.1.2008 magnetického pole H v bodě pozorování P využijeme vyjádření pro harmonický ustálený stav, kdy pro záření elementárního dipólu platí [2]
3r0 r0 ds0 ds0 3r r ds0 ds0 0 0 j 3 3 I .ds k k r k r 2 j t jk r dE e e 4 r0 r0 ds0 j k r
dH
I .ds 2 j t jk r 1 1 k e e j ds 0 r0 2 4 k r k r
(2a, 2b)
kde dso a ro jsou jednotkové vektory směrů osy elementu ds a průvodiče r vedeného od středu elementu ds k bodu P, jak ukazuje obr. 3. Po sečtení příspěvků od všech elementů na všech vodičích antény získáme složky intenzity pole EX , EY , EZ (HX, HY, HZ). Kvadrát intenzity pole E (H) charakterizující úroveň výsledného pole v uvažovaném bodě P vypočteme sečtením kvadrátů amplitud těchto složek pole. Rozložení pole uvnitř simulátoru závisí především na počtu a rozmístění vodičů anténní struktury a na rozložení proudů I v nich. Proud na vstupu se dělí mezi paralelní vodiče úměrně převráceným hodnotám charakteristické impedance Z0 jednotlivých vodičů. Při výpočtu se předpokládá, že se charakteristická impedance podél vodiče nemění. Rozložení amplitud a fází proudu podél anténních vodičů vypočteme postupnou transformací vstupního proudu I1 na zátěž ZZ vztahem [3] I2
I1 , n = 1, 2 … N ZZ cosh .n.ds j .n.ds sinh .n.ds j .n.ds Z0
(3)
kde je měrná fáze, která se určí z vlnové délky ve volném prostoru =2 / a je měrný útlum, který vypočteme dle vztahu R1 / 2 Z 0 , kde R1 je ztrátový odpor náhradního vedení. Jeho velikost vypočteme z rovnosti výkonu vyzářeného anténou a výkonu ztraceného na celém náhradním vedení.
5 Analýza vlastností hexaedrické a rombické struktury Tato část se bude zabývat analýzou vlastností hexaedrického a rombického simulátoru. Konkrétně budou zjišťovány maximální velikosti pracovních oblasti těchto simulátorů pro různé počty vodičů (L = 2, 4, 6).
5.1 Volba rozměrů obou simulátoru Zvolené rozměry obou simulátoru jsou následující. Hexaedrický simulátor má horizontální část ve vzdálenostech od 7m (y1) do 12m (y2) od vstupních svorek antény (b = 5 m) a jeho celková délka y3 činila 15 m. Jeho výška z1 byla zvolena 2,45 m. U rombického simulátoru je vzdálenost náběžné hrany od vstupních svorek y1 10,5 m a výška z1 3,7 m. Rozteče x mezi všemi vodičemi v horizontální části simulátoru se pro zjednodušení předpokládaly konstantní a byly stanoveny tak, aby byla splněna podmínka homogenity v horizontální části simulátoru. Zvolené příčné rozměry obou simulátoru jsou v tabulce 1. 55-4
2008/3 – 16.1.2008
Tab. 1: Příčné rozměry hexaedrického a rombického simulátoru pro různé počty vodičů L rozměr x [m] Hexaedrický simulátor Rombický simulátor
2 2,4 3,6
počet vodičů L 4 6 1,8 1,2 2,7 1,8
5.2 Vypočtené rozložení pole v pracovní oblasti obou simulátorů V této části bude zjišťována velikost pracovní oblasti rombického a hexaedrického simulátoru pro různé počty vodičů. Protože vlnová impedance prostředí je 377 (120), a tedy k určení neznámého pole nám stačí zjistit pouze složku E nebo H, byly získány pouze hodnoty intenzity magnetického pole H. Při výpočtu rozložení pole byl uvažován ideální případ tj. rozložení proudu na bezeztrátovém homogenním vedení a šíření postupné vlny. Vyšetřování velikosti pracovní oblasti proběhlo v tomto rozmezí: x 5;5 m , y 0;15 m a z 0;1,8 m . Pracovní kmitočet byl od 20 MHz do 100 MHz. Velikost elementu ds byla zvolena 0,1 m. Na obrázcích 4a až 4f jsou rozložení intenzity magnetického pole v horizontální oblasti simulátorů v rovině z = 0m na kmitočtu 40 MHz. Křivky pod obrázky ukazují relativní hodnoty (Hm je maximální hodnota v pracovní oblasti) rozložení magnetického pole v příčných řezech pro různé výšky z a v různých vzdálenostech (y = 7m, 9,5m, 12m) od vstupních svorek antény (kraje a prostředek horizontální oblasti). Na základě kritéria homogenity byly zjišťovány velikosti pracovních oblasti dvou, čtyř a šesti vodičových simulátorů. Rozměry pracovních oblastí jsou uvedeny v tabulce 2 respektive tabulce 3. Z nich je