что такое безэховая камера
Строим то, где можно сойти с ума — о безэховых камерах не понаслышке
Число используемых в повседневной жизни электронных устройств неуклонно возрастает. Вместе с тем увеличивается и количество непосредственных источников, создающих электромагнитные излучения. Они воздействуют на людей и различные технические средства.
В идеале любое техническое средство должно работать не создавая помех другим электронным устройствам. Такую способность принято называть электромагнитной совместимостью (ЭМС). Эталоны испытаний на ЭМС были заложены еще в СССР.
Камеры для испытаний на ЭМС
Чтобы точно измерить параметры электромагнитных волн, а также сформировать равномерное распределение звуковых колебаний, необходимы специальные помещения для испытаний на ЭМС, моделирующие открытое пространство, — полубезэховые и безэховые камеры (БЭК).
БЭК или безэховая экранированная камера представляет собой комнату, изнутри полностью обустроенную радиопоглощающим материалом, не пропускающим электромагнитные волны. В качестве составных элементов используют специализированные поглотители.
Поэтому в безэховой камере нет никаких звуков и каких-либо внешних сигналов — говорят, работать в таком помещении человеку можно не более часа — слишком высока психоэмоциональная нагрузка.
Различают два вида безэховых помещений:
— Радиочастотные безэховые камеры (включая экранированные камеры). В них радиоволны не отражаются от внутренней поверхности. Крайне важна изоляция всех конструкций камеры от внешних сигналов;
— Акустические камеры для испытаний предусматривают отсутствие отражения звука от внутренней поверхности. Безэховая акустическая камера являет собой замкнутое пространство, внутри которого объект исследования — звуковая волна.
С целью полной защиты от электромагнитных помех, конструкции первого вида оборудуют в экранированных помещениях. Таким образом, внутренняя электромагнитная обстановка надежно отделена от внешних воздействий. Излучения от технического средства, оставаясь внутри экранированной камеры, ничем не ослабляются.
Второй вид, безэховая акустическая камера, имеет свои особенности. Скорость звуковой волны зависит от температуры и влажности окружающей среды. Эти факторы всегда учитывают при строительстве звуковой камеры, устанавливающейся на виброразвязном основании. Такой монтаж исключает влияние шума окружающей среды на проводимые внутри измерения.
— Диагностирование излучаемых и кондуктивных (распространяющихся по проводникам) помех. Их уровень не должен превышать определенный показатель;
— Проверка оборудования на устойчивость к вышеуказанным помехам.
Для проведения объективного исследования и оценки влияния помех в ЭМС камерах применяется специализированная измерительная аппаратура.
Востребованность испытательных камер
1. Осуществление контроля соответствия определенным нормам – тестирование электронных приборов на устойчивость к воздействию помех, излучение помех и на ЭМС. В частности, ЭМС испытание бортового оборудования самолетов, вертолетов.
2. Широкое применение в аэрокосмической промышленности.
3. В науке. Проведение различных научно-исследовательских работ.
4. Промышленное производство. Пусконаладочные операции, тестовые испытания при производстве серийной продукции. Широкий спектр конструкторских работ.
5. Выполнение задач информационной безопасности гражданских, а также военных объектов — в частности, обработка и хранение в экранированных камерах конфиденциальной информации.
Безэховые экранированные камеры востребованы компаниями, занимающимися производством и тестированием различной электроники:
— Электрооборудования;
— Радиотехнических средств, РЭА;
— Антенных устройств.
Устройство и особенности безэховых камер
Безэховая камера представляет собой замкнутое пространство из модульных радиопоглощающих элементов определенного типа и конфигурации. Следует отметить, что конструкции ЭМС камер способны поглощать радиоволны диапазона от 9 кГц до 110 гГц. В качестве идеального поглощающего материала используется марион, получаемый из природного камня шунгита. У нас этот камень добывают в Карелии.
Помимо этого, используют ферритовые, пирамидальные, гибридные поглотители. Внутри пространство конструкции разделяется на две части:
1. Область для размещения передающих устройств;
2. Сектор тишины. Измерения в безэховой камере проводятся именно здесь.
Помимо поглощающих элементов предусмотрен целый комплекс контрольно-измерительных приборов и механизмов для работы с тестируемым техническим объектом.
