Elektromag.kompatibilita- sbírka příkladů a testů

y. Co jsou a jak pracují měřicí sondy povrchových proudů ?
8.8 Rušivý proud na vedení je měřen pomocí proudové sondy EMC, která je přes
širokopásmový předzesilovač se zesílením 20 připojena ke vstupu spektrálního analyzátoru.
Jeho špičkový údaj na kmitočtu 200 kHz je –26 dBm. Určete odpovídající špičkovou
velikost rušivého proudu na vedení na kmitočtu 200 kHz za předpokladu, že přenosová
impedance proudové sondy je rovna 0 dBΩ.
50 Hμ
1 Fμ
μ0,1 F
501 k ΩΩ
FÁZE FÁZE
energetická
síť
zkoušený
objekt
50 Hμ
1 Fμ
μ0,1 F
501 k ΩΩ
energetická
síť
Z
nakrátko
naprázdno
16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

8.9 Měřicí proudo-
vá sonda má
kmitočtovou zá-
vislost své pře-
nosové impe-
dance v [dBΩ]
naznačenou na
obrázku. Jakou
hodnotu rušivé-
ho proudu v
[dBμA]

tato

son-
da měří na kmi-
točtu 30 MHz,
je-li údaj připo-
jeného spektrál-
ního analyzáto-
ru (měřiče ruše-
ní) 39 dBμV ?
Určete, do jaké-
ho nejnižšího
kmitočtu lze da-nou proudovou sondu použít ve spojení s měřičem rešení, jehož citlivost
(tj. nejmenší měřitelná hodnota napětí) je 10 dBμV.
8.10 Přenosová impedance proudové sondy EMC je –20 dBΩ. Sonda je připojena ke vstupu
spektrálního analyzátoru se vstupní impedancí 50 Ω. Učete napětí v [μV] a v [dBμV] na
výstupu proudové sondy, je-li snímaná úroveň rušivého proudu na vedení rovna 1 μA. Jaký
bude příslušný výkonový údaj spektrálního analyzátoru v [dBm] ?
8.11 Popište konstrukci, význam jednotlivých částí a způsob použití absorpční odbočnice
(absorpčních kleští) pro měření rušivých signálů na vedení. odbočnice. Definujte měřenou
veličinu a objasněte význam korekčního faktoru absorpčních kleští. Uveďte všechny zásady
správného měření a správného uspořádání měřicího pracoviště s absorpčními kleštěmi.
8.12 Vyjmenujte, nakreslete a stručně charakterizujte typy antén pro měření rušivých signálů
(rušivých polí) v různých kmitočtových pásmech. Jak vznikly a jaké výhody mají
širokopásmové měřicí antény typu Bilog ? Popište konstrukci a způsob použití antén pro
měření blízkého pole (tzv. „očichávacích“ antén).
8.13 Pro kmitočty 30 MHz, 300 MHz a 3 GHz určete přibližnou hranici pro vymezení tzv.
blízké a vzdálené oblasti elektromagnetického pole. Jak velké jsou charakteristické
impedance elektrického a magnetického pole ve vzdálenosti rovné jedné desetině této
hranice od zdroje ? Jaká je charakteristická impedance elektromagnetického pole ve
vzdálenosti rovné desetinásobku hraniční vzdálenosti ?
8.14 Definujte anténní faktor (AF) měřicí antény a vysvětlete důvody jeho použití. Objasněte
souvislost AF se ziskem antény a kmitočtem signálu. Uveďte typický kmitočtový průběh
anténního faktoru logaritmicko-periodické antény a širokopásmové antény typu Bilog;
průběhy vysvětlete. Jaký vliv na hodnotu AF má útlum napájecího kabelu antény ?
8.15 Měřicí anténa typu půlvlnný dipól má efektivní délku (efektivní výšku) h
ef
= λ/π , kde λ je
délka vlny přijímaného signálu a výstupní impedanci Z
A
= 70 Ω. Anténa je přímo připojena
ke vstupu spektrálního analyzátoru se vstupní impedancí 50 Ω. Určete anténní faktor AF v
[dB/m] takto zapojené antény na kmitočtu 100 MHz a vypočtěte její zisk G v [dB].
KMITOČET
P
Ř
ENOSOVÁ IMPEDANCE [dB
Ω
]
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 17


8.16 Intenzita elektrického pole o kmitočtu 100 MHz v určitém místě činí 60 dBμV/m. Toto
pole je snímáno anténou připojenou k 50 Ω vstupu spektrálního analyzátoru 3 m
koaxiálním kabelem s útlumem 4,5 dB/10 m na kmitočtu 100 MHz. Údaj spektrálního
analyzátoru je 40 dBμV. Určete hodnotu anténního faktoru AF použité antény na daném
kmitočtu a vyjádřete ji v [dB/m]. Jak se změní údaj spektrálního analyzátoru, spojíme-li jej
s danou anténu stejným kabelem o délce 15 m ?
8.17 Ze známého kmitočtového průběhu anténního faktoru širokopásmové měřicí antény typu
Bilog dle tabulky určete teoretickou kmitočtovou závislost jejího zisku měřeného na vstupu
10 m napájecího kabelu ve stejném pásmu kmitočtů. Závislost zobrazte graficky. Vliv
útlumu napájecího kabelu je zahrnut v udaných hodnotách anténního faktoru.

f MHz 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100
AF dB/m 20,9 19,2 17,2 14,9 13,0 11,3 10,3 8,9 8,3 9,6 11,8
f MHz 120 140 160 180 200 250 300 350 400 450 500
AF dB/m 13,5 15,0 13,5 11,9 12,8 15,2 17,1 18,1 19,5 20,8 21,8
f MHz 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1100
AF dB/m 25,4 25,0 25,5 26,1 27,6 27,3 28,1 28,8 29,8 30,5 30,8
f MHz 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
AF dB/m 31,4 30,3 31,5 31,7 34,3 34,1 35,2 34,5 31,3

8.18 Čím je způsobena neurčitost anténních měření rušivých signálů a jak ji lze snížit ? Co je to
ekvivalentní anténní faktor měřicí antény ve volném prostoru a proč se zavádí ? Rozeberte
vliv impedančního nepřizpůsobení měřicí antény, spojovacího kabelu a vstupu měřiče
rušení na neurčitost anténních měření. Jaké jsou základní požadavky na tvar vyzařovacího
diagramu a polarizaci měřicí antény ?
8.19 Rušivé vyzařování v pásmu 30 MHz až 2 GHz je měřeno širokopásmovou anténou typu
Bilog a spektrálním analyzátorem
EMC HP 7404A. Ze změřeného
kmitočtového průběhu vstupního
poměru stojatých vln antény dle
obrázku a z výrobcem specifi-
kované hodnoty vstupního poměru
stojatých vln 1,5 : 1 spektrálního
analyzátoru v tomto pásmu kmi-
točtů určete maximální velikost
chyby (neurčitosti) měření rušivé-
ho napětí těmito přístroji.
8.20 Charakterizujte měřicí stanoviště pro anténní měření rušivých signálů ve volném prostoru.
Jaké je prostorové uspořádání pracoviště, jeho povrch a půdorysný tvar ? Vysvětlete
důvody pro volbu eliptického, příp. kruhového tvaru stanoviště, specifikujte jejich
minimální rozměry a případy jejich použití.
8.21 Definujte útlum stanoviště pro anténní měření rušivých signálů ve volném prostoru.
Objasněte postup při posouzení vhodnosti či nevhodnosti stanoviště pro účely měření EMI.
Vysvětlete tzv. kritérium „4 dB“. Co je a proč se zavádí tzv. normovaný útlum stanoviště ?
8.22 Vnější rušivé elektrické pole o intenzitě 1 V/m musí být uvnitř stíněné komory zeslabeno
na úroveň 10 µV/m, která je již přijatelná pro většinu měření elektromagnetického rušení.
Jaká musí být minimální velikost účinnosti stínění dané komory pro splnění tohoto
požadavku ?

