تصميم أجهزة اللاسلكية لامتحانات حصانة إمك

تصميم أجهزة اللاسلكية لإجراء اختبارات الحصانة الخاصة بالجماعات الأوروبية

ويقتضي جلب جهاز لاسلكي إلى السوق أكثر من السمات المبتكرة والتصميم الصناعي المزخرف، ويجب أن يثبت كل منتج لاسلكي أنه يمكن أن يتعايش في بيئة كثيفة من الكهرومغناطيسية دون أن يتحول إلى تسارع، ويظهر اختبار الحصانة من المادة المغنطية أن اختبارات تحديد البوابات يمكن أن تصمد أمام تدخل العالم الحقيقي من أجهزة اللاسلكي والحركة وخطوط الكهرباء وتصريفات.

Understanding EMC Immunity Tests

اختبارات الحصانة التي تقوم بها شركة (إي إم سي) تقيّم قدرة جهاز على مقاومة الاضطرابات الكهرومغناطيسية التي قد تسبب خللاً أو فساداً في البيانات أو ضرراً دائماً، خلافاً لفحص الانبعاثات الذي يقيس ما تقوم به الأجهزة من اختبارات تشعيهية - تُقيّم مدى رفض الجهاز للتدخل الخارجي، فالأجهزة اللاسلكية التي تعتمد في جوهرها على أجهزة استقبال راديو حساسة وتُخُطُطُطُها في الطاقة الخاصة بها، تواجه تحديات فريدة في الحفاظ على التشغيل في ظروف الاختبار.

الهيئات التنظيمية مثل لجنة المنافسة النزيهة في الولايات المتحدة، توجيهات الاتحاد الأوروبي بشأن وضع العلامات، والمعايير الدولية مثل سلسلة IEC 61000-4 تحدد مستويات وإجراءات الاختبار المحددة، فهم أنواع اختبارات الحصانة هو الخطوة الأولى في وضع تصميم قوي.

التحصين ضد الاكتترونيات - IEC 61000-4-2

وتحفز اختبارات التلقيح الاصطناعي على تصريف الكهرباء الثابتة من مشغل بشري أو جسم قريب من الجهاز، إذ إن تصريفات الاتصال تصل إلى 8 كيلوفولت فائق، وتصريف الهواء حتى 15 كيلو فولت أمبير، والأجهزة اللاسلكية ذات التوصيلات المعرّضة، أو الهوائيات، أو المسروقات المعدنية، تكون ضعيفة بوجه خاص، ويمكن أن يقترن التصريف مباشرة في تصميمات اللاسلكية، مما يؤدي إلى تحلل أو إعادة نسيق العزلة.

EEC 61000-4

وتكرار اختبارات التدفق الكهربي للضوضاء التي تولدت عند تشغيل الحمولات المحفزة مثل البطاقات أو المحركات أو المفاتيح، وهذه الارتفاعات السريعة والمرتفعة الفولطية التي تُستخدم في خطوط السلطة والإشارات، وبالنسبة لجهاز لاسلكي، يمكن أن تسبب أحداث التدفق الخافت، أو التسربات أو أخطاء البيانات، وأجهزة تصفية إمدادات الطاقة، وتركيب دقيق لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور هي الدوافعة.

حصانة كبيرة - IEC 61000-4-5

وتحفز الاختبارات السريعة الارتفاعات الناجمة عن ضربات البرق أو تحويل شبكة الكهرباء، وتتحمل حركة الاسترخاء طاقة كبيرة ويمكنها تدمير مقاطع نصف موصلات غير محمية، والأجهزة اللاسلكية التي تستخدم أجهزة تكييف الطاقة الخارجية، وموانئ الشبكة الإثيرية، أو وصلات الهوائيات التي تخرج من المبنى تتطلب حماية شديدة من الارتفاع.

حصانة راديو من طراز FF-IEC 61000-4-3

وهذا الاختبار يكشف الجهاز عن حقول الكهرومغناطيسية عالية التردد من 80 ميغاهيرتز إلى 6 جيهرتز، ويمكن أن تصل القوام الميداني إلى 10 ف/م أو أكثر، أو إلى بيئات محاكاة قرب أبراج البث، أو أجهزة راديو ذات اتجاهين، أو مصادر صناعية للترددات، وبالنسبة لجهاز لاسلكي، فإن نفس الهوائي الذي يتلقى إشارات مطلوبة يمكن أن يتدخل مباشرة في عملية الدمج الأمامي للأجهزة اللاسلكية.

