قد يحتاج نظام المناعة ضد الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى توليد مجالات ترددات لاسلكية مضبوطة تتراوح من عشرات الميغاهرتز إلى عدة غيغاهرتز. ومن أهم قرارات التصميم تحديد ما إذا كان سيتم استخدام مضخم طاقة ترددات لاسلكية واحد واسع النطاق ، أو تقسيم نطاق التردد المطلوب بين عدة مضخمات تعمل في نطاقات منفصلة.
يمكن لكلا النهجين دعم اختبار المناعة الإشعاعية، لكنهما يختلفان اختلافًا كبيرًا في طاقة الإخراج المتاحة، والكفاءة، وتعقيد النظام، والتكلفة، والصيانة، والتوسع المستقبلي.
يعتمد الاختيار الصحيح على معيار الاختبار المطلوب، وقوة المجال، ونظام الهوائي، وحجم الحجرة، ومقدار طاقة الترددات اللاسلكية المطلوبة عند الترددات الأكثر صعوبة.
يتضمن نظام اختبار المناعة الإشعاعية النموذجي وفقًا لمعيار IEC 61000-4-3 مولد إشارة، ومضخم طاقة ترددات لاسلكية، ومقرن اتجاهي، وهوائي إرسال، ومسبار ميداني، وغرفة اختبار، وبرنامج تحكم بالاختبار. يُفضل اختيار بنية المضخم بالتزامن مع هذه المكونات وليس بشكل منفصل.
ما هو مضخم طاقة الترددات اللاسلكية ذو النطاق العريض؟
يغطي مضخم طاقة الترددات اللاسلكية ذو النطاق العريض نطاق تردد واسع نسبيًا باستخدام مضخم واحد.
تتمثل الميزة الرئيسية في البساطة. فبدلاً من التبديل بين عدة مضخمات أثناء مسح التردد، يمكن لبرنامج الاختبار الاستمرار في استخدام نفس مسار التردد اللاسلكي عبر جزء أكبر من نطاق اختبار المناعة.
هذا قد يقلل مما يلي:
* التبديل بترددات الراديو
* مساحة الرفوف
* تعقيد التحكم
* كابلات التوصيل البيني
* انتقالات المعايرة
* عدد طرازات مكبرات الصوت التي يجب صيانتها
بالنسبة لمختبرات التوافق الكهرومغناطيسي التي تجري اختبارات ذات قوة مجال متوسطة، يمكن أن يوفر مكبر الصوت ذو النطاق العريض حلاً صغير الحجم ومريحاً.
مع ذلك، غالباً ما ينطوي التغطية الواسعة للترددات على بعض التنازلات. فقد لا يوفر مضخم النطاق العريض نفس القدرة أو الكفاءة عبر نطاق تشغيله الكامل.
يمكن أن يحدد أدنى خرج متاح عند التردد الأكثر صعوبة ما إذا كان مكبر الصوت مناسبًا للاختبار.
ما هو نظام مكبر الصوت متعدد النطاقات؟
يقوم نظام المناعة الكهرومغناطيسية متعدد النطاقات بتقسيم نطاق التردد المطلوب بين اثنين أو أكثر من مكبرات طاقة الترددات اللاسلكية.
على سبيل المثال، يمكن استخدام أقسام مكبر الصوت المنفصلة من أجل:
* ترددات VHF و UHF المنخفضة
* من 1 جيجاهرتز إلى عدة جيجاهرتز
* ترددات الميكروويف الأعلى
تم تحسين كل مضخم صوت لنطاق تردد أضيق.
يسمح هذا عادةً للنظام بتوفير طاقة ترددات لاسلكية قابلة للاستخدام بشكل أكبر في كل نطاق مقارنةً بمضخم واحد يحاول تغطية النطاق بأكمله.
تقوم مصفوفة تبديل الترددات اللاسلكية أو وحدة التحكم الآلية باختيار المضخم المناسب مع تغير تردد الاختبار.
