Методика анализа данных сканирования ближнего электромагнитного поля

УДК 681.2.084

МЕТОДИКА АНАЛИЗА ДАННЫХ СКАНИРОВАНИЯ БЛИЖНЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

М.А. Ромащенко, А.А. Пряхин

Предложена методика анализа данных сканирования ближнего электромагнитного поля, используемая для обработки данных с аппаратно-программного комплекса сканирования ближнего электромагнитного поля и позволяющая обеспечить графическую интерпретацию электрической и магнитной составляющих ближнего электромагнитного поля, что облегчает поиск локальных областей, в которых возможны потенциальные проблемы в части обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости. В ходе работы выполнено создание и моделирование объекта исследования в специализируемом ПО, в качестве которого была использована модифицированная конструкция дипольной антенны на печатной плате. С использованием аппаратно-программного комплекса сканирования ближнего электромагнитного поля, анализатора спектра и разработанной ранее программы, предназначенной для работы в составе программно-аппаратного комплекса управления и сбора данных, была получена информация для обработки. Сведения о напряженности электромагнитного поля в ближней зоне излучения тестируемого устройства обработаны с помощью предложенной методики и построены градиентные карты распределения электрической и магнитной составляющих ближнего электромагнитного поля. Проведено сравнение результатов компьютерного моделирования распределения ближнего электромагнитного поля и данных натурного эксперимента, подтверждающее адекватность предложенной методики

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, ближнее электромагнитное поле, сканер ближнего электромагнитного поля

Необходимость использования электронных средств и все большее их внедрение в различные сферы деятельности человека ставит на высокий уровень задачу постоянного улучшения качества процесса разработки электронных изделий, начиная с постановки технического задания. Повышение качества процесса не заканчивается этапом реализации, существует необходимость учитывать возможные проблемы в области электромагнитной совместимости (ЭМС) на всех стадиях проектирования и эксплуатации электронных изделий.

Электронные устройства должны соответствовать нормам и стандартам ЭМС, для этого проводят испытания электронных приборов по параметрам электромагнитной совместимости. Испытания зачастую проводят в безэховых или «полубезэховых» камерах, что является материально затратной задачей. Это, в свою очередь, влечет за собой увеличение себестоимости готовой продукции. Таким образом, одним из перспективных походов к решению этой проблемы является сканер ближнего электромагнитного поля [1,2].

Ранее при выполнении научно-исследовательских работ по разработке сканера ближнего электромагнитного поля, был сформулирован набор задач для дальнейшей

Ромащенко Михаил Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: kipr@vorstu.ru Пряхин Александр Александрович - ВГТУ, магистр, e-mail: rizym@mail.ru

проработки данной тематики. Разработка относится к измерительной аппаратуре, представляет собой систему, которая включает: сканирующею подсистему, анализатор спектра и персональный компьютер. При помощи специализированного программного

обеспечения и алгоритмов обработки данных сканер может визуализировать информацию о электрической и магнитной составляющих поля и представить ее в упрошенном виде инженерам. В ходе выполнения работы была разработана программа управления, но вопрос обработки данных остался открытым [3].

Предлагаемая методика анализа данных сканирования ближнего электромагнитного поля, представленная на рис. 1.

В начале испытания выполняется замер электромагнитных помех, на этом этапе определяется пригодность лабораторных условий для дальнейшего проведения испытания. Необходимым и достаточным действием является замер в 9 точках при тройной смене ортогональных составляющих X, Y, и Ъ, как для магнитной, так и для электрической составляющих ближнего электромагнитного поля. Далее

устанавливается тестируемое устройство и фиксируется его начальное положение. В зависимости от этого положения задаются начальные координаты в управляющую программу. Следующим действием является определение области сканирования по осям оХ, оY, оЪ, зависящей от размеров тестируемого устройства и требуемого полупространства.

Далее включается питающая станция, устройство и управляющая им. Происходит

задающая воздействие на тестируемое имитация режимов работы, без подключения к

Рис. 1. Блок-схема предлагаемой методики анализа данных сканирования ближнего

электромагнитного поля

тестируемому устройству. Далее производится замер электромагнитных помех для магнитной и электрической составляющих ближнего

электромагнитного поля. Рассчитывается их усредненные значения, производится запись данных в АМ и Ae0 соответственно. Если

условия для дальнейшего проведения измерения удовлетворительны, то принимается решение продолжить исследование, иначе нужно вернуться к предыдущему пункту. После необходимо подключить питающую станцию к тестируемому устройству и задать необходимые режимы. Вслед за этим выбирается расширение сканирования, этот параметр влияет на качество и время сканирования. Далее выполняется выбор частотного интервала для сканирования, если интервал не известен, то находят частоты, так называемых локальных пиков, где эмиссия от тестируемого объекта максимальна. Затем определяется сканируемая магнитная или электрическая составляющая ближнего электромагнитного поля. Если составляющая магнитная, то осуществляется переход к действию 12.1.1, если составляющая электрическая, тогда переходят к действию 12.2.1.

Выполняется операция 12.1.1 - выбор датчика магнитной составляющей ближнего электромагнитного поля, определяется согласно выбранному частотному интервалу. Выбирается ортогональная составляющая магнитного поля. Ставится тройное условие для охвата всех составляющих. Проверяется выбор ортогональной составляющей магнитного поля Х или ортогональной составляющей магнитного поля Y, или ортогональной составляющей магнитного поля 2. После этого проверятся, установлен ли датчик, если нет, то производится установка датчика. Далее выполнятся сканирование Ai или Aj, или Ак во всех точках, согласно выбранному расширению и области сканирования XYZ при частотном интервале £ После производится запись в таблицу Ai или Aj, или Ак соответственно для каждой точки области XYZ. Если все данные о ортогональных составляющих магнитного поля: А^ Aj и Ак записаны, то выполняется преобразование уровней магнитной

составляющей из дБм в В, если нет, то переходят к действию 12.1.2. Далее рассчитывается Ah по формуле:

Ah = + А]2 + Ак2,

где Ai, Aj и Ak - ортогональные составляющие магнитного поля соответственно для оХ, oY, о2. После вычитаются уровни помех Ah = Ah -АЮ, вычитаем уровень предусилителя Ah = Ah - ^у. Далее значения записываются в таблицу

уровней Ah соответственно для каждой точки выбранной области сканирования.

Ниже приведен пример заполнения таблицы значений Ah на высоте пробника относительно тестируемого устройства z =10 мм. Ширина Y = 40 мм, длинна X = 90 мм.

\ У Х\ 0 10 20 30 40

0 21,0 23,0 24,0 23,0 22,0

10 23,0 26,0 26,0 26,0 25,0

20 24,0 26,5 26,7 27,0 26,0

30 25,0 27,0 27,0 27,0 26,0

40 25,0 24,7 27,0 27,0 26,0

50 25,0 27,0 28,0 27,0 26,0

60 24,7 27,0 27,5 27,0 25,0

70 24,0 26,0 26,0 24,0 22,0

80 21,0 24,0 21,5 15,0 12,0

90 15,0 13,0 10,0 6,0 1,0

Далее выполняется поиск соответствий значению 1мкТл при частоте сканирования f для выбранного датчика. После производится преобразование уровней Аh из В в Тл. Эти данные, записываются в таблицу уровней магнитной индукции В, соответственно во всех точках, согласно выбранному расширению, области сканирования, при ранее выбранном частотном интервале. После этого осуществляется преобразование уровней В из Тл в А/м. Далее данные записываются в таблицу уровней напряжённости магнитного поля Н, выполняется переход к действию 13.

Выполняется операция 12.2.1 - выбор датчика электрической составляющей. Проверятся, установлен ли датчик, если нет, то производится установка датчика. Далее выполнятся сканирование во всех точках, согласно выбранному расширению, области сканирования при частотном интервале £ После производится запись полученных данных в таблицу Aе, соответственно для каждой точки области XYZ. Выполняется преобразование уровней электрической составляющей из дБм в В. Далее вычитаются уровни помех Aе = Aе - Ае0, после вычитается уровень предусилителя Aе = Aе - Аеу. Данные записываются в таблицу уровней Aе для всех точек области XYZ. Затем осуществляется поиск соответствий значению 1В/м при частоте сканирования f для выбранного датчика. Дале выполняется преобразование уровней

электрической составляющей из В в В/м. Данные записываются в таблицу уровней Е для каждой точки области сканирования при частотном интервале £ Выполняется переход к действию 13. Когда получены исходные данные для построения карт напряженностей магнитного и электрического полей, строятся градиентные карты распределения, пример представлен на рис. 2.

Далее производится вывод карт магнитной и электрической составляющих ближнего электромагнитного поля, для принятия решений. Если анализ закончен, то выполняется переход к действию 19 -формированию рекомендаций, если нет, то пользователю предлагается выбор смены частотного интервала для построения карт и расширения сканирования для регулировки параметра время/качество.

Практическое применение и оценка методики сканирования ближнего

электромагнитного поля были проведены с использованием аппаратно-программного

комплекса сканирования ближнего

электромагнитного поля. На рис. 3 представлено сравнение реальной платы колебательного контура, модифицированного полуволнового вибратора и результатов моделирования в специализируемом ПО.

О 20 40

80 100 120 140 160

Рис. 2. Карта распределения электрической составляющей ближнего электромагнитного поля от тестируемого устройства

Рис. 3. Практическое применение предложенной методики

Распределение напряженностей на градиентных картах имеет общие черты как при моделировании, так и при реальном измерении. При этом необходимо учитывать факт того, что погрешность измерения вносит свои изменения в полученную картину. Исходя из увиденного, можно сделать вывод, что реальная картина ближнего электромагнитного поля отличается от результатов моделирования, влияния вносят физические различия между реальным объектом исследования и цифровой моделью. Так как плата представляла собой модифицированный полуволновой вибратор, то при моделировании возможно учитывать некоторые свойства, но, когда устройство представляет собой электронное изделие с множеством элементов и сотнями проводников,

современным программным комплексам невозможно учитывать влияния всех элементов, проводников и факторов, как внешних, так и внутренних, ввиду использования заложенных эмпирических правил.

Литература

1. Ромащенко, М.А Методы оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Ромащенко Михаил Александрович. - Воронеж, 2014.-36с.

2. Макаров, О.Ю. Методы обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств / О.Ю. Макаров, А.В. Муратов, М.А. Ромащенко. -

Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. - 234 с.

3. Электронный каталог Лаборатория ЭМС. -Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.emc-problem.net.

Воронежский государственный технический университет

METHODOLOGY FOR SCANNING DATA ANALYSIS OF NEAR ELECTROMAGNETIC FIELD

M.A. Romashchenko1, A.A. Pryakhin2

'Full Doctor, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: kipr@vorstu.ru 2MA, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: rizym@mail.ru

Methodology for analyzing near-electromagnetic field scanning data is proposed, which is used to process data from a near electromagnetic field scanning hardware and software complex and allows to provide graphic interpretation of the electric and magnetic components of the near electromagnetic field, which facilitates the search for local areas in which there can be potential problems in terms of providing intra-instrument electromagnetic compatibility. In the course of the work, the creation and modeling of the object of research in specialized software was performed, which represents a modified structure of a dipole antenna on a printed circuit board. Information for processing was obtained using the hardware-software complex for scanning near electromagnetic field, the spectrum analyzer and the previously developed program designed to work as part of the hardware-software control and data acquisition complex. Information on the intensity of the electromagnetic field in the near-field radiation zone of the device under test is processed according to the proposed methodology and gradient charts of distribution of the electric and magnetic components of the near electromagnetic field are comprised. The results of computer simulation of the distribution of the near electromagnetic field and data from the full-scale experiment are compared, confirming the adequacy of the proposed methodology

Key words: electromagnetic compatibility, near electromagnetic field, near electromagnetic field scanner

References

1. Romashchenko M.A. "Methods of optimal construction of radio electronic aids with regard to electromagnetic compatibility and interference immunity. Dr. tech. sci. diss." ("Metody optimal'nogo proektirovaniya konstruktsiy radioelektronnykh sredstv s uchyetom elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti. Diss. dokt. tekhn. nauk"), Voronezh, 2014, 36 p.

2. Makarov O.U., Muratov A.V., Romashchenko M.A. "Methods of ensuring intra-instrument electromagnetic compatibility and interference immunity in electronic aids. Monograph." ("Metody obespecheniya vnutriapparaturnoy elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti v konstruktsiyakh elektronnykh sredstv. Monografiya."), Voronezh, VSTU, 2013, 234 p.

3. "OPAC EMC Laboratory", available at: http://www.emc-problem.net.