1. Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Факультет технической кибернетики и информатики
Направление 210200 «Проектирование и технология электронных средств»
Дисциплина «Информационные технологии электромагнитной совместимости ЭС»
Лекция №30 «Экспериментальные методы
исследования электромагнитного излучения от
электронных средств»
Автор - Чермошенцев С.Ф.
Казань 2008

2. Экспериментальные методы исследования
электромагнитного излучения от электронных средств
1.Метод непосредственных измерений.
2.Сравнительные характеристики типов измерительных приборов, применяемых
для исследований ЭМИ.
3.Особенности экспериментальных исследований ЭМИ.

3. 1. Метод непосредственных измерений.
Экспериментальные исследования часто используются не только для определения
ЭМИ от ЭС, но и для проверки правильности разработанных и применяемых
исследователем моделей.
Экспериментальные
исследования
ЭМИ
ЭС
заключаются
в
измерении
напряженности электрического поля в диапазоне 30 МГц – 1000 МГц [50].
Напряженность магнитного поля в данной работе не исследуется, однако для дальней
зоны напряженность магнитного поля может быть получена из напряженности
электрического поля посредством выражения [104]:
E/Н=Z0=120π=377 Ом
Рассмотрим методы измерения напряженности поля. В настоящее время известно
два
базовых
метода
измерения
напряженности
электрического
радиокомпарирования и метод непосредственных измерений [89, 99].
поля:
метод

4. Метод радиокомпарирования подразделяется на компарирование по генератору
стандартных сигналов и компарирование по эталонной напряженности поля. Метод
радиокомпарирования по своей сути является методом замещения. Главный
недостаток метода компарирования по генератору стандартных сигналов заключается в
сложности экранирования генератора и защиты входных цепей приемника. Поэтому
этот метод применяется при измерении амплитуд полей не меньше нескольких десятков
мкВ/м. Однако, как было показано в главе 5.2, ЭМИ для определенных конфигураций
печатных плат может не достигать данного уровня, вследствие чего данный метод
измерения не может применяться для анализа ЭМИ от межсоединений печатных плат
ЭС. Измерение напряженности поля методом компарирования по эталонной
напряженности поля может быть произведено при помощи приемного устройства,
градуированного по так называемому эталонному полю. В зависимости от диапазона
волн в схеме аппаратуры эталонной напряженности поля используются антенны
различных типов, но все они в силу ряда обстоятельств, должны располагаться на
достаточно большой высоте, что также делает этот метод малопригодным для
измерения ЭМИ от межсоединений печатных плат ЭС и ЭС в целом.
В современных условиях для измерения ЭМИ наиболее распространенным является
метод непосредственных измерений. Суть его заключается в следующем. В качестве
основного измерительного прибора используются устройства, позволяющие измерять
напряжение, к входу которых подключается измерительная калиброванная антенна, т.е.
антенна с известной действующей высотой.

5. В качестве таких приборов применяются селективные микровольтметры
(измерительные приемники) или анализаторы спектра. Селективные микровольтметры
построены, как правило, по супергетеродинной схеме, имеют высокую чувствительность
и позволяют измерять напряжения сигналов различной формы и уровня. Для этого они
имеют калиброванные делители и несколько переключаемых полос. Анализаторы
спектра позволяют проводить измерения напряженности поля достаточно большого
количества радиостанций в широком диапазоне частот практически одновременно.
Антенну располагают непосредственно в точке измерения напряженности поля.
Измеренное напряжение на входе приемника или анализатора с помощью
калибровочных
графиков,
входящих
в
комплект
измерительной
антенны,
пересчитывают в напряженность ЭМП. В зависимости от диапазона частот и условий
измерения применяются различные типы измерительных антенн: диполи, рамки,
логопериодические антенны [86]. Вышеперечисленные антенны имеют направленные
свойства, поэтому при измерениях данные типы антенн необходимо ориентировать в
направлении максимального излучения или проводить измерение трех взаимно
ортогональных составляющих [147].
Вследствие того, что исследуемые ЭМИ представляют собой электромагнитные поля
довольно слабой интенсивности, измерительная аппаратура должна иметь низкий
уровень собственных шумов и обладать высокой чувствительностью. Необходимость
выделения ЭМИ на фоне посторонних помеховых сигналов и исследования тонкой
структуры ЭМИ предъявляет жёсткие требования по частотной избирательности
аппаратуры и динамическому диапазону уровней анализируемых сигналов.

