في اختبار المناعة الإشعاعية، لا يتم تحديد المجال الكهربائي المطبق على المعدات قيد الاختبار بواسطة طاقة مكبر الترددات اللاسلكية وحدها.
تعتمد قوة المجال التي يمكن تحقيقها على ثلاثة عوامل رئيسية: طاقة الترددات اللاسلكية التي يتم توصيلها إلى الهوائي، وكسب الهوائي، والمسافة بين هوائي الإرسال ومنطقة الاختبار.
هذه المعايير مترابطة ترابطًا وثيقًا. فزيادة قدرة المُضخِّم قد ترفع من شدة المجال، ولكن تغيير كسب الهوائي أو مسافة الاختبار قد يكون له تأثير بالغ الأهمية. ولهذا السبب، ينبغي تصميم أنظمة المناعة ضد الإشعاع كسلسلة ترددات لاسلكية متكاملة، بدلًا من اختيار مُضخِّم بناءً على القدرة الكهربائية فقط.
يتضمن نظام اختبار المناعة الإشعاعية النموذجي IEC 61000-4-3 مولد إشارة ترددات الراديو، ومضخم طاقة ترددات الراديو، ومقرن اتجاهي، وهوائي إرسال، ومسبار ميداني، وغرفة عديمة الصدى، وبرنامج تحكم الاختبار.
العلاقة الأساسية لقوة المجال
للحصول على تقدير أولي للمجال البعيد، يمكن التعبير عن شدة المجال الكهربائي على النحو التالي:
E = √(30 × P × G) / r
حيث:
* E = شدة المجال الكهربائي بوحدة فولت/متر
* P = قدرة التردد اللاسلكي المُوَصَّلة إلى الهوائي بالواط
* G = كسب الهوائي كنسبة خطية
* r = المسافة بين الهوائي ومنطقة الاختبار بالأمتار
إذا تم إعطاء كسب الهوائي بوحدة ديسيبل، فيجب أولاً تحويله إلى قيمة خطية:
G = 10^(الكسب بالديسيبل / 10)
على سبيل المثال، الهوائي ذو كسب 7.5 ديسيبل يكون له كسب خطي يبلغ حوالي 5.62.
تُفيد هذه المعادلة في تقدير متطلبات طاقة الترددات الراديوية أثناء تصميم نظام التوافق الكهرومغناطيسي. مع ذلك، فهي تفترض ظروفًا مثالية في الفضاء الحر. يجب التحقق من متطلبات الطاقة الفعلية داخل غرفة عديمة الصدى أو شبه عديمة الصدى من خلال معايرة ميدانية.
كيف تؤثر قدرة مكبر الصوت على قوة المجال؟
تزداد قوة المجال الكهربائي مع الجذر التربيعي لقدرة الترددات الراديوية.
هذا يعني أن مضاعفة طاقة المضخم لا تؤدي إلى مضاعفة قوة المجال.
إذا لم يتغير كسب الهوائي ومسافة الاختبار:
* طاقة التردد اللاسلكي 2× تعطي قوة مجال تبلغ حوالي 1.41×.
* طاقة التردد اللاسلكي 4× تعطي قوة مجال تبلغ حوالي 2×.
* طاقة التردد اللاسلكي 9× تعطي قوة مجال تبلغ حوالي 3×.
تصبح هذه العلاقة مهمة عند زيادة مستوى اختبار المناعة ضد الإشعاع.
إذا كان النظام يتطلب 50 واط عند الهوائي لتوليد 10 فولت/متر، فمن الناحية النظرية سيتطلب الأمر حوالي 200 واط لتوليد 20 فولت/متر في ظل نفس الظروف.
إن الوصول إلى 30 فولت/متر بدلاً من 10 فولت/متر سيتطلب ما يقرب من تسعة أضعاف طاقة الترددات اللاسلكية.
هذا أحد الأسباب التي تجعل أنظمة المناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي عالي المجال تتطلب مضخمات مصنفة بقدرة عدة مئات من الواط أو أكثر.
تُعد زيادة طاقة مكبر الصوت مفيدة، ولكنها غالباً ما تكون مكلفة وقد تزيد أيضاً من متطلبات التبريد، وإجهاد الطاقة المنعكسة، وتصنيفات طاقة الكابلات، ومتطلبات معالجة طاقة الهوائي.
كيف يؤثر كسب الهوائي على متطلبات الطاقة
يصف كسب الهوائي مدى فعالية توجيه الهوائي لطاقة الترددات اللاسلكية نحو منطقة الاختبار.
بالنسبة لنفس خرج مكبر الصوت، يمكن للهوائي ذي الكسب الأعلى عمومًا أن ينتج مجالًا أقوى في شعاعه الرئيسي.
