הפרעה אלקטרומגנטית

הפרעה אלקטרומגנטית (באנגלית: Electromagnetic Interference, או EMI) היא הפרעה שנוצרת על ידי מקור חיצוני ומשפיעה על מעגל חשמלי, על ידי השראה אלקטרומגנטית, צימוד אלקטרוסטטי או הולכה פשוטה. ההפרעה עלולה לפגוע בביצועי המעגל או אפילו לעצור אותו מלפעול. במקרה של העברת נתונים בעזרת חשמל, ההשלכות של הפרעות אלה יכולות לנוע בין עלייה בשיעור השגיאה לבין אובדן מוחלט של הנתונים. גם מקורות מעשה ידי אדם וגם מקורות טבעיים יוצרים שינויים בזרמים ובמתחים חשמליים שיכולים לגרום להפרעה אלקטרומגנטית: מערכות הצתה, רשתות סלולריות של טלפונים ניידים, ברקים, התפרצויות שמש, ואף תופעות זוהר צפוני. הפרעות אלקטרומגנטיות משפיעות לעיתים קרובות על שידורי AM בשל האופי האנלוגי שלהם, אך יכולות להשפיע גם על טלפונים ניידים, רדיו FM, וטלוויזיות, כמו גם על תצפיות אסטרונומיות המבוססות על רדיו ועל תצפיות של מדעי האטמוספירה. ניתן להשתמש בהפרעות אלקטרומגנטיות גם בכוונה לשיבוש רדיו, כמו שנעשה בלוחמה אלקטרונית. מאז הימים הראשונים של תקשורת הרדיו, הורגשו ההשפעות השליליות של הפרעות משידורים מכוונים ושידורים לא מכוונים וגבר הצורך לנהל את ספקטרום תדרי הרדיו. בשנת 1933, פגישה של הנציבות הבין-לאומית לאלקטרוטכניקה (IEC) בפריז המליצה על הקמת הוועדה המיוחדת הבינלאומית להפרעות רדיו (CISPR) כדי לטפל בבעיה המתהווה של הפרעות אלו. לאחר מכן הוציאה CISPR פרסומים טכניים המכסים טכניקות מדידה ובדיקה של ההפרעות, בנוסף למגבלות שידור מומלצות. אלה התפתחו במשך עשרות שנים ומהווים את הבסיס לחלק גדול מתקנות ה-EMC (בראשי תיבות: Electormagnetic Compability) בעולם כיום. בשנת 1979, הוטלו מגבלות חוקיות על פליטות אלקטרומגנטיות מכל הציוד הדיגיטלי על ידי ה-FCC בארצות הברית בתגובה למספר הגדל של מערכות דיגיטליות שהפריעו לתקשורת קווית ורדיו. שיטות ומגבלות בדיקה התבססו על פרסומי ה-CISPR, אם כי מגבלות דומות כבר נאכפו בחלקים מאירופה. באמצע שנות ה-80, המדינות החברות באיחוד האירופי אימצו מספר הנחיות מתוך כוונה לנסח דרישות טכניות למוצרים כך שלא יהפכו לחסם לסחר בתוך הנציבות האירופית. אחת מהן הייתה הוראת הקהילה הכלכלית האירופית (89/336/EC) משנת 1989, שחלה על כל הציוד שהוצא לשוק או הוכנס לשימוש. היקפו מכסה את כל המכשירים "העלולים לגרום להפרעה אלקטרומגנטית או שביצועיהם עלולים להיות מושפעים מהפרעה כזו". זו הייתה הפעם הראשונה שבה הוצבה דרישה חוקית לחסינות אלקטרומגנטית, כמו גם לפליטות אלקטרומגנטיות, על מכשירים המיועדים לכלל האוכלוסייה. אף על פי שעשויות להיות עלויות נוספות הקשורות למוצרים מסוימים כדי להעניק להם רמת חסינות כלשהי, החוק הגדיל את האיכות הנתפסת של מוצרים מכיוון שהם היו מסוגלים לפעול בקרבה למכשירים חשמליים אחרים של העת המודרנית ועם פחות בעיות. למדינות רבות יש כיום דרישות דומות למוצרים כך שיעמדו ברמה מסוימת של תאימות אלקטרומגנטית (EMC). ניתן לסווג הפרעות אלקטרומגנטיות כדלקמן: הפרעות "פס צר", שבדרך כלל נובעות משידורים מכוונים כגון תחנות רדיו וטלוויזיה או