Jednym z najgorszych momentów, w których zakłócenia elektromagnetyczne mogą dać o sobie znać, jest badanie urządzenia w laboratorium EMC. Wszelkie niezgodności wykryte na tym etapie sprawiają, że urządzenie należy zmodyfikować (lub wręcz całkowicie przeprojektować), a to kosztuje zarówno pieniądze, jak i dodatkowy czas – zwłaszcza z uwagi na konieczność ponowienia kosztownych testów. Zaburzenia najlepiej zatem wykrywać już podczas testów prototypu, ale jest to możliwe tylko wtedy, gdy… dokładnie wiadomo, gdzie one powstają i którędy propagują.
Uwaga: sondy pokazane w artykule można zdobyć na stoisku 39 na targach TEK.day, które odbędą się 24 września w Gdańsku. Zapraszamy wszystkich zainteresowanych – liczba zestawów jest ograniczona!
Sondy pola bliskiego stanowią jedno z najbardziej uniwersalnych i przydatnych narzędzi w arsenale EMC inżyniera elektronika. Pozwalają obserwować pole elektromagnetyczne bezpośrednio przy newralgicznych ścieżkach, podzespołach czy nawet szczelinach obudowy. Ułatwiają powiązanie zakłóceń z konkretnym fragmentem urządzenia, jeszcze na etapie prototypu, a ponadto pozwalają na błyskawiczną, obiektywną weryfikację skuteczności wszelkich modyfikacji wprowadzanych w urządzeniu. Nie wymagają przy tym dostępu do kosztownej i obszernej komory pomiarowej ani nawet galwanicznego połączenia z badanym obwodem. Interpretacja wyników wymaga jednak znajomości budowy sond i różnic między polem bliskim a dalekim.
Sonda pola bliskiego przetwarza lokalne, zmienne pole elektryczne lub magnetyczne na sygnał napięciowy doprowadzany do wejścia analizatora widma albo oscyloskopu. Pomaga wykrywać źródła zakłóceń i oceniać działanie ekranów. Zasadniczo pasywne sondy można też zasilać sygnałem z generatora RF, aby miejscowo pobudzać badany układ i poszukiwać obszarów najbardziej podatnych na zakłócenia – podobnie jak w przypadku komórek TEM, które mogą służyć zarówno do oceny emisji, jak i podatności na zaburzenia RFI.
Na tym jednak kończą się podobieństwa między sondami pola bliskiego a wszelkimi innymi metodami pomiarowymi stosowanymi w ocenie kompatybilności elektromagnetycznej.
W polu bliskim stosunek natężeń składowej elektrycznej (E) i magnetycznej (H) silnie zależy od źródła oraz miejsca obserwacji. Nie można więc przyjmować zależności , charakterystycznej dla fali biegnącej w polu dalekim w swobodnej przestrzeni. Uzasadnia to stosowanie dwóch rodzajów sond, reagujących przede wszystkim na wybraną składową pola. Gwoli ścisłości warto wspomnieć, że istnieją na rynku sondy hybrydowe, które mają reagować na obydwa rodzaje pól, jednak w zdecydowanej większości przypadków stosuje się tradycyjne, osobne sondy dla składowych E i H.
Za orientacyjny początek pola dalekiego, dla niewielkiego elektrycznie źródła, można przyjąć odległość rzędu kilku długości fali. Jeśli obszar promieniujący ma większe wymiary, granica zależy również od jego rozmiaru i może być znacznie dalsza; jednym ze stosowanych kryteriów jest , gdzie oznacza największy wymiar tego obszaru. Już z tych dwóch prostych reguł wynika ważny wniosek: nie istnieje jedna, uniwersalna odległość, przy której możemy przyjąć, że pole jest jeszcze polem bliskim lub też już jest polem dalekim. O tym, czy sonda znajduje się w polu bliskim, decydują częstotliwość, rozmiary obszaru promieniującego oraz odległość od niego; sama szerokość analizowanego pasma nie wystarcza do wyznaczenia granicy.