6. Специфические требования предъявляются к типу детектора, используемого в
процессе обнаружения и измерения сигнала. Согласно требованиям нормативнометодических документов при проведении специальных исследований ЭМИ технических
средств должен применяться пиковый детектор. Дело в том, что сигналы ЭМИ во многих
случаях имеют импульсный характер, а все другие типы детекторов при измерении
импульсных сигналов дают показания, существенно зависящие от частоты следования
импульсов, частоты следования пачек импульсов и от их скважности [147]. В то же
время, исследования ЭМИ на электромагнитную совместимость технических средств
предполагают
использование
квазипикового
детектора.
Необходимым
условием
получения достоверных результатов специальных исследований является применение
в составе комплекса специальной измерительной аппаратуры, обеспечивающей
высокую точность и повторяемость (стабильность) результатов измерений с течением
времени и в различных условиях её эксплуатации. При этом измерительная аппаратура
в
обязательном
порядке
должна
удовлетворять
установленным
техническим
требованиям и пройти испытания компетентными метрологическими организациями на
соответствие этим требованиям. В частности, измерительная аппаратура, применяемая
в задачах обеспечения ЭМС, должна удовлетворять требованиям ГОСТ Р 51319-99
«Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения
индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний». [49].

7. Как правило, современные отечественные и зарубежные фирмы-производители
измерительной техники предлагают в составе своих комплексов персональную ЭВМ
или, по крайней мере, средства для связи с ЭВМ. Кроме того, в качестве достоинств
того или иного измерительного комплекса выдвигаются наличие жидкокристаллического
дисплея;
внутренней
компактность
памяти,
измерительного
позволяющей
модуля
и
т.д.
хранить
Однако
результаты
все
измерений;
вышеперечисленные
характеристики не требуются никакими нормативными документами, действующими на
территории РФ, вследствие чего не являются необходимыми, и вторичны по отношению
к точности прибора.
Жёстким требованиям по чувствительности и частотной
избирательности, предъявляемым к аппаратуре при исследованиях ЭМИ, отвечает
довольно узкий круг измерительных приборов. В настоящее время для проведения
исследований ЭМИ допустимо использовать только такой комплекс аппаратуры, основу
которого составляет измерительный приёмник или анализатор спектра с набором
соответствующих измерительных антенн. Обобщённые характеристики этих приборов
представлены в табл. 13.

8. 2. Сравнительные характеристики типов измерительных
приборов, применяемых для исследований ЭМИ.
Из
сравнения
характеристик
этих
приборов
видно,
что
селективные
микровольтметры вполне подходят для высокоточных измерений напряжённости
слабых электрических и магнитных полей. В то же время они не дают возможность
наблюдать панораму сигналов и не выдерживают сравнения с современными
измерительными приёмниками и анализаторами спектра по производительности и
эргономическим показателям.
Измерительные приёмники в
наибольшей степени отвечают требованиям,
предъявляемым к аппаратуре для исследований ЭМИ. Они обеспечивают высокую
точность измерений при сравнительно небольших трудозатратах. Значительная часть
измерительных приёмников позволяет видеть панораму исследуемого диапазона
частот, анализировать сигналы при одновременном наблюдении результатов их
детектирования
различными
приёмников весьма высока.
типами
детекторов.
Однако
цена
измерительных

9. Таблица 13
Сравнительные характеристики различных типов измерительных приборов, применяемых для исследований
Вид
приборов
Селективные
микровольметры
ЭМИ
Анализаторы спектра
Измерительные
приемники
Диапазон исследуемых частот
Десятки Гц…единицы ГГц
десятки
десятки ГГц**
Чувствительность
Сотнин В…единицы мкВ
Десяткин В..единицы мкВ
сотни нВ…единицы мкВ
Динамический
диапазон
измеряемых уровней сигналов
100…120 дБ
100…150 дБ
80…150 дБ
Коэффициент
интермодуляции третьего и
выше порядков, не менее
80 дБ
80 дБ
70 дБ
Устанавливаемые
пропускания
от одного Гц до единиц
МГц**
от одного Гц до единиц
МГц**
от одного Гц до единиц
МГц**
пиковый,
квазипиковый,
среднеквадратичный
пиковый,
квазипиковый,
среднеквадратичный
пиковый,
квазипиковый,
среднеквадратичный
возможность аудиоконтроля
сигналов
возможность аудиоконтроля,
просмотра
осциллограмм
сигналов,
визуальное
представление
панорамы
частот**
возможность аудиоконтроля,
просмотра
осциллограмм
сигналов,
визуальное
представление
панорамы
частот
Сравнительные трудозатраты
на проведение измерений
(производительность)
высокие
средние
низкие
Стоимость
(диапазон частот до 2 ГГЦ)
умеренная
(15…25 тыс$)
весьма
тыс$)
Погрешность
уровня сигнала
±2 дБ
±(1…2) дБ
полосы
Тип детектора
Эргономичность
(дополнительные
возможности)
сервисные
измерения
высокая
Гц…
(50…120
десятки
десятки ГГц**
умеренная
(15…25 тыс$)
±(1…3) дБ
Гц…

