ANALIZORUL DE PERTURBATII ELECTROMAGNETICE (RECEPTORUL DE MASURARE EMI)

ANALIZORUL DE PERTURBATII ELECTROMAGNETICE (RECEPTORUL DE MASURARE EMI)

Un analizor sau receptor de interferente electromagnetice (Electromagnetic Interference - EMI) este un voltmetru selectiv acordabil in domeniul audiofrecventa - AF, radiofrecventa - RF, microunde - MU (fractiuni de Hz-sute de GHz), ce este proiectat corespunzator (mare sensibilitate, mare domeniu dinamic, buna rejectie a semnalelor parazite), pentru a masura si caracteriza interferentele electromagnetice (semnale complexe si necunoscute).

Analizorul de EMI are la baza un receptor superheterodina cu mai multe conversii de frecventa si permite o selectie:

a latimii de banda, pentru frecventa intermediara - FI (1 kHz 10 MHz);

a latimii de banda dupa detectie (1 Hz sute de kHz);

a functiilor de detectie;

a modului de prezentare a rezultatelor.

In plus, analizorul este prevazut cu surse de calibrare (generatoare de frecventa sinusoidale si/sau generatoare de impulsuri).

1. DESCRIERE FUNCTIONALA

In fig. se da schema bloc simplificata a unui receptor sau analizor de perturbatii electromagnetice, iar in figura 3.2 o schema bloc detaliata.

Fig. Schema bloc simplificata a analizorului de perturbatii electromagnetice

Senzorii care se conecteaza la intrarea receptorului de perturbatii sunt antene sau alti senzori de camp electromagnetic si, bineinteles, probe de curent sau de tensiune pentru masurarea perturbatiilor electromagnetice conduse (de exemplu in domeniul compatibilitatii electromagnetice la masurarea perturbatiilor radiate si sau conduse). Trebuie specificat ca acesti senzori se livreaza, de obicei, cu analizorul (receptorul de masurare), fiind proprii aparatului respectiv.

Ca surse de calibrare se utilizeaza atat generatoare sinusoidale cat si generatoare de impulsuri. Generatorul de impulsuri da o serie de pulsuri de foarte scurta durata (sute de picosecunde) si cu frecventa de repetitie variabila (tipic 50 Hz 10 kHz).

Domeniul de frecventa acoperit de generatorul de impulsuri este de la sute de Hz pana la 1 GHz, cu o variatie a densitatii spectrale a tensiunii mai mica de 1 dB.

Se mentioneaza ca generatoarele de semnal pot fi folosite si la masurari prin substitutie (precizie mare, viteza redusa) [Antoniu99], astfel:

Se "memoreaza" iesirea aparatului de masurare cand intrarea este conectata la senzorul de camp (comutatorul K in pozitia M), apoi se comuta intrarea pe generator (comutatorul K in pozitia C) si se regleaza generatorul pana cand se obtine aceeasi indicatie ca in primul caz.

Cunoscand parametrii semnalului dat de generator si sensibilitatea senzorului (factorul de antena) se poate determina intensitatea campului.

Semnalul de intrare ajunge la un atenuator de RF, care are zgomot redus, este de precizie mare si de banda larga de frecventa. Atenuatorul are rolul de a creste domeniul dinamic al analizorul de perturbatii, putand fi folosit si la verificarea compresiei aparatului.

Etajele de radiofrecventa sunt:

filtre trece jos sau trece banda ce au rolul de a elimina semnalele din afara benzii care pot da nastere la raspunsuri parazite.

preselectoare si/sau amplificatoare, care elimina semnalele din afara benzii de imediat interes, reducand astfel vulnerabilitatea la intermodulatii si raspunsuri parazite.

Preselectoarele sunt un grup de filtre fixe trece banda comutate manual sau automat, situate inaintea primului preamplificator sau etaj de mixaj si imbunatatesc (determina) doua performante ale instrumentului:

domeniul dinamic;

vulnerabilitatea la raspunsuri parazite.

Dezavantajele acestora constau in cresterea factorului de zgomot datorita componentelor introduse (zgomotului lor) si cresterea atenuarii semnalelor in banda de trecere.

Preselectoarele sunt parti componente ale unui receptor de EMI sau pot echipa analizoarele de spectru, transformandu-le pe acestea in niste receptoare de EMI de banda larga 20 Hz 2 GHz.

