Испытания на ЭМС

Что такое испытания на ЭМС?

ЭМС описывает способность электрического устройства или системы работать в электромагнитной среде без образования помех и без подверженности помехам. Испытания на ЭМС являются критически важным этапом в разработке и сертификации электронных устройств. Они необходимы для создания надежных, функционально совместимых и соответствующих нормативным требованиям электронных изделий. В большинстве стран испытания на ЭМС являются необходимым условием для сертификации изделий и их выпуска на рынок.

Почему испытания на ЭМС так важны?

Сложность современных электронных устройств стремительно растет. Это наблюдается во всех сферах нашей жизни — на потребительском рынке, в медицине, автомобилестроении, промышленности, аэрокосмической и оборонной отраслях. При этом свободное от помех сосуществование электрических и радиотехнических устройств нельзя считать само собой разумеющимся. Только целенаправленные испытания на ЭМС и меры подавления помех позволяют гарантировать безопасное и надежное сетевое взаимодействие.

Разнообразные физические явления могут вызывать нарушения ЭМС в электрическом или электронном устройстве. В их число входят:

• Внешние события, такие как источники ВЧ-помех или электрических помех, расположенные рядом с испытуемым устройством
• Внутренние события, такие как излучения от внутренних компонентов или помехи
• Помехи по причине взаимодействия пользователя с устройством, такие как электростатический разряд

Каковы будут последствия, если подобные нарушения не устранить до того, как устройство попадет в руки конечного пользователя?

• Связанный с ЭМС сбой в работе медицинского устройства (например, электрокардиостимулятора) может поставить под угрозу жизнь его носителя.
• Излучения от мобильного устройства могут оказывать влияние на функции датчиков, отвечающих за безопасность автомобиля, самолета или промышленного робота.
• Помехи, вызываемые домашними электронными устройствами, могут нарушать работу бытовой техники.

Проектирование и испытания на ЭМС помогают предотвращать подобные сбои и отказы. Еще одной причиной для проведения испытаний на ЭМС является необходимость соблюдения всех соответствующих нормативов, т. е. директив, гармонизированных стандартов, требований производителей и внутренних требований компании. Давайте подробнее рассмотрим этот аспект в следующем пункте.

Стандарты и испытания на ЭМС в различных отраслях

Испытания на ЭМС проводятся для подтверждения соответствия стандартам. Все электронные изделия должны удовлетворять требованиям, которые устанавливаются организациями по стандартизации, такими как IEC, CISPR, ISO, IEEE, CENELEC, ETSI, FCC, ANSI, RTCA и MIL-STD. Эти организации определяют приемлемые уровни излучений и помехоустойчивости, поэтому соответствие данным спецификациям зачастую является законодательным требованием, которое необходимо выполнить для выпуска изделия на рынок. Существуют сотни стандартов, связанных с ЭМС, которые обычно различаются в зависимости от географического положения и предполагаемых условий использования.

Разобраться в этом многообразии стандартов по ЭМС бывает непросто. В максимально упрощенной форме стандарты по ЭМС можно разделить на пять категорий:

• Базовые стандарты определяют методики испытаний (например, испытания на устойчивость к воздействию излучаемых электромагнитных полей согласно EN/IEC 61000-4-3).
• Общие стандарты определяют уровни, пределы, диапазоны частот, виды модуляции и общие условия проведения испытаний.
• Стандарты на продукцию описывают условия и критерии проведения испытаний для определенных типов продукции.
• Стандарты производителей содержат уровни и условия проведения специальных испытаний.
• Внутренние требования компаний определяют специальные запасы и допуски.

Разное электронное оборудование должно соответствовать различным стандартам. Пример:

• Применимые стандарты для коммерческого оборудования, (устройства для промышленных, научных и медицинских целей; пользовательское оборудование, ИТ и мультимедиа, бытовая техника и осветительные приборы) включают в себя серию стандартов CISPR 11–35, IEC/EN 61000-X-X и любые стандарты на конкретную продукцию.
• Для медицинского оборудования (например, слуховые аппараты, имплантаты и диагностические аппараты) также могут действовать стандартыIEC 60601-1-2 и ISO 14708-X.
• Применимые стандарты для автомобилестроения (например, модули информационно-развлекательных систем или систем связи, компоненты или автомобиль в целом) включают в себя стандарты CISPR 12, CISPR 25, ISO 11451, ISO 11452 и стандарты для конкретной страны или конкретного производителя.
• В оборонной и аэрокосмической промышленности требуется соответствие стандартам MIL STD 461, MIL STD 464,RTCA DO 160 и т. д.

