|
|
بررسی و مقایسه آنتنهای مورد استفاده در آزمون
های EMI/EMC
|
نویسنده مقاله: سید مصطفی نرگسی
مقدمه
آنتنهای EMC در آزمونهای گسیلش
تشعشعی، آزمونهای حساسیتپذیری تشعشعی، آزمون ایمنی تشعشعی، تست صلاحیت سایت و
تست اتاقهای شیلد، بکار میروند. هر آنتن دارای پارامترهایی میباشد که در یک
کاربرد خاص، یک پارامتر ممکن است مهمتر از دیگر پارامترها باشد. به عنوان مثال،
زمانی که آنتن برای تست اتاق شیلد بکار می رود، بهره آنتن پارامتر مهمی محسوب نمیشود]1[. بطور کلی برای آزمونهای EMC دو
گروه آنتن وجود دارد. در واقع آنتنهای مورد استفاده در آزمونهای گسیلش تشعشعی
متفاوت از آنتنهای مورد استفاده در آزمونهای حساسیتپذیری تشعشعی میباشند. علت
این امر را میتوان متفاوت بودن پارامترهای مختلف آنتنها در این آزمونها، دانست.
به عنوان مثال، پارامترهای کلیدی در آنتنهای مورد استفاده در آزمونهای گسیلش
تشعشعی پهنایباند، حساسیت، محدوده دینامیکی، فاکتور گیرندگی آنتن و... میباشد.
همچنین پارامترهای مهم برای آنتن مورد استفاده در اندازهگیری حساسیت پذیری تشعشعی
عبارتند از: پهنای باند، بهره و توان مورد نیاز، پهنای پرتو / نقطه، تلفات توان،
اندازه و جرم میباشد. آنتنهای EMC مورد استفاده در حساسیتپذیری تشعشعی و یا آزمون ایمنی به دو کلاس
طبقه بندی میشوند: میدان موج آزاد و میدان موج محدود. به طور کلی، آنتن های
میدان-آزاد برای آزمایش بر روی سیستمهای بزرگ و یا زیر سیستمها در فرکانسهای
بالاتر از 30 مگاهرتز استفاده میشود. دستگاههای موج-محدود برای تست واحدهای کوچک
به ارتفاع حدود 30 سانتیمتر در فرکانسهای زیر 300 مگاهرتز استفاده میشوند.
البته استثناهایی نیز وجود دارد. به عنوان مثال این دستگاهها برای آزمایش وسایل
نقلیه بزرگ در شدت میدانی با مقیاس kV/m در اندازهگیری NEMP (پالس الکترومغناطیسی هستهای)
استفاده میشوند. واحدها و یا قطعات کوچک مانند سلول های کرافورد یا GTEM را میتوان
در دستگاه های موج- محدود (با پوشش فرکانس تا 1 گیگاهرتز) بکار گرفت. در ادامه به معرفی آنتن هایی که بطور معمول در آزمون های EMC بکار می روند پرداخته خواهد شد.
این آنتنها معمولاً در محدوده فرکانسی Hz20 تا MHz 30 برای اندازهگیری میدانهای
مغناطیسی بکار میروند. اندازهگیری در این فرکانسها، در ناحیه میدان نزدیک انجام
میگیرد. در واقع در این ناحیه میدانهای مغناطیسی را نمیتوان بسادگی از میدانهای
الکتریکی بدست آورد. طراحی این آنتنها بگونه ایست که نسبت به میدانهای مغناطیسی
حساس میباشند] 1[.
طراحی این آنتنها با توجه کاربرد و محدوده فرکانسی آنها، متفاوت میباشد. به عنوان مثال در استاندارد MIL-STD 462 N3 RE01 با محدوده فرکانسی Hz30 تا kHz 30 و RE04 در محدوده Hz20 تا kHz50 از حلقهای به قطر 3/13 سانتیمتر
استفاده میشود. آنتنهای بزرگتر با مساحت حلقه بالاتر از یک متر مربع، برای
اندازهگیری شدت میدان از KHz100 تا MHz30 در استانداردی مانند VDE 0877 و یا VDE 0871/EN55011 در رابطه با تجهیزات صنعتی، علمی و
پزشکی بکار میروند. آنتنهای EMC حلقوی به دو شکل کلی بکار گرفته میشوند که عبارتند از: آنتنهای
حلقوی غیرفعال و آنتنهای حلقوی فعال]2[.