Размер конструкции зависит от типа требуемых измерений. Габариты радиочастотных безэховых камер не ограничены, конструируются с учетом технического задания заказчика. Уровень безэховости камеры может достигать до минус 50 ДБ.
С учетом вида измеряемых волн, экранированные камеры разделяют на полубезэховые, безэховые и, как отдельный случай, реверберационные. Последние представляют собой помещение в виде неправильной геометрической формы. Причем эта форма может изменяться за счет специальных поворотных устройств. Это делают для того, чтобы сфокусировать энергию электромагнитного поля в необходимой точке.
Если внутри безэхового помещения колебания различного вида поглощаются, то в реверберационной радиочастотной камере — поглощение отсутствует. В свою очередь, реверберационная акустическая камера также отражает волны, но звуковые. Таким образом, образуется жесткая среда воздействия.
Изготовление безэховых камер
Основные этапы проектирования и строительства безэховой камеры в Москве:
• Техническое задание и проект с учетом требований заказчика;
• Монтажные работы;
• Предварительные испытания и аттестация изделия.
При строительстве важно учитывать качество радиопоглощающего материала, размеры и форму изделия.
Безэховую камеру купить можно по приемлемой цене. При этом заказчик получает уникальное изделие с метрологическими сертификатами и регистрацией в реестре безэховых камер федерального значения.
Компания 2TEST создает безэховые камеры «под ключ» в соответствии с задачами заказчика: от разработки качественного ТЗ и проектирования испытательной камеры до комплексного создания помещения и наполнения специальной измерительной аппаратурой.
По техническим характеристикам готовая испытательная камера от компании 2TEST удовлетворяет всем требованиям ГОСТ и отраслевым стандартам для проведения испытаний на электромагнитную совместимость высокой точности.
Безэховая камера
Безэ́ховая ка́мера (БЭК) — помещение, в котором не возникает эхо. Безэховые камеры бывают:
Обычно такие камеры конструируют так, чтобы они ещё и изолировали камеру от внешних сигналов (акустических или радиочастотных). Всё это позволяет производить измерения сигнала, пришедшего непосредственно от источника, исключив отражения от стен и шум извне, сформировав таким образом нахождение источника в свободном пространстве.
Стены, потолок и пол таких камер покрыты материалом, поглощающим соответствующие волны.
Содержание
Акустические безэховые камеры
Иногда в таких камерах проводят запись или прослушивание музыкальных произведений.
Поглотители звука
Используются пористые и волокнистые материалы (пенопласты, поропласты, войлок и т. п.).
В СССР меломаны иногда строили такие камеры, оклеивая стены комнаты рельефными поддонами (упаковкой для яиц), изготовленными из толстого рыхлого картона.
Радиочастотные безэховые камеры
Внутреннее устройство радиочастотной камеры подобно акустической камере, однако для покрытия поверхностей вместо поглотителей звука используется радиопоглощающий материал (РПМ).
Радиочастотные безэховые камеры, использующие пирамидальные поглотители радиоволн из пористого материала, отчасти обладают свойствами акустических безэховых камер.
Покрытия для поглощения радиоволн (Радиопоглощающее покрытие (РПП))
Эти покрытия изготавливаются из РПМ и должны поглощать как можно больше радиоволн, приходящих со всех возможных направлений. Иначе, например, при измерениях электромагнитной совместимости и построении диаграмм направленности антенн возникнут ложные (отражённые) сигналы, неоднозначности в их интерпретации и в конечном итоге, ошибки.
Один из наиболее эффективных типов покрытия камер — решётки из пирамидо-образных кусков поглотителя. Ячейки в решётке могут временно извлекаться для размещения оборудования.
Чтобы быть эффективным поглотителем, РПМ не должен быть ни хорошим проводником, ни хорошим электрическим изолятором. Материал должен быть чем-то промежуточным так, чтобы радиоволны проникали в его толщу и затухали там. Типичная пирамида — поглотитель состоит из вспененного резиноподобного материала, содержащего точно подобранную смесь порошков графита и железа (на жаргоне радиоинженеров — «болото»).