Подробная информация о стандартах по ЭМС представлена на нашей специализированной странице: Стандарты испытаний на ЭМС.

Процедура испытаний на ЭМС

Современные устройства должны отвечать всё более строгим требованиям к безопасности, надежности, сетевому взаимодействию и времени выхода на рынок. Это ведет к непрерывному усложнению тестовых сценариев, поэтому неудивительно, что более 50% всех устройств с первого раза не проходят испытания на ЭМС. Задержки на данном этапе могут означать высокие затраты и сдвиг запланированных сроков выхода на рынок. Здесь на помощь приходят предварительные испытания на соответствие, которые помогают сокращать долю непройденных испытаний и повышают шансы пройти испытания с первого раза.

Предварительные испытания на соответствие рекомендуются в целях выявления потенциальных проблем на ранней стадии проектирования. Они повышают вероятность успешного прохождения формальных испытаний на соответствие стандартам. Предварительные испытания можно прервать в любой момент, чтобы провести подробный анализ причин сбоя и устранить их. Более подробная информация представлена на наших страницах: Выявление ЭМП и предварительные испытания на соответствие.

Испытания на соответствие стандартам, как правило, проводятся в независимой сертифицированной лаборатории или испытательном центре. В некоторых случаях они также могут проводиться самими производителями. Испытания на соответствие стандартам должны точно следовать строгой процедуре, установленной в стандартах по ЭМС. Для их проведения требуются специальные приборы и среды (например, безэховые камеры), а также обученный персонал. Все эти факторы повышают стоимость испытаний на соответствие стандартам.

Как показано на рисунке выше, предварительные испытания на соответствие и отладка должны быть интегрированы в процесс проектирования. Это упрощает поиск проблем, связанных с ЭМС.

Испытания электромагнитных полей и сосуществования беспроводных устройств

Рост числа беспроводных и многотехнологичных устройств в перегруженных ВЧ-средах создает дополнительные трудности наряду с традиционными потребностями в анализе устройств на наличие нежелательных излучений и помехоустойчивость к внешним излучениям.

Испытания на сосуществование беспроводных устройств согласно стандарту ANSI C63.27-2021 предназначены для анализа способности испытуемого устройства работать надлежащим образом в электромагнитных средах, в которых оно будет использоваться. Воздействие высокочастотных электромагнитных полей от сетей мобильной связи LTE и 5G (или прочих источников) на человеческий организм регламентируется национальными и международными стандартами. Испытания электромагнитных полей включают в себя измерение напряженности поля этих излучений и обнаружение источника сигнала.

Методики испытаний на ЭМС

Измерения электромагнитных помех (ЭМП) или испытания излучений гарантируют, что электронное устройство не излучает избыточное электромагнитное поле, влияющее на другие устройства и системы. А испытания на электромагнитную восприимчивость (ЭМВ) или помехоустойчивость предназначены для анализа способности устройства работать без сбоев при наличии электромагнитных помех от внешних источников.

В данном руководстве рассматриваются четыре методики испытаний на ЭМС:

• Кондуктивные излучения
• Устойчивость к кондуктивным помехам
• Эмиссионные излучения
• Устойчивость к эмиссионным помехам

В данном руководстве не рассматриваются дополнительные типы испытаний, такие как мерцание, гармоники, электростатический разряд, всплески, устойчивость к магнитному полю и электрические быстрые переходные процессы.

Сначала обсудим некоторые основы. При проведении испытания на кондуктивные помехи измеряются сигналы, вносимые испытуемым устройством в переменное напряжение питания или электросеть (как правило, через шнур питания испытуемого устройства). Эти сигналы обычно находятся в диапазоне частот от 9 кГц до 30 МГц. Испытуемое устройство подключается к V-образному эквиваленту сети, который затем подключается к измерительному прибору. V-образный эквивалент сети фильтрует и изолирует ВЧ-шум электросети, поэтому в идеальном случае возможно измерение только шума от испытуемого устройства.