:: إجراء حصانة إطار النتائج - التصنيف الدولي الموحد

وتطبق اختبارات الحصانة التي أجريت على إطار الإبلاغ الموحد تدخلا مباشرا على الكابلات وخطوط الكهرباء من 150 كيلوهرتز إلى 80 ميغاهرتز، لأن الكابلات يمكن أن تعمل كهوائيات غير مقصودة، وهذا الاختبار ذو صلة خاصة بأجهزة الاستشعار الطويلة، أو إمدادات الطاقة الخارجية، أو كابلات الاتصالات.

حصانة الميدان المغناطيسي - IEC 61000-4-8

هذا الاختبار يقيّم عملية الجهاز قرب محولات الطاقة، أو محركات كبيرة، أو موصلات عالية السرعة، الحقل المغناطيسي الـ 50 أو 60 Hz يمكن أن يحفز التيار في حلقات PCB ويسبب أخطاء في الدائرة اللاهوتية أو السلوك غير المتقلب في أجهزة الاستشعار، بالنسبة للأجهزة اللاسلكية، الشاغل الرئيسي هو التدخل في مجال العزلة المحلية أو أجهزة التحكم الفيزيائي.

المعايير التنظيمية وأطر الامتثال

ويجب أن تفي الأجهزة اللاسلكية بمتطلبات الحصانة في سوقها المستهدفة، ففي الاتحاد الأوروبي، يتطلب التوجيه المتعلق بالمعدات اللاسلكية للفترة 2014/53/EU الامتثال للمعايير المنسقة مثل السلسلة 489 301، وفي الولايات المتحدة، لا تحدد لجنة المنافسة النزيهة اختبار الحصانة بالنسبة لمعظم أجهزة الإشعال غير المقصودة، ولكن قد يتطلب تعريفها على الأجهزة الطبية، ويجب أن تستوفي التطبيقات الآلية معايير الاختبار العامة للمنتجات ISO 11452 أو SAE J1113.

وضع استراتيجيات لحصانة الجماعة الاقتصادية

ويتطلب بناء الحصانة في جهاز لاسلكي نهجا منهجيا يمتد إلى دورة حياة تطوير المنتجات بأكملها، وتعالج الاستراتيجيات التالية أكثر آليات الفشل شيوعا.

تصميم المنافذ البرية

أما الإشارة الأساسية إلى وجود نقص في التعريف فهي أساس الحصانة من جانب حركة الاتصالات السلكية، إذ إن وجود طائرة أرضية صلبة على متن هذه المركبات يوفر مسارا للعودة إلى تيارات عالية التردد ويقلل من منطقة الحلقة، وينبغي تجنب الطائرات الأرضية المنتشرة ما لم يكن ضرورياً على الإطلاق، وإذا ما استخدمت، يجب ربطها بالجسور الخاضعة للرقابة، وينبغي أن تمتد الطائرة الأرضية تحت جميع الدوائر الحساسة، بما في ذلك قسم تكنولوجيا الطاقة، وإمدادات الطاقة، والمنطق الرقمي.

تصميم الشحنات والإغلاق

وتوفر الضيوف المعدنية حمايتها الممتازة من حقول ترددات الموجات المشعة، وبالنسبة للأجهزة اللاسلكية التي يجب أن تنقل وتستقبل عبر الضيافة، يواجه المصممون التحدي المتمثل في الحفاظ على سلامة الدروع، مع السماح بمرور الطاقة المزودة بأجهزة الإرسال، ويتحقق ذلك عادة باختراق في مواقع الهوائيات التي تُستخدم في الترددات التشغيلية، أو باستخدام الغازات المُسرّبة والنوافذ المعدنية المُ الدّة.

إعداد الوثائق والفصل فيها

فالأصوات ضرورية لإبقاء التدخل خارج الجهاز ومنع الضوضاء الداخلية من التسبب في قضايا الحصانة، أما فيما يتعلق بمدخلات الإمداد بالطاقة، فإن مزيجا من الاختناق في الحركة المشتركة، والموصلات المتمايزة، والأجهزة التي تعمل كبسولة X/Y يمكن أن تخفف من التدخل، وتخفف الخرز التي توضع على خطوط الإشارة من الضوضاء العالية التردد دون التأثير على بيانات الانقلابات المنخفضة.

العنصر وخط البيسبول

ويمكن أن يؤثر الترتيب المادي للعناصر على مستوى ثنائي الفينيل متعدد الكلور تأثيراً كبيراً في الحصانة، وينبغي أن يُبعد الشعار ودائرة الترددات الترددية عن الأقسام الرقمية المزعجة، والمنظمات ذات التردد العالي، والمناطق التي يمكن أن تُربط فيها أجهزة التحكم بالشبكة أو الطفرة في الطاقة، وأن تكون أجهزة التأقلم مع شبكة المواسير ذات الطرف الأمامي قريبة من جهاز الاتصال بالطائرة المتحركة إلى أدنى حد ممكن لتقليل طول الترددات.

