Emissioni irradiate - EN55011/55022 (Norme base di emissione)

La normativa definisce i limiti delle caratteristiche di radiodisturbo generati dagli apparati in esame nello spazio circostante, che possono raggiungere altri sistemi provocandone la possibile perdita o degrado delle prestazioni.

La finalità della prova è di verificare che le misure di emissioni a livello di involucro e cavi del dispositivo in prova, nel campo di frequenza 30-1000MHz, siano contenute entro livelli inferiori a quelli consentiti. In questo caso vengono dunque misurate le emissioni elettromagnetiche prodotte dalla apparecchiatura in prova e irradiate nell'ambiente esterno.

La tabella che segue riporta i limiti relativi alle emissioni irradiate in base all’ambiente o alle principali famiglie di prodotti considerati:

Normativa di riferimento	Limite 30 MHz - 230 MHz	Limite 230 MHz - 1 GHz
CEI EN 50081-1	30 dBmV/m (a 10 m)	37 dBmV/m (a 10 m)
CEI EN 50081-2	30 dBmV/m (a 30 m)	37 dBmV/m (a 30 m)
CEI EN 55022 cl.A	40 dBmV/m (a 10 m)	47 dBmV/m (a 10 m)
CEI EN 55022 cl. B	30 dBmV/m (a 10 m)	37 dBmV/m (a 10 m)
CEI EN 55011 cl. A	30 dBmV/m (a 30 m)	37 dBmV/m (a 30 m)
CEI EN 55011 cl. B	30 dBmV/m (a 10 m)	37 dBmV/m (a 10 m)

La misura avviene mediante un ricevitore e con delle apposite antenne in un ambiente, che, come vedremo, deve possedere determinate caratteristiche. Il ricevitore è bene che possieda la capacità di elaborare i segnali ricevuti confrontandoli con i limiti delle prove per evitare all'operatore lunghe e tediose operazioni con i risultati delle misure.

La misura deve essere eseguita all'aperto su di un piano metallico riflettente sul quale viene posta l'apparecchiatura in prova ed a una distanza prefissata, con l'antenna ricevente collegata ad un appropriato ricevitore. Il sito dove viene effettuata la misura deve essere piano, privo di strutture riflettenti nelle vicinanze. Il piano di terra metallico è inscritto nel perimetro di un'ellisse. L'apparecchio in prova e l'antenna ricevente di misura sono posti ciascuno in uno dei due fuochi dell'ellisse ad una distanza di 10 metri (figura 8).

Fig. 8 Configurazione per la misura di radiodisturbi irradiati

L'antenna ricevente è connessa ad un ricevitore con le caratteristiche richiamate nella Cispr 16 e viene montata su di un supporto non conduttivo in modo da essere spostata verticalmente da 1 a 4 metri.

La prova si esegue spostando verticalmente l'antenna da 1 a 4 metri, in tutta la banda di frequenza considerata, e registrando i massimi valori misurati relativamente ad ogni scansione verticale dell'antenna, in entrambe le polarizzazioni.

Occorre considerare che con la misura eseguita su di un piano metallico, all'antenna pervengono le emissioni dirette dall'apparato in prova, ma anche quelle riflesse dal pavimento, determinando delle sommatorie di segnale sull'antenna di misura che possono produrre, a loro volta, dei massimi e dei minimi del segnale complessivo lungo i vari punti dell'asse verticale su cui scorre l'antenna.

Fig.9 Misure di emissioni irradiate

In secondo luogo, le emissioni provenienti dall'apparecchiatura sono irradiate all'intorno secondo un inviluppo geometrico spaziale che potrebbe produrre, ad esempio, una forte irradiazione verso l'alto, piuttosto che in basso o viceversa. Scandendo con l'antenna si ha la certezza di misurare il valore massimo qualunque sia il tipo di irradiazione. E' anche prevista una tavola rotante, sulla quale viene posta e fatta ruotare l'apparecchiatura in prova, per misurarne la massima emissione elettromagnetica.

