eng
Выпуск #5/2016
C.Лютаев
Методы оценки экранирующих свойств кабельных жгутов при испытаниях бортовой аппаратуры на соответствие требованиям по ЭМС
Методы оценки экранирующих свойств кабельных жгутов при испытаниях бортовой аппаратуры на соответствие требованиям по ЭМС
Просмотры: 3436
При плохих экранирующих свойствах кабелей внешние воздействия могут нарушить работоспособность аппаратуры. В статье рассмотрены наиболее эффективные методы испытаний кабельных жгутов с целью оценки их экранирующих свойств.
При испытаниях бортовой аппаратуры на эмиссию радиочастотных помех (ГОСТ В 25803-90, ГОСТ РВ 6601-002-2008, ГОСТ Р 51318.11-2006) измеряют помехи, генерируемые испытуемым изделием в рабочем режиме вместе с присоединенными кабелями и соединителями, в том числе кабелями питания, связи, управления. Измерение помех выполняется как в кабельных линиях, так и по радиочастотному полю.[1]
Испытания аппаратуры на устойчивость к помехам также проводятся при воздействии внешних факторов на всю систему, в том числе на кабельные жгуты (табл.1). Для некоторых видов помех воздействие производится именно на кабели.
Методы испытаний бортовой кабельной сети летательных аппаратов (ЛА) с целью оценки эффективности экранирования описаны в ОСТ 1 01205-2012, разработанном головной организацией по стандартизации продукции авиационной промышленности Минпромторга РФ – ФГУП "НИИСУ" с участием ОАО "НИИАО". Стандарт устанавливает методики измерений эффективности экранирования оплетками элементов бортовой кабельной сети ЛА – одиночных проводов и жгутов проводов. Эти методики предназначены для измерения поверхностного переходного сопротивления и эффективности экранирования в диапазоне частот 0,1…1 000 МГц.
Примером относительно простой методики может служить испытательная установка для измерения переходного поверхностного сопротивления электрически короткого одиночного провода (обычно длиной 300 мм). По данной схеме испытуемый провод подключается к выходу синхрогенератора анализатора спектра через переходное устройство с резистором сопротивлением 50 Ом (рис.1). К центральному проводнику переходного устройства припаивается центральный провод испытуемого кабеля, у которого оплетка закорочена на центральный проводник. Второй конец провода через высокочастотный коаксиальный соединитель подключается к выходу анализатора спектра [1].
Переходное поверхностное сопротивление рассчитывают по формуле:
ZT = Uпров(f) / (Iпров ∙ L) = (50 ∙ Uпров (f)) / (Uвых ∙ L), Ом/м,
где Uпров(f) – напряжение, наведенное на внутреннем проводнике одиночного экранированного провода, измеренное анализатором спектра, В; Iпров – ток, протекающий по внешней поверхности оплетки испытуемого провода, Iпров = Uвых / 50, А; Uвых – напряжение на выходе синхронного генератора; L – длина испытуемого проводника, м.
Эффективность экранирования SE рассчитывают по формуле:
SE = 34 – 20 ∙ lg (ZT), дБ.
К недостаткам данного метода можно отнести отсутствие серийно выпускаемой оснастки, плохую повторяемость результатов, частотную зависимость измеренной характеристики.
Методика измерения эффективности экранирования оплетками проводов произвольной длины на частотах от 30 до 1 000 МГц основана на измерении напряжения в проводнике, помещенном в испытательную GTEM-камеру или реверберационную камеру, сначала с экраном (оплеткой), затем без него (рис.2).
Эффективность экранирования рассчитывают по формуле:
SE = 20 lg (Uбез экр / Uэкр), дБ.
Для обеспечения устойчивой работы цифрового бортового оборудования в условиях воздействия электромагнитных полей излучения высокой интенсивности (HIRF) с напряженностью Енорм = 100 В/м эффективность экранирования оплетками одиночных проводов и жгутов проводов должна соответствовать требованиям ОСТ 1 01295-2012 (раздел 20, категория жесткости W) (табл.2).