دائرة حماية البيئة

كل ميناء مكشوف، وجهاز كهرباء، وأجهزة اتصال سمعية، وأجهزة اتصال هوائي، وحتى أزرار الحماية من الـ ESD، وأجهزة التليفزيون ذات الفول المنخفض والوقت السريع للاستجابة يجب أن تكون قريبة من الموصل قدر الإمكان، وطريق التصريف المكرس إلى أرض الـ (أو أرض النظام) يضمن أن الطاقة تُقطع بعيداً عن أجهزة الأشعة الحساسة

تصميم وتركيب الهوائيات

الهوائي هو أكثر حساسية من ميناء الاستقبال و أكثر نقطة دخول للتدخل هوائي متطابق جيداً مع ضيق النطاق الترددي يرفض التدخل خارج النطاق

تقنيات التصميم المتقدمة للحصانة العالية

وعندما تكون ممارسات التصميم المعيارية غير كافية بالنسبة للبيئات القاسية، يمكن أن توفر التقنيات المتقدمة هامشا إضافيا.

إشارة مختلفة

وتخفض معالجة مسارات الإشارة الوحيدة ذات الأزواج المتمايزة من إمكانية التعرض للتدخل في الطريقة المشتركة، وبالنسبة للوصلات البينية العالية السرعة مثل USB أو Ethernet أو LVDS، فإن الاتجاه المتمايز في الازدحام الذي يخضع للرقابة الصارمة، والقليل من الركود يرفض التدخل في نسبة الرفض الموحدة للدائرة التي تتلقى التلقية.

العزلة البصرية

وبالنسبة للأجهزة التي تتواصل مع أجهزة الاستشعار الخارجية أو نظم المراقبة على الكابلات الطويلة، فإن العزلة المجرية باستخدام أجهزة الاختراع أو أجهزة الإيزومر الرقمية تكسر الحلقة الأرضية وتمنع التدخل في دخول الجهاز، وهذا فعال بشكل خاص بالنسبة للجهاز الكهربي والحصانة المفاجئة، ويجب أن يكون حاجز العزل قادرا على تحمل الفولط الاختباري المحدد، الذي يتراوح عادة بين 2 كيلوفول و5 كيلوفولط للتطبيقات الصناعية.

حصانة مزودة ببرمجيات

ويمكن تصميم البرمجيات البرمجية للكشف عن الأخطاء الناجمة عن التدخل والاسترداد منها، إذ يمكن للمراقبين أن يتجنبوا برمجيات غير سلكية، وفحص برمجيات البيانات، والتحقق من صحة الآلات الحكومية، ورموز التصحيح الخاطئة في الذاكرة، أن تمنع خلل لحظي من التسبب في فشل دائم، أما بالنسبة للبروتوكولات اللاسلكية، فإن برمجيات الترددات التكييفية يمكن أن تتجنب تدخل القنوات.

جهاز استقبال الانتقائي

ويمكن أن يؤدي إضافة مرشح لقطع الطرق (مثل مرشحة من طراز SAW أو BAW) بين الهوائي ونظام LNA إلى الحد بشكل كبير من التدخل خارج النطاقات، وبالنسبة لأجهزة متعددة النطاقات، أو للمصارف التي يمكن تحويلها أو مرشحات غير قابلة للتداول، إلى توفير المرونة، ويجب أن يُتوازن فقدان الرش مع الرقم الضجيج للمستقبل.

الاختبار والتقييم

والارتقاء باختبار وحيد للامتثال النهائي هو وصفة للتأخيرات في الجدول الزمني وإعادة التصميمات الباهظة التكلفة، واستراتيجية اختبار منظمة تبدأ في وقت مبكر من التطور وتتقدم من خلال مراحل متعددة هي أكثر فعالية من حيث التكلفة.

اختبارات المطابقة

وقبل إرسال جهاز إلى مختبر اختبار معتمد، ينبغي أن يقوم المصممون بإجراء اختبارات قبل الامتثال باستخدام معدات ميسورة التكلفة مثل محلل الطيف مع مجموعة من المسبارات القريبة من الحقول، ومدفع من طراز ESD، ومجموعة اختبار للحصانة يجريها، ويحدد اختبارات ما قبل الامتثال أكثر المشاكل شدة في وقت مبكر، عندما تكون التغييرات قليلة التكلفة.

• الحقن في جميع الموانئ والموانئ المعرضة بينما رصد الراديو حصل على مؤشر قوة الإشارة أو معدل خطأ بسيط
• تمّت عملية حقنة في أجهزة الموجات الأمامية على خطوط الكهرباء والإشارات بينما مراقبة قوة الجهاز الإستقراريّة
• مسح الحقول القريبة لتحديد البقع الساخنة حيث يتدخل الأزواج في PCB.