Per verificare l'adeguatezza delle caratteristiche tecniche del sito di prova per le prove di emissione (potrebbero esserci riflessioni di oggetti posti in prossimità, ad esempio alberi oppure imperfezioni del piano metallico) si deve procedere ad una verifica sperimentale che si esegue misurando il campo generato da un'antenna, posta dove normalmente si dispone l'apparecchio in prova, in un volume predeterminato confrontando i risultati sperimentali in entrambe le polarizzazioni verticale e orizzontale, con i valori del campo calcolato. Se la differenza è contenuta entro i 4 dB si ritiene il luogo conforme e adatto per eseguire le misure.

Le prove all'aperto soffrono però dei problemi legati all'inquinamento elettromagnetico creato dai sistemi radiotelevisivi, industriali eccetera. Infatti i livelli di questi segnali e disturbi possono superare i limiti di ampiezza fissati dalle norme. Risulta pertanto difficile, e in molti casi impossibile, discriminare i livelli delle emissioni degli apparati in prova dai disturbi, vanificando in questi casi la possibilità di effettuare le misure.

Le aree di prova, anche se parzialmente coperte per rendere possibili le misure in tutte le condizioni di tempo, subiscono, a causa della pioggia e della neve, delle alterazioni elettromagnetiche che potrebbero infirmare i risultati delle misure.

Inoltre in funzione della locazione il costo di un impianto può essere anche considerevole.

Per quanto riguarda l'inquinamento elettromagnetico ambientale, è stato necessario trovare delle soluzioni alternative di misura che consentissero di isolarsi elettromagneticamente dall'esterno, come si vedrà nella trattazione delle camere anecoiche.

Campi elettromagnetici irradiati EN 61000-4-3 (Norma base di immunità)

La normativa considera i disturbi elettromagnetici presenti nell'ambiente (disturbi irradiati) che possono accoppiarsi con le parti conduttive di un'apparecchiatura generando malfunzionamenti e definisce i livelli di disturbi irradiati a cui l’apparecchiatura in prova deve essere immune.

La prova avviene generalmente con i seguenti parametri di misura:

· intervallo di frequenze: da 80 MHz a 1 GHz;

· passo di scansione: 1%;

· amplificazione: 80% AM - 1 kHz.

La norma di base (CEI EN 61000-4-3) distingue fondamentalmente tre livelli di prova:

Livello di prova	Intensità di campo di prova
1	1 V/m
2	3 V/m
3	10 V/m

Si riportano di seguito i livelli di immunità ai disturbi irradiati ed i criteri di prestazione richiesti dalle principali norme generiche e di prodotto:

Normativa di riferimento	Livello di prova	Criterio di prestazione
CEI EN 50082-1	2	A
CEI EN 50082-2	3	A
CEI EN 55024	2	A
CEI EN 55014-2	2	A

La prova si esegue generando dei campi elettromagnetici in prossimità dell'apparato in prova, mediante un sistema costituito da generatori, amplificatori e antenne e verificando che l'apparecchiatura in queste condizioni funzioni correttamente.

Il sistema di generazione dei campi elettromagnetici riveste grande importanza per l'ottenimento dell'intensità, dell'accuratezza e dell'uniformità del campo generato. E' costituito da un generatore di segnali, dall'amplificatore, dal misuratore di potenza, dal calcolatore con il software di controllo e dall'antenna di generazione. L'amplificatore deve essere dimensionato per consentire la modulazione richiesta senza distorsioni e saturazioni che potrebbero introdurre risultati di prova errati.

Anche il software di controllo e la sua capacità di colloquiare con l'operatore riveste una notevole importanza. L'antenna deve essere scelta per consentire l'uniformità richiesta e deve possedere un buon guadagno, questo per generare il campo richiesto anche con un valore di potenza contenuto.