آنتنهای تک قطبی Monopoleدوگان آنتنهای حلقوی برای
میدان الکتریکی هستند. این آنتنها برای اندازهگیری میدانهای الکتریکی از 30 هرتز تا 50 مگاهرتز طراحی شدهاند. از آنجایی که میله آنتن نسبت به طول موج کوچک است، از یک تقویتکننده برای تقویت سیگنالهای کوچک استفاده میشود. از اینرو این
آنتنها در دو نوع فعال و غیرفعال ساخته شدهاند.
شکل (3) نشان دهنده نمونه تجاری از یک آنتن تک قطبی فعال مدل C3301 ساخت شرکت ETS. Lindgren در محدوده فرکانسی Hz30 تا MHz50
مطابق با استاندارد MIL
STD 461F میباشد.
آنتنهای دو قطبی(دیپل) برای فرکانسهای خاصی حدود 30
مگاهرتز تا چند گیگاهرتز تنظیم میشوند. این آنتنها باند باریک هستند و برای پوشش
یک پهنای باند وسیع، نیاز به تنظیم بصورت دستی دارند]6[. این آنتنها اغلب به عنوان
آنتنهای مرجع استفاده میشود زیرا عملکرد عناصر دو قطبی از لحاظ تئوری قابل
محاسبه میباشد. نمونهای از آنتن دو قطبی قابل تنظیم در شکل زیر نشان داده شده است. 
آنتنهای دو مخروطی (Biconical) معمولاً
محدوده فرکانسی از MHz20 تا MHz300 را پوشش میدهند. تمامی آنتنهای دو مخروطی سیمی موجود در بازار، دارای شکل و
اندازه برابر میباشند. (با عرض حدود 36/1 متر). این امر بدین علت است که این آنتن
از ابتدا بر پایه استاندارد MIL STD 461
بودهاند. با توجه به اندازه الکتریکی کوچک این آنتن در فرکانسهای زیر 50 مگاهرتز،
دارای امپدانس ورودی بسیار بالایی میباشند (در نتیجه دارای VSWR بالایی هستند). نمونهای از این آنتن در شکل زیر مشاهده میشود.
آرایههای دو قطبی متناوب لگاریتمی Log
Periodic Dipole Arrays (LPDA) محدوده فرکانسی MHz80
تا چند گیگا هرتز را پوشش میدهند. مرکز فاز در این نوع آنتنها با افزایش فرکانس از
پشت آنتن به بخش جلویی آنتن منتقل میشود. در استانداردهای ANSI یا CISPR ، اندازهگیری گسیلش، از مرکز آنتن لگاریتمی انجام میشود. برای آزمونهای ایمنی، EN61000-4-3 نیاز به اندازهگیری از نوک آنتن میباشد. بهرهLPDA به طور معمول حدود dBi5 است که سازش خوبی بین عرض پرتو و حساسیت فراهم میکند. نمونهای از این آنتن ساخت شرکت
ETS. Lindgren در محدوده فرکانسی MHz200 تا GHz2 در شکل زیر مشاهده میشود. 
همانطور که از نام این آنتن پیداست، این
آنتن ترکیبی از آنتن دو مخروطی و آنتن لگاریتمی میباشد و
محدوده فرکانسی آن از حدود MHz20 تا چندین
گیگاهرتز میباشد. این آنتن در انجام آزمونها و
تستها به طور فزآیندهای محبوب شده است. از عوامل محبوبیت این
آنتن میتوان به نداشتن هیچگونه شکست باندی در طی یک آزمون اشاره کرد.
در محدوده فرکانسی 20 تا 50 مگاهرتز، این
آنتنها (مشابه آنتنهای دو مخروطی) از نظر الکتریکی کوچک میباشند. برای افزایش
راندمان تشعشعی، از روش بارگیری انتهایی End loading Technique برای جبران سایز آنتن، استفاده میشود.
باید توجه داشت که این آنتنها فقط برای آزمونهای ایمنی استفاده میشوند. در این
آنتن کوپلینگ بین عناصر بارگیری و محیط اطراف بسیار قوی است، و این باعث عدم قطعیت
اندازهگیری در آزمونهای گسیل تشعشعی خواهد شد. اگر بخواهیم این آنتن برای هر دو
آزمون گسیل تشعشعی و آزمون ایمنی مورد استفاده قرار گیرد، می بایست صفحه انتهایی
آن در آزمون گسیل تشعشعی حذف گردد]11و8[. شکل زیر
نشان دهنده یکی از بهترین نمونه های تجاری این نوع آنتن (مدل B3140) میباشد که محدوده فرکانسی MHz26 تا GHz3 را با VSWR برابر 2:1 پوشش میدهد.