يغطي الهوائي اللوغاريتمي الدوري 1313-2-80M1G نطاق تردد من 80 ميجاهرتز إلى 1 جيجاهرتز، ويبلغ متوسط كسبه حوالي 7.5 ديسيبل. وهو مصمم لقياس التوافق الكهرومغناطيسي وتوليد مجال ترددات لاسلكية عالي الكثافة.
باستخدام العلاقة المبسطة، فإن الهوائي ذو كسب 7.5 ديسيبل يتطلب طاقة أقل بكثير من الهوائي ذي الكسب المنخفض لتوليد نفس المجال على نفس المسافة.
زيادة الكسب بمقدار 3 ديسيبل تقريبًا تعادل ضعف كسب الهوائي الخطي تقريبًا.
من الناحية العملية:
* يمكن نظرياً أن يؤدي كسب الهوائي +3 ديسيبل إلى تقليل طاقة الترددات اللاسلكية المطلوبة بنحو النصف.
* يمكن أن يؤدي كسب الهوائي +6 ديسيبل إلى تقليل الطاقة المطلوبة إلى حوالي الربع.
* قد يتطلب انخفاض الكسب بمقدار 3 ديسيبل ضعف طاقة التردد اللاسلكي تقريبًا.
ولهذا السبب، قد يكون اختيار هوائي EMC الصحيح أكثر فعالية في بعض الأحيان من مجرد تركيب مضخم صوت أكبر.
ومع ذلك، لا يمكن اعتبار كسب الهوائي بمعزل عن غيره.
عادةً ما يعني الكسب الأعلى حزمة إشعاع أضيق. أثناء اختبار المناعة الإشعاعية، يجب أن يغطي المجال الكهرومغناطيسي منطقة اختبار محددة بدلاً من نقطة واحدة فقط.
قد يُنتج هوائي عالي الكسب مجالًا قويًا في مركز منطقة الاختبار، ولكنه قد يُنتج مجالًا ضعيفًا عند الحواف. لذا، يجب تقييم كسب الهوائي، وعرض الحزمة، وحجم الجهاز قيد الاختبار، ومتطلبات تجانس المجال معًا.
لماذا تُعد مسافة الاختبار مهمة؟
تؤثر مسافة الاختبار بشكل كبير على قوة المجال.
في العلاقة المبسطة للمجال البعيد، تنخفض قوة المجال تقريبًا بما يتناسب مع المسافة.
إذا تضاعفت المسافة بين الهوائي والجهاز قيد الاختبار بينما تظل القدرة وكسب الهوائي دون تغيير، فإن قوة المجال تنخفض إلى النصف تقريبًا.
يتطلب الحفاظ على نفس قوة المجال على مسافة ضعف المسافة ما يقرب من أربعة أضعاف طاقة الترددات اللاسلكية.
على سبيل المثال، إذا كان النظام يتطلب 100 واط لتحقيق مجال مستهدف على مسافة 3 أمتار، فقد يتطلب نظام مماثل نظريًا حوالي 400 واط على مسافة 6 أمتار.
تُعد هذه العلاقة ذات أهمية خاصة عند تصميم غرف اختبار التوافق الكهرومغناطيسي الأكبر حجماً من أجل:
* المعدات الصناعية
* خزائن كهربائية
* أنظمة السيارات
* معدات طبية كبيرة
* أنظمة الطائرات بدون طيار
معدات تحويل الطاقة
قد تسهل مسافة الاختبار الأكبر إضاءة جهاز الاختبار الكبير بشكل موحد، ولكن زيادة متطلبات طاقة الترددات اللاسلكية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على حجم مكبر الصوت والتكلفة الإجمالية للنظام.
لذلك ينبغي مراعاة مسافة الاختبار عند تصميم غرفة التوافق الكهرومغناطيسي ونظام المناعة ضد الترددات اللاسلكية في البداية، وليس بعد اختيار المضخم بالفعل.
يتغير كسب الهوائي بتغير التردد
لا يوفر هوائي EMC ذو النطاق العريض نفس الكسب عبر نطاق تشغيله بالكامل.
على سبيل المثال، يغطي هوائي OBH-08180 ذو النطاق العريض ذو القرن المزدوج نطاق التردد من 0.8 جيجاهرتز إلى 18 جيجاهرتز، مع زيادة الكسب عبر نطاق التردد.
عند الترددات التي يكون فيها كسب الهوائي أعلى، يمكن لمضخم الترددات الراديوية نفسه إنتاج مجال كهربائي أقوى. أما عند الترددات التي يكون فيها الكسب أقل، فيلزم طاقة ترددات راديوية أكبر.
وهذا يخلق أحد التحديات الشائعة في اختبار المناعة الإشعاعية واسعة النطاق.