Если в техническом задании на оборудование задана другая напряженность поля Етреб, отличная от 100 В/м, то требуемую эффективность экранирования одиночного провода или жгута рассчитывают по формуле:
SEтреб = SEтаб + 20 ∙ lg (Eтреб) – 40, дБ,
где SEтаб – эффективность экранирования, заданная в табл.2.
Преимущество данного метода заключается в достаточно точном моделировании поведения кабеля в радиочастотном поле. К недостаткам относятся высокая стоимость и сложность оборудования, его громоздкость, необходимость мер защиты персонала от излучения.
В кабельной промышленности для оценки эффективности экранирования кабелей применяется метод триаксиальной линии (ГОСТ Р 54429-2011, ГОСТ Р 53880-2010) [2, 3]. В ОСТ 1 01295-2012 этот метод указан как альтернативный [1].
Следует отметить различие в терминологии и определениях, используемых в кабельных [2, 3] и радиотехнических [1] стандартах: "переходное поверхностное сопротивление" – "сопротивление связи", "эффективность экранирования" – "затухание экранирования". В данной статье при описании методов испытаний сохраняется терминология соответствующего стандарта.
При испытаниях по методу триаксиальной линии кабель помещается в измерительной трубе (рис.3). На конце кабеля в трубе крепится специальный наконечник, обеспечивающий контакт с экранирующей оплеткой кабеля, и припаивается согласующий резистор. Сигнал с наконечника, прошедший через экранирующую оплетку кабеля, подается на вход измерительного приемника.
Эффективность экранирования испытуемого образца можно вычислить по формуле:
SE = 20 ∙ lg (Uген / Uвх), дБ,
где Uген – напряжение на выходе генератора; Uвх – напряжение на входе измерительного приемника.
Удобство метода триаксиальной линии, компактность измерительной установки и относительная простота оборудования делают его привлекательным для испытателей. Примером такого типа измерительной установки может служить оборудование компании BEDEA/Rosenberger (рис.4) [4].
На основе триаксиального метода можно испытывать не только кабели, но и кабельные соединители, различные прокладки, предназначенные в том числе для обеспечения ЭМС. В этом случае исследуемый соединитель помещается либо в трубе триаксиальной камеры, либо в резонансной камере на основе прямоугольного волновода (рис.5, 6).
Преимуществом метода является использование установки, защищенной от посторонних (шумовых) излучений и неизлучающей в окружающее пространство. Это обеспечивает динамический диапазон измерений до 100 дБ без использования специального экранированного помещения. Частотный диапазон от нескольких кГц до 3 ГГц и выше.
До того как триаксиальный метод за последние несколько лет утвердился в качестве предпочтительного способа измерений, использовался метод "поглощающих клещей" (ГОСТ Р 54429-2011, п. 8.3.9, IEC 61196-1 п.12.4). Принцип измерений по этому методу состоит в следующем: сигнал от генератора подается в испытуемый кабель через отверстие в отражающей пластине, на другом конце кабеля включается согласующая нагрузка (рис.7); за отражающей пластиной находятся поглощающие ферритовые клещи с токосъемником, а на расстоянии 600 см – еще одни поглощающие клещи. Затухание экранирования определяется по формуле:
SE = 10 ∙ lg (P1 / P2max), дБ,
где P1 – мощность, подаваемая от генератора, P2max – максимальная излучаемая мощность.
Доступные сегодня поглощающие клещи позволяют измерить затухание экранирования до частоты 2,5 ГГц [4]. Достоинство метода в том, что оборудование для измерений, как правило, доступно в любой лаборатории ЭМС. К недостаткам можно отнести большую длину кабеля, подвергаемого испытанию, и необходимость выполнения измерений в экранированном помещении.
