eng
Выпуск #4/2020
А.Смирнов, К.Басалаев, Ю.Занин
ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ К ИЗЛУЧАЕМЫМ ПОМЕХАМ
ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ К ИЗЛУЧАЕМЫМ ПОМЕХАМ
Просмотры: 1051
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.195.4.86.90
Испытательная система для тестирования устойчивости к излучаемым помехам
А. Смирнов, д. т. н.1, К. Басалаев 2, Ю. Занин 3
Актуальность электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств (ТС) различного назначения постоянно возрастает в связи с активным расширением используемых диапазонов частот и перечня решаемых функциональных задач, связанных не только с повышением комфорта и безопасности повседневной жизни, но и с обеспечением надежности ТС. Оценка характеристик ЭМС применительно к общепромышленной продукции является обязательной процедурой подтверждения соответствия с техническим регламентом ТР ТС № 20 «Электромагнитная совместимость технических средств».
Для других продуктов обязательность выполнения требований ЭМС отражена в технических заданиях на их разработку. В компании «Диполь» разработали новую систему, позволяющую выполнять тестирование различных устройств на устойчивость к излучаемым помехам.
Теоретическая подготовка
Тестирование технических средств на ЭМС включает четыре группы испытаний. Эти группы предполагают испытания на эмиссию и устойчивость относительно кондуктивных и излучаемых помех. Иногда в отдельную группу выделяют тестирование устойчивости и эмиссии относительно качества сети питания. Независимо от видов испытываемых ТС, тестирование которых регламентируется соответствующими стандартами по нормам и методам испытаний, каждая группа стандартов в той или иной степени содержит все четыре типа испытаний. Объяснимо, что испытательные лаборатории желали бы иметь в своем составе весь комплекс испытательного оборудования и средств измерений. В то же время, понимая разную стоимость технического оснащения под различные группы испытаний, организаторы лабораторий обычно начинают с наиболее бюджетной части, относящейся к кондуктивным помехам.
Инструментальное обеспечение испытаний ЭМС, касающихся излучаемых помех, чрезвычайно затратно материально. Особенно это относится к тестированию устойчивости ТС к излучаемым помехам. Поэтому при формировании требований к характеристикам воспроизводимых полей заказчики исходят из двух критериев:
Традиционная схема испытательной установки обычно включает цепь «генератор – усилитель мощности – антенна». Но в последнее время активно развиваются альтернативные схемы испытательных систем. Такие схемы, основанные, в частности, на GTEM‑камерах или реверберационных камерах, обеспечивают минимизацию финансовых затрат при решении задач тестирования малогабаритных объектов с максимальным объемом до 1 м3. Для универсальных испытательных установок, не имеющих ограничений по габаритным размерам объектов испытаний, традиционная схема является предпочтительной.
При создании традиционной схемы испытательной установки первичным критерием формирования перечня оборудования является выбор частотного диапазона испытаний (с учетом перспективы усложнения задач желательно закладывать максимально широкий диапазон) и уже потом – уровня создаваемых воздействий. В определенной степени это обусловлено тем фактом, что, по мнению заказчика, недостающие уровни воздействий могут быть легко достигнуты уменьшением расстояния до объекта испытаний или подбором соответствующей излучающей антенны. При этом необходимое расширение частотного диапазона установки может быть обеспечено внедрением такого дополнительного оборудования, как антенны или усилители мощности для новых частотных диапазонов.
В итоге изначально приобретается широкополосный генератор, а затем, по мере расширения оснащенности, докупаются антенны и усилители мощности.
В табл. 1 сведены требования основных стандартов по уровням создаваемых электромагнитных полей [1–4]. Из анализа табл. 1 видно, что при подборе элементов испытательной установки показатели жесткости испытаний не всегда являются достаточными для выбора аппаратуры, в частности усилителя мощности и излучающих антенн. В общем случае необходимо принимать во внимание вид модуляции воздействия и требования к характеру и допустимым значениям вариации поля, чтобы учитывать именно максимальное (экстремальное) значение создаваемого поля.
В то же время можно констатировать, что обеспечение испытаний в диапазоне 100 МГц – 18 ГГц с уровнями воздействия 200 В / м закроет практически весь объем испытаний, исключая диапазон частот 18–40 ГГц.
Практическая реализация
Задача по созданию испытательной системы тестирования устойчивости к сильным электромагнитным полям (причем включая и диапазон 18–40 ГГц) была поставлена одним из заказчиков компании «Диполь». Основной акцент делался на выполнении требований по тестированию авиационной продукции [2]. Требования данного задания приведены в табл. 2.
Особенностями задачи являлись следующие условия:
традиционная конфигурация испытательной системы: «генератор – усилитель – антенна»;
требуемые жесткости испытаний необходимо было обеспечивать на удалении 3 м;
требования к однородности поля отсутствовали;
не было ограничений на минимальное количество позиций испытательной системы, обеспечивающее последовательное облучение заданного крупногабаритного объекта;
оптимальные количество и спецификации усилителей – то есть заказчик должен был иметь возможность использовать в конкретном случае только тот набор усилителей (для соответствующих частотных диапазонов), который соответствует данной задаче испытаний.
Поскольку конфигурация испытательной установки была определена как традиционная, то основное внимание уделялось выбору элементов этой системы, в первую очередь, усилителей мощности и излучающих антенн.
Наиболее важной задачей явился подбор усилителей мощности. Общим выражением, связывающим мощность и создаваемое электромагнитное поле, является оценочная формула следующего вида:
,
где E – напряженность электрического поля, R – расстояние от антенны, P – подводимая мощность, G – коэффициент усиления антенны.
Данное выражение позволяет оценить минимально необходимую излучаемую мощность, обеспечивающую требуемую напряженность поля. Оценочное значение является необходимым ориентиром при выборе усилителя мощности. При этом важными являются следующие обстоятельства:
данное значение выходной мощности должно соответствовать линейному режиму работы усилителей. Часто в спецификациях и названиях моделей производители указывают максимальную мощность, в том числе и в режиме насыщения;
характерные границы частотного диапазона выбирались, исходя из требований к частотным диапазонам испытаний, определяемым различными стандартами. Это обеспечивает рациональную эксплуатацию установки в случае ограниченного применения по частоте.
В итоге рассматривались усилители мощности с верхними частотами из ряда 1, 3, 6, 18, 26, 40 ГГц или схожих значений;
усилители мощности должны иметь встроенные каналы отвода падающей и отраженной мощности и возможность индикации уровней этих мощностей. Это позволяет проводить калибровку системы без использования внешних дополнительных двухсторонних направленных ответвителей, вносящих дополнительное ослабление;
усилители мощности должны иметь защиту от высокого КСВН по выходу с возможностью сохранения режима усиления сигнала. Это связано с возможностью попадания отраженного от объекта сигнала на выходные разъемы усилителей, что небезопасно для их работы.
Большинство современных усилителей имеет встроенную защиту от большого КСВН на выходе, но часто это всего лишь предохранительный режим с переводом усилителя в «режим ожидания».
При выборе излучающих антенн основными критериями были частотный диапазон, коэффициент усиления, допустимая входная мощность, значения КСВН.
Основные проблемы при создании сильного электромагнитного поля связаны с частотным диапазоном до 100 МГц. Для обеспечения запаса по энергетике для этого частотного диапазона были выбраны так называемые сложенные антенны, фактически представляющие решетку из двух компланарных антенн. В то же время для диапазона частот выше 18 ГГц были выбраны различные комплекты рупорных антенн. Поскольку в этом частотном диапазоне направленные свойства антенн проявляются существенно, то различные типы облучающих антенн позволяют пользователю оптимизировать конфигурацию системы за счет выбора антенн, обеспечивающих минимизацию времени тестирования при последовательном облучении.
В итоге перечень основных элементов системы (рис. 1) составили средства измерений и оборудование, приведенные в табл. 3.
Используемые усилители мощности отличает существенная физическая масса. Для удобства эксплуатации усилители мощности вместе с локальными коммутаторами были размещены в мобильных стойках (рис. 2). Отдельная стойка содержала общие для всех устройств генератор сигналов и коммутатор. Поскольку усилители мощности имеют достаточно высокое усиление (порядка 50 дБ), то такая компоновка позволила размещать генераторную стойку далеко от рабочих усилителей мощности. При этом излучающие антенны были размещены в непосредственной близости от соответствующих по частотному диапазону усилителей мощности. В результате пользователю системы достаточно было перемещать только необходимую для работы стойку с усилителем мощности.
По завершении монтажа системы были проведены приемочные испытания. Их результаты показали рациональный выбор конфигурации системы и соответствие реальных характеристик создаваемых воздействий требованиям технического задания, причем с запасом по полю в 1,3–1,5 раз в различных частотных диапазонах. Учитывая то, что выбранные усилители являются моделями из серий с одинаковым частотным диапазоном, но разными выходными мощностями, подобная конфигурация может быть использована без изменений для создания испытательной системы с меньшими значениями создаваемых электромагнитных полей.
Литература
ГОСТ IEC 61000-4-3-2016 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4–3. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к излучаемому радиочастотному электромагнитному полю.
Квалификационные требования КТ‑160D. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования (Внешние воздействующие факторы – ВВФ). Требования, нормы и методы испытаний.
Правила ЕЭК ООН N10 (пересмотр 5). Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости.
MIL-STD‑461G, Department of Defense interface standard: requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment (11.12.2015).
А. Смирнов, д. т. н.1, К. Басалаев 2, Ю. Занин 3
Актуальность электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств (ТС) различного назначения постоянно возрастает в связи с активным расширением используемых диапазонов частот и перечня решаемых функциональных задач, связанных не только с повышением комфорта и безопасности повседневной жизни, но и с обеспечением надежности ТС. Оценка характеристик ЭМС применительно к общепромышленной продукции является обязательной процедурой подтверждения соответствия с техническим регламентом ТР ТС № 20 «Электромагнитная совместимость технических средств».
Для других продуктов обязательность выполнения требований ЭМС отражена в технических заданиях на их разработку. В компании «Диполь» разработали новую систему, позволяющую выполнять тестирование различных устройств на устойчивость к излучаемым помехам.
Теоретическая подготовка
Тестирование технических средств на ЭМС включает четыре группы испытаний. Эти группы предполагают испытания на эмиссию и устойчивость относительно кондуктивных и излучаемых помех. Иногда в отдельную группу выделяют тестирование устойчивости и эмиссии относительно качества сети питания. Независимо от видов испытываемых ТС, тестирование которых регламентируется соответствующими стандартами по нормам и методам испытаний, каждая группа стандартов в той или иной степени содержит все четыре типа испытаний. Объяснимо, что испытательные лаборатории желали бы иметь в своем составе весь комплекс испытательного оборудования и средств измерений. В то же время, понимая разную стоимость технического оснащения под различные группы испытаний, организаторы лабораторий обычно начинают с наиболее бюджетной части, относящейся к кондуктивным помехам.
Инструментальное обеспечение испытаний ЭМС, касающихся излучаемых помех, чрезвычайно затратно материально. Особенно это относится к тестированию устойчивости ТС к излучаемым помехам. Поэтому при формировании требований к характеристикам воспроизводимых полей заказчики исходят из двух критериев:
- охвата требований наибольшего количества стандартов по нормам и методам испытаний для выбранного частотного диапазона;
- возможности в перспективе рационально наращивать оснащенность лаборатории относительно частотного диапазона испытаний.
Традиционная схема испытательной установки обычно включает цепь «генератор – усилитель мощности – антенна». Но в последнее время активно развиваются альтернативные схемы испытательных систем. Такие схемы, основанные, в частности, на GTEM‑камерах или реверберационных камерах, обеспечивают минимизацию финансовых затрат при решении задач тестирования малогабаритных объектов с максимальным объемом до 1 м3. Для универсальных испытательных установок, не имеющих ограничений по габаритным размерам объектов испытаний, традиционная схема является предпочтительной.
При создании традиционной схемы испытательной установки первичным критерием формирования перечня оборудования является выбор частотного диапазона испытаний (с учетом перспективы усложнения задач желательно закладывать максимально широкий диапазон) и уже потом – уровня создаваемых воздействий. В определенной степени это обусловлено тем фактом, что, по мнению заказчика, недостающие уровни воздействий могут быть легко достигнуты уменьшением расстояния до объекта испытаний или подбором соответствующей излучающей антенны. При этом необходимое расширение частотного диапазона установки может быть обеспечено внедрением такого дополнительного оборудования, как антенны или усилители мощности для новых частотных диапазонов.
В итоге изначально приобретается широкополосный генератор, а затем, по мере расширения оснащенности, докупаются антенны и усилители мощности.
В табл. 1 сведены требования основных стандартов по уровням создаваемых электромагнитных полей [1–4]. Из анализа табл. 1 видно, что при подборе элементов испытательной установки показатели жесткости испытаний не всегда являются достаточными для выбора аппаратуры, в частности усилителя мощности и излучающих антенн. В общем случае необходимо принимать во внимание вид модуляции воздействия и требования к характеру и допустимым значениям вариации поля, чтобы учитывать именно максимальное (экстремальное) значение создаваемого поля.
В то же время можно констатировать, что обеспечение испытаний в диапазоне 100 МГц – 18 ГГц с уровнями воздействия 200 В / м закроет практически весь объем испытаний, исключая диапазон частот 18–40 ГГц.
Практическая реализация
Задача по созданию испытательной системы тестирования устойчивости к сильным электромагнитным полям (причем включая и диапазон 18–40 ГГц) была поставлена одним из заказчиков компании «Диполь». Основной акцент делался на выполнении требований по тестированию авиационной продукции [2]. Требования данного задания приведены в табл. 2.
Особенностями задачи являлись следующие условия:
традиционная конфигурация испытательной системы: «генератор – усилитель – антенна»;
требуемые жесткости испытаний необходимо было обеспечивать на удалении 3 м;
требования к однородности поля отсутствовали;
не было ограничений на минимальное количество позиций испытательной системы, обеспечивающее последовательное облучение заданного крупногабаритного объекта;
оптимальные количество и спецификации усилителей – то есть заказчик должен был иметь возможность использовать в конкретном случае только тот набор усилителей (для соответствующих частотных диапазонов), который соответствует данной задаче испытаний.
Поскольку конфигурация испытательной установки была определена как традиционная, то основное внимание уделялось выбору элементов этой системы, в первую очередь, усилителей мощности и излучающих антенн.
Наиболее важной задачей явился подбор усилителей мощности. Общим выражением, связывающим мощность и создаваемое электромагнитное поле, является оценочная формула следующего вида:
,
где E – напряженность электрического поля, R – расстояние от антенны, P – подводимая мощность, G – коэффициент усиления антенны.
Данное выражение позволяет оценить минимально необходимую излучаемую мощность, обеспечивающую требуемую напряженность поля. Оценочное значение является необходимым ориентиром при выборе усилителя мощности. При этом важными являются следующие обстоятельства:
данное значение выходной мощности должно соответствовать линейному режиму работы усилителей. Часто в спецификациях и названиях моделей производители указывают максимальную мощность, в том числе и в режиме насыщения;
характерные границы частотного диапазона выбирались, исходя из требований к частотным диапазонам испытаний, определяемым различными стандартами. Это обеспечивает рациональную эксплуатацию установки в случае ограниченного применения по частоте.
В итоге рассматривались усилители мощности с верхними частотами из ряда 1, 3, 6, 18, 26, 40 ГГц или схожих значений;
усилители мощности должны иметь встроенные каналы отвода падающей и отраженной мощности и возможность индикации уровней этих мощностей. Это позволяет проводить калибровку системы без использования внешних дополнительных двухсторонних направленных ответвителей, вносящих дополнительное ослабление;
усилители мощности должны иметь защиту от высокого КСВН по выходу с возможностью сохранения режима усиления сигнала. Это связано с возможностью попадания отраженного от объекта сигнала на выходные разъемы усилителей, что небезопасно для их работы.
Большинство современных усилителей имеет встроенную защиту от большого КСВН на выходе, но часто это всего лишь предохранительный режим с переводом усилителя в «режим ожидания».
При выборе излучающих антенн основными критериями были частотный диапазон, коэффициент усиления, допустимая входная мощность, значения КСВН.
Основные проблемы при создании сильного электромагнитного поля связаны с частотным диапазоном до 100 МГц. Для обеспечения запаса по энергетике для этого частотного диапазона были выбраны так называемые сложенные антенны, фактически представляющие решетку из двух компланарных антенн. В то же время для диапазона частот выше 18 ГГц были выбраны различные комплекты рупорных антенн. Поскольку в этом частотном диапазоне направленные свойства антенн проявляются существенно, то различные типы облучающих антенн позволяют пользователю оптимизировать конфигурацию системы за счет выбора антенн, обеспечивающих минимизацию времени тестирования при последовательном облучении.
В итоге перечень основных элементов системы (рис. 1) составили средства измерений и оборудование, приведенные в табл. 3.
Используемые усилители мощности отличает существенная физическая масса. Для удобства эксплуатации усилители мощности вместе с локальными коммутаторами были размещены в мобильных стойках (рис. 2). Отдельная стойка содержала общие для всех устройств генератор сигналов и коммутатор. Поскольку усилители мощности имеют достаточно высокое усиление (порядка 50 дБ), то такая компоновка позволила размещать генераторную стойку далеко от рабочих усилителей мощности. При этом излучающие антенны были размещены в непосредственной близости от соответствующих по частотному диапазону усилителей мощности. В результате пользователю системы достаточно было перемещать только необходимую для работы стойку с усилителем мощности.
По завершении монтажа системы были проведены приемочные испытания. Их результаты показали рациональный выбор конфигурации системы и соответствие реальных характеристик создаваемых воздействий требованиям технического задания, причем с запасом по полю в 1,3–1,5 раз в различных частотных диапазонах. Учитывая то, что выбранные усилители являются моделями из серий с одинаковым частотным диапазоном, но разными выходными мощностями, подобная конфигурация может быть использована без изменений для создания испытательной системы с меньшими значениями создаваемых электромагнитных полей.
Литература
ГОСТ IEC 61000-4-3-2016 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4–3. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к излучаемому радиочастотному электромагнитному полю.
Квалификационные требования КТ‑160D. Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования (Внешние воздействующие факторы – ВВФ). Требования, нормы и методы испытаний.
Правила ЕЭК ООН N10 (пересмотр 5). Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости.
MIL-STD‑461G, Department of Defense interface standard: requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment (11.12.2015).
Отзывы читателей