10. Примечания:
* - без преселектора; ** - зависит от конкретного типа прибора.
Анализаторы спектра по своим функциональным возможностям вполне сопоставимы
с измерительными приёмниками. На стадии обнаружения ЭМИ они иногда даже
удобнее приёмников. У большинства анализаторов спектра, представленных на
российском рынке, отсутствует преселектор. Вместе с тем, цена современного
анализатора спектра в два-три раза ниже цены аналогичного по частотному диапазону
измерительного приёмника. Рассмотрим более подробно характеристики данных
приборов [147].

11. Таблица 14
Характеристики приборов для измерения ЭМИ
Тип
Наименование
Рабочий диапазон
частот
Полоса
пропускания
Погрешность
Производитель прибора
SMV8.5
Селективный
микровольтметр
26 МГц-1000 МГц
120 кГц
1.2 дБ
RFT
«Messelelektronik»
ESS
Измерительный
приемник
5 Гц – 1300 МГц
1 МГц
1 дБ
«Rohde&Schwarz»
ESV
Измерительный приемник
20 МГц-1000 МГц
1 МГц
1 дБ
«Rohde&Schwarz»
ESVP
Измерительный приемник
20 МГц-1000 МГц
1 МГц
1 дБ
«Rohde&Schwarz»
ESVS
Измерительный приемник
20 МГц-1000 МГц
120 кГц
1 дБ
«Rohde&Schwarz»
ESVB
Измерительный приемник
20 МГц-2050 МГц
1.5 МГц
1 дБ
«Rohde&Schwarz»
ESVN
Измерительный приемник
20 МГц-1000 МГц
250 кГц
1 дБ
«Rohde&Schwarz»
ESN
Измерительный приемник
9 кГц-2050 МГц
250 кГц
1 дБ
«Rohde&Schwarz»
C4-60
Анализатор спектра
10 МГц-39.6 ГГц
1 Гц - 10 ГГц
3 дБ
Россия
C4-85
Анализатор спектра
100 Гц-39.6 ГГц
1 Гц - 10 ГГц
3 дБ
Украина
FSA
Анализатор спектра
100 Гц-1.8 ГГц
1 Гц - 3 МГц
3 дБ
«Rohde&Schwarz»
FSB
Анализатор спектра
100 Гц- 5 ГГц
1 Гц - 3 МГц
3 дБ
«Rohde&Schwarz»
FSM
Анализатор спектра
100 Гц- 26.5 ГГц
1 Гц - 3 МГц
3 дБ
«Rohde&Schwarz»
HP71209A/
PZ40
Анализатор спектра
100 Гц- 40 ГГц
1 Гц - 3 МГц
2 дБ
«HewlettPackard»
HP8563
Анализатор спектра
9 кГц-26.5 ГГц
1 Гц - 2 МГц
3 дБ
«HewlettPackard»
HP8564
Анализатор спектра
9 Гц- 40 ГГц
1 Гц - 2 МГц
3 дБ
«HewlettPackard»
HP8565
Анализатор спектра
9 Гц- 50 ГГц
1 Гц - 2 МГц
3 дБ
«HewlettPackard»
VEB

12. Таким образом, из материалов, приведенных в табл. 13 и 14, можно сделать вывод,
что
селективный
накладываемым
микровольтметр
ГОСТ
Р
SMV
51319-99
8.5,
удовлетворяет
«Совместимость
требованиям,
технических
средств
электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические
требования и методы испытаний» и, несмотря на давность изготовления, вполне
соответствует современным измерительным комплексам, предъявляемым к прибора
для измерения ЭМИ с точки зрения биологического и конструктивного аспектов. В то же
время, подобный прибор нельзя использовать для перехвата информации из-за его
малой полосы пропускания (120 кГц) [73].
Среди параметров, выделяемых у средств измерений ЭМИ, кроме ширины полосы
пропускания, следует также выделить такой параметр, как
настоящее
анализаторы
время
селективные
спектра
обладают
микровольметры,
следующими
«тип детектора». В
измерительные
типами
приемники
детекторов:
и
пиковый,
квазипиковый, среднеквадратичный. Рассмотрим их подробно.
Детектор пиковых значений. Напряжение на выходе этого детектора почти мгновенно
достигает пикового значения сигала, и процесс разряда производит довольно быстро.
Если измерительный приемник настроен на некоторую частоту, то пиковый детектор
будет следовать огибающей сигнала, и по этой причине иногда называется детектором
огибающей [104].