Еще один способ измерения сопротивления связи – метод инжекционной линии (IEC 96-1 Amendment 2/1993). Принцип измерений состоит в том, что сигнал с выхода синхрогенератора анализатора спектра подается на инжекционный провод, прикрепленный к испытываемому кабелю, дальний конец которого соединен с входом анализатора спектра. С его помощью измеряется напряжение проникающего сигнала (рис.8). Сопротивление связи рассчитывается по формуле:
,
где АT = U2 / U1, U1 – напряжение сигнала, подаваемого в провод-инжектор, U2 – напряжение, измеренное на выходе испытуемого кабеля; Z1 – волновое сопротивление системы инжекционный провод – экран (внешней системы); Z2 – волновое сопротивление испытуемого кабеля; l – длина экрана.
Верхний частотный предел, до которого можно измерить сопротивление связи по этому методу, зависит от длины испытуемого отрезка образца кабеля и составляет 2,5–3 ГГц [4, 5].
Иногда из-за организационных сложностей, возникающих при согласовании ТЗ на испытания оборудования на ЭМС или утверждении результатов испытаний, проще проводить испытания кабельных жгутов теми же методами, которыми аппаратура испытывается на ЭМС. Для этого на одном конце кабеля включается имитатор сигнала бортовой аппаратуры, а на выходе контролируется наличие искажений из-за сигнала помехи, прошедшего через экран кабеля. Второй вариант – контроль наличия помехи в сигнале, прошедшем через испытуемый кабель (рис.9, 10).
Перечисленные методы могут быть использованы разработчиками или испытателями для оценки качества кабельных жгутов и соединителей из состава БА. Испытательная лаборатория ЭМС ЗАО "Тестприбор" готова по заказу предприятия-изготовителя подобрать или разработать подходящую методику и провести испытания кабельных жгутов, в том числе в составе изделия или комплекса.
ЛИТЕРАТУРА
1. ОСТ 1 01205-2012. Экранирование бортовой кабельной сети самолетов и вертолетов. Методы проведения испытаний с целью оценки эффективности экранирования.
2. ГОСТ Р 54429-2011. Кабели связи симметричные для цифровых систем передачи. Общие технические условия.
3. ГОСТ Р 53880–2010. Кабели коаксиальные для сетей кабельного телевидения. Общие технические условия.
4. Bernhard Mund, Christian Pfeiler. Balunless measurement of coupling attenuation of screened balanced cables up to 2 GHz. – 64rd IWCS Conference, Atlanta, GA, USA, October 2015.
5. Кузнецов Р.Г. Актуальные вопросы оценки эффективности экранирования высокочастотных кабелей. – www.spetskabel.ru/rss/articles/15/1.xml.
Испытания аппаратуры на устойчивость к помехам также проводятся при воздействии внешних факторов на всю систему, в том числе на кабельные жгуты (табл.1). Для некоторых видов помех воздействие производится именно на кабели.
Методы испытаний бортовой кабельной сети летательных аппаратов (ЛА) с целью оценки эффективности экранирования описаны в ОСТ 1 01205-2012, разработанном головной организацией по стандартизации продукции авиационной промышленности Минпромторга РФ – ФГУП "НИИСУ" с участием ОАО "НИИАО". Стандарт устанавливает методики измерений эффективности экранирования оплетками элементов бортовой кабельной сети ЛА – одиночных проводов и жгутов проводов. Эти методики предназначены для измерения поверхностного переходного сопротивления и эффективности экранирования в диапазоне частот 0,1…1 000 МГц.
Примером относительно простой методики может служить испытательная установка для измерения переходного поверхностного сопротивления электрически короткого одиночного провода (обычно длиной 300 мм). По данной схеме испытуемый провод подключается к выходу синхрогенератора анализатора спектра через переходное устройство с резистором сопротивлением 50 Ом (рис.1). К центральному проводнику переходного устройства припаивается центральный провод испытуемого кабеля, у которого оплетка закорочена на центральный проводник. Второй конец провода через высокочастотный коаксиальный соединитель подключается к выходу анализатора спектра [1].