Типичная система испытаний на кондуктивные излучения содержит следующие компоненты:

• Приемник для тестирования ЭМП
• ПО для автоматизации испытаний
• Преобразователи, такие как V-образные эквиваленты сети или эквивалент сети

Система испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам для коммерческих испытаний в диапазоне частот от 150 кГц до 80 МГц обычно включает в себя следующие компоненты:

• Экранированное помещение (рекомендуется)
• Устройство связи-развязки или электромагнитный зажим в качестве преобразователя
• Пробник с инжекцией объемного тока для испытаний в автомобилестроении или оборонной промышленности
• Генератор сигналов
• Усилители ВЧ-мощности
• Датчики мощности
• Преобразователи
• ПО для испытаний на ЭМС для автоматизации, управления и обеспечения требуемого уровня мощности и модуляции на испытуемом устройстве согласно соответствующим стандартам.

В ходе испытаний на эмиссионные излучения измеряются сигналы, излучаемые испытуемым устройством. Испытания обычно проводятся в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц, однако некоторые стандарты предусматривают испытания на значительно более высоких частотах. Для проведения этих испытаний требуются антенны и зачастую также экранированная камера-поглотитель или подходящая площадка на открытом воздухе. В автомобильной, оборонной, аэрокосмической и прочих отраслях промышленности также применяется метод реверберации (т. е. испытания в реверберационной камере).

Давайте подробнее рассмотрим систему испытаний на эмиссионные излучения. В показанном ниже примере испытуемое устройство помещается в полубезэховую камеру. Камера оснащена следующими элементами:

• Поворотный стол и антенная мачта с функциями сканирования высоты
• Измерительный ЭМП-приемник для надлежащего сканирования частоты и распознавания уровня согласно соответствующим стандартам по ЭМС
• ПО для испытаний на ЭМС для автоматизированного сбора данных в различных позициях и составления карты излучаемых электромагнитных помех
• Антенны с различными рабочими диапазонами частот от 30 МГц до 6 ГГц (логарифмические периодические антенны) или расширенными частотами (рупорные антенны)

На рисунке ниже представлена система испытаний на эмиссионные излучения, в которой расстояние между наконечником антенны и испытуемым устройством составляет 3 метра. Она включает в себя следующие компоненты:

• Экранированная камера-поглотитель
• Предкалиброванные полевые пробники для проверки однородности поля
• Генератор сигналов
• Усилители ВЧ-мощности
• Датчики мощности
• Преобразователи
• ПО для испытаний на ЭМС для автоматизации, управления и обеспечения требуемого уровня мощности и модуляции на испытуемом устройстве согласно соответствующим стандартам

Задачи и решения, связанные с испытаниями на ЭМС

Теперь, когда мы разобрались с теоретическими основами испытаний на ЭМС, давайте перейдем к некоторым задачам и соответствующим решениям для испытаний на ЭМС.

Основные трудности при проведении испытаний на ЭМС связаны с укороченными циклами стандартизации и ограниченными испытательными ресурсами.

Ввиду этого требуются сокращение времени испытаний и повышение степени автоматизации. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) и сканирование во временной области стали стандартными методиками для проведения предварительных испытаний прототипов и заключительных испытаний на соответствие стандартам. Тестовые приемники с измерениями во временной области, такие как R&S®ESW , помогают существенно увеличивать скорость и надежность испытаний.

Повышенная степень автоматизации достигается за счет программного обеспечения, например R&S®ELEKTRA, которое дает многочисленные преимущества:

• Планирование испытаний: настройка, шаблоны
• Проведение испытаний: управление приборами, автоматизация
• Анализ и формирование отчетов: настраиваемые графики, добавление нескольких испытаний в отчет

Если вы планируете создать собственную установку для испытаний на ЭМС, важно согласовать ваши цели с имеющимся бюджетом. Необходимо принимать во внимание:

• Текущие и будущие потребности в испытаниях
• Требования к размещению (фильтры в линии питания, электричество, пожарная безопасность и т. д.)
• Вес и размеры испытуемых устройств, от которых зависят размеры камеры
• Наличие обученного персонала
• Стоимость калибровки, сервиса и техобслуживания
• Масштабируемость и возможности модернизации или расширения в будущем

Будучи лидером в области испытаний на ЭМС на протяжении более 50 лет, компания Rohde & Schwarz уже долгое время делится своими знаниями в области контрольно-измерительных технологий с организациями по стандартизации ЭМС. На основе нашего уникального опыта мы разрабатываем испытательное оборудование, которое поддерживает стандарты по ЭМС во всех отраслях. Мы предоставляем испытательное оборудование, системы, программное обеспечение, обновления, готовые решения (включая камеры), обучающие мероприятия, услуги калибровки и сервиса. Мы станем вашим надежным сервисным партнером и поставщиком решений для испытаний на ЭМС, которые будут отвечать вашим текущим и будущим потребностям.

Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации.