Испытания на устойчивость к воздействию HIRF-полей 22.07.2019

Испытания на устойчивость к воздействию HIRF-полей

 

 

 

 

 

Петровичев Александр Александрович
инженер-испытатель ИЛ ЭМС
АО «ТЕСТПРИБОР

Введение

Сегодня мы расскажем о теме, напрямую связанной с авиацией, а именно об испытаниях бортового оборудования (БО) на устойчивость к воздействию электромагнитных помех. В частности, речь пойдёт о помехах, наведённым излучаемым электромагнитным полем. Несмотря на то, что эта тема хорошо освещена, есть одна не очевидная проблема, с которой могут столкнуться как испытательные лаборатории, так и изготовители БО, выходящие на испытания.

Проведение испытаний на соответствие требованиям основополагающего стандарта для военной и гражданской авиации, КТ-160, на первый взгляд, не вызывает трудностей: методики есть и давно отработаны, существует и подходящее техническое оснащение.

При этом, есть отдельная категория наведённых электромагнитных полей, известная под аббревиатурой HIRF – High-intensity Radiated Field или, если перевести, высокоинтенсивные излучаемые поля. Если вы заглянете в КТ-160, то увидите, что HIRF представлены для каждой категории испытуемого БО, их значения размещены в таблицах уровней воздействия второй колонкой. В качестве примера приведём конкретные значения: от 150 до 1400 В/м в диапазоне от 400 до 1000 МГц и от 500 до 7000 В/м в диапазоне выше 1000 МГц.

Стандартное оснащение лаборатории позволяет получить значения напряжённости электромагнитного поля до 200 В/м на частотах до 1000 МГц и до 1000 В/м в гигагерцовом диапазоне. Повышение уровня напряжённости поля, в первом приближении, является не самой просто решаемой задачей, однако на практике уже применяются методы проведения подобных испытаний.

Методы испытаний

Самым простым может показаться метод прямого воздействия поля соответствующей напряженности на испытуемое БО. Достаточно лишь взять подходящую антенну и усилитель мощности и подать воздействие…

Однако так просто это звучит лишь в теории. При попытке практической реализации такого метода возникают проблемы связанные с технической стороной вопроса. Подходящих антенн для таких испытаний может просто не оказаться, усилители, которые могли бы дать подходящее усиление либо, опять же, не существуют, либо являются слишком дорогим удовольствием.

В качестве варианта можно рассматривать магнитроны, но каждый магнитрон создаётся под конкретное значение частоты, поэтому испытания во всем требуемом диапазоне потребуют несколько таких устройств, которые нужно будет переключать в течение проверки. И добавим к этому требования безопасности к испытательной площадке.

Есть и альтернативные методы, не требующие такой сложной технической подготовки.

Первый – расчетно-экспериментальный метод. Основан он на измерении ослабления поля корпусом БО с последующим облучением внутренних блоков и компонентов без корпуса. Уровень воздействующего поля определяется с учётом ослабления, которое даёт корпус. Это – технически легко осуществимый метод, нашедший широкое практическое применение. Однако, он не может быть применён в следующих случаях:

  • Если БО изготовлено в единственном экземпляре (опытный образец) в герметичном корпусе без возможности его вскрыть;

  • Если отсутствует идентичный макет испытуемого БО;

  • Если внутренние размеры корпуса БО не позволяют разместить в нём антенну для измерения экранирования корпуса.

В этих случаях прибегают к использованию реверберационных камер.

Что такое реверберация

Реверберация это – процесс многократного сложения переотражённой от поверхности волны. Речь может идти о волнах любого рода: довольно часто, например, этот термин применяется в области акустики и звукозаписи. Но, так как мы говорим об ЭМС, то применяем понятие реверберации к электромагнитным волнам.

Именно принцип многократного сложения волны лежит в основе работы реверберационной камеры. Многократно переотраженные волны входят в резонанс, что приводит к значительному росту значений напряженности электромагнитного поля в рабочем объёме камеры. Значения до 7000 В/м перестают казаться недосягаемыми!

Как устроена камера

Как уже было отмечено выше, подобные испытания проводят в специально оборудованных камерах.

Реверберационная камера представляет собой экранированное помещение, внутренние стенки которого не обшиты поглощающим материалом, что и обеспечивает отражение волн. Для лучшего отражения