Автор: Кондратьев А.В.
И вновь вернёмся к вопросам измерения электромагнитных полей в радиочастотном диапазоне.
В соответствии с требованиями действующего НМД, в ряде случаев (только на объектах, естественно), требуется учитывать реальное затухание электрических (в линиях) и/или электромагнитных (в пространстве) сигналов от места размещения защищаемого ТС до границы КЗ. Вот рассмотрением именно этого вопроса (никак и нигде не в нормативной документации в необходимом объёме не изложенным) и займёмся.
Итак, самая общая схема измерения приведена в основном нашем НМД. Поскольку в ней (в схеме) абсолютно ничего «закрытого» нет и быть не может – приведём её, причём в несколько более подробной форме для обоих указанных вариантов измерения реального затухания.
При рассмотрении схемы измерений в пространстве в части самого общего её построения, обычно вопросов почти не возникает. Чего никак нельзя сказать о схеме измерений в линии.
В тексте НМД отсутствуют указания (уточнения) по поводу:
Это только самые поверхностные вопросы. Те, кто ознакомился с предыдущими публикациями цикла, наверняка спросят, а как же устранить или учесть влияние режима «стоячей волны», которая, неизбежно, образуется в линии? Как учесть наводку тест-сигналов на средства измерения (линия-то, чаще всего, неэкранированная, излучает и неслабо)?
Ну и ещё и ещё…
Отвечу сразу на большинство из них – при использовании именно приведённой в НМД схемы – не знаю! «По физике» такая схема измерения изначально имеет такой количество неопределимых и неустранимых источников погрешности, что неприменима никак. Все вопросы авторам НМД.
Читателям же я предлагаю простейший переход от измерения величины затухания тест-сигналов «по напряжению» к совершенно равному по значению затуханию «по току» Соответственно и схема модифицируется (рисунок 28.3).
В такой схеме измерения понятно, что на что (одну жилу, «на пару», «на пучок», на кабель) установлен индуктор – совершенно аналогично нужно устанавливать и токоизмерители. И в т. 1, и в т.2 токоизмерители перемещают по проводу (кабелю), отыскивая максимум тест-сигнала. Отношение этих двух максимумов (в «начале» и в «конце» линии) и есть затухание тест-сигнала. Сложностей с линиями электропитания ничуть не больше, чем со «слаботочными», гальванического подключения-то нет. Уровень помех при измерениях значительно меньше (токоизмерители внешних полей просто не чувствуют). Наличие тест-сигнала в элементах системы заземления влияет гораздо меньше, ну и т.д.
Главный вопрос, для обоих видов измерения затухания – это создание необходимой величины тест-сигнала. Рассмотрим его подробнее.
Понятно, что (об этом многократно упоминалось там и здесь, в более ранних публикациях цикла) в точке 2 («удалённая» точка, в общем случае размещаемая «на» или сразу «за» границей КЗ) уровень тест-сигнала должен быть таков, чтобы уверенно измерить его. А с точки зрения метролога «уверенно» – это когда сигнал «возвышается» над любыми помехами, минимум, на 10 дБ. Идеально – на 20 и более. Уровни помех при этих измерениях и существенные для измерений, прежде всего, в «дальней» точке, складываются из многочисленных радиоисточников самого разнообразного происхождения (и естественной и искусственной природы) и меняются по рабочему диапазону частот. Наиболее значительны помехи в диапазоне ниже первой сотни МГц, выше – уже, в основном, остаются только достаточно редко (по частоте) расположенные искусственные источники (радиостанции, ТВ-каналы, сотовая связь и т.д.). «Сплошная», постоянная помеха, складывается из собственных шумов тракта измерения, всякого рода атмосферных и космических шумов, из неопределимой суммы весьма удалённых источников самого разного происхождения.
Приводить какие-либо числовые оценки не буду, каждый может сам у себя измерить. Тем более, что в крупных городах этот уровень заметно выше, да ещё и имеет явно выраженные суточные флюктуации (ночью – заметно меньше, промышленность и транспорт «спят»…). Тем не менее, при использовании хорошего малошумящего приёмника (а это настоятельно рекомендуется!) и качественных приёмных антенн (желательно – пассивных, которые сами не «шумят») и токосьёмников, в типичной полосе пропускания 10 кГц уровень помех редко превосходит значение 20-30 дБ (непосредственно на индикаторе измерителя, без учёта Ка), спадая на частотах выше 100 МГц до величин порядка 0-10 дБ.
Дальше несложно прикинуть. Если помех, ориентировочно, 25 дБ, то тест-сигнал должен иметь значение (в точке 2) не менее 35дб. Далее, нам нужно измерить (например!) затухание в 80 дБ (ну, так задано). Это означает, что в т.1 необходимо иметь значение тест-сигнала не менее 35+80=115 дБ. Величина не чрезмерная, но и немаленькая. Если ещё прибавить Ка приёмной антенны, например порядка 15 дБ (это очень хороший Ка!), то получим напряжённость поля в 130 дБ/мкВ. Неслабо…
Для этого даже на достаточно эффективную излучающую антенну нужно подать никак не меньше 1-2 Вт мощности. Так же можно прикинуть и для линии. Вот только, к сожалению, затухание в линия заметно больше, чем в пространстве. Особенно на частотах свыше 20-30 Мгц. А единственная отечественная модель индуктора ИМ-1 «не тянет» более 0,25 Вт и имеет весьма скверный коэффициент передачи в линию. Западные образцы инжекторов (так это изделие именуется в англоязычной литературе) имеют значительно лучшие коэффициенты передачи, но и дороже в разы… (пример - изделие фирмы «TESEQ», инжектор именно того диапазона, который нам удобен - CIP 9136 current injection probe 10 kHz to 400 MHz;
http://www.teseq.com/com/en/products_solutions/emc_radio_frequency/current_injection_probes_clamps/index.php?navid=22). Аналогичные изделия есть и в прайсах других производителей, которые приводились при общем обзоре антенн («О лаборатории»).
Вот теперь, подробнее, об излучающей антенне.
Без доказательств понятно, что она должна быть широкополосной, высокоэффективной «на излучение» и, желательно – малонаправленной. Чтобы меньше крутить её на штативе Хотя вопрос спорный, зато направленная значительно более эффективна в направлении главного лепестка КНД. Но это и «плюс», и «минус». Ведь эта антенна имитирует произвольное ТС, ПЭМИН которого, по молчаливому соглашению, полагают именно с отсутствием выраженной направленности. В общем, в отсутствии утверждённых методик, приходится полагаться на собственный опыт и кучу упрощений и допущений.
В нашей практике наиболее простой, дешёвой и довольно эффективной излучающей антенной (в большей части рабочего диапазона) оказалась антенна DA3000 (DA3200) от сканирующих приёмников AOR. На ней и основываемся. Разумеется, её габаритные размеры (довольно скромные) не позволяют её быть по-настоящему эффективной на частотах ниже 25 МГц. Ну, с спаданием максимально измеряемых значений затухания (естественно, раз тест-сигнал уменьшается!) – до 10-12 МГц. Однако работать можно.
Если обязательно нужно ниже по частоте и затухание нужно измерить приличное, то нужны дипольные НЧ излучающие антенны, мощные усилители тест-сигнала (антенны с размахом диполей до 3-5 м, мощность нужна до 50 Вт, сложности с ГКРЧ – «за ваш счёт»). Стоит ли игра свеч – решать Вам в каждом отдельном случае.
Вопрос генерации тест-сигнала с необходимой мощностью (имеется ввиду – подводимая к антенне мощность) не самый простой. Обычные, общего назначения измерительные генераторы сигналов нужных мощностей не обеспечивают. Это и не их задача. Применять их с широкополосными усилителями мощности (а их спектр достаточно широк, от 0,5 до 150 Вт;
http://www.milmega.co.uk/microwave_amplifier_products.php?cat=AS0102;)
можно, но громоздко, тяжело и не очень удобно. Все производители специализированных средств измерения для этих задач разрабатывают (или заказывают разработку) специализированных малогабаритных генераторов, управляемых исключительно по интерфейсу и имеющих выходную мощность до 3-х Вт. Предъявлять к этим генераторам метрологические требования нет никакого смысла, поскольку метод измерения относительный, а не абсолютный (получить необходимую кратковременную стабильность несложно). Стоимость таких разработок значительно меньше, чем измерительных генераторов. Правда и параметры их «слабее» измерительных, что на результаты измерений, практически, не влияет.
Всё вышеприведённое было изложено для измерений по электрической компоненте поля (в пространстве). Однако и при измерениях по магнитной компоненте всё сохраняет силу, только антенны (и излучающая и приёмные) заменяются на рамочные. Антенн этого типа более чем достаточно на рынке. Нужно только учесть, что для измерения приличных значений затухания (свыше 40-50 дБ) понадобится мощность тест-сигнала уже в десятки Вт.
Надо сказать, что тонкостей при организации схемы эксперимента немало. Кратко изложим основные из них, весьма существенные с точки зрения минимизации погрешностей измерений. Причём при измерениях в пространстве их больше…
Первое, что необходимо учитывать, так это то, что в «точке 1» измерения идут, большей частью, в ближней зоне поля. Уже одно это весьма сложно. Напряжённости поля огромные (по сравнению с обычными для нас величинами ПЭМИН). Излучающая и приёмная антенны расположены в 1 м друг от друга, что, с точки зрения метролога, вообще нонсенс! Но что написано пером…
Измерения ведутся на монохроматическом сигнале. А это означает, что отражения от близкорасположенных токопроводящих конструкций могут оказаться соизмеримы со значением прямой волны. Возникает объёмная интерференционная «картинка». Для нас это означает, что изменение положения любой из антенн всего на несколько см (чем выше частота, тем это заметнее) меняет показания средства измерения. Любой специалист Вам однозначно скажет, что подобные измерения вне измерительной площадки с гарантированным законом затухания поля с расстоянием и с гарантированным отсутствием интерференции попросту некорректны, а результаты нелегитимны. И он прав!
И каков же выход? Боюсь, в очередной раз навлечь на свою голову «громы и молнии» метрологов, коллег и т.д. J Потому что всё изложенное далее есть только одна из попыток «скрестить ежа с ужом», то есть объединить требования НМД и разумной метрологии. Как водится – страдает пользователь… Но работать-то надо?
Итак, если измерять честно, то я не вижу иного способа, кроме как НА КАЖДОЙ ЧАСТОТЕ ИЗМЕРЕНИЯ (их выбор – дальше) в ближней точке (точка 1) выполнить несколько измерений напряжённости поля, сдвигая приёмную антенну по окружности с центром в центре излучающей антенны. И не на метре, это вообще ни в какие ворота не лезет. Хотя бы метрах в 2-3-х. И в каждой точке размещения сориентировать приёмную антенну «на максимум». При этом максимум отыскивать не когда Вы держите антенну за корпус или кабель – только когда Вы отошли хотя бы на пару метров. Анализатор должен размещаться как можно дальше (и на него бывает прямая наводка!), антенный кабель приёмной антенны должен лежать строго по радиусу от центра излучающей антенны, никаких петель и «бухточек»! Генератор тест-сигнала как можно ближе к излучающей антенне и кабель как можно короче (1-1,5 м). Если существует его дистанционное управление - только не проводное! Внечастотный радиоканал, ИК, оптический кабель. Электропитание генератора и приёмника – от разных фаз, лучше – приёмник питать от аккумуляторов, автономно. Это спокойнее всего.
И не поленитесь проверить, как же и какой сигнал у Вас попадает на вход приёмника. Сколько раз выяснялось, что столь мощный сигнал (как-никак не менее 100-120 дБм) не просто измеряется антенной. А ещё и «пробивается» прямо в антенный кабель (через экранирующую оплётку), складываясь с сигналом с диполей антенны и, в результате, «измеряется» полная ахинея. У измерений в сильных полях своя специфика и её надо понимать, знать и уметь предупреждать погрешности.
На самом деле поэкспериментируйте сами, суммарные результаты в 1 и 2,5 метрах у Вас будут разниться не так уж и сильно. Сколько точек брать и на сколько сдвигать см – зависит от частоты и от того, насколько разнятся результаты. Чем больше разброс, тем больше нужно точек. Потом усреднить результат и принять его за одно значение напряжённости поля на данной частоте в точке 1. Времени это займёт много, много хлопот. Да, при таком подходе об автоматизации можно забыть, такое не автоматизировать в ближайшие полсотни лет J Но лучше предложить ничего не могу. Это плата за хоть какую-то объективность результатов.