טלפונים ניידים. הפרעות "פס רחב", שנובעות משידורים לא מכוונים ממקורות כגון קווי הולכה חשמליים. הפרעות אלקטרומגנטיות מוליכות נגרמות ממגע פיזי של המוליכים, בניגוד להפרעות אלקטרומגנטיות מוקרנות, הנגרמות על ידי השראה אלקטרומגנטית (ללא מגע פיזי של המוליכים). בהפרעות מושרות אלו, ההפרעות בשדה האלקטרומגנטי של המוליך לא מוגבלות עוד לפני השטח שלו ויוקרנו גם הרחק ממנו. השראות הדדית בין שני שדות אלקטרומגנטיים מוקרנים תגרום גם להפרעה אלקטרומגנטית. הפרעה במשמעות של "הפרעה אלקטרומגנטית", או במשמעות של "הפרעה בתדר רדיו" ("EMI" או "RFI") היא – על פי "סעיף 1.166" של תקנות הרדיו (RR - Radio Regulations) של איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי (ITU) – "השפעה של אנרגיה לא רצויה, עקב שילוב של פליטות, קרינות או השראות, על קליטה במערכת תקשורת רדיו, המתבטאת בפגיעה בביצועים, פרשנות שגויה או אובדן מידע שניתן לחלץ בהיעדר אנרגיה לא רצויה זו". זוהי גם הגדרה המשמשת מינהלי תדרים לשם הקצאות תדרים והקצאת ערוצי תדר לתחנות רדיו או למערכות, וכן לניתוח תאימות אלקטרומגנטית בין שירותי רדיו שונים. בהתאם לסעיף 1 של תקנות הרדיו, וריאציות של הפרעות מסווגות כדלקמן: הפרעה מותרת הפרעה מקובלת הפרעה מזיקה הפרעה אלקטרומגנטית מוליכה נגרמת ממגע פיזי של המוליכים, בניגוד להפרעה אלקטרומגנטית מוקרנת שנגרם על ידי השראה (ללא מגע פיזי של המוליכים). עבור תדרים נמוכים יותר, הפרעות אלקטרומגנטיות נגרמות בדרך כלל על ידי הולכה, ובתדרים גבוהים יותר, על ידי קרינה. הפרעה אלקטרומגנטית דרך כבל הארקה נפוצה מאוד גם באתרים חשמליים. הפרעות נוטות להיות מטרידות יותר בטכנולוגיות רדיו ישנות יותר, כגון אפנון משרעת (AM) אנלוגי, משום שאין להן דרך להבחין בין אותות לא רצויים לבין האות המיועד (באותה רצועת שידור), ובשל האנטנות הרב-כיווניות המשמשות מערכות שידור אלה. מערכות רדיו חדשות יותר משלבות מספר שיפורים המשפרים את הסלקטיביות. במערכות רדיו דיגיטליות, כגון Wi-Fi, ניתן להשתמש בטכניקות לתיקון שגיאות. ניתן להשתמש גם בטכניקות של ספקטרום פזור (spread spectrum) וקפיצת תדר (frequency hopping) - FHSS, בשילוב עם איתות אנלוגי ודיגיטלי כאחד כדי לשפר את ההתנגדות להפרעות. נוסף לכך, מקלט בעל כיווניות גבוהה, כגון אנטנה פרבולית, יכול לשמש לבחירת אות אחד בחלל, ללא כל אותות אחרים. הדוגמה הקיצונית ביותר לשידור דיגיטלי בספקטרום רחב (spread spectrum) עד כה היא טכנולוגיית UWB, המציעה שימוש בחלקים גדולים של ספקטרום הרדיו באמפליטודות נמוכות להעברת נתונים דיגיטליים ברוחב פס גבוה. UWB, אם נעשה בו שימוש בלעדי, יאפשר שימוש יעיל מאוד בספקטרום, אך מכשירים שמשתמשים בטכנולוגיה שאינה UWB עדיין לא מוכנים לחלוק את הספקטרום עם המערכת החדשה בגלל ההפרעות שהיא תגרום למקלטים שלהם. מקורות פוטנציאליים של הפרעות אלקטרומגנטיות והפרעות רדיו כוללים, בין השאר: סוגים שונים של משדרים, שנאים בפעמון, מצנמים, שמיכות חשמליות, מכשירי הדברה קוליים, קוטלי חרקים חשמליים, וכריות חימום. נוסף לאלה, צגי מחשב