Переходное поверхностное сопротивление рассчитывают по формуле:
ZT = Uпров(f) / (Iпров ∙ L) = (50 ∙ Uпров (f)) / (Uвых ∙ L), Ом/м,
где Uпров(f) – напряжение, наведенное на внутреннем проводнике одиночного экранированного провода, измеренное анализатором спектра, В; Iпров – ток, протекающий по внешней поверхности оплетки испытуемого провода, Iпров = Uвых / 50, А; Uвых – напряжение на выходе синхронного генератора; L – длина испытуемого проводника, м.
Эффективность экранирования SE рассчитывают по формуле:
SE = 34 – 20 ∙ lg (ZT), дБ.
К недостаткам данного метода можно отнести отсутствие серийно выпускаемой оснастки, плохую повторяемость результатов, частотную зависимость измеренной характеристики.
Методика измерения эффективности экранирования оплетками проводов произвольной длины на частотах от 30 до 1 000 МГц основана на измерении напряжения в проводнике, помещенном в испытательную GTEM-камеру или реверберационную камеру, сначала с экраном (оплеткой), затем без него (рис.2).
Эффективность экранирования рассчитывают по формуле:
SE = 20 lg (Uбез экр / Uэкр), дБ.
Для обеспечения устойчивой работы цифрового бортового оборудования в условиях воздействия электромагнитных полей излучения высокой интенсивности (HIRF) с напряженностью Енорм = 100 В/м эффективность экранирования оплетками одиночных проводов и жгутов проводов должна соответствовать требованиям ОСТ 1 01295-2012 (раздел 20, категория жесткости W) (табл.2).
Если в техническом задании на оборудование задана другая напряженность поля Етреб, отличная от 100 В/м, то требуемую эффективность экранирования одиночного провода или жгута рассчитывают по формуле:
SEтреб = SEтаб + 20 ∙ lg (Eтреб) – 40, дБ,
где SEтаб – эффективность экранирования, заданная в табл.2.
Преимущество данного метода заключается в достаточно точном моделировании поведения кабеля в радиочастотном поле. К недостаткам относятся высокая стоимость и сложность оборудования, его громоздкость, необходимость мер защиты персонала от излучения.
В кабельной промышленности для оценки эффективности экранирования кабелей применяется метод триаксиальной линии (ГОСТ Р 54429-2011, ГОСТ Р 53880-2010) [2, 3]. В ОСТ 1 01295-2012 этот метод указан как альтернативный [1].
Следует отметить различие в терминологии и определениях, используемых в кабельных [2, 3] и радиотехнических [1] стандартах: "переходное поверхностное сопротивление" – "сопротивление связи", "эффективность экранирования" – "затухание экранирования". В данной статье при описании методов испытаний сохраняется терминология соответствующего стандарта.
При испытаниях по методу триаксиальной линии кабель помещается в измерительной трубе (рис.3). На конце кабеля в трубе крепится специальный наконечник, обеспечивающий контакт с экранирующей оплеткой кабеля, и припаивается согласующий резистор. Сигнал с наконечника, прошедший через экранирующую оплетку кабеля, подается на вход измерительного приемника.
Эффективность экранирования испытуемого образца можно вычислить по формуле:
SE = 20 ∙ lg (Uген / Uвх), дБ,
где Uген – напряжение на выходе генератора; Uвх – напряжение на входе измерительного приемника.
Удобство метода триаксиальной линии, компактность измерительной установки и относительная простота оборудования делают его привлекательным для испытателей. Примером такого типа измерительной установки может служить оборудование компании BEDEA/Rosenberger (рис.4) [4].
На основе триаксиального метода можно испытывать не только кабели, но и кабельные соединители, различные прокладки, предназначенные в том числе для обеспечения ЭМС. В этом случае исследуемый соединитель помещается либо в трубе триаксиальной камеры, либо в резонансной камере на основе прямоугольного волновода (рис.5, 6).
Преимуществом метода является использование установки, защищенной от посторонних (шумовых) излучений и неизлучающей в окружающее пространство. Это обеспечивает динамический диапазон измерений до 100 дБ без использования специального экранированного помещения. Частотный диапазон от нескольких кГц до 3 ГГц и выше.