Warto jeszcze uzmysłowić sobie naturę obydwu składowych pola elektromagnetycznego. Składowa elektryczna (E) powstaje w wyniku różnicy potencjałów (stąd też jednostka V/m), a jej dominującym źródłem są obwody wysokoimpedancyjne. Z kolei składowa magnetyczna (H), której natężenie jest wyrażane w A/m, powstaje w wyniku przepływu prądu przez przewodniki w obwodzie, zaś jej dominującym źródłem są przede wszystkim obwody o niskiej impedancji i relatywnie dużym natężeniu prądu. Stąd też sondą magnetyczną zwykle trudno będzie wychwycić zaburzenia emitowane przez obwód oscylatora kwarcowego – tutaj w wielu przypadkach najlepiej sprawdzi się sonda elektryczna. I analogicznie – zakłócenia emitowane przez pętlę prądową w niskonapięciowej przetwornicy DC/DC najłatwiej jest zmierzyć za pomocą sondy magnetycznej, ale w tym samym zastosowaniu przydatność sondy elektrycznej zwykle okaże się ograniczona. Z kolei węzeł przełączający przetwornicy impulsowej emituje pole elektryczne, które da się wykryć za pomocą sondy E.
Sondy E i H: budowa oraz kierunkowość
Sonda E wykorzystuje do swojego działania sprzężenie pojemnościowe pomiędzy końcówką pomiarową a obwodem mierzonego urządzenia. Jej elementem czynnym może być krótki przewodnik albo niewielka elektroda w postaci ścieżki na PCB, połączona ze środkowym pinem złącza koncentrycznego. Ekran sondy, połączony z masą złącza, osłania doprowadzenie sygnałowe na prawie całej długości, z wyjątkiem samej końcówki, co pozwala zredukować wpływ zaburzeń znajdujących się w otoczeniu interesującego nas punktu.
Kierunkowość wynika z geometrii: krótki element prętowy reaguje przede wszystkim na E wzdłuż swojej osi, natomiast płaska elektroda zbierająca – na składową normalną do jej powierzchni. Są to jednak modele idealizowane; ekran, kształt końcówki i bliskość badanego przewodnika zmieniają rzeczywistą charakterystykę.
Sonda H zawiera pętlę przewodzącą, w której zmienny strumień magnetyczny indukuje napięcie. W najprostszej i najtańszej realizacji może być wykonana z odcinka przewodu koncentrycznego z końcem żyły sygnałowej przylutowanym do ekranu, przy czym w ekranie należy wykonać wycięcie by zapobiec utworzeniu zamkniętej pętli wokół środkowego przewodnika. Najczęściej jednak pętla jest realizowana jako ścieżka na PCB.
Z prawa Faradaya dla małej, jednozwojowej pętli w jednorodnym, sinusoidalnie zmiennym polu wynika wartość napięcia zaindukowanego w przewodniku równa:
gdzie oznacza powierzchnię pętli, a – kąt między wektorem a normalną do jej płaszczyzny. Największy sygnał powstaje, gdy pole przechodzi prostopadle przez powierzchnię pętli; dla pola leżącego w jej płaszczyźnie odpowiedź idealna zanika, co da się łatwo zaobserwować w praktycznych pomiarach. Warto dodać, że powyższy wzór opisuje indukowaną siłę elektromotoryczną, a nie bezpośrednio napięcie na obciążonym wyjściu sondy. W rzeczywistej konstrukcji znaczenie mają również impedancja pętli, przewodu i wejścia aparatury pomiarowej, a także częstotliwość.
Większa pętla zazwyczaj zapewnia większą czułość, ale zbiera pole z rozleglejszego obszaru, przez co praktyczna rozdzielczość przestrzenna jest znacznie mniejsza. Z kolei pętla o niewielkiej średnicy pozwala rozróżniać sąsiednie źródła kosztem poziomu sygnału – z tego względu w niektórych sytuacjach konieczne staje się zastosowanie dodatkowego przedwzmacniacza włączonego pomiędzy sondę a analizator widma lub oscyloskop. Z podanego modelu wynika, że dwukrotne zwiększenie średnicy daje czterokrotny wzrost indukowanego napięcia, czyli około 12 dB różnicy. I znów – nie jest to uniwersalna reguła dla gotowych sond, gdyż w szerokopasmowych pomiarach w grę wchodzi niejednorodność pola, obciążenie i rezonanse, które mogą wyraźnie zmienić wynik poprzez podbicia i stłumienia pasma w poszczególnych jego przedziałach.