patrné, že simulátory tvořeny z šesti vodičů mají homogenitu pole a s tím související velikost pracovní oblasti nepatrně lepší (zejména v příčném směru) než simulátor tvořený čtyřmi vodiči. Proto, pokud nepožadujeme vyšší hodnotu intenzity magnetického pole, je umístění dalšího páru vodičů zbytečné. Na druhou stranu dvou vodičový simulátor nestačí pro zajištění dostatečné homogenity v pracovní oblasti a tedy optimálním řešením je simulátor čtyřvodičový. Z Obr. 4 je také patrno, že rozložení magnetického pole v pracovní oblasti simulátorů se mění pozvolna, přičemž větší nerovnoměrnost rozložení je v příčném směru než v podélném. Navíc intenzita pole roste směrem k vstupní části resp. k zátěži a na krajích sledované oblasti klesá výrazněji než uprostřed horizontální části. To je způsobeno vlivem zmenšování vzdálenosti vodičů v náběžných resp. sestupných úsecích antény. I přes jistou nehomogenitu je pracovní oblast rozšířena pod náběžnou část simulátoru do vzdálenosti až 2 m (v rovině z = 0 m), protože i tato oblast splňuje patřičné kriterium. Za povšimnutí také stojí, že rozložení pole blíže vstupu antény je vhodnější ve srovnání z oblastí blízko zátěže, což má za následek lepší využití výkonu generátoru. Vzhledem k tomu je vhodné umístit testované zařízení blíže k vstupním svorkám.
55-5
2008/3 – 16.1.2008
a)
b)
d)
c)
e)
f) Obr. 4: Vypočtené rozložení magnetického pole (f = 40 MHz) a) 2vodičový hexaedrický simulátor; b) 2vodičový rombický simulátor b) 4vodičový hexaedrický simulátor; d) 4vodičový rombický simulátor c) 6vodičový hexaedrický simulátor; f) 6vodičový rombický simulátor Tab. 2: Rozměry pracovní oblasti hexaedrického simulátoru pro různé počty vodičů L rozměry [m]
v ose y
v ose x
v ose z
L
od
do
od
do
do
2
6
12
-2,5
2,5
1,8
4
6
12
-4
4
1,8
6
6
12
-4,2
4,2
1,8
55-6
2008/3 – 16.1.2008
Tab. 3: Rozměry pracovní oblasti rombického simulátoru pro různé počty vodičů L rozměry m] L 2 4 6
v ose y od 6 6 6
v ose x do 12 12 12
od -3,2 -5 -5
do 3,2 5 5
v ose z do 1,8 1,8 1,8
Srovnáním rozložení magnetického pole hexaedrického a rombického simulátoru jsem došel k závěru, že obě rozložení jsou si svým průběhem velmi blízká. I umístění oblasti lokálního minima je pro oba simulátory shodné. Skutečnost, že rombický simulátor dosahuje větší velikosti pracovního prostoru a lepší homogenity v blízkosti náběžné části simulátoru, je důsledkem větší rozteče vodičů v místě nejvyššího bodu. Z podobnosti rozložení intenzity magnetického pole lze tedy usoudit, že rozhodující vliv na rozložení pole v pracovní oblasti má náběžná část simulátoru a nikoliv rovnoběžná či sestupná. Pro srovnání teoreticky vypočítaného rozložení pole uvnitř simulátoru, byly provedeny simulace pomocí programu 4NEC2 a na zmenšeném modelu hexaedrického simulátoru se uskutečnilo měření rozložení magnetické složky pole.
5.3 Srovnání vypočteného rozložení magnetického pole se simulacemi Na Obr. 5 je zobrazeno rozložení magnetické pole získaného pomocí programu 4NEC2. Z obrázků je patrné, že metodika výpočtu elektromagnetického pole dává výsledky, které jsou v dobré shodě s výsledky získanými pomocí programu 4NEC2. Ale i přesto bych poukázal na rozdíly v rozložení magnetického pole v blízkosti sestupné části, kde oblast minima ve vzdálenosti přibližně 11 m od vstupních svorek je u momentové metody (program 4NEC2) větší a způsobuje větší neuniformnost magnetického pole.
a)
b)
55-7
2008/3 – 16.1.2008
c)
e)
d)
f) Obr. 5: Simulované rozložení magnetického pole (f = 40 MHz) a) 2vodičový hexaedrický simulátor; b) 2vodičový rombický simulátor c) 4vodičový hexaedrický simulátor; d) 4vodičový rombický simulátor e) 6vodičový hexaedrický simulátor; f) 6vodičový rombický simulátor
Srovnáním teoretické výpočtu v širokém kmitočtovém pásmu se simulacemi bylo zjištěno, že výše zmíněná metodika výpočtu elektromagnetického je aplikovatelná v celém sledovaném kmitočtovém pásmu tj. od 20 MHz do 100 MHz.