Le prove di immunità irradiata prevedono che nel campo di frequenza compreso tra 26 MHz ed 1 GHz venga generato un campo elettromagnetico uniforme su un piano verticale di 1,5x1,5 metri posto ad almeno 80 centimetri dal piano di massa; il campo è considerato uniforme se il suo modulo non varia per più di 6 dB nel 75 % della superficie (almeno 12 punti su 16) con una antenna posta a 3 metri dall'apparecchiatura in prova. Questa particolare geometria per il calcolo e la misura dell'omogeneità di campo è raffigurata in figura 10.

Fig. 10 Misura dell'omogeneità di campo

Nella figura 11 è rappresentata un'antenna biconica che viene convenientemente utilizzata per i test di immunità irradiata in conformità con la norma EN 61000-4-3:1995.

Fig.11 Antenna Biconica

Per queste prove è richiesta la camera schermata in quanto è necessario confinare i campi elettromagnetici generati per non inquinare l'ambiente esterno. Ma per ottenere l'uniformità di campo elettromagnetico richiesta deve essere posto sulle pareti, sul soffitto e in parte sul pavimento del materiale anecoico che riduca le riflessioni.

CAMERE SCHERMATE, MATERIALI ANECOICI E CAMERE ANECOICHE

Le misure di emissione e immunità possono essere convenientemente eseguite in particolari ambienti che verranno di seguito descritti.

Le camere schermate sono delle strutture metalliche realizzate in modo da attenuare i segnali elettromagnetici (tipicamente di 100 dB o più) in tutta la banda di frequenza interessata in ambedue le direzioni, dall'esterno verso l'interno e viceversa. Possono avere svariate dimensioni e sono costituite da pannelli modulari uniti tra loro, di porte di tipo particolare, di filtri di alimentazione, di aperture a nido d'ape per la ventilazione e così via.

Per eseguire le misure di emissione si è visto però che è necessario che il sito di prova non presenti riflessioni elettromagnetiche dovute a degli oggetti esterni. Nel caso delle camere schermate si avrebbero invece le riflessioni causate dalle pareti laterali e dal soffitto metallici. E' necessario allora ridurre tale fenomeno mediante dei materiali speciali da porsi su tutte le superfici, con esclusione del pavimento, che assorbano queste riflessioni (camere semianecoiche).

Questi materiali possono essere di tre tipi: del tipo resistivo con varie forme e geometrie, oppure costituiti da mattonelle di ferrite oppure ancora un ibrido costituito da una combinazione dei due precedenti.1 tipi resistivi possono avere varie geometrie, generalmente piramidali (come riportato in figura 12).

Fig.12 Materiale anecoico di tipo resistivo piramidale

La loro capacità di assorbimento alle frequenze più basse è legata alla loro altezza; tipicamente per operare in modo adeguato a 30 MHz la loro altezza è di 2,5 metri. Essi possiedono invece ottime caratteristiche di assorbimento alle frequenze più elevate (18 GHz e oltre). Hanno un costo medio alto in funzione delle loro dimensioni.

Le ferriti sono mattonelle ceramiche di circa 1 cm di spessore che presentano buone caratteristiche alle frequenze più basse ma diventano inefficienti alle frequenze superiori al GHz. Hanno un costo complessivo, inclusa la loro installazione, superiore in genere ai materiali piramidali resistivi. Gli ibridi, invece, sono costituiti da elementi piramidali resistivi montati sulle mattonelle di ferriti. In questo modo le ferriti sono efficaci alle frequenze più basse, mentre alle alte lo sono le piramidi resistive, ottenendo quindi, con dimensioni ridotte, buone prestazioni complessive in una ampia gamma di frequenze. Hanno un costo elevato.