До того как триаксиальный метод за последние несколько лет утвердился в качестве предпочтительного способа измерений, использовался метод "поглощающих клещей" (ГОСТ Р 54429-2011, п. 8.3.9, IEC 61196-1 п.12.4). Принцип измерений по этому методу состоит в следующем: сигнал от генератора подается в испытуемый кабель через отверстие в отражающей пластине, на другом конце кабеля включается согласующая нагрузка (рис.7); за отражающей пластиной находятся поглощающие ферритовые клещи с токосъемником, а на расстоянии 600 см – еще одни поглощающие клещи. Затухание экранирования определяется по формуле:
SE = 10 ∙ lg (P1 / P2max), дБ,
где P1 – мощность, подаваемая от генератора, P2max – максимальная излучаемая мощность.
Доступные сегодня поглощающие клещи позволяют измерить затухание экранирования до частоты 2,5 ГГц [4]. Достоинство метода в том, что оборудование для измерений, как правило, доступно в любой лаборатории ЭМС. К недостаткам можно отнести большую длину кабеля, подвергаемого испытанию, и необходимость выполнения измерений в экранированном помещении.
Еще один способ измерения сопротивления связи – метод инжекционной линии (IEC 96-1 Amendment 2/1993). Принцип измерений состоит в том, что сигнал с выхода синхрогенератора анализатора спектра подается на инжекционный провод, прикрепленный к испытываемому кабелю, дальний конец которого соединен с входом анализатора спектра. С его помощью измеряется напряжение проникающего сигнала (рис.8). Сопротивление связи рассчитывается по формуле:
,
где АT = U2 / U1, U1 – напряжение сигнала, подаваемого в провод-инжектор, U2 – напряжение, измеренное на выходе испытуемого кабеля; Z1 – волновое сопротивление системы инжекционный провод – экран (внешней системы); Z2 – волновое сопротивление испытуемого кабеля; l – длина экрана.
Верхний частотный предел, до которого можно измерить сопротивление связи по этому методу, зависит от длины испытуемого отрезка образца кабеля и составляет 2,5–3 ГГц [4, 5].
Иногда из-за организационных сложностей, возникающих при согласовании ТЗ на испытания оборудования на ЭМС или утверждении результатов испытаний, проще проводить испытания кабельных жгутов теми же методами, которыми аппаратура испытывается на ЭМС. Для этого на одном конце кабеля включается имитатор сигнала бортовой аппаратуры, а на выходе контролируется наличие искажений из-за сигнала помехи, прошедшего через экран кабеля. Второй вариант – контроль наличия помехи в сигнале, прошедшем через испытуемый кабель (рис.9, 10).
Перечисленные методы могут быть использованы разработчиками или испытателями для оценки качества кабельных жгутов и соединителей из состава БА. Испытательная лаборатория ЭМС ЗАО "Тестприбор" готова по заказу предприятия-изготовителя подобрать или разработать подходящую методику и провести испытания кабельных жгутов, в том числе в составе изделия или комплекса.
ЛИТЕРАТУРА
1. ОСТ 1 01205-2012. Экранирование бортовой кабельной сети самолетов и вертолетов. Методы проведения испытаний с целью оценки эффективности экранирования.
2. ГОСТ Р 54429-2011. Кабели связи симметричные для цифровых систем передачи. Общие технические условия.
3. ГОСТ Р 53880–2010. Кабели коаксиальные для сетей кабельного телевидения. Общие технические условия.
4. Bernhard Mund, Christian Pfeiler. Balunless measurement of coupling attenuation of screened balanced cables up to 2 GHz. – 64rd IWCS Conference, Atlanta, GA, USA, October 2015.
5. Кузнецов Р.Г. Актуальные вопросы оценки эффективности экранирования высокочастотных кабелей. – www.spetskabel.ru/rss/articles/15/1.xml.
Отзывы читателей