Если же Вас устраивает заранее «заложенная» погрешность измерений в точке 1 минимум в 10-15 дБ, то ставьте приёмную антенну в фиксированную точку, «забудьте» про нахождение максимума на каждой частоте и вперёд ;)
Теперь перенесёмся, пока мысленно, в точку 2. Тест-сигнал тут ослаблен. Причём насколько – нам заранее неизвестно (накопив опыт можно «предсказывать», что ожидать и с неплохим «попаданием»). Сплошь и рядом затухание по трассе (особенно на низких частотах диапазона) таково, что в точке 2 никаких шансов обнаружить тест-сигнал нет. Это не всегда плохо. Как ставится задача? Определить (измерить) значения МИНИМАЛЬНОГО затухания. Ведь именно это важно для пересчёта сигналов ПЭМИН от ТС на границу КЗ. Значит если у Вас есть некий уровень тест-сигнала в точке 1, а в точке 2 Вы его просто не обнаруживаете, то имеете право уровень помех (шумов) тракта измерения принять за уровень тест-сигнала в точке 2. Реально тест-сигнал, точно, не больше, раз вы его не видите ;) Дальше всё тривиально…
Есть ещё одна особенность, опять вразрез с требованиями «писанного» документа.
НИКОГДА не измеряйте затухание на частотах сигналов ПЭМИН, выявленных при специальных исследованиях. Во всяком случае – ТОЛЬКО на частотах ПЭПИН. Большую глупость придумать сложно…
Вспомните методику, мы же и сами сигналы ПЭМИН рассматриваем, по сути, не на частотах тест-режима, а в полосе частот, которая определяется параметрами информационного импульса. Сигналы ПЭМИН, принципиально, широкополосные. Так и реальное затухание сигнала нас (и, кстати, нашего потенциального «противника») интересует не на какой-то конкретной частоте! А именно, в среднем, для любой (всех!) частот этой полосы. И именно такую задачу надо решать. И решается она несложно – выбором нескольких частот (совершенно необязательно совпадающих с частотами ПЭМИН) в этой самой полосе. Более того, какую бы «сетку» частот для конкретной полосы мы не выбрали, если на какой-то из них оказался сильно мешающий источник помех (та же радиостанция), то никто не запрещает сдвинуться вверх или вниз по частоте, чтобы ничто не мешало. Практика показывает (это проверяется уже не один десяток лет), что на полосу хватает от 3-5 (если разница в затухании между ними невелика, не более 6 дБ) до 10-15 (если разница в затухании достаточно большая) «пробных» частот. И эти пробные частоты надо более-менее равномерно распределить по рассматриваемой полосе частот. Причём «узкополосные» (шириною менее 10% от общей ширины полосы) выбросы или провалы в значениях затухания просто игнорируются (что, кстати, и было постулировано в одной очень близкой по сути методике 83-го года). Остальное надо усреднить или взять минимальное значение (явная «перезакладка», но иногда требуют. Это надо оговаривать заранее либо с Заказчиком, либо с регулятором) и рассчитать одно значение затухания для всей этой, конкретной, полосы частот. Именно это, единственное значение затухания, применяется ко всем частотам ПЭМИН в этой полосе при расчёте защищённости по этому каналу.
Ещё несколько практических рекомендаций по организации процесса измерений.
С учётом всего выше изложенного ранее, настоятельно рекомендую начинать измерения с дальней, «второй точки». Именно там сразу становиться понятным, на каких частотах тест-сигнал «пробивается», а на каких нет даже при максимальной мощности излучения. Где надо чуток сдвинуться вверх или вниз по частоте (из-за помех). Это исключает очень немалую часть бесполезной работы. А когда все значения в точке 2 зафиксированы (и мощности излучения тест-сигнала!), тогда можно и проделать измерения в точке 1 на уже подтверждённых частотах и мощностях. Причём всё то же самое относится и к измерению в линиях. Кстати, и в пространстве, и в линиях, если уж в очень важной для Вас по каким-то причинам полосе частот «не слышно» тест-сигнала, можно «точку 2» и приблизить, до «слышимости». Понятно, что от этого места до границы КЗ затухание только увеличится.