מיושנים מסוג CRT (שפופרת קרן קתודית), או טלוויזיות מסוג זה היושבות קרוב מדי אחת לשנייה עלולות לפעמים לגרום לאפקט "שלג", בשל האופי האלקטרומגנטי של טכנולוגיית CRT. הפרעה אלקטרומגנטית בתדר 2.4 גיגה-הרץ עלולה להיגרם ממכשירים אלחוטיים הפועלים בתקן ה-Wi-Fi מתתי-הסוגים 802.11b ו-802.11g, מהתקני Bluetooth, מצגי תינוקות (baby monitors), מטלפונים אלחוטיים ביתיים (cordless), וממכשירי מיקרוגל. מכשירים כגון מנועים חשמליים, שנאים, תנורי חימום, מנורות, ספקי כוח וכו', כולם גורמים להפרעות אלקטרומגנטיות במיוחד בזרמים מעל 2 אמפר. השיטה הרגילה המשמשת לדיכוי הפרעה היא על ידי חיבור נגד ולאחר מכן קבל (snubber netowork), על גבי זוג מגעים. אף על פי שזה עשוי להציע הפחתה צנועה בזרמים נמוכים מאוד, שיטה זו אינה פועלת בזרמים מעל 2 אמפר עם מגעים אלקטרומכניים. ספקי כוח ממותגים יכולים להיות מקור להפרעות אלקטרומגנטיות, אך הפכו פחות לבעיה מכיוון שטכניקות התכנון השתפרו, כגון שילוב של תיקון מקדם הספק. לרוב המדינות יש דרישות חוקיות המחייבות תאימות אלקטרומגנטית (EMC, או Electromagnetic compatibility): חומרה אלקטרונית וחשמלית עדיין חייבת לפעול כהלכה כשהיא נתונה לכמויות מסוימות של הפרעות אלקטרומגנטיות, ואסור לפלוט קרינה, שעלולה להפריע לציוד אחר (כגון מכשירי רדיו). איכות אותות רדיו ירדה לאורך המאה ה-21 בערך בדציבל אחד בשנה, ככל שהספקטרום הופך צפוף יותר ויותר. תופעה זו גורמת למירוץ בתעשיית הטלפונים הניידים, שכן חברות נאלצו להקים יותר מגדלים סלולריים (בתדרים חדשים) שגורמים לאחר מכן להפרעות יותר ובכך דורשות יותר השקעה מצד הספקים ושדרוגים תכופים של טלפונים ניידים כדי להתאים להפרעות. מעגלים משולבים הם לעיתים קרובות מקור להפרעות אלקטרומגנטיות, אך הם חייבים בדרך כלל להעביר (couple) את האנרגיה שלהם לאובייקטים גדולים יותר כגון צלעות קירור, לוחות מעגלים חשמליים וכבלים כדי להקרין באופן משמעותי. במעגלים משולבים, אמצעים חשובים להפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות הם: שימוש בקבלים "עוקפים" או "מנתקים" (decoupling capacitors) בכל מכשיר פעיל (מחוברים לאורך ספק הכוח, קרוב ככל האפשר למכשיר), בקרה של זמן העלייה של אותות במהירות גבוהה באמצעות נגדים סדרתיים, וסינון הפינים של ספק הכוח. מיגון (shielding) הוא בדרך כלל מוצא אחרון לאחר כישלון של טכניקות אחרות, בגלל העלות הנוספת של רכיבי מיגון כגון אטמים מוליכים. היעילות של הקרנה זו תלויה בגובה מעל האדמה (או בגובה מעל המעגל המודפס) ובאורך המוליך ביחס לאורך הגל של האות. בתדרים נמוכים יותר, כמו 133 MHz, הקרינה היא כמעט אך ורק באמצעות כבלי I/O. כל מוליך למחצה לא מוגן (למשל מעגל משולב) נוטה לפעול כגלאי עבור אותות רדיו הנמצאים בדרך כלל בסביבה הביתית (למשל טלפונים ניידים). גלאי כזה יכול לפרק את האפנון (demodulate) של תדר גל נושא של טלפון נייד בתדר גבוה (למשל, רצועות GSM850 ו-GSM1900, GSM900 ו-GSM1800) ולהפיק אות בתדר נמוך (למשל, 217 הרץ) לאחר הפירוק. פירוק זה מתבטא בזמזום לא רצוי שנשמע