5.4 Praktické ověření výsledků na modelu hexaedrického simulátoru Měření intenzity magnetického pole proběhlo na vytvořeném nesymetrickém modelu hexaedrického simulátoru. Rozměry analyzovaného 4vodičového hexaedrického simulátoru Obr. 6a byly v měřítku 1:10. Jeho horizontální část ležela ve vzdálenostech od 70 cm do 120 cm od vstupní svorky antény a jeho celková délka činila 150 cm. Anténa měla ve střední části šířku 45 cm a výšku 24,5 cm. Vodiče simulátoru byly rovnoměrně rozmístěny. K měření intenzity magnetického pole bylo použito stíněné smyčky s koaxiálním výstupem a selektivní mikrovoltmetr. (Obr. 6a). Vyšetřování rozložení pole uvnitř simulátoru proběhlo ve čtyřech rovinách pro z = 2 cm, 8 cm, 14 cm a 20 cm v rozmezí x 30;30 cm, y 10;140 cm v závislosti na výšce roviny. Pro měření rozložení pole ve vyšších rovinách bylo využito pěnového polystyrénu, jehož vlastnosti můžeme z hlediska šíření elektromagnetických vln srovnat s vlastnostmi vzduchu. Rozteč měřících bodů činila v obou osách 10 cm. Rozměry vytvořeného modelu simulátoru jsou desetkrát menší a tudíž je kmitočtová oblast, v níž se sledují vlastnosti antény, desetkrát vyšší. Vyšetřování blízkého pole uvnitř simulátoru proběhlo na kmitočtech 400 MHz, 600 MHz a 800 MHz. Výsledek měření magnetického pole v ose simulátoru (z = 2 cm) na kmitočtu 400 MHz je vidět na Obr. 6b. Srovnávající výsledky rozložení magnetického pole získané pomocí 55-8
2008/3 – 16.1.2008 teoretického vypočtu a simulací programem 4NEC2 jsou na Obr. 6c respektive 6d. Z provedeného měření 4vodičového simulátoru je na první pohled zřejmé, že struktura magnetického pole získaná experimentálním měřením má podobné rozložení jako struktura obdržená teoretickým výpočtem a simulacemi.
a)
b)
c)
d) Obr. 6: a) model hexaedrického simulátoru; rozložení magnetického pole b) změřené, c) vypočtené, d) simulované
6. Závěr Na základě výsledků získaných pomocí simulací a měření byla ověřena použitelnost vztahů (2a) a (2b) v širokém kmitočtovém pásmu. Pomocí nich je možné spočítat rozložení pole v blízké oblasti libovolné anténní vodičové struktury v závislosti na jejím tvaru a rozložení proudu v ní. Za pomocí výše zmíněných vztahů byly zjištěny vyzařovací vlastnosti hexaedrického a rombického simulátoru aproximovaného vodičovou strukturou. Sledovalo se, jak se změní charakter pole v pracovní oblasti simulátoru se změnou počtu vodičů, ze kterých se simulátor skládá. Ukázalo se, že z pohledu poměru velikost pracovní oblasti ku počtu vodičů je nejlepší 4vodičový nesymetrický simulátor, u něhož byla využitelná pracovní oblast v příčném směru až o 40 % větší než byly samotné rozměry simulátoru a v podélném směru umožňoval umístění testovaného zařízení i pod náběžnou část simulátoru.
Seznam literatury [1] ČSN EN 61000-4-3 Elektromagnetická kompatibilita (EMC). Část 4: Zkušební a měřící technika. ČSNI Praha, 1997
55-9
2008/3 – 16.1.2008 [2] STRATON, J. A. Teorie elektromagnetického pole, Praha, SNTL 1961 [3] ČERNOHORSKÝ, D., NOVÁČEK, Z.: Antény a šíření rádiových vln. Brno: Nakladatelství VUTIUM, 2003 [4] SVAČINA, J., Elektromagnetická kompatibilita, principy a metody. Brno: Vysoké učení technické 2001. „Připojujeme se k Evropské Unii“, svazek 2. 156 stran. ISBN 80-2141873-7 [5] SHEN, H., KING, R.W.P., WU, T.S. The Exciting Mechanism of the Parallel-Plate EMP Simulator. In: Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions, February 1987, Vol. EMC-29, No.1, pp. 32 – 39. ISSN 0018-9375 [6] VACULÍKOVÁ, P., VACULÍK, E. aj., Elektromagnetická kompatibilita elektronických systémů. Grada Publishing, Praha 1998. 504 stran. ISBN 80-7169-568-8
55-10