In sintesi la camera anecoica è un ambiente normalizzato di prova avente le seguenti caratteristiche:

· è schermato rispetto all'ambiente esterno di modo che i rilievi di emissioni irradiate dall'apparecchiatura in prova non siano influenzati dal rumore elettromagnetico di fondo, variabile localmente;

· si possano eliminare i disturbi irradiati dovuti a trasmissioni radio-foniche, radio-televisive e radio - mobile, in corrispondenza delle quali i limiti di emissioni irradiate vengono superati;

· non si disturbino le trasmissioni radio-foniche, radio-televisive e radio-mobili quando si effettua la prova di immunità ai campi elettromagnetici irradiati.

· è dotato di pareti assorbenti le onde elettromagnetiche, in modo da eliminare le componenti riflesse ed avere uniformità nella modalità di rilievo.

Vedremo ora alcuni possibili utilizzi delle camere schermate anecoiche per le misure di compatibilità elettromagnetica.

CAMERE SCHERMATE ANECOICHE Di GRANDI E MEDIE DIMENSIONI

Per le prove di emissione radiata la camera semianecoica è a norme se la “site attenuation” relativa sia alla polarizzazione verticale che a quella orizzontale, differisce per meno di 4 dB dalla NSA (Normalized Site Attenuation) teorica di un area ideale (piano conduttore infinito sgombro da ostacoli riflettenti). Per soddisfare le caratteristiche di prova richieste per le misure di emissione a 10 metri, le camere schermate anecoiche con materiali resistivi piramidali (di altezza pari a 2,5metri) hanno dimensioni di circa 22 metri (1) x 16 metri (w) x 10 metri (h).

Se correttamente progettate, le misure di Nsa effettuate in queste camere possono dare risultati di 4 dB o migliori da 30 MHz ad 1 GHz con possibilità di estendere le misure sino a svariati GHz. Certamente questa è una soluzione estremamente interessante in quanto permette di eseguire le misure con le prestazioni di un buon sito aperto secondo le normative, in assenza di disturbi esterni e di problemi legati alle situazioni meteorologiche avverse.

Per le prove di immunità irradiate sono in grado di soddisfare i requisiti richiesti purché venga parzialmente disposto sul pavimento del materiale anecoico o delle ferriti tra l'antenna e l'apparecchiatura in prova (il campo elettromagnetico deve rispettare determinati requisiti di uniformità).

Purtroppo il costo di questi impianti risulta essere elevatissimo e per tale ragione essi sono presenti solo in alcuni centri specializzati.

Vediamo ora una possibile soluzione alternativa di impianto avente dei costi più contenuti.

La normativa En 55022 (Limiti e metodi di misura delle caratteristiche di radiodisturbo prodotte dagli apparecchi per la tecnologia dell'informazione) prevede la misura a 10 metri ma permette di eseguire la misura con l'antenna a 3 metri dall'apparecchiatura in prova, con i limiti opportunamente variati nel rapporto delle distanze.

La normativa En 55011 (Limiti e metodi di misura per gli apparecchi industriali, scientifici e medicali) permette anch'essa la misura a distanze inferiori di 10 metri con i limiti però invariati.

E' pertanto possibile costruire un impianto con dimensioni più ridotte per misure a 3 metri e quindi con costi inferiori utilizzando le ferriti sulle pareti ed il soffitto per contenere le dimensioni. Si noti che può essere preferibile usare il sistema ibrido per migliorare le prestazioni in particolare alle frequenze elevate. In questo caso le dimensioni della camera, per oggetti in prova di medie dimensioni, possono essere di circa 9 metri (l) x 7 metri (w) x 6 metri (h). Per le prove di immunità irradiate sono in grado di soddisfare i requisiti richiesti purchè venga parzialmente disposto sul pavimento del materiale anecoico o delle ferriti tra l'antenna e l'apparecchiatura in prova.

L'altezza di questa camera può creare dei problemi di reperibilità dei locali aventi altezza adeguata, il costo inoltre risulta molto elevato.

Si cita anche l'esistenza di soluzioni a minor ingombro, che sono le cosiddette camere schermate anecoiche compatte e le celle Tem e G-tem utilizzabili quando gli oggetti in prova sono di dimensioni contenute.