تفاوت مشخص آنتن حلزونی لگاریتمی مخروطی Conical Log –Spiral Antenna و دیگر آنتنها این است که در آن میدان الکتریکی بصورت
دایروی قطبی شده است. میدان دایروی قطبی شده، نیاز به اندازهگیریهای جداگانه
افقی و عمودی را برطرف میسازد. این آنتن عمدتاً برای اندازهگیری در استاندارد
نظامی MIL STD استفاده میشود و محدوده فرکانسی آن
به طور معمول از 100 مگاهرتز تا 1000 مگاهرتز است. البته مدلهایی مانند 3102 وجود
دارد که محدوده 1 تا 10 گیگا هرتز را پوشش میدهد. باید توجه که داشت در هنگام
اندازهگیری بهره آنتنی که دارای پلاریزاسیون دایروی است، نسبت به یک آنتن با
پلاریزاسیون خطی، بهره 3 دسیبل پایینتر به نظر میرسد و این امر به دلیل عدم
تطابق پلاریزاسیون میباشد. در شکل زیر نمونههایی از این آنتن نمایش داده شده
است. 
آنتنهای بوقی یا شیپوری از متنوعترین و پرکاربردترین آنتنهای در آزمونهای EMC میباشند.
از انواع این آنتنها میتوان به موجبر بوقی پهن باند Ridged، آنتنهای
بوقی اکتاو، آنتنهای بوقی مخروطی و آنتنهای
بوقی با بهره استاندارد، اشاره کرد. آنتنهای بوقی با توجه به کاربرد و نوع
آنتن محدوده فرکانسی MHz200 تا GHz40 را پوشش میدهند.
آنتنهای بوقی مورد استفاده برای فرکانسهای
پایین، دارای سایز بزرگتری هستند.
موجبرهای بوقی پهن باند Ridged دارای محدوده فرکانسی بالا، بهره
بالا و VSWR بسیار عالی
هستند. نمونهای از این آنتنها در محدوده فرکانسی MHz750 تا GHz18 در شکل زیر نشان داده شده است.
نتيجه‌گيري
در این مقاله ابتدا آنتنهای مورد استفاده در
آزمونهای
تداخل و سازگاری الکترومغناطیسی معرفی شده و پس از آن این آنتنها با توجه به محدوده
فرکانسی، پارامترهای آنتن و استانداردهای موجود، مورد بررسی قرار گرفته اند. در پایان آنتنهای مورد استفاده در استاندارهای تجاری و
نظامی با توجه به محدوده فرکانسی معرفی و
طبقه بندی شده اند و سپس مقایسهای بین آنتن ها انجام شد
مراجع
[1] Chen, Z. EMC Antenna
Fundamentals. ETS-Lindgren Catalogue.
[2] Morgan, David. A Handbook for EMC Testing and Measurement. London: IEC, 2007.
[3] Pasmooij W. A. “A ‘Helmholtz’ large loop antenna system for
improved magnetic field measurements”, Proceedings of E.M.C. conference, p.
143-148, 1992.
[4] RF Emission Testing a handy guide. Schaffner Catalogue
[5] RF immunitly testing a handy guide. Schaffner Catalogue.
[6] S. J. Porter, A. C. Marvin, “A New Broadband EMC Antenna for
Emissions and Immunity,” Roma International Symposium on EMC; Rome, Italy,
September 1994.
[7] Z. Chen, M. Foegelle, “A Numerical Investigation of Ground Plane
Effects on Biconical Antenna Factor,” IEEE International Symposium on EMC;
Denver, Colorado, 1998.
[8] Lv, F., Zhao, H., Du, W., and Jin, H. “Electromagnetic Interference and
Electromagnetic Compatibility Test Technology”.
In Proceedings of MVHI. 2010, pp.584-587.
[9] Rasmussen, K. EMC Precompliance Solutions. ROHDE & SCHWARZ
catalogue.
[10] Williams, Tim. EMC for Product Designer. 4th ed. Newnes, 2007.
[11] HP EMC Antenna catalogue.
[12] سید مصطفی نرگسی " طراحي و ساخت آنتن حلقوي همراه
با سيستم نمايشگر براي اندازهگيري ميدان مغناطيسي در آزمون های EMI/EMC." پایان نامه کارشناسی
ارشد مخابرات، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، مهرماه 1390.
|
(((دانشگاه صنعتی امیرکبیر از دیرباز تاکنون انتخاب اول نخبگان)))