قد يمتلك المضخم طاقة كافية عند تردد 5 جيجاهرتز، ولكنه قد يواجه صعوبة في الوصول إلى المجال المطلوب عند تردد أقل حيث:
* كسب الهوائي أقل
* نسبة الموجة المرتدة للهوائي أعلى
* يكون فقد الكابل أكبر
* تجانس مجال الغرفة أضعف
لذلك ينبغي تحديد حجم نظام المناعة ضد التداخلات اللاسلكية بناءً على نقاط التردد الصعبة بدلاً من متوسط كسب الهوائي.
ولهذا السبب أيضاً ينبغي مراجعة نطاق التردد، والكسب، ونسبة الموجة الموقوفة، وقدرة معالجة الطاقة لهوائي التوافق الكهرومغناطيسي معاً.
يؤدي فقدان الطاقة في كابل الترددات اللاسلكية إلى تقليل طاقة الهوائي المتاحة
تستخدم معادلة قوة المجال طاقة الترددات اللاسلكية التي تصل فعليًا إلى الهوائي.
قد يكون خرج المضخم المقدر أعلى بكثير من طاقة إدخال الهوائي لأن إشارة الترددات اللاسلكية تمر عبر مكونات أخرى قبل الوصول إلى الهوائي.
قد يتضمن مسار الترددات اللاسلكية النموذجي ما يلي:
* كابل محوري
* وصلة اتجاهية
مفتاح الترددات اللاسلكية
* الموصلات
* محولات
* منافذ توصيل الحجرة
يُسبب كل مكون فقدًا في الإدخال.
على سبيل المثال، إذا كان مسار الإرسال الكامل يعاني من فقدان 3 ديسيبل، فإن حوالي نصف طاقة خرج مكبر الصوت فقط تصل إلى الهوائي.
وبالتالي، فإن مكبر الصوت بقدرة 200 واط سيوفر حوالي 100 واط بعد خسارة إجمالية قدرها 3 ديسيبل.
يصبح فقد الإشارة في الكابلات ذا أهمية خاصة عند ترددات الميكروويف. فالكابل الذي يعمل بكفاءة عالية عند ترددات أقل من 1 جيجاهرتز قد يتسبب في فقدان إشارة أكبر بكثير عند ترددات 6 جيجاهرتز أو 10 جيجاهرتز أو 18 جيجاهرتز.
يمكن أحيانًا زيادة قوة المجال دون تغيير المضخم باستخدام كابلات الترددات اللاسلكية الأقصر ذات الفقد المنخفض وتقليل المحولات غير الضرورية.
للحصول على حجم دقيق للنظام، استخدم الطاقة المتوقعة عند مدخل الهوائي ، وليس فقط مخرج لوحة اسم مكبر الصوت.
نسبة الموجة المرتدة والطاقة المنعكسة
يؤثر الهوائي أيضًا على مقدار طاقة الترددات اللاسلكية المتاحة التي يتم تحويلها إلى طاقة مشعة.
إذا لم تتطابق مقاومة الهوائي بشكل وثيق مع نظام الترددات اللاسلكية 50 أوم، فإن بعض الطاقة تنعكس مرة أخرى باتجاه المضخم.
يُشار إلى هذا التباين عادةً بمؤشر VSWR.
قد يؤدي ارتفاع نسبة الموجة المرتدة (VSWR) إلى:
* انخفاض الطاقة الواصلة إلى الهوائي
* انخفاض شدة المجال الكهربائي
* طاقة منعكسة أكبر
* حماية مكبر الصوت أو خفض مستوى الإخراج
* زيادة التدفئة
* انخفاض هامش قدرة النظام
لذلك قد يبدو أن المضخم يتمتع بقدرة مصنفة كافية ولكنه قد يفشل في توليد المجال المطلوب عند الترددات التي تكون فيها نسبة الموجة الموقوفة للهوائي ضعيفة.
ينبغي مراعاة منحنى VSWR الكامل عند حساب متطلبات طاقة مناعة الترددات اللاسلكية.
إن قيمة واحدة في الكتالوج مثل "VSWR < 2:1 نموذجي" لا توضح كيف يتصرف الهوائي عند كل تردد.
يؤدي توحيد الملعب إلى تغيير المتطلبات الحقيقية
لا يقتصر اختبار المناعة الإشعاعية عادةً على تقييم المجال عند نقطة واحدة فقط.
قبل اختبار الجهاز قيد الاختبار، تتم معايرة المجال الكهرومغناطيسي عبر منطقة محددة. يقيس مسبار المجال المجال الكهربائي في عدة مواضع بينما يقوم النظام بضبط طاقة الترددات اللاسلكية المطبقة.
قد تكون الطاقة المطلوبة لتحقيق توحيد المجال أعلى بكثير من الطاقة النظرية اللازمة لتوليد المجال المستهدف في مركز شعاع الهوائي.
يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية بشكل خاص عندما:
* يتميز الهوائي بكسب عالٍ وعرض حزمة ضيق.
* الجهاز قيد الاختبار كبير.
* الهوائي قريب من مستوى الاختبار.
* معدل تكرار الاختبار مرتفع.
* يحد شكل الحجرة من وضعية الهوائي.
لذلك فإن عرض حزمة الهوائي وتجانس المجال لا يقلان أهمية عن أقصى قوة للمجال.
تشرح المقالة " تطبيقات هوائيات البوق ذات الحواف المزدوجة في اختبار التوافق الكهرومغناطيسي" كيف يؤثر كسب هوائي البوق وعرض الحزمة على اختبار التوافق الكهرومغناطيسي عالي التردد.
لماذا يختلف قياس شدة المجال عن حسابها
تُعد معادلة قوة المجال المبسطة مفيدة لمقارنة خيارات المضخم والهوائي ومسافة الاختبار، ولكن القيمة المحسوبة نادراً ما تتطابق تماماً مع معايرة الغرفة النهائية.
تتأثر النتيجة الفعلية بما يلي:
* تغير كسب الهوائي
* نسبة الموجة المرتدة للهوائي
* فقدان كابل الترددات اللاسلكية
* فقدان الموصل الاتجاهي
* انعكاسات الغرفة
* أداء الممتص
* ارتفاع الهوائي ومحاذاته
* الاستقطاب
* موضع مسبار الحقل
متطلبات توحيد الحقل
على سبيل المثال، قد تشير الحسابات الأولية إلى أن 20 واط كافية لتوليد المجال المطلوب. أثناء المعايرة، قد يتطلب النظام الفعلي 30 واط أو 50 واط أو أكثر عند بعض الترددات.
هذا الاختلاف طبيعي لأن غرفة التوافق الكهرومغناطيسي الكاملة لا تتصرف مثل الفضاء الحر المثالي.
لذلك ينبغي أن يتضمن المضخم هامش تشغيل كافٍ بدلاً من اختياره بحيث يكون المتطلب المحسوب مساوياً لأقصى خرج له.
استخدام القدرة والكسب والمسافة أثناء تصميم النظام
عندما لا يستطيع نظام المناعة ضد الإشعاع الوصول إلى قوة المجال المطلوبة، فإن زيادة طاقة المضخم ليست سوى حل واحد ممكن.
يجب فحص الإعداد بالكامل للتأكد من:
* خرج مكبر الصوت غير كافٍ
* كسب هوائي منخفض
* فقدان مفرط في كابل الترددات اللاسلكية
* نسبة موجة واقفة عالية للهوائي
* محاذاة غير صحيحة للهوائي
* مسافة اختبار مفرطة
* ضعف تجانس المجال
* اختيار هوائي غير صحيح لهذا التردد
على سبيل المثال، إذا حدث نقص المجال فقط بالقرب من الطرف الأدنى لهوائي النطاق العريض، فإن التبديل إلى هوائي مختلف ذي كسب أعلى في هذا النطاق قد يتطلب استثمارًا أقل من تركيب مضخم أكبر بكثير.
وبالمثل، فإن استبدال كابل الترددات اللاسلكية عالي الفقد قد يؤدي إلى استعادة عدة ديسيبلات من طاقة النظام.
يتم تحديد الحل الأمثل من خلال مسار الترددات اللاسلكية الكامل.
التخطيط العملي لقوة المجال
قبل اختيار مضخم طاقة الترددات اللاسلكية وهوائي الإرسال، تأكد مما يلي:
* شدة المجال المطلوبة بوحدة فولت/متر
* نطاق تردد الاختبار
* المسافة بين الهوائي والجهاز قيد الاختبار
* كسب الهوائي مقابل التردد
* عرض حزمة الهوائي
* نسبة الموجة المرتدة للهوائي
* فقد الإدخال في الكابل ومفتاح الترددات اللاسلكية
* خرج مكبر الصوت مقابل التردد
* قدرة تحمل طاقة الهوائي
* منطقة الاختبار المطلوبة
أبعاد الجهاز الخاضع للاختبار
* أداء ممتص الصدمات في الحجرة
* توحيد الحقل المطلوب
* هامش طاقة الترددات اللاسلكية المتاح
ينبغي تصميم نظام قياس التوافق الكهرومغناطيسي بحيث يعمل المضخم والهوائي والحجرة وكابلات الترددات اللاسلكية ومسبار المجال ونظام التحكم معًا عبر نطاق الاختبار الكامل.
توفر الحسابات النظرية نقطة انطلاق مفيدة، لكن المرجع النهائي لاختبار المناعة الإشعاعية هو دائمًا المجال الكهربائي المعاير الناتج عن النظام الكامل.