Другой тип РПП — плоские ферритовые плитки, покрывающие все внутренние поверхности камеры. Этот поглотитель занимает меньше места, чем пирамидальные поглотители и его можно укладывать на хорошо проводящие поверхности. В общем, он более дёшев, легче монтируется и более долговечен, чем пирамиды, однако менее эффективен на низких частотах. Он применяется для измерений в микроволновом диапазоне.
Зависимость эффективности от частоты
Эффективность камеры определяется минимальной частотой излучения, при которой отражение от стенок начинает значительно превосходить отражение высокочастотных волн. Пирамидальные поглотители наиболее эффективны, когда нормально к плоскости их оснований на них падает излучение с длиной волны 
, а высота пирамид приблизительно равна 
. Соответственно, увеличение высот пирамид увеличивает эффективность камеры, но удорожает её и уменьшает внутренний рабочий объём.
Экранированное помещение
Радиочастотные безэховые камеры обычно размещают в помещениях, изолированных от внешних воздействий по схеме клетки Фарадея. Тот же самый экран предотвращает утечку радиоволн из камеры наружу.
Размер камер и работа с ними
При реальных испытаниях обычно требуется дополнительное помещение для размещения измерительного оборудования.
Размер самой камеры зависит от типа требуемых измерений. Например, критерий различия ближнего и дальнего поля излучателя устанавливает минимальное расстояние между антеннами передатчика и приёмника. В соответствии с этим и учитывая, что требуется пространство для размещения поглотителей излучения, расчётный размер камеры может оказаться очень большим. Для большинства фирм расходы по созданию большой безэховой камеры чересчур высоки, если только эта камера не используется постоянно. (Приходится прибегать к испытаниям на уменьшенных моделях).
Безэховые камеры должны удовлетворять соответствующим стандартам и должны сертифицироваться для проведения измерений.
Использование
Испытываемое и вспомогательное оборудование, размещённое в безэховой камере, должно содержать как можно меньше металлических (электропроводящих) поверхностей, которые могут вызвать нежелательные отражения радиоволн. Так, в качестве подставок для размещения оборудования часто используют пластмассовые или деревянные (без гвоздей) конструкции. Если от металлических поверхностей совсем избавиться невозможно, они покрываются РПМ для уменьшения отражения.
Требуется тщательная подготовка к проведению измерений, в частности, грамотное размещение измеряемого и измерительного оборудования.
Части тестируемого оборудования, нечувствительные к радиоволнам, могут быть расположены вне камеры. Это уменьшит количество оборудования в камере (которое может вызвать нежелательные отражения), однако потребует провода большого количества кабелей через оболочки камеры и установки большого числа фильтров. Ненужные кабели и плохие фильтры могут пропускать электромагнитные помехи внутрь камеры. Удовлетворительным компромиссом является размещение силового и терминального оборудования (human interface) (например, управляющих компьютеров) снаружи камеры, а чувствительного оборудования — внутри.
Для связи оборудования внутри и вне камеры особенно удобны световоды, не проводящие электрического тока и не отражающие радиоволны.
Целесообразно устанавливать электрические фильтры на кабелях питания для предотвращения проникновения радиоволн через границу камеры (извне или изнутри) или даже использовать автономное питание (аккумуляторы), размещённые в камере.
Техника безопасности
Персонал обычно не должен находиться в камере во время измерений: человеческое тело может создать нежелательные отражения, а сам человек подвергнуться опасному воздействию радиоволн (как котлета в СВЧ-печи).
Из-за неисправности изоляции камеры электромагнитное излучение может выйти за её пределы и создать помехи работе множеству радиоэлектронных устройств, не имеющих никакого отношения к измерениям.
Так как РПМ эффективно поглощает радиоволны, на РПМ выделяется много энергии, превращающейся в тепло и покрытие может нагреться до температуры возгорания. Это представляет особую опасность при испытаниях радаров. Даже современные маломощные излучатели могут создавать остронаправленные потоки энергии (радиоволн), которые могут вызвать локальный перегрев поглотителя.
Требования пожаробезопасности требуют установки систем газового огнетушения, включающих дымовые извещатели. Газовое огнетушение позволяет избежать худших повреждений камеры, которые могут возникнуть при применении других огнегасителей. Обычно используется углекислый газ. Система пожаротушения, управляемая дымовыми извещателями, дополнительно автоматически отключает электропитание всех устройств, установленных в камере.