במכשירי שמע כגון מיקרופון, רמקול, רדיו לרכב, טלפונים וכו'. הוספת מסנני הפרעות מובנים או שימוש בטכניקות פריסה מיוחדות יכולה לעזור בעקיפת ההפרעות או בשיפור חסינות RF. חלק מהמעגלים המשולבים (למשל, LMV831-LMV834, MAX9724), מתוכננים לכלול מסנני RF משולבים או משתמשים בעיצוב מיוחד שעוזר להפחית כל פירוק (demodulation) של גלים בתדר גבוה. הפרעה אלקטרומגנטית ברדיו-אסטרונומיה, שבה היא מכונה בדרך כלל הפרעת תדר רדיו (Radio Frequency Interference, RFI), היא כל מקור שידור שנמצא בטווח התדרים הנצפה, מלבד המקורות השמימיים עצמם. מכיוון שמשדרים על כדור הארץ ובסביבתו יכולים להיות חזקים פי כמה מהאות האסטרונומי המעניין, הפרעה זו היא דאגה גדולה לביצועי רדיו-אסטרונומיה. מקורות טבעיים של הפרעות, כגון ברק והשמש, מכונים לעיתים קרובות גם כן RFI. חלק מרצועות התדר החשובים מאוד לרדיו-אסטרונומיה, כמו קו המימן ב-1420 MHz, מוגנים על ידי רגולציה (כלומר השידור בהן אסור). עם זאת, למצפי כוכבים רדיו-אסטרונומיים מודרניים כמו המערך הגדול מאוד (VLA) יש רוחב פס גדול מאוד עליו הם צופים. בגלל המרחב הספקטרלי המוגבל בתדרי הרדיו, לא ניתן להקצות לחלוטין את פסי התדרים הללו לרדיו-אסטרונומיה. לכן, מצפי כוכבים צריכים להתמודד עם הפרעות אלו בתצפיות שלהם. הטכניקות להתמודדות עם הפרעות רדיו נעות מסינון (פילטרים) בחומרה ועד אלגוריתמים מתקדמים בתוכנה. אחת הדרכים להתמודד עם משדרים חזקים היא לסנן לחלוטין את תדר המקור. זה למשל המקרה של מצפה הכוכבים LOFAR, המסנן את תחנות הרדיו FM בין 90 ל-110 MHz. חשוב להסיר מקורות הפרעות חזקים כאלה בהקדם האפשרי, מכיוון שהם עלולים "להרוות" את המקלטים הרגישים ביותר (מגברים וממירים אנלוגיים-לדיגיטליים), כלומר לגרום לתופעה שבה האות המתקבל חזק יותר ממה שהמקלט יכול להתמודד עמו. עם זאת, סינון רצועת תדרים מרמז שלעולם לא ניתן יהיה לצפות בתדרים אלו עם המכשיר. טכניקה נפוצה להתמודדות עם הפרעות רדיו באותו רוחב פס של התדר הנצפה, היא שימוש בזיהוי הפרעות בתוכנה. תוכנה כזו יכולה למצוא דגימות בזמן, בתדירות, או במרחב הזמן-תדר שהן מזוהמות על ידי מקור מפריע. לאחר מכן מתעלמים מדגימות אלו בניתוח נוסף של הנתונים שנצפו. תהליך זה מכונה לעיתים קרובות סימון נתונים (data flagging). מכיוון שרוב המשדרים משדרים אותות ברוחב פס קטן ואינם נוכחים באופן רציף בספקטרום כמו ברק, רוב הנתונים נשארים זמינים לניתוח האסטרונומי. עם זאת, סימון נתונים כזה אינו יכול לפתור בעיות עם משדרי פס רחב רציפים, כגון טחנות רוח, משדרי וידאו דיגיטליים (DVB) או משדרי אודיו דיגיטליים. דרך נוספת להתמודד עם הפרעות רדיו היא להחליט על הקמה של אזור "שקט" אלקטרומגנטית (Radio Quiet Zone, RQZ). אזור כזה הוא אזור מוגדר היטב המקיף מקלטים, שיש לו תקנות מיוחדות להפחתת רעש רדיו לטובת תצפיות רדיו אסטרונומיה בתוך האזור. התקנות עשויות לכלול ניהול מיוחד של הספקטרום או מגבלות צפיפות בשטף ההספק. ההגבלות בתוך האזור עשויים לכסות גם אלמנטים שאינם משדרי רדיו או התקני רדיו. אלה כוללים בקרות מטוסים ושליטה במכשירים המשדרים באופן לא מכוון, כגון מכשירים תעשייתיים, מדעיים ורפואיים, כלי רכב וקווי חשמל. ה-RQZ הראשון לרדיו-אסטרונומיה הוא אזור הרדיו השקט הלאומי של ארצות הברית (NRQZ), שהוקם בשנת 1958. לפני פיתוח ה-Wi-Fi, אחד מהיישומים הגדולים ביותר של רצועת ה-5 ג'יגה-הרץ הייתה מכ"ם מזג האוויר Terminal Doppler. ההחלטה להשתמש בספקטרום ה-5 ג'יגה-הרץ עבור Wi-Fi הושלמה בוועידת הרדיו העולמית בשנת 2003; עם זאת, הקהילה המטאורולוגית לא הייתה מעורבת בתהליך. המימוש הרופף שלאחר מכן והתצורה השגויה של מנגנון בחירת התדירות הדינאמית של המכ"ם (DFS) גרמו לשיבוש משמעותי בפעולות מכ"ם מזג האוויר במספר מדינות ברחבי העולם. בהונגריה, מערכת מכ"ם מזג האוויר הוכרזה כבלתי פעילה במשך יותר מחודש. בשל חומרת ההפרעות, שירותי מזג האוויר בדרום אפריקה נטשו בסופו של דבר את רצועת C (הרצועה המכסה את התדרים 4 עד 8 ג'יגה-הרץ), והעבירו את רשת המכ"ם שלהם לרצועת S. קרינה אלקטרומגנטית כלוב פאראדיי מקלט רדיו רעש (פיזיקה) זוג שזור מדיה וקבצים בנושא הפרעה אלקטרומגנטית בוויקישיתוף Based on the "interference" entry of The Concise Oxford English Dictionary, 11th edition, online Sue, M.K. "Radio frequency interference at the geostationary orbit". Jet Propulsion Laboratory. "Council Directive 89/336/EEC of 3 May 1989 on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility". EUR-Lex. 3 במאי 1989. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Radio Frequency Interference– And What to Do About It". Radio-Sky Journal. Radio-Sky Publishing. במרץ 2001. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) Radio frequency interference / editors, Charles L. Hutchinson, Michael B. Kaczynski ; contributors, Doug DeMaw ... [et al.]. 4th ed. Newington, CT American Radio Relay League c1987. Radio frequency interference handbook. Compiled and edited by Ralph E. Taylor. Washington Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration; [was for sale by the National Technical Information Service, Springfield, Va.] 1971. ITU Radio Regulations, Section IV. Radio Stations and Systems– Article 1.166, definition: interference "Interference Handbook". Federal Communications Commission. אורכב מ-המקור ב-16 באוקטובר 2013. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Lab Note #103 Snubbers– Are They Arc Suppressors?". Arc Suppression Technologies. באפריל 2011. נבדק ב-5 בפברואר 2012. {{cite web}}: (עזרה) "Lab Note #105 EMI Reduction– Unsuppressed vs. Suppressed". Arc Suppression Technologies. באפריל 2011. נבדק ב-5 בפברואר 2012. {{cite web}}: (עזרה) Smith, Tony (7 בנובמבר 2012). "WTF is... RF-MEMS?". TheRegister.co.uk. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Integrated Circuit EMC". Clemson University Vehicular Electronics Laboratory. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "Don't "despike" your signal lines, add a resistor instead". Massmind.org. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) Fiori, Franco (בנובמבר 2000). "Integrated Circuit Susceptibility to Conducted RF Interference". Compliance Engineering. Ce-mag.com. אורכב מ-המקור ב-2 במרץ 2012. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) Mehta, Arpit (באוקטובר 2005). "A general measurement technique for determining RF immunity" (PDF). RF Design. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) "APPLICATION NOTE 3660: PCB Layout Techniques to Achieve RF Immunity for Audio Amplifiers". Maxim Integrated. 2006-07-04. נבדק ב-21 בינואר 2014. {{cite web}}: (עזרה) MAX9724 Characteristics of radio quiet zones (Report ITU-R RA.2259) (PDF). International Telecommunication Union. בספטמבר 2012. נבדק ב-22 באפריל 2017. {{cite book}}: (עזרה) Spain, Chris (10 ביולי 2014). "Winning Back the Weather Radio Channels Adds Capacity to 5GHz Wi-Fi Spectrum– Cisco Blogs". Cisco Blogs. Cisco. נבדק ב-4 בדצמבר 2019. The FCC ruling is re-opening the Terminal Doppler Weather Radar (TDWR) band (channels 120, 124, 128) with new test requirements for DFS protection. {{cite web}}: (עזרה) Saltikoff, Elena (2016). "The Threat to Weather Radars by Wireless Technology". Bulletin of the American Meteorological Society. 97 (7): 1159–1167. doi:10.1175/BAMS-D-15-00048.1. ISSN 0003-0007. Since 2006, interference to C-band radars from RLAN is increasingly experienced by most OPERA members. ... The South African weather services initially tried to implement specific software filtering to improve the situation but then decided in 2011 to move its meteorological radar network to S band. Touw, Ron (16 נוב' 2016). Radar Detect and DFS on MikroTik. MikroTik. נבדק ב-4 בדצמבר 2019. Decision ERC/DEC/(99)23 adds 5250–5350MHz and 5470–5725MHz with more Tx power but with the added caveat that DFS was required to protect legacy users (Military Radar and Satellite uplinks) {{cite AV media}}: (עזרה) Tristant, Philippe (23–24 באוקטובר 2017). "C-band meteorological radars– Threats related to RLAN 5 GHz" (PDF). EUMETNET. נבדק ב-5 בדצמבר 2019. {{cite web}}: (עזרה) Tristant, Philippe (16–18 בספטמבר 2009). "RLAN 5 GHz interference to weather radars in Europe" (PDF). International Telecommunication Union. נבדק ב-4 בדצמבר 2019. More than 12 European countries experienced such interference cases (other cases have now been reported in number of countries in the world). Definitively harmful interference (in Hungary, the radar was declared as non-operational for more than 1 month) {{cite web}}: (עזרה)