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Příklad: Při měření rušivého vyzařování ve stíněné komoře dle obrázku jsou (pro
jednoduchost) uvažovány tři dráhy šíření signálu od zkoušeného objektu ZO k
měřicí anténě MA: dráha 1 (přímá vlna) je dlouhá l
1
= 1 m, dráha 2 má
celkovou délku l
2
= 2,5 m a dráha 3 je dlouhá l
3
= 5 m. Měřicí kmitočet je 100
MHz. Pro všechny tyto dráhy signálu je zřejmě splněna podmínka


m48,0
2
103
2
8
=
π
⋅
=
π
>
f
l
λ

,

takže se jedná o příjem vln ve vzdálené zóně elmag. pole, kdy velikost intenzity
elektrického pole v místě měřicí antény MA) je nepřímo úměrná dráze signálu
E ~ 1 / l . Velikost elektrického pole v místě antény závisí na okamžitých
fázových posuvech jednotlivých vln v daném místě, takže výsledná intenzita má
velikost mezi dvěma krajními případy:
první odpovídá stavu, kdy se všechny tři
vlny

setkají

ve

stejné

fázi

a

(aritmeticky)
se sečtou, druhý stav vznikne, setkají-li
se odražené vlny s opačnou fází vůči
vlně přímé a jejich velikosti se od přímé
vlny v místě příjmu odečtou. Podílem
těchto nejhorších případů definujeme
neurčitost měření vlivem mnohonásob-
ných odrazů. V daném konkrétním pří-
padě má tedy tato neurčitost velikost

4
1
1
5
1
5,2
1
5
1
5,2
1
321
321
m
=
−−
++
=
−−
++
=σ
EEE
EEE
, tj. σ
m
= 12 dB .

8.23 Specifikujte základní požadavky na účinnost stínění, rozměry, konstrukci a vybavení
elektromagnetické stíněné komory pro měření rušivých signálů. Proč se tyto komory
realizují ? Pojednejte o projevech a způsobech potlačení vlastních rezonancí stíněné
komory. Popište fyzikální důvody vzniku mnohonásobných odrazů uvnitř stíněné komory a
jejich vliv na neurčitost výsledného měření.
8.24 Elektromagneticky stíněná komora má rozměry 2,3 x 2,3 x 4,6 m. Vypočtěte rezonanční
kmitočty této komory v rozsahu 50 až 200 MHz.
Příklad: Vnější rušivé elektrické pole o intenzitě E
ext
= 1 V/m musí být uvnitř stíněné
komory zeslabeno na úroveň E
int
= 10 µV/m, která je již přijatelná pro většinu
měření elektromagnetického rušení. Pro splnění tohoto požadavku musí být
účinnost stínění dané komory dle základní definice

dB100
1010
1
log20log20
6
int
ext
=
⋅
⋅=⋅=
−
E
E
SE
.
Připočteme-li k této hodnotě obvykle uvažovanou rezervu 10 dB, je výsledná
požadovaná velikost účinnosti stínění komory 110 dB.
8.25 Pojednejte o důvodech a základních způsobech konstruování absorpčních bezodrazových
stíněných komor EMC. Objasněte principy dosažení širokopásmového bezodrazového
zakončení stěn. Popište základní techniky provedení absorpčních obkladů, princip funkce,
vlastnosti a používané materiály pro vrstvenné a pyramidální absorbéry. Co je to
reflektivita absorbérů, co vyjadřuje a jakých hodnot obvykle dosahuje ?


Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 19


8.26 Vypočtěte útlum odrazem (reflektivitu) pyramidálního absorbéru s vrcholovým úhlem 25°
vlivem vícenásobných odrazů, je-li velikost činitele každého odrazu na povrchu absorbéru
přibližně rovna 0,25. Kolikrát se dopadající vlna odrazí mezi sousedními jehlany tohoto
pyramidálního absorbéru, než se vrátí zpět do volného prostoru ?
8.27 Vypočtěte minimální potřebné rozměry částečně bezodrazové absorpční haly, v níž má být
realizováno měření vyzařovaného rušení s měřicí vzdáleností D = 10 m pro kmitočty od
30 MHz výše. Jako obkladový materiál haly budou použity pyramidální absorbéry.
Výpočet doplňte náčrtkem půdorysu a bokorysu haly včetně absorpčních obkladů.
Příklad: Šířka propustného pásma vf. preselektoru typického měřicího přijímače činí
B
1MR
= 30 MHz. Širokopásmový spektrální analyzátor pro pásma VHF/UHF má
typickou šířku pásma např. B
1SA
= 1800 MHz. V souladu s normou ČSN CISPR
16-1 nechť je šířka mf. propustného pásma v obou případech stejná B
2
= 120
kHz. Pak dostaneme odstup napětí na vstupu směšovače a na výstupu měřiče či
analyzátoru hodnoty:
měřicí přijímač (měřič rušení) spektrální analyzátor


dB48
12,0
30
log20
MR
=⋅=ΔU
,
dB84
12,0
1800
log20
SA
=⋅=ΔU
.
K indikování téže velikosti výstupního napětí U
2
musí být napětí U
1
na vstupu
směšovače měřicího přijímače vyšší o 48 dB, u spektrálního analyzátoru
dokonce o 84 dB. To znamená, že:
a) preselektor F
1
v měřicím přijímači snižuje potřebný dynamický rozsah
použitého směšovače o 84

–

48 = 36 dB proti směšovači ve spektrálním
analyzátoru;
b) pro dosažení srovnatelné citlivosti musí být celkové zesílení
spektrálního analyzátoru o 36 dB větší než zesílení měřicího přijímače.
Příklad: Předpokládejme, že úroveň vlastního šumového napětí na vstupu směšovače
SM měřicího přijímače, příp. spektrálního analyzátoru je např. 0 dBμV,
maximální přípustná úroveň vstupního napětí směšovače pro lineární pracovní
režim nechť je 100 dBμV. Dynamický rozsah použitého směšovače je tedy 100
dB. Na základě předchozích úvah však víme, že skutečně využitelný dynamický
rozsah směšovače je o hodnotu ΔU menší. Použijeme-li numerické výsledky
předchozího příkladu, je využitelný dynamický rozsah směšovače v měřicím
přijímači (měřiči rušení) s úzkopásmovým preselektorem roven
100 - ΔU
MR
= 100 - 48 = 52 dB ,
zatímco pro spektrální analyzátor dostaneme hodnotu
100 - ΔU
SA
= 100 - 84 = 16 dB .
Je zřejmé, že využitelná dynamika směšovače spektrálního analyzátoru 16
dB je pro účely EMI nedostačující, zatímco dynamika měřicího přijímače 52 dB
umožňuje měření rušivých signálů v dostatečně širokém rozsahu jejich
velikostí. Ve skutečnosti je vypočtený rozdíl ve využitelné dynamice měřicího
přijímače a spektrálního analyzátoru ještě větší vzhledem k vyšší úrovni
šumového napětí na širokopásmovém vstupu spektrálního analyzátoru.
8.28 Srovnejte vlastnosti a základní parametry měřicího přijímače a spektrálního analyzátoru.
Uveďte jejich základní obvodovou koncepci a hlavní požadavky pro možnost měření
rušivých signálů. Vysvětlete pojem úzkopásmový a širokopásmový rušivý signál z hlediska
EMC a jejich měření. Jaké jsou normalizované šířky pásma měřičů rušení ?
20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

8.29 Rušivé napětí o velikosti 25 dBμV bylo změřeno v souladu s civilní normou ČSN CISPR
16-1 při šířce pásma použitého měřiče rušení 120 kHz. Přepočtěte tuto velikost napětí tak,
aby k jejímu vyhodnocení bylo možno použít vojenskou normu MIL-STD-461
předepisující pro měření šířku pásma 1 MHz.
8.30 Šumové pozadí měřené spektrálním analyzátorem HP 8566B se zapojeným nízkošumovým
předzesilovačem se ziskem 50 dB v pásmu širokém 1 MHz činí 51 dBμV. Intenzita
elektrického pole přijímaného signálu je 25 μV/m, signál je přijímán měřicí anténou s
kalibračním faktorem 16 dB/m, anténa je ke vstupu spektrálního analyzátoru spojena
kabelem s útlumem 3 dB na daném kmitočtu. Zjistěte, zda velikost měřeného napětí na
vstupu analyzátoru převýší úroveň šumového pozadí a o kolik dB. Navrhněte technická
opatření, která by bylo nutné, příp. možné provést, pokud by úroveň měřeného signálu
nedosáhla rušivé úrovně šumového pozadí užitého analyzátoru s předzesilovačem.
8.31 Šumové pozadí spektrálního analyzátoru (vstupní impedance 50 Ω) v pásmu širokém
120 kHz činí –80 dBm. Minimální intenzita elektrického pole, kterou chceme měřit s
daným měřicím systémem je 24 dBμV/m na kmitočtu 40 MHz. Anténní faktor použité
měřicí antény na stejném kmitočtu činí 3,83 (prostá hodnota). Zjistěte, zda velikost
měřeného napětí na vstupu analyzátoru převýší úroveň šumového pozadí. Navrhněte
technická opatření, která by bylo nutné, příp. možné provést, pokud úroveň měřeného
signálu nedosahuje rušivé úrovně šumového pozadí užitého analyzátoru.
8.32 Šířka propustného pásma vf. preselektoru měřicího přijímače činí 30 MHz. Širokopásmový
spektrální analyzátor pro pásma VHF/UHF má šířku pásma 1800 MHz. Dle normy ČSN
CISPR 16-1 je šířka mf. propustného pásma v obou případech stejná s hodnotou 120 kHz.
Určete odstupy napětí (v [dB]) na vstupu směšovače a na výstupu měřicího přijímače, příp.
spektrálního analyzátoru potřebné pro indikování určité (stejné) velikosti výstupního napětí
přijímače a analyzátoru. O kolik [dB] musí být celkové zesílení spektrálního analyzátoru
větší než zesílení měřicího přijímače pro dosažení stejné citlivosti měření ?
8.33 Šířka propustného pásma vf. preselektoru měřicího přijímače činí 30 MHz. Širokopásmový
spektrální analyzátor pro pásma VHF/UHF má šířku pásma 1800 MHz. V souladu s
normou ČSN CISPR 16-1 je šířka mf. propustného pásma v obou případech stejná s
hodnotou 120 kHz. Úroveň vlastního šumového napětí na vstupu směšovače měřicího
přijímače, příp. spektrálního analyzátoru je 0 dBμV, maximální přípustná úroveň vstupního
napětí směšovače pro lineární pracovní režim je 100 dBμV. Jak velký je skutečně
využitelný dynamický rozsah směšovače v měřicím přijímači s úzkopásmovým
preselektorem a ve spektrálním analyzátoru se širokopásmovým vstupem ?
8.34 Vysvětlete pojmy špičková a kvazi-špičková detekce a detekce střední hodnoty rušivého
signálu. Objasněte jejich princip, hlavní rozdíly, důvody jejich použití a základní způsoby
jejich technické realizace. Porovnejte velikosti indikovaného rušení při různých způsobech
detekce. Popište vhodný praktický postup při měření rušivého signálu.
Tutoriál č. 4 – varianta A
Elektromagnetické stínění a jeho charakteristiky
9.1 Definujte účinnost (efektivnost) elektromagnetického stínění neomezené kovové přepážky
a jeho dílčí složky: útlum odrazem, absorpční útlum a útlum vlivem mnohonásobných
odrazů. Objasněte základní fyzikální mechanismy jejich vzniku, formulujte jejich
matematické vyjádření a fyzikálně je interpretujte.
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 21