13. Детектор среднеквадратичных значений. Как следует из его названия, измеряет
среднеквадратичное значение сигнала. Для непрерывного синусоидального сигнала это
будет
величина,
близкая
к
его
пиковому
значению,
но
у
импульсного
или
модулированного сигнала среднее значение будет меньше, чем пиковое [104].
Детектор квазипиковых значений. Представляет собой детектор средних значений со
взвешенными значениями постоянных времени заряда и разряда детектора, который
корректирует результаты измерений с учетом особенностей субъективного восприятия
человеком воздействия импульсных помех на процесс радиоприема. Известно, что при
малых частотах повторения отрицательное воздействие импульсных помех на процесс
радиоприема оказывается меньшим, чем при значительных частотах повторения.
Поэтому детектор квазипиковых значений, по существу, ослабляет при малых частотах
повторения импульсов результаты измерений, получаемых при помощи детектора
пиковых
значений.
Однако
для
получения
точных
результатов
измерений
с
применением детектора квазипиковых значений измерения на каждой частоте должны
проводиться в течение времени, существенно большего, чем значения постоянных
времени заряда и разряда указанного детектора.
Физические основы этих детекторов таковы: пиковый детектор показывает амплитуду
сигнала, среднеквадратичный отображает его мощность, квазипиковый не имеет в
своей основе никакой физической величины и предназначен для унификации измерения
радиопомех для задач исследования на электромагнитную совместимость.

14. Помимо измерительного приемника в состав измерительного стенда для измерения
ЭМИ, как уже было сказано выше, входит такое средство измерений как антенна.
Требования к конструктивным и электрическим характеристикам антенн, применяемых
при измерениях напряженности поля индустриальных радиопомех, установлены в ГОСТ
Р 51319-99. В соответствии с требованиями данного стандарта в полосе частот от 30 до
1000 МГц в комплект должна входить одна или несколько электрических антенн
следующих типов:
линейный симметричный вибратор на частоты от 30 до 80 МГц, размер которого
равен длине полуволнового симметричного вибратора на частоте 80 МГц, и
настраиваемый полуволновой симметричный вибратор в полосе частот от 80 до 1000
МГц, имеющий величину коэффициента стоячей волны (КСВ) не более 2.5;
биконическая антенна , максимальный размер которой не более 1.35 м в полосе
частот от 30 до 300 МГц и имеющая КСВ не более 3.0, и биконическая антенна,
максимальный размер которой не более 0.5 м в полосе частот от 300 до 1000 МГц и
имеющая КСВ не более 2.5;
широкополосная антенна с КСВ не более 2.5.
Как правило, при измерениях ЭМИ с помощью SMV8.5 используют антенны DP-1, DP3, LPA-1, АГ-1000, АН-1000. Также в настоящее время согласно допускается применять
для измерения ЭМИ активные антенные системы, однако данные системы отличаются
собственным повышенным уровнем шума, что негативно сказывается на точности
получаемых результатов.

15. 3. Особенности экспериментальных исследований ЭМИ.
Для проведения экспериментальных исследований ЭМИ можно использовать
стенд, схематично изображенный на рис. 8 [9].
Объект
исследования
Антенна
Селективный
микровольтметр
Генератор
сигналов
Рис. 5.8. Схема экспериментального стенда
Нужно отметить, что, несмотря на истинность значений, получаемых при помощи
экспериментальных методов, самым главным ограничением для их применения
является высокая стоимость необходимого оборудования.

16. Контрольные вопросы:
1. Поясните метод радиокомпарирования.
2.Поясните обобщенные характеристики измерительных приборов, применяемых
для исследований ЭМИ?
3.Поясните обобщенные характеристики измерительных приборов, применяемых
для исследований ЭМИ?
4.Назовите характеристики приборов предназначенных для измерений ЭМИ?
5.Какой тип детектора, согласно стандартам РФ, нужно использовать при
проведении экспериментальных исследований ЭМИ от ЭС?
6.Поясните специфику экспериментальных измерений ЭМИ в поле ближней и
дальней зоны.
7.Поясните структуру стенда для экспериментальных исследований ЭМИ.
8.Охарактеризуйте погрешности экспериментальных исследований ЭМИ.
9.Поясните особенности экспериментальных исследований ЭМИ.
10.Каким
образом
сравниваются
результаты
моделирования
ЭМИ
и
экспериментальных исследований.