يُستخدم النهج نفسه غالبًا مع هوائيات التوافق الكهرومغناطيسي. يمكن دمج هوائي ثنائي المخروط أو هوائي لوغاريتمي دوري منخفض التردد مع هوائي بوق مزدوج الحواف عالي التردد.
تغطية التردد مقابل الطاقة المتاحة
تتمثل الميزة الأكثر وضوحًا لمضخم النطاق العريض في تغطية التردد.
يمكن لوحدة واحدة أن تبسط عملية الاختبار عبر نطاق واسع، لكن تغطية التردد وحدها لا تكفي.
المواصفات الرئيسية هي:
ما مقدار طاقة الخرج القابلة للاستخدام المتاحة عند كل تردد مطلوب؟
قد يتم تسويق مضخم الصوت على أنه يغطي نطاقًا واسعًا جدًا بينما ينتج طاقة أقل بكثير بالقرب من أحد طرفي النطاق.
هذا الأمر مهم لأن أنظمة المناعة ضد الإشعاع عادة ما تكون محدودة بأسوأ تردد بدلاً من الحالة المتوسطة.
عند تردد معين، قد يستفيد النظام مما يلي:
* كسب هوائي عالي
* نسبة موجة واقفة منخفضة
* فقدان منخفض للجهد عبر الكابل
* خرج مكبر صوت عالي
عند تردد آخر، قد تصبح جميع الشروط الأربعة أقل ملاءمة.
يسمح نظام مكبر الصوت متعدد النطاقات بتركيز طاقة إضافية حيثما تكون مطلوبة فعلياً.
تشرح المقالة " العلامات الشائعة لعدم كفاية طاقة مكبر الترددات اللاسلكية في اختبار التوافق الكهرومغناطيسي" كيف تظهر مناطق التردد الضعيفة هذه أثناء المعايرة الميدانية.
الكفاءة والأداء الحراري
تولد مضخمات الترددات اللاسلكية عالية الطاقة حرارة.
عندما يعمل مضخم نطاق ترددي واسع جدًا، قد تختلف كفاءته اختلافًا كبيرًا باختلاف التردد. وقد تتطلب بعض أجزاء النطاق تشغيل المضخم بالقرب من أقصى قدرة له لمجرد تحقيق شدة المجال المطلوبة.
يمكن لنظام متعدد النطاقات استخدام مضخمات صوت مُحسّنة لكل نطاق، مما قد يُحسّن ما يلي:
كفاءة الترددات اللاسلكية
* الأداء الحراري
* القدرة على التشغيل المستمر
هامش القوة
* عمر المكونات
يصبح هذا الأمر ذا أهمية متزايدة لاختبارات مناعة التوافق الكهرومغناطيسي ذات قوة المجال العالية حيث قد تعمل المضخمات لفترات طويلة أثناء عمليات المسح الآلية.
قد يتعرض النظام الذي يصل إلى المجال المستهدف أثناء معايرة قصيرة ولكنه يعمل باستمرار بالقرب من الضغط لانحراف في الإخراج أو للحماية الحرارية أثناء الاختبار الفعلي.
تعقيد النظام
تتمتع مضخمات النطاق العريض بميزة واضحة في بساطة النظام.
قد يتطلب مكبر الصوت الواحد مسار تردد لاسلكي رئيسي واحد فقط بين مولد الإشارة وهوائي الإرسال.
قد يحتاج نظام متعدد النطاقات إلى:
* عدة مضخمات ترددات لاسلكية
* مفاتيح إدخال الترددات اللاسلكية
* مفاتيح إخراج عالية الطاقة
* وصلات اتجاهية إضافية
* المزيد من كابلات الترددات اللاسلكية
* واجهات تحكم متعددة
* بيانات معايرة منفصلة لكل مسار
وهذا يزيد من عدد المكونات التي يجب تهيئتها وصيانتها.