Примеры параметров
Стационарные БЭК имеют уровень безэховости [3] до −40 дБ в диапазоне частот от 1 ГГц до 40 ГГц. Экранирование от внешних воздействий обеспечивает затухание электромагнитной энергии 60-120 дБ в диапазоне частот от 10 КГц до 100 ГГц.
Безэховые экранированные камеры: физические принципы и классификация
Романов И.В., Лютаев С.В.
ИЛ ЭМС, АО «ТЕСТПРИБОР», г. Москва
В статье проводится обзор основных физических принципов работы безэховых экранированных камер, материалов и конструкций используемых для обеспечения испытаний оборудования на электромагнитную совместимость.
В настоящее время важной задачей является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронного оборудования различного назначения. Здесь можно выделить такие области как: аппаратура управления, радиолокация, радиомаскировка, радиопротиводействия, радиоразведка, связь, медицина, транспорт и др. К примеру медицинский томограф является источником электромагнитных помех большой мощности. Его работа не должна сказываться на работоспособности оборудования расположенного поблизости. Ведь нарушение штатной работы медицинского оборудования может привести к выходу его из строя или к потере человеческой жизни. Кроме того, необходимо уменьшать электромагнитной фон в помещении где расположен томограф, с целью увеличения его разрешающей способности и динамического диапазона. Мощные источники радиоизлучения часто являются частью технологического оборудования. Поэтому задача обеспечения электромагнитной совместимости является важной и актуальной.
Увеличение числа излучающих приборов, приёмопередающих систем на Земле и в околоземном пространстве привело к значительному росту уровня электромагнитного фона особенно в городской местности. В условиях сильной электромагнитной «загрязнённости», сложно решить задачу настройки чувствительных устройств и систем. Для этого применяют экранированные камеры (ЭК) – «помещения способные разделить электромагнитную обстановку внутри и во вне», в том числе и (полу) безэховые экранированные камеры (ПБЭК, БЭК) 1. Незаменимые при испытаниях на ЭМС БЭК является инструментом способным: в ограниченной области пространства снизить электромагнитный фон; обеспечить экранирование источников электромагнитного излучения от измерительной (испытательной) аппаратуры и персонала и уменьшить на них электромагнитное воздействие, обеспечить пространственную однородность электромагнитного поля. Экранированные камеры часто используют для обеспечения электромагнитной совместимости оборудования, сохранности информации (или самого факта её существования) и средств её хранения (например, файловый сервер, вычислительный сервер и др.), противодействия средствам радиоэлектронной разведки, устройствам радиоборьбы и радиоподавления.
В годы рассвета радиоэлектронной промышленности в двадцатом веке на промышленных предприятиях создавались экранированные и безэховые камеры, которые со временем перестали использоваться по назначению. Наличие современных разнообразных экранирующих и радиопоглощающих материалов и комплектующих позволяет восстановить свойства этих БЭК. Уровень электромагнитного фона является важной характеристикой, которая определяет разрешающую способность измерительной аппаратуры для регистрации электромагнитных помех от их источника при испытаниях на электромагнитную совместимость. Чем ниже фоновые шумы, тем выше разрешающая способность измерительной аппаратуры. БЭК обеспечивает уменьшение уровня внешнего электромагнитного фона на величину до 100 дБ [1].
Основы экранирования электрического и магнитных полей
Работа экранированных камер основана на ряде фундаментальных механизмов взаимодействия электромагнитного поля и вещества. Рассмотрим некоторые из их.
Экранирование электрического поля. Принцип работы (ячейки Фарадея) экранирования электрического поля внутри камеры основан на компенсации внешнего поля 
внеш внутренним полем внутр (рис.2) возникающим в камере. При помещении электрически замкнутой камеры во внешнее электрическое поле свободные электроны движутся вдоль силовых линий напряжённости электрического поля к положительному потенциалу. Положительно заряженные ионы в материале камеры неподвижны. Разделение зарядов создаёт полевнутр направленное в противоположную сторону внешнему внеш и равной по величине. Суммарная напряжённость электрического поля при этом стремиться к нулю: 
.
Рис. 1 Экранирование электрического поля
Экранирование магнитного поля. Магнитное поле взаимодействует с движущимися зарядами (электрическим током) и магнитными материалами. Можно выделить два основные способа экранирования магнитного поля: механизм шунтирования магнитного поля экраном; 2) механизм экранирования магнитного поля вихревыми токами.
Механизм шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экран изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью µ >> 1 (сталь, пермаллой).
При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана.
Рис. 2 Экранирование магнитного поля методом шунтирования.
Отметим что, для обеспечения высокой эффективности шунтирования магнитного поля необходимо обеспечить низкое «сопротивление» магнитному полю (высокую магнитную проницаемость m) по всему объёму экранирующего материала. Это легко добиться, например, если стенки экранированных камер состоят их цельных листов. Если экранированная камера построена по сборно-разборной технологии, то необходимо чтобы в местах соединения сборных панелей обеспечить низкое магнитное сопротивление магнитному полю, т.е. не оставалось зазоров, а материал уплотнителя обладал, в том числе, высокой магнитной проницаемостью. Чем толще экран и чем меньше швов, стыков, тем экранирование эффективнее.
Механизм экранирования магнитного поля вихревыми токами работает на высоких частотах. Если на поверхность металлического экрана падает изменяющееся по времени магнитное поле с плотностью магнитного потока 
внеш в материале, согласно закону индукции Фарадея наводится вихревое электрическое поле, пропорционально скорости изменения плотности магнитного потока 
Если материал обладает проводимостью (σ > 0), то электрическое поле вызывает вихревой ток I определенной плотности в толщине материала. Этот ток, в свою очередь, является источником магнитного поля (с плотностью магнитного потока , которое направлено противоположно относительно возбуждающего поля = ̶̶ внеш). Суперпозиция возбуждающего и индуцированного полей формирует суммарный магнитный поток в материале экрана и в экранированной области на противоположной от источника стороне.
Метод экранирования магнитного поля вихревыми токами работает только тогда, когда внешнее поле изменяется во времени. При этом он проявляется в любом материале, способном проводить электрический ток, но не обязательно должен обладать относительной магнитной проницаемостью больше единицы, т.е. быть ферромагнетиком.
Рис. 3 Экранирование магнитных полей вихревыми токами.
Таким образом, чтобы обеспечить высокую эффективность экранирования магнитного поля в экранированных камерах, изготовленных по сборно-разборной конструкции необходимо обеспечить низкое электрическое сопротивление в местах соединения сборных панелей. Это достигается применением материалов покрытия панелей и выбором уплотнителя.
Методы шунтирования и вихревых токов действуют совместно. На низких частотах превалирует механизм шунтирования, а при повышении частоты – механизм вихревых токов. Для магнитных материалов на частотах в десятки килогерц магнитная проницаемость резко уменьшается, что приведет к увеличению толщины скин-слоя и резкому снижению эффективности экранирования за счет механизма шунтирования. Для получения высоких свойств экранированных камер необходимо обеспечить низкое электрическое и магнитное сопротивление в местах швов и соединения панелей.
Рис. 4 Экранирование электромагнитного поля.
Нетрудно увидеть, для того чтобы увеличить свойства экранированных камер необходимо увеличивать электрическую проводимость σ (уменьшать электрическое сопротивление) и магнитную проницаемость стенок экранированных камер, особенно в местах швов и соединений сборных панелей (в случае ЭК выполненных по сборно-разборной технологии).
Свойства безэховых экранированных камер
Снижение уровня шумов способом экранирования электромагнитных полей является в настоящее время наиболее распространённым методом. Экранированные камеры (ЭК), полубезэховые экранированные камеры (ПБЭК), безэховые экранированные камеры (БЭК) являются основным инструментом, обеспечивающим снижения фона при испытаниях на ЭМС в части эмиссии электромагнитных полей.
Вторым важным свойством безэховых экранированных камер (ПБЭК, БЭК) является способность изолировать окружающее пространство снаружи камеры от электромагнитных полей, наводимых внутри камеры.
Третьим свойством БЭК является способность формировать однородное поле в рабочей плоскости, за счёт снижения коэффициента (уровня) стоячей волны в камере. Это достигается применением поглощающих материалов и особой их конструкции.
Работа БЭК основана на двух эффектах: экранирование электромагнитного поля замкнутой проводящей оболочкой, и поглощении радиоволн внутренним покрытием. Если одна из поверхностей (обычно пол) БЭК не покрыта радиопоглощающим материалом такая камера называется полубезэховой ПБЭК. Если в камере не предусмотрено покрытие поглощающим материалом такая камера называется «Экранированная камера» (ЭК). Согласно принятым в Российской Федерации ГОСТ Р 50414-92., ГОСТ CISPR 16-1-4-2013 БЭК могут отличаться размером, типом проводящей оболочки, типом поглощающего материала, конструкцией (быть разборной или неразборной), формой, но принцип действия будет оставаться одним и тем же [1,2].
Классификация экранированных камер
Экранированные камеры могут разделены по нескольким критериям. Основные из них приведены ниже [3].
По принципу:
— экранированная камера;
— полубезэховая экранированная камера;
— безэховая экранированная камера;
— полуоткрытая экранированная камера.
По типу радиопоглощающего материала (РПМ):
— радиопоглощающие материалы с электрическим поглощением (узко диапазонные интерференционного типа, широкодиапазонные многослойные, широкодиапазонные шиповидные);
— радиопоглощающие материалы с магнитным поглощением;
— комбинированные радиопоглощающие материалы.
На рис. 6 представлена схема распространения электромагнитной на поверхности безэховой экранированной камеры. Которая представляет собой последовательное наслоение на металлическую поверхность радиопоглощающих материалов с различными свойствами и формой. Пирамидальный поглотитель представляет собой объёмный материал, например, состоящий из вспененного пенополистерола или пенополиуретана, с внесённым радиопоглощающим материалом (графит, железо и др.), такой концентрацией и состава, чтобы обеспечить поглощение радиоволн во всём его объёме. Вспененный материал позволяет обеспечить необходимые массогабаритные характеристики, особенно важные при монтаже камеры. Вспененный поглотитель обычно эффективно поглощает электромагнитные волны выше 1 ГГц, а его радиопоглощающие характеристики зависят от его формы (основание пирамиды) и угла падения радиоволны (рис.7). Ферритовый поглотитель имеет плоскую форму и в эффективен на частотах до 1 ГГц.
Рис. 6 Схема распространения электромагнитных волн на поверхностях БЭК (комбинированные РПМ) [4]
Рис. 7 Зависимость коэффициента отражения ЭМ-волны пирамидального поглотителя от угла падения к нормали [4]
По форме:
— прямоугольные БЭК;
— профилированные БЭК;
— рупорные БЭК;
— БЭК с регулируемой торцовой стенкой;
— пирамидальные БЭК;
— БЭК с криволинейными стенами;
— БЭК с несколькими облучателями;
— биконические БЭК;
— универсальные БЭК, антенные залы.
В настоящее время наибольшее распространение получили прямоугольные и рупорные БЭК. Это прежде всего связано с их простой геометрической формой. Что позволяет использовать простые унифицированные по форме материалы и комплектующие для камер, различающихся габаритными размерами.
По размеру:
— большие БЭК;
— компактные БЭК;
— мини БЭК (боксы).
По конструктивному исполнению:
— сварные БЭК;
— сборно-разборные БЭК;
Преимуществами сварных БЭК является их меньшая стоимость, а также коэффициент экранирования на низких частотах теоретически выше. Недостатком является отсутствие возможности повторного монтажа.
Сборно-разборные БЭК конструктивно состоят из металлических панелей с экранирующими прокладками. Их конструкция позволяет перемещать камеру в случае необходимости при сохранении экранирующих свойств.
АО «ТЕСТПРИБОР» изготавливает и поставляет сборно-разборные экранированные (ТЕКО-Э), полубезэховые экранированные (ТЕКО-пБЭК) и безэховые экранированные (ТЕКО-БЭК) камеры требуемых размеров под нужды Заказчика для измерительных расстояний 3, 5 и 10 м, соответствующие нормативным документам ГОСТ Р 50414-92 и ГОСТ CISPR 16-1-4-2013.