Mixerul si oscilatorul local formeaza primul etaj al conversiei de frecventa

Dupa aceasta prima conversie se extrage frecventa inferioara.

unde,

F_O este frecventa de la intrarea analizorului;

F_L este frecventa generata de oscilatorul local;

F_I este frecventa intermediara.

La frecvente joase, deoarece , se ia frecventa superioara (

Oscilatorul local este acordat manual prin intermediul unei capacitati variabile sau cu ajutorul unei tensiuni reglabile de la un potentiometru de panou. De asemenea, tensiunea analogica de acord poate fi generata intern sau extern ca o tensiune in rampa ce se utilizeaza simultan si la comanda axei X a unui plotter sau tub catodic pentru afisare in domeniul frecventa. Oscilatorul local cu sinteza de frecventa imbunatateste cateva caracteristici ale instrumentului si anume: creste stabilitatea frecventei si precizia de determinare a ei, reduce zgomotul, creste rezolutia afisajului. Totusi principalul avantaj al oscilatorului cu sinteza de frecventa este ca permite controlul direct al frecventei de la un computer si astfel includerea receptorului EMI intr-un sistem de masura computerizat (de exemplu masurari automate in compatibilitatea electromagnetica).

Fig. 3.2. Schema bloc a analizorului de perturbatii electromagnetice.

Iesirea mixerului se aplica etajelor de frecventa intermediara (amplificator, atenuator, filtre trece banda).

Atenuatorul de frecventa intermediara, spre deosebire de cel de radio frecventa, are avantajul ca reduce nivelul de zgomot al instrumentului, dar si dezavantajul reducerii domeniului dinamic.

Filtrul de frecventa intermediara specific pentru receptorul EMI este cel rectangular datorita marii lui selectivitati. Filtrul cu forma Gaussiana are o mai slaba selectivitate, dar gratie rapiditatii lui este specific analizorului de spectru. De exemplu, comparand latimea de banda la 3 dB cu cea la 60 dB pentru un receptor EMI (cu filtru rectangular) si un analizor de spectru (cu filtru Gaussian) se obtine [Weston01]:

    si

Astfel, presupunand     rezulta pentru receptor, si pentru analizorul de spectru.

Semnalul de frecventa intermediara este aplicat la un detector selectabil si apoi utilizand amplificatoare video, audio, rezultatul poate fi prezentat pe un osciloscop, difuzor, aparat indicator, inregistrator, etc.

Oscilatorul (Beat Frequency Oscillator - BFO) este utilizat pentru detectia zgomotelor asociate semnalelor prin obtinerea unui ton audibil produs ca rezultat al mixajului ('batailor') dintre semnalul BFO si semnalul de frecventa intermediara

Multe receptoare EMI au incorporate o serie de circuite al caror scop este comprimarea domeniului amplitudinii la iesirile instrumentului (retea de control automat a castigului, etaje cu caracteristica logaritmica, circuite de ponderare a semnalului).

SELECTIVITATEA SI SENSIBILITATEA

Caracteristicile de selectivitate in detector sunt determinate aproape in intregime de amplificatorul de frecventa intermediara.

In orice proces de heterodinare, oscilatorul local produce multe armonici. Daca semnalul de la intrarea receptorului este complex (este un amestec de mai multe semnale, deci are un spectru foarte larg) si ajunge neprelucrat la intrarea etajului de mixaj, multe componente din spectrul lui pot fi deplasate in frecventa de armonicile oscilatorului local. In acest fel rezulta la iesirea etajului de mixaj semnale de frecventa egala cu frecventa intermediara, care sunt prelucrate mai departe ca si semnalul cu frecventa de interes (deplasat de frecventa fundamentala a oscilatorului local) si dau nastere la raspunsuri parazite.

Pentru reducerea vulnerabilitatii receptorului la raspunsuri parazite provenite de la semnale din afara benzii, se utilizeaza preselectoare si filtre inaintea etajului de mixaj. Trebuie specificat ca pe langa filtrele proprii receptorului se pot utiliza si filtre externe.

Filtrele de limitare a benzii sunt construite sa fie usor conectate intr-o linie coaxiala de la senzor sau antena, la un receptor EMI sau voltmetru (sunt adaptate la dispozitive de 50 W si au conectoare coaxiale) si sunt folosite pentru a extrage semnalele mici de interes, in prezenta unor semnale mari, prin metoda separarii in frecventa.

Aceste filtre realizeaza o sensibilitate de receptie buna, o liniaritate buna si pot fi:

filtre trece jos - FTJ;

filtre trece sus - FTS (de exemplu pentru a elimina frecventa liniei de putere si a armonicilor ei);

filtre trece banda - FTB (izoleaza o frecventa de interes dintr-un spectru de zgomot adiacent de nivel inalt);

filtre opreste banda - FOB;

filtre de rejectie acordabile de banda ingusta (reduc domeniul dinamic al semnalelor ce contin purtatoare de nivel inalt sau alte emisiuni de banda ingusta, in asa fel ca semnalele de nivel mai redus sa poata fi investigate).

Filtrele de limitare a benzii sunt utilizate cand se analizeaza un semnal complex, pentru a evita supraincarcarea sau operarea intr-o maniera neliniara a instrumentatiei.

Semnalul rezultat la intrarea detectorului, U_FI este:

    (3.1)

unde,

S(f) este caracteristica in domeniul frecventa a semnalului de RF (transformata Fourier sau transformata Laplace);

G(f) este caracteristica in domeniul frecventa a castigului receptorului de masurare, considerata de la intrarea de RF la intrarea detectorului.

Latimile de banda care se utilizeaza de obicei sunt reprezentate in figura 3.3a, unde:

B₃ este banda la 3 dB a receptorului de EMI.

B₆ este banda la 6 dB a receptorului de EMI.

B_n , banda echivalenta de zgomot , este latimea , in Hz, a dreptunghiului care are aria egala cu cea determinata de curba amplitudinii raspunsului la patrat si axa frecventei, iar inaltimea egala cu maximul valorii acestei curbe - figura 3.3b.

B_i este banda la impuls a receptorului.

Fig. 3.3 a) Benzile tipice pentru un amplificator sau filtru trece banda;     b) Metoda ariei dreptunghiului pentru determinarea benzii echivalente de zgomot

Deoarece B_i, este variabila cu frecventa, ea trebuie sa fie determinata utilizand un generator de impuls calibrat (GI) si un generator de semnal (continuous wave - CW).

Daca latimea de banda la impuls a receptorului EMI este cunoscuta [Bronaugh89], atunci:

- amplitudinea spectrului unui semnal de banda larga necunoscut, U_b, in dBmV/MHz, poate fi determinata astfel:

    (3.2)

unde,

U_s este amplitudinea de varf detectata, in dBmV, citita pe analizorul de EMI;

B_i este latimea de banda la impuls, in MHz.

- amplitudinea unui semnal necunoscut de banda ingusta, U_n, in dBmV, poate fi determinata prin metoda substitutiei:

    (3.3)

unde U_i este iesirea calibrata a unui generator de impuls care determina la receptorul de masurare aceeasi citire ca si semnalul necunoscut de banda ingusta, U_n.

Pe de alta parte, din relatia (3.2) sau (3.3) rezulta ca B_i poate fi determinat prin metoda substitutie, daca sunt disponibile un generator de semnal in unda continua si un generator de impuls, ambele calibrate.

Sensibilitatea receptorului depinde si de tipul semnalului perturbator (semnale de banda ingusta si de banda larga coerente sau incoerente) care este masurat de catre receptorul EMI:

a) Pentru semnale de banda ingusta si semnale de banda larga incoerente, pragul de sensibilitate al analizorului de masurare, S, este definit in functie de puterea zgomotului intern, N, considerata prin echivalenta la intrarea lui.

, sau S = N    (3.4)

Puterea zgomotului, N, este definita ca:

    (3.5)

unde,

N = puterea zgomotului in W;

F = factorul de zgomot al receptorului si F_dB = 10 log F, este factorul de zgomot exprimat in decibeli;

, este constanta lui Boltzmann;

T = temperatura exprimata in K (tipic T = 293 K);

B_n = banda echivalenta de zgomot in Hz.

Astfel pentru un receptor la temperatura camerei (tipic T = 293 K),

    [W] (3.6)

sau in dB, cu 1 mW referinta:

, pentru B_n in Hz (3.7)

, pentru B_n in MHz (3.8)

Pentru o impedanta de intrare de 50 W pragul de sensibilitate in tensiune exprimat in dBmV este:

    (3.9)

    , pentru B_n in Hz (6.10)

, pentru B_n in MHz (6.11)

Pragul de sensibilitate functie de latimea de banda pentru diferiti factori de zgomot este dat in figura 6.4, [Bronaugh89], [Morgan94].

Fig. 3.4. Pragul de sensibilitate al receptorului pentru semnale de banda ingusta functie de latimea de banda si diferiti factori de zgomot

b) Daca semnalul de intrare este de banda larga coerent, atunci pragul de sensibilitate in dBmV/MHz este [Bronaugh89]:

    (3.12)

unde, B_i este banda la impuls in MHz.

Rezulta o imbunatatire a pragului de sensibilitate la semnalele de banda larga coerente cu cresterea latimii de banda a receptorului.

In cazul semnalului de banda larga coerent, pragul de sensibilitate al receptorului de perturbatii in functie de latimea de banda pentru diferiti factori de zgomot este dat in figura 3.5.

Fig. 3.5. Pragul de sensibilitate al receptorului pentru semnale de banda larga coerente functie de latimea de banda si diferiti factori de zgomot

Factorul de zgomot rezultant al receptorului, F, este:

    (3.13)

unde, cu referire la schema bloc simplificata a receptorului de perturbatii (figura 3.1),

F₁ = factorul de zgomot al tuturor circuitelor din fata mixerului;

G₁ = castigul in putere al tuturor circuitelor din fata mixerului;

F₂ = factorul de zgomot al mixerului;

G₂ = castigul in putere al mixerului;

F₃ = factorul de zgomot al tuturor etajelor de frecventa intermediara FI.

Cu cat G₁ si G₂ sunt mai mari, cu atat va fi mai mica contributia mixerului si a etajelor de frecventa intermediara la factorul de zgomot rezultant, F. In consecinta un amplificator de radiofrecventa de zgomot redus si castig mare inseriat in fata mixerului poate determina factorul de zgomot al receptorului, F.

De asemenea, pentru obtinerea unui factor de zgomot redus in receptoarele mai vechi erau preferate atenuatoare de frecventa intermediara, deoarece atenuatoare de radiofrecventa, prin castigul lor subunitar, scad pe G₁. Dezavantajul atenuatoarele de FI este ca reduc domeniul dinamic al etajelor precedente.

In proiectarea si utilizarea receptoarelor EMI este facut un compromis intre factorul de zgomot si domeniul dinamic.

3. DETECTIA

Una din problemele majore la masurarea campurilor electromagnetice este alegerea modului de detectie.

Receptoarele EMI contin mai multe functii de detectie:

detector de varf;

detector de cvasivarf;

detector de varf cu alunecare;

detector de valoare medie;

detector de valoare efectiva,

sau procedee statistice de clasificare si reprezentare:

distributia probabilitatii amplitudinii;

distributia amplitudinii zgomotului;

distributia duratei pulsului.

Fiecare din aceste moduri are un anumit domeniu de utilizare, iar prin compararea rezultatelor mai multor moduri de detectie, se obtine o mai buna caracterizare a campului electromagnetic.

DETECTORUL DE VARF

Detectorul de varf masoara valoarea de varf a anvelopei s(t) a semnalului rezultat de la etajele de FI,

U_v = max,    (6.14)

si afiseaza valoarea efectiva a unui semnal sinusoidal echivalent (adica, ).

Acest detector se caracterizeaza prin timp de incarcare mic (comparativ cu timpul de crestere al etajelor precedente) si timp de descarcare mare (pentru a permite functionarea corecta a dispozitivului de afisare, inregistrare).

Detectorul poate fi prevazut si cu un circuit de stergere, care permite detectarea semnalului ce urmeaza indeaproape sau pentru cresterea vitezei de analiza (reducerea timpului de descarcare). Datorita timpului sau de raspuns scurt este recomandat pentru analizoare de spectru si in general la masurari automate.

3.2. DETECTORUL DE CVASIVARF

Detectorul de cvasivarf este realizat pentru a permite o corelare intre raspunsul sau (indicatie) si iritarea exprimata subiectiv (efectul auditiv) datorata unei perturbatii impulsive discontinue atunci cand se asculta un post de radio.

Valoarea de cvasivarf furnizeaza o indicatie asupra efectelor audibile exercitate de semnalele perturbatoare de natura tranzitorie pe emisiunile modulate in amplitudine (de exemplu, efectul perturbatiilor electromagnetice produse prin efect corona pe liniile de transport a energiei electrice, asupra emisiunilor de radiodifuziune, TV).

Fig. 3.6. Detectie de cvasivarf

Aceasta se obtine prin ponderarea tensiunii de iesire a unui detector de varf, actionand asupra constantelor de timp de incarcare, constantelor de timp de descarcare si constantelor de timp mecanice ale aparatului indicator.