9.2 Specifikujte kmitočtovou závislost celkové účinnosti stínění kovové přepážky ve
vzdáleném elektromagnetickém poli a jeho dílčích složek, objasněte její závislost na
materiálových parametrech stínicí přepážky. Jak se mění účinnost stínění u velmi tenkých
kovových vrstev ?
9.3 Ověřte teoretické hodnoty jednotlivých složek účinnosti stínění tenkých měděných povlaků
dle následující tabulky (σ
Cu
= 5,7·10
7
S/m, μ
Cu
≈ μ
0
= 4π·10
–7
H/m, ε
Cu
≈ ε
0
= 8,854·10
–12

F/m). Počítejte pro vzdálené elektromagnetické pole.
Tloušťka stínění 0,1 μm 1,25 μm 2,2 μm 22 μm
Kmitočet [MHz] 1 1000 1 1000 1 1000 1 1000
Útlum odrazem R [dB] 109 79 109 79 109 79 109 79
Absorpční útlum A [dB] 0,014 0,44 0,16 5,2 0,29 9,2 2,9 92
Mnohonásobné odrazy M [dB] –47 –17 –26 –0,6 –21 0,6 –3,5 0
Účinnost stínění SE [dB] 62 62 83 84 88 90 108 171

9.4 Porovnejte teoretické velikosti jednotlivých složek i celkovou účinnost stínění vzdáleného
elektromagnetického pole měděné a ocelové stínicí desky o stejné tloušťce t = 1 mm
(σ
Cu
= 5,7·10
7
S/m, μ
Cu
≈ μ
0
= 4π·10
-7
H/m, ε
Cu
≈ ε
0
= 8,854·10
-12
F/m; σ
ocel
= 0,5·10
7
S/m,
μ
r ocel
≈ 10
3
, ε
ocel
≈ ε
0
= 8,854·10
-12
F/m). Hodnoty porovnejte v rozsahu kmitočtů od
100 Hz do 1 GHz. Ze zjištěných hodnot vyvoďte své závěry o účinnosti stínění obou
materiálů a vhodnosti jejich použití.
9.5 Vypočtěte útlum odrazem a absorpční útlum 1 mm tlusté ocelové desky na kmitočtech 30
MHz, 100 MHz a 1 GHz. Parametry ocelového materiálu μ
r
= 1000 a σ = 0,5·10
7
S/m.
Předpokládáme, že deska se nachází ve vzdálené zóně elektromagnetického pole.
Příklad: Hliníková deska o tloušťce t = 1 mm má parametry σ
Al
= 3,5
.
10
7
S/m, μ
Al
≈ μ
0
=
4π
.
10
-7
H/m, ε
Al
≈ ε
0
= 8,854
.
10
-12
F/m. Dosazením a úpravami získáme výrazy
pro jednotlivé složky účinnosti stínění dané hliníkové desky ve tvaru
flog101,166 ⋅−=R [dB] , f⋅= 1,0A [dB] ,
( )[]
ff
f
⋅⋅
+⋅⋅⋅−⋅=
-0,046-0,023
e023,0cose21log10M [dB] ,
kde f [Hz] je kmitočet signálu. Kmitočtový průběh těchto složek i celkové
účinnosti stínění hliníkové

desky SE

=

R + A + M v pásmu 1 Hz až 10 GHz je
uveden na obrázku.













Zdůrazněme ještě jednou, že jde o – spíše teoretické – hodnoty stínění
neomezeně rozlehlé a ničím nenarušené hliníkové desky ve vzdáleném poli.
22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

9.6 Vypočtěte velikosti jednotlivých složek i celkové účinnosti stínění ocelové stínicí desky o
tloušťce t = 1 mm (σ
ocel
= 0,5·10
7
S/m, μ
r ocel
≈ 10
3
, ε
ocel
≈ ε
0
= 8,854·10
-12
F/m) v pásmu
kmitočtů od 1 Hz do 1 GHz. Deska je umístěna ve vzdálenosti r = 48 cm od zdroje
elektromagnetickéh