Новые возможности технологии комбинирования поля в активных антенных решетках для испытаний на восприимчивость к электромагнитному полю

В 2016 году компанией «Остек-Электро» был представлен новый метод построения испытательных систем на устойчивость и восприимчивость к радиочастотному электромагнитному полю по стандарту ГОСТ 30804.4.3-2013 (EN 61000-4-3), а также ряду специализированных стандартов до 18 ГГц с помощью нового класса приборов — генераторов поля и системы для автоматизации испытаний ЭМС.

Мы уже подробно рассматривали основные недостатки классической системы по ГОСТ 30804.4.3-2013, на основе которой проводят испытания, в статье «Зачем нужно менять устоявшиеся подходы к тестированию на ЭМС?»¹. Кратко перечислим эти проблемы:

• высокий КСВН, обусловленный компактностью ЭМС-антенн, из-за которой возникает компромисс между согласованием, эффективностью (КПД) и размерами антенн;
• выбор между логопериодическими и рупорными антеннами при проведении испытаний. Логопериодическая антенна имеет крупные габариты ввиду использования её при облучении изделий в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, а также не обладает должным уровнем усиления, что требует больше мощности для создания однородного поля и значения напряженности поля в точке. Рупорная антенна не позволяет на трёхметровом расстоянии облучать область 1,5 × 1,5 м для достижения однородного поля ±6 дБ из-за узкого луча диаграммы направленности (рис 1);
• потери в кабелях на переключение в каскадах УМ, НО, что в итоге приводит к существенным потерям, вследствие чего необходимо применять более мощный и дорогостоящий усилитель;
• для минимизации потерь необходимо размещать стойки с усилителями непосредственно в безэховой камере, что, во-первых, накладывает требования по устойчивости к воздействиям электромагнитного поля на стойку и, во-вторых, значительно влияет на однородность создаваемого поля, особенно при небольших размерах БЭК.

Учитывая эти недостатки, компанией DARE!! Instruments была разработана система, которая интегрирована в единый корпус и представляет собой измерительный прибор (рис 2), состоящий из активной антенной решетки (далее ААР), усилителей и измерителей мощности, использует принцип суммирования поля каждого элемента ААР и контроля прямой и обратной мощности встроенных усилителей. С помощью этой технологии первоначально ставилась цель получить гарантированное значение напряженности поля на одном и трех метрах с учетом амплитудной модуляции для стандарта ГОСТ 30804.4.3-2013. Максимальный уровень напряженности поля, который был доступен на начало 2017 года — 54 В/м в диапазоне частот 800 МГц — 6 ГГц на расстоянии один метр с перепадом 0+6 дБ во всех четырёх точках, что полностью удовлетворяло требованиям ГОСТ 30804.4.3-2013. Однако впоследствии инженерам удалось добиться значения напряженности поля в 60 В/м в аналогичном частотном диапазоне. Результаты ААР при вертикальной и горизонтальной поляризации представлены на рис 3 и 4. Можно отметить линейность и стабильность уровня создаваемой напряженности поля (оранжевый график) при обоих видах поляризации. Уровень подаваемого сигнала (синий график) показывает, что существует запас для усиления, позволяя в будущем повысить значения гарантированно создаваемой напряженности.

Максимально возможный уровень напряженности, которого удалось достичь данной ААР в диапазоне 800 МГц — 6 ГГц — это 80 В/м в точке на расстоянии 1 м (рис 5), что позволяет проводить испытания по авиационным и автомобильным стандартам.

Применение концепции ААР для испытаний на устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю хорошо зарекомендовало себя и используется уже большим количеством современных лабораторий по всему миру: от США до Южной Кореи.

В конце 2017 года ООО «Остек-Электро» анонсировало новый комплект для испытаний на восприимчивость к РЧ-полю в диапазоне частот от 800 МГц до 18 ГГц, который построен на базе двух новых генераторов поля RFS2006BR (800 МГц — 6 ГГц) и RFS2018BR (6 ГГц — 18 ГГц) (рис 6). Принцип работы суммирования полей в ААР остался прежним, однако генераторы позволили создавать поля напряженностью с гарантированным значением 75 В/м в точке на измерительном расстоянии 1 м (рис 7) и максимальным значением свыше 150 В/м (рис 8).

После доработки генератора поля RFS2018BR в 2018 году появилась возможность гарантированно создавать напряженность поля до 100 В/м во всём частотном диапазоне в одной измерительной точке, что позволяет использовать его для проведения испытаний по ряду автомобильных стандартов, к примеру, ISO 11451-2. Данная модернизация была осуществлена за счет уменьшения длины элементов АРР, а также использования нового материала для радиопрозрачного колпака RFS2018BR.

Таким образом, с помощью генераторов поля решается проблема совмещения и комбинирования в одном устройстве требований по отечественным и зарубежным коммерческим, автомобильным и специализированным стандартам, тем самым позволяя существенно экономить бюджет лаборатории при приобретении оборудования, а также предлагая более широкие возможности в области проведения предварительных и сертификационных испытаний.

Учитывая потенциальные возможности комбинирования поля в ААР, есть следующие перспективы их использования:

• Доработка технической реализации генератора для достижения стабильного уровня напряженности поля в 150 В/м в безэховой камере. Генератор позволяет проводить испытания по авиационному стандарту КТ-160D раздел 20 (основная группа), требующему высоких уровней воздействия.
• Использование генератора в реверберационных камерах для достижения уровня напряженности поля выше 200 В/м. Генератор позволяет проводить испытания по специализированным стандартам, например, по MIL-STD-461G (раздел RS103).
• Увеличение верхней границы частотного диапазона генераторов поля до 67 ГГц для испытаний в аэрокосмической промышленности.

Однако несмотря на используемый подход к облучению тестируемого устройства, наиболее важной задачей остается калибровка испытательного стенда и точные измерения характеристик однородности поля используемой безэховой камеры, а также тип применяемого датчика напряженности поля. В статье «Как обеспечить точность измерений напряженности поля»² мы уже рассматривали особенности датчиков поля, которые приведены на графике зависимости частоты от прямой мощности с антенны.

На графике (рис 9) изображена пара кривых для трех датчиков поля. Первая кривая — для каждого датчика при напряженности поля 100 В/м, а вторая — для напряженности 200 В/м. Как видно из графика, в диапазоне частот от 3 ГГц наблюдается значительное отклонение показаний прямой мощности, несмотря на то, что датчики отображают одинаковое значение напряженности поля.

На рис 10 приведены графики c кривыми по каждой координате для тех же трех тестируемых датчиков. Значительные отклонения наблюдались в диапазоне частот от 3 ГГц, а также для датчика с батарейным питанием ниже 100 кГц.

Если сравнить две особенности, одинаковые для всех датчиков поля, существенные отклонения возникают в одном и том же диапазоне частот выше 3 ГГц. Это происходит из-за нескольких факторов:

• высокое значение изотропности и низкий уровень симметрии относительно антенных элементов каждой оси X, Y и Z;
• нормирование изотропности на 10, 100 и 1000 МГц, но не выше;
• размер датчика поля;
• форма датчика поля;
• отсутствие возможности коррекции датчика поля.

Учитывая эти недостатки, специалисты DARE!! Instruments приняли решение разработать серию датчиков RSS2010 (рис 11), которые на сегодняшний день являются самыми точными приборами для измерения однородности поля и калибровки испытательных систем на устойчивость к РЧ-полю в диапазоне частот 9 кГц — 12 ГГц. На рис 12 приведен график АЧХ-датчика поля серии RSS2010 с минимальной погрешностью 0,3 дБ.

Потребность в аппаратуре для проведения испытаний бортовой аппаратуры стремительно возрастает. Так как на основе активных антенных решеток стало возможно проводить испытания на восприимчивость к излучаемому ЭМ-полю, специалисты Остек-Электро приняли решение разработать комплекс собственного производства, который дополнял бы данную систему генераторами для проведения испытаний на восприимчивость к кондуктивным помехам (по стандарту MIL-STD-461G):

• НЧ-синусоидальное воздействие (раздел CS101);
• ВЧ-синусоидальное воздействие (раздел CS114);
• импульсное воздействие (раздел CS115);
• импульсное затухающее синусоидальное воздействие (раздел CS116).

Совмещение данных генераторов с генераторами поля и системами для CS114 DARE!! Instruments (выполняющими требования раздела RS103 «Восприимчивость к излученному электрическому полю» и CS114) позволяет полностью соответствовать проведению испытаний по отечественным стандартам ЭМС к бортовой авиационной аппаратуре.

Выполнение испытаний по разделам CS101, CS115 и CS116 осуществляется модульной системой собственной разработки и производства — генератором импульсным комбинированным ГИК3000 (рис 13). Помимо MIL-STD-461G стандарта система также отвечает требованиям других отечественных и зарубежных стандартов, таким как: DO-160, КТ-160D (разделы 17 и 19).

Испытания по разделу CS114 возможны благодаря оборудованию системы DARE!! Instruments CIT Bundle (рис 14), представляющей собой полностью укомплектованный комплекс для выполнения испытаний на устойчивость к кондуктивным высокочастотным помехам в соответствии с требованиями стандартов IEC/EN 61000-4-6 (ГОСТ 51317.4.6-99), MIL-STD-461G, КТ-160D, ISO11452-4. Высокочастотный генератор и высокочастотный усилитель мощности, входящие в комплекс, позволяют формировать выходные сигналы мощностью до 200 Вт и выше в диапазоне частот от 9 кГц до 400 МГц. Также возможно понижение диапазона до 4 кГц для моделирования токов общего режима, которые присутствуют на силовых кабелях переменного тока аппаратуры, установленной на платформах с питанием от статических генераторов, таких как корабли и подводные лодки.

С помощью вспомогательного внутреннего направленного ответвителя система может измерять мощность в прямом и в обратном направлениях (отраженная мощность), используя датчики мощности собственной разработки RPR2006CR (рис 15), которые в диапазоне частот 4 кГц — 6 ГГц регистрируют мощность со скоростью до 10 млн отсчетов/с. Комплекс обеспечивает выполнение тестов в полностью автоматическом режиме в заданном диапазоне частот. Также с комплексом поставляются дополнительные опции: устройства связи/развязки, базовое шасси, программное обеспечение.

Используя уникальные возможности активных антенных решеток и другой продукции DARE!! Instruments во взаимодействии с различной измерительной аппаратурой на ЭМС, можно решать самые различные задачи проверки устойчивости радиоэлектронного оборудования к мощным электромагнитным воздействиям, позволяя экономить как бюджет, так и время на проведение испытаний.

Подробнее с характеристиками аппаратуры можно ознакомиться на сайте www.ostec-electro.ru