ونتائج ما قبل الامتثال ليست رسمية، ولكنها تقدم مؤشرا قويا على ما إذا كان الجهاز سيجتاز الاختبار الرسمي.

الاختبارات المتواترة والمداولة

وعندما يفشل الجهاز في إجراء اختبارات مسبقة أو رسمية، يتطلب إبطال السبب الجذري اتباع نهج منهجي، وتشمل أساليب الفشل المشتركة ما يلي:

• Receiver desense:] Interference saturates the LNA, causing the AGC to reduce gain and lose sensitivity. Mitigation involves add front-end filtering, improving shielding around the LNA, and check the RF layout for ground integrity.
• Processor resets:] EFT or ESD causes the processor to reset, often due to noise on the reset line or power supply. Mitigation includes a dedicated reset supervisor IC, filtering the reset paint, and ensuring the power supply has adequate hold-up capacitance.
• Data corruption:] Interference on a communication bus causes CRC errors. Mitigation includes increasing the strength of the bus driver, using shielded cables, and implementing retry logical.

وبالنسبة لكل فشل، ينبغي للمصمم أن يغير بصورة منهجية متغيرا واحدا في وقت يضيف إلى حزام الأسمدة، أو أن ينقل عنصرا أو يغير مرشحا، وأن يعيد الاختبار لتأكيد التحسن.

اختبارات النموذج EMC

اختراع مختبر الاختبارات الصحيحة أمر حاسم ابحث عن مختبر معتمد من قبل هيئة مُعترف بها (مثل A2LA، أو UKAS، أو DAkS) ولديه خبرة في الأجهزة اللاسلكية في نطاق الترددات الخاصة بك، ووفر للمختبر خطة اختبار تحدد المعايير، ومستويات الاختبار، ومعايير المرور/الزميل، وأثناء الاختبار، ينبغي أن يكون الجهاز في أسوأ جهاز تشغيلي مصمم بشكل طبيعي على أقصى قدر من الطاقة

الشلالات المشتركة وكيفية تجنبها

حتى فرق التصميم المتمرسة تواجه مشاكل متكررة، إدراكاً لهذه المجازر يمكن أن ينقذ الوقت والمال.

التقليل من شأن الهوائيين كنقطة دخول

إن الهوائي هو أكبر نقطة متعمدة على الجهاز، ومع ذلك فإن العديد من المصممين لا يعاملونه إلا كعنصر إرسال/استلام ويتجاهلون دوره في الحصانة، فالهوائي الذي يضاهى جيداً يمكن أن يخلق هيكلاً متردداً يضاعف التدخل في ترددات محددة، ويشمل دائماً مرشحاً للطرقات وحمايات الرفع على خط الهوائي، ولا يُوجه أبداً جهاز تتبع للساعة أو يُغلق على خطوط التك.

آثار محتملة مُهملة

وحتى كابل قصير يمكن أن يصبح هوائياً فعالاً في الترددات العالية جداً والترددات العالية جداً، واستخدام الاختناق الخرساني على الكابلات الخارجية، وإدراج التصفيف بالطرق المشتركة في الموصل، ولكفالة بقاء الكابلات متعددة (الطاقة والبيانات والحيوانات) منفصلة، وكفالة اتساق الإشارة الأرضية.

Relying only on Software Mitigation

ويمكن للبرمجيات أن تكشف وتسترد من بعض أحداث التدخل، ولكنها لا تستطيع منع حدوث أضرار في المعدات، وستدمر عمليات البرمجيات غير المحمية بغض النظر عن البرمجيات الجاهزة، وتعطي الأولوية دائما لحماية المعدات الحاسوبية واستخدامها كتدبير تكميلي.

إغفال إمدادات الطاقة

إن الإمداد بالطاقة هو طريق مشترك للتدخل المنفذ، ويمكن أن يتيح جهاز التحكم في التحويل دون تصفية المدخلات الكافية نشر الضوضاء على الراديو، واستخدام أداة مخصصة للتصنيف من أجل قسم إدارة الموارد، وضمان أن يشمل تصميم الإمداد بالطاقة التصفية السليمة، والتشذيب، ووضع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور للتقليل إلى أدنى حد من الطراز والضوضاء.

خاتمة

إن تصميم أجهزة لاسلكية تمر باختبارات الحصانة التي تجريها لجنة التنسيق المشتركة هو تخصص يجمع بين التخطيط الدقيق والهندسة الدقيقة والتحقق المتكرر، وبفهم معايير الاختبار، وتنفيذ عمليات التطهير المتينة، والتدفئة، والتصفير، واستراتيجيات التنسيب المكوّنية، وإجراء اختبارات دقيقة، يمكن لأفرقة التنمية أن تجلب منتجات موثوقة إلى السوق بثقة، والحصانة ليست شرطاً نهائياً للتصاميم يجب أن تُدمج فيه.