تستطيع برامج التوافق الكهرومغناطيسي الحديثة أتمتة تبديل المضخمات والهوائيات، لذا فإن التعقيد الإضافي لا يزيد بالضرورة من عبء العمل على المشغل أثناء الاختبارات العادية. إلا أنه يزيد من متطلبات هندسة النظام.
بالنسبة لمختبر صغير قبل الامتثال، قد تكون البساطة أكثر قيمة من أقصى كفاءة في استخدام الطاقة.
بالنسبة لمختبر امتثال كامل يغطي معايير متعددة ومستويات اختبار عالية، قد تكون المرونة الإضافية لبنية متعددة النطاقات أكثر فائدة.
العلاقة مع اختيار هوائي التوافق الكهرومغناطيسي
ينبغي التخطيط لنطاقات تردد المضخم والهوائي معًا.
يحدد هوائي الإرسال مدى كفاءة تحويل خرج المضخم إلى قوة المجال الكهربائي.
على سبيل المثال، يغطي الهوائي الدوري اللوغاريتمي 1313-2-80M1G نطاق 80 ميجاهرتز إلى 1 جيجاهرتز وهو مخصص لتوليد مجال عالي الكثافة.
عند الترددات الأعلى، يغطي هوائي OBH-08180 ذو النطاق العريض ذو القرن المزدوج نطاق 0.8 جيجاهرتز إلى 18 جيجاهرتز ويوفر كسبًا اتجاهيًا متزايدًا عبر نطاق الميكروويف.
تتداخل هذه الهوائيات في التردد، مما يمنح مصمم النظام بعض المرونة عند اختيار نقاط تقاطع المضخم.
لا يشترط أن يحدث التقاطع بالضبط في نهاية نطاق التردد المحدد للهوائي.
بدلاً من ذلك، يمكن اختياره عند وجود مجموعة من:
* خرج مكبر الصوت
* كسب الهوائي
* نسبة الموجة المرتدة للهوائي
* فقدان الكابل
* توحيد المجال
يوفر توليد المجال الأكثر كفاءة.
هذا أحد الأسباب التي تجعل هوائيات النطاق العريض قادرة على تحسين كفاءة اختبار التوافق الكهرومغناطيسي دون الحاجة بالضرورة إلى إلغاء الحاجة إلى مكبرات ترددات الراديو المتعددة.
هامش الطاقة واختبار المجال العالي
تصبح مضخمات الصوت متعددة النطاقات أكثر جاذبية مع زيادة قوة المجال المطلوبة.
تزداد شدة المجال الكهربائي مع الجذر التربيعي لقدرة الترددات الراديوية. ولذلك، قد يتطلب توليد مستويات أعلى بكثير من V/m زيادة كبيرة في قدرة المُضخِّم.
قد لا يوفر مضخم النطاق العريض الكافي لاختبار 3 فولت/متر أو 10 فولت/متر هامشًا كافيًا لمستويات المناعة الأعلى.
إن استخدام نطاقات مكبرات الصوت المخصصة يسهل زيادة الطاقة فقط عند الضرورة.
على سبيل المثال، إذا كان النظام يتطلب طاقة أكبر بكثير تحت 1 جيجاهرتز بسبب انخفاض كسب الهوائي، فلا فائدة تذكر من شراء نفس القدرة العالية للطاقة عبر نطاق الميكروويف بأكمله.
تم شرح العلاقة بين طاقة الترددات اللاسلكية وكسب الهوائي ومسافة الاختبار في كيفية تحديد قوة المجال بواسطة طاقة المضخم وكسب الهوائي ومسافة الاختبار.
الموثوقية والصيانة
يحتوي نظام النطاق العريض على عدد أقل من مكونات الترددات اللاسلكية الرئيسية، مما قد يبسط عملية الصيانة.
يوجد عدد أقل:
* مكبرات الصوت
* مفاتيح الترددات اللاسلكية
* كابلات التوصيل البيني
* قنوات التحكم
أنظمة التبريد
مع ذلك، يُمثل مُضخّم النطاق العريض نقطة ضعف رئيسية. فإذا كان هذا المُضخّم غير مُتاح، فقد يصبح جزء كبير من نطاق اختبار المناعة غير قابل للاستخدام.
يوفر النظام متعدد النطاقات بعض الفصل التشغيلي. قد يسمح عطل في نطاق مكبر صوت واحد بإجراء الاختبار في نطاقات تردد أخرى.
كما يسمح بترقية أقسام مكبر الصوت الفردية دون استبدال نظام التضخيم بالكامل.
بالنسبة للمختبرات التي تتوقع أن تتوسع متطلبات الاختبار بمرور الوقت، يمكن أن تكون هذه المرونة مفيدة.
ينبغي تقييم التكلفة على مستوى النظام
قد يبدو مضخم النطاق العريض الواحد أقل تكلفة لأنه يتطلب عددًا أقل من الوحدات.
لكن سعر شراء مكبر الصوت ليس سوى جزء من تكلفة النظام.
ينبغي أن تتضمن المقارنة الكاملة ما يلي:
* طاقة خرج الترددات اللاسلكية المطلوبة
* مفاتيح ترددات لاسلكية عالية الطاقة
* الكابلات والموصلات
* مساحة الرفوف
* التبريد
* أجهزة التحكم
* المعايرة
* اعمال صيانة
* توسيع نطاق التردد في المستقبل
قد يكون مضخم النطاق العريض عالي الطاقة أغلى ثمناً من اثنين أو ثلاثة مضخمات مُحسَّنة لنطاقات أضيق.
وعلى العكس من ذلك، بالنسبة لمستويات الاختبار المعتدلة، فإن المفاتيح والأجهزة الإضافية المطلوبة لنظام متعدد النطاقات قد تجعل مضخم النطاق العريض أكثر اقتصادية.
أفضل تصميم معماري هو الذي يحقق المجال المعاير المطلوب بهامش كافٍ عبر نطاق التردد الكامل.
متى يكون استخدام مضخم النطاق العريض أكثر جدوى
يكون مضخم الترددات اللاسلكية ذو النطاق العريض أكثر جاذبية بشكل عام عندما:
* قوة المجال المطلوبة متوسطة.
* تغطية الترددات الواسعة أهم من الطاقة القصوى.
* مساحة الرفوف محدودة.
* يُفضّل استخدام الأتمتة البسيطة.
* يقوم المختبر بإجراء اختبارات ما قبل الامتثال.
* يجب تقليل تبديل مكبر الصوت إلى الحد الأدنى.
* متطلبات الطاقة متسقة نسبياً عبر النطاق.
متى تصبح مضخمات الصوت متعددة النطاقات أكثر منطقية
عادةً ما تكون بنية مكبر الصوت متعدد النطاقات أكثر ملاءمة عندما:
* يلزم وجود قوة مجال عالية.
* يغطي الاختبار نطاق تردد واسع للغاية.
* تختلف متطلبات الطاقة بشكل كبير باختلاف التردد.
* يتم استخدام هوائيات مختلفة بالفعل لنطاقات تردد مختلفة.
* يلزم هامش ربح تشغيلي مرتفع.
* من المتوقع إجراء ترقيات مستقبلية.
* يتم إجراء اختبارات الامتثال الكاملة بانتظام.
* يُعد التشغيل المستمر عالي الطاقة أمرًا مهمًا.
عملياً، تستخدم العديد من أنظمة المناعة الكاملة ضد التداخل الكهرومغناطيسي بنية مضخم متعدد النطاقات مقترنة بهوائيات واسعة النطاق . وهذا يوفر كفاءة الطاقة للتضخيم الخاص بالتردد مع الحد من عدد تغييرات الهوائي.
ينبغي أن يعتمد تكوين المضخم النهائي على متطلبات قوة المجال الفعلية، وكسب الهوائي، ونسبة الموجة الموقوفة، ومسافة الاختبار، وفقدان مسار الترددات اللاسلكية، ومعايرة الغرفة بدلاً من تغطية التردد وحدها.