Znaczenie ekranowania sondy PCB
W konstrukcji płytki wielowarstwowej (MLPCB) tor sygnałowy można umieścić wewnątrz laminatu, pomiędzy warstwami ekranu połączonymi gęstym szeregiem przelotek. Ogranicza to niepożądany odbiór zaburzeń obecnych w otoczeniu uchwytu sondy. W sondzie H ekran zmniejsza dodatkowo sprzężenie z polem elektrycznym. Jak już wspomnieliśmy, ekran samej pętli musi jednak mieć odpowiednio zaprojektowaną przerwę, aby nie tworzył zwartego zwoju tłumiącego mierzony strumień. W sondzie E ekranowanie kończy się przed końcówką pomiarową. Dobrze zaprojektowana sonda wielowarstwowa ma więc przewagę nad tanią, dwuwarstwową pętlą z odsłoniętą ścieżką: lepiej rozdziela reakcję na pola E i H oraz ogranicza odbiór poza głowicą. Taką realizację umożliwia 4-warstwowa PCB. Pokazane na zdjęciach sondy zaprojektowane i wyprodukowane przez zespół redakcyjny portalu HardwareDesigner.pl mają właśnie zalecaną, czterowarstwową konstrukcję i są wyposażone w solidne ekranowanie aż pięcioma rzędami przelotek.
Pomiar sondami pola bliskiego vs. metody pomiarów w polu dalekim
Nawet idealna sonda pokazuje – z definicji – pole lokalne. Emisja w oddaleniu od urządzenia zależy od całego rozkładu prądów, ich faz oraz właściwości przewodów czy obudowy jako struktur promieniujących oraz ekranujących. Silne pole nad niewielką pętlą nie musi zatem oznaczać dużej emisji w polu dalekim. Z kolei słaby lokalny sygnał nie wyklucza skutecznego promieniowania przez długi przewód. Są to konsekwencje różnicy między lokalnym sprzężeniem a promieniowaniem całego urządzenia jako całości.
Nawet kalibracja lub cyfrowa kompensacja częstotliwościowa wzmocnienia sondy pozwala powiązać jej sygnał z lokalnym polem, ale nie daje uniwersalnego przelicznika na wynik pomiaru anteną z odległości kilku metrów. Nawet ręczny pomiar amplitudy w kilku punktach nie opisuje całego źródła promieniowania. Dobrym przykładem są systemy skanerów RFI, które wprawdzie w sposób zautomatyzowany mierzą i wizualizują rozkład pola wokół płytki lub całego urządzenia, ale sam rozkład pola wciąż nie stanowi estymacji promieniowania obecnego w standardowej odległości stosowanej w komorach SAC, np. 3 m pomiędzy anteną odbiorczą a DUT (ang. Device Under Test). Istnieją rzecz jasna pewne metody transformacji z pola bliskiego na dalekie, ale wymagają one dostępu do odpowiedniego zestawu danych pomiarowych oraz zastosowania specjalnego modelu matematycznego – wciąż jest to jednak tylko zgrubne oszacowanie.
Komora w pełni bezodbiciowa (FAR) lub półbezodbiciowa (SAC) zapewnia najbardziej kontrolowane warunki pomiaru emisji za pomocą szerokopasmowej anteny i pozostaje złotym standardem w badaniach EMC. Nawet popularne komórki TEM/GTEM, wykorzystujące strukturę falowodu, nie są po prostu miniaturowymi stanowiskami pola dalekiego. Wprawdzie one także służą do badań całego umieszczonego w nich obiektu, a na podstawie uzyskanych z nich wyników da się z grubsza oszacować wyniki pomiarów w polu dalekim, to wciąż nie stanowią substytutu pełnowymiarowych laboratoriów SAC (choć istnieje norma IEC 61000-4-20 regulująca metody pomiaru emisji i odporności w komorach TEM). Sondy pola bliskiego oferują za to dużą rozdzielczość przestrzenną (nieosiągalną w przypadku badań całościowych), bezpośredni dostęp do fragmentów układu i możliwość pracy na zwykłym stole laboratoryjnym. Aby z nich skorzystać, nie trzeba rezerwować komory ani dopasowywać całego urządzenia do przestrzeni pod septum komórki TEM. I wprawdzie otoczenie nadal może zakłócać pomiar, to do wielu zadań diagnostycznych wystarczają dwie sondy i odpowiedni przyrząd – choćby budżetowy oscyloskop z dobrze zaimplementowaną funkcją FFT bądź kieszonkowy analizator widma. Dzięki temu badania można prowadzić od momentu uruchomienia pierwszego prototypu, zaś ocenę zgodności emisji z normami pozostawia się właściwej metodzie badawczej.