In fig. 63.6 este dat detectorul de cvasivarf, precum si elementele postdetectie (amplificatorul separator - buffer - si simulatorul electric al constantei de timp mecanice), [Charles89]. Constanta de timp de incarcare este .Constanta de timp de descarcare, reglabila cu ajutorul comutatorului K, este.

Tabelul 3.1

Caracteristicile unui detector de cvasivarf

Cu comutatorul K pe pozitia 4 (in gol) se obtine un detector de varf. Sarcina detectorului este amplificatorul separator A₁ (castig unitar si rezistenta de intrare foarte mare). Dupa amplificatorul A₁ este un filtru activ trece jos de ordinul doi, care simuleaza miscarea mecanismului indicator.

Constanta de timp mecanica este .

In tabelul 3.1 sunt date valorile lui t_i t_d t_m, pe domenii de frecventa [Bronaugh89], [Morgan94].

Acest mod de detectie nu este recomandat pentru analizorul de spectru sau la masurile automate de campuri electromagnetice perturbatoare, deoarece constantele de timp introduse cresc durata de baleiaj.

Iesirea unui detector de cvasivarf descreste cu scaderea frecventei de repetitie a impulsului (Pulse Repetition Frequency - PRF) de la intrare, in vreme ce tensiunea la iesirea unui detector de varf ramane constanta cu modificarea frecventei de repetitie. Iesirea unui detector de cvasivarf se apropie asimptotic de cea a detectorul de varf odata cu cresterea frecventei de repetitie a impulsului cum se ilustreaza in figura 3.7 si figura 3.8. In aceste doua figuri sunt date raspunsurile in decibeli relativ la detectorul de varf pentru cateva tipuri de detectoare si o latime de banda de predetectie de 9 kHz, respectiv 120 kHz, [Bronaugh89], [Morgan94].

Fig. 3.7. Raspunsurile principalelor detectoare functie de frecventa de repetitie a impulsului pentru B₆ = 9 kHz

Fig. 3.8. Raspunsurile principalelor detectoare functie de frecventa de repetitie a impulsului pentru B₆ = 120 kHz

4 PERFORMANTE, CALIBRARE

Analizoarele de EMI sunt aparate complexe ale caror performante:

precizie ridicata;

timp de masurare redus,

trebuie sa fie cat mai putin dependente de tipul semnalului si interventia operatorului (scutirea acestuia de operatiile de rutina).

Imbunatatirea performantelor se face prin:

o calibrare cat mai completa si mai precisa;

controlul continuu al suprasarcinii;

prin procedee speciale de reducere a timpului de masurare,

toate acestea fiind implementate ca parte hard si soft.

Calibrarea analizorului de interferente electromagnetice are in vedere:

raspunsul in frecventa;

raspunsul in amplitudine;

latimea de banda a filtrelor de selectie.

Referitor la raspunsul in frecventa al aparatului, pentru obtinerea unei bune precizii, se face mai intai o calibrare de referinta la o frecventa (de exemplu la 1 MHz pentru inalta frecventa - HF si 64 MHz pentru foarte inalta frecventa - VHF), cu un semnal de inalta calitate (puritate spectrala, amplitudine precisa), apoi o corectie relativa a raspunsului in frecventa pentru a compensa erorile de urmarire si adaptare ale etajelor receptorului [Muller93]. Aceasta din urma se face utilizand un generator de impuls, iar factorii de corectie (curbele raspunsului in frecventa) sunt memorate pentru a corecta rezultatul fiecarei masurari individuale.

Raspunsul in amplitudine este tributar preciziei atenuatoarelor. Se poate trasa raspunsul (indicatia) functie de nivelul atenuarii pentru cele doua tensiuni de referinta de 1 MHz si 64 MHz in vederea corectarii rezultatelor masurarilor.

Valoarea latimii benzii de selectie trebuie sa fie determinata cu precizie si se memoreaza un factor de corectie pentru latimile de banda ale filtrelor. De asemenea, filtrele de selectie trebuie sa aiba oscilatii amortizate reduse.

Pentru a evita probleme legate de suprasarcina, se utilizeaza detectoare de varf rapide in toate etajele susceptibile si, printr-un proces automat controlat de microprocesor, se elimina efectele suprasarcinii (actionand asupra atenuatoarelor si amplificatoarelor).