Строго говоря, антенну (в точке 2) надо бы не просто установить в одной точке КЗ, а в нескольких местах. Всяко бывает… Нам же надо найти минимум затухания! Случается, что расстояние больше, а затухание – меньше. И на каждой частоте (ну, хотя бы один раз на некую полосу частот) покрутить приёмную антенну «на максимум». Всё это требует времени и умения. Но, «Вам шашечки или ехать»? Конечно, если у Вас получается запас по защищённости эдак дБ на 30, то и не нужно сильно обращать внимание на «тонкости». А вот если почти «тик в тик» - есть основания крепко подумать.
В связи с наличием эффектов паразитного «просачивания» тест-сигнала в тракт измерения (особенно в «точке 1») ещё одна, чисто прагматическая рекомендация. Выполняйте измерения (разумеется, в обеих точках) на МИНИМАЛЬНО необходимой мощности, подводимой к излучающей антенне. Чем больше тест-сигнал, тем больше сказываются всевозможные паразитные эффекты, искажающие результаты. Именно поэтому величина тест-сигнала должна быть НЕ БОЛЬШЕ, чем необходимо для получения в «точке 2» его уровня, превышающего уровень помех на 6-10 дБ. Вся мощность сверх этого большей частью будет только источником дополнительной погрешности.
При измерениях в линиях «вращение» антенны «на максимум» заменяется сдвигом токоизмерителя вдоль линии с той же самой целью.
И ещё одно соображение. Поскольку всяческие «шумы» вещь широкополосная, то их значение, уровень (существенный, прежде всего, при измерениях в «точке 2») сильно зависит от установленной полосы пропускания приёмника. Чем она уже, тем уровень помех (шумов) ниже, тем более слабый тест-сигнал можно измерить. Следовательно – измерить бóльшее затухание! Но и очень узкой полосой (например, 10 Гц) «ловить» и измерять сигнал – истинная мука L Поэтому выбирайте разумный компромисс. Если отношение сигнал/помеха хорошее (не менее 10 дБ), то можно позволить себе полосу и 100, и 30 кГц. Сигнал послабее – сузить полосу до 3-10 кГц. Но работать полосою уже 1 кГц – требует умения и недрожащих рук J И достаточно стабильного по частоте генератора тест-сигнала.
И, напоследок, о том, чем измерять. Хороших антенн, как и хороших приёмников много. Но они весьма недёшевы. Применяя же оборудование среднего ценового диапазона Вы, однозначно, заранее сужаете себе возможности. На хороших антеннах «от R&S» или Schwarzbeck, HP, ETS-Lindgre и с приёмником R&S ESPI3 для Вас не составит большой сложности (при источнике тест-сигнала в 1-2 Вт) измерять затухания в 100-120дб. Если же Вы будете основываться на измерительных антеннах АИ5-0 (АИР3-2) и анализаторах IFR или HP 4407 (примерно этого класса), то лучше 60-80 дБ, да ещё с кучей сложностей, Вам результата не добиться. По магнитной компоненте поля достижимые результаты скромнее – до 80 дБ в лучшем случае. Излучать магнитную компоненту сложнее…
Кратко об имеющихся на рынке специализированных средствах измерения. Их немного, но есть (то, что известно автору).
Это программно-аппаратный комплекс «Гриф-РЗ» (НПП «Гамма»), появившийся достаточно недавно. Практического опыта определения его возможностей у автора нет. Можно отметить, что затухание по магнитной компоненте поля он не измеряет. Остальное требует опробования.
Система «Стентор» (ООО ЦБИ «МАСКОМ»). Выполняет все необходимые измерения. Пока на систему не оформлены какие-либо сертификаты, хотя она неплохо работает и, кстати, полностью автоматизированная система.
Серия изделий «Зонд» («НЕЛК»). Подробных данных по изделиям нет. По информации на сайте фирмы представляют собою дополнительные комплекты оборудования к «Навигаторам» различных модификаций. Позволяют проводить все необходимые измерения, однако, судя по спецификации, при измерениях в линиях предполагается гальваническое к ним подключение. Со всеми изложенными выше последствиями.
Вообще автоматизация этой процедуры уверенно справляется (то есть все измерения выполняются по заранее сформированному заданию и без непосредственного участия оператора) тогда и только тогда, когда ничего не надо «крутить ручками» в процессе измерений. То есть установили положение антенны – «прогнали» задание. Изменили положение – «прогнали» ещё раз. Вот в таком режиме – помогает. Автомат справляется с «рутиной» быстрее и точнее человека. Ну а обработать результаты, объединить все измерения, корректно усреднить – это с человека никто не снимет. Очень удобна в этом плане возможность разбивать весь исследуемый диапазон на некие поддиапазоны, так, чтобы задание останавливалось, позволяло внести какие-то изменения в расположение и/или ориентацию антенны и продолжалось его выполнение. В системе «Стентор» такая возможность есть.
Функционально автоматизированная измерительная система должна соответствовать схеме, приведённой на рисунке 30.1 (возможно, с некоторыми вариациями). Схема приведена для измерений в линии, но для измерений в пространстве она точно такая же, только индуктор и токоизмерители заменяются на антенны, излучающую и приёмные.
С точки зрения быстродействия (производительности) наиболее предпочтительна именно такая схема, с двумя средствами измерения в «ближней» и «дальней» точках и с одновременным измерением в обеих точках на каждой пробной частоте. Но допустимо и последовательное измерение с одним средством измерения и приёмной антенной (токоизмерителем). Разумеется, затраты времени увеличатся более, чем вдвое.
Есть ещё один аспект этой проблематики.
В соответствии с требованиями действующей методики, в ряде случаев необходимо измерение и расчёт «действующей высоты случайной антенны». То есть коэффициента пропорциональности между напряжённостью электромагнитного (на практике – только его электрической компоненты) поля и напряжением, наводимым в этом поле в проводнике (случайной антенне).
Общая схема измерения приведена на рисунке 30.2.
Следует особо отметить, что в приведённой схеме остаётся открытым вопрос о величине погрешностей измерения. В первую очередь за счёт того, что электромагнитный тест-сигнал наводится не только на случайную антенну, но и на шину заземления. То есть измеряется некая разность напряжений между этими линиями (причём с учётом сложения фаз). Насколько это характеризует действующую высоту линии - установить крайне сложно и трудоёмко. Схема измерений построена, но практически испытана ещё в недостаточной мере и является лишь ориентировочной. Небольшой пока опыт таких измерений заставляет вообще усомниться в возможности корректного измерения данного параметра в условиях объекта эксплуатации. Необходимы серьёзные эксперименты в контролируемых условиях (в безэховой камере, на аттестованной открытой измерительной площадке) для определения основных источников погрешности при таких измерениях, их оценки, разработки методов их учёта и минимизации.
Всё приведённое в настоящей статье было ориентировано на применение в качестве тест-сигнала сигнала монохроматического. Понятно, что именно такой сигнал заметно легче выделить на фоне всяческих помех. А, следовательно, можно измерить и более высокое значение затухания при прочих равных условиях. Это не означает, что широкополосные (шумовые) тест-сигналы неприменимы вообще. Там, где их в «точке 2» хорошо «слышно» применять «шум» можно и это снимает часть возможных источников погрешностей (за счёт интерференции тест-сигнала). Правда, создавая новые источники погрешностей ;) «Се ля ви…»
Тем не менее, и так работать можно. Более того, существует «Методика измерения затухания электромагнитного поля на специальных объектах», прошедшая метрологическую аттестацию и утверждённая ФБУ «ГНМЦ Минобороны России 28.06.2011.В настоящее время это единственный в своём роде документ, метрологически корректно регламентирующий процесс измерений реального затухания и обработку результатов. Часть разумных с точки зрения минимизации погрешностей, требований можно почерпнуть в документе «Радиопомехи индустриальные. Электроустройства, эксплуатируемые вне жилых домов. предприятия на выделенных территориях или в отдельных зданиях. Допустимые значения. Методы испытаний. Нормы 8-95» (с Изменением №1 от 1996 г). Часть его, посвящённая измерениям, может быть полезна в практике (указанные НМД есть в НТО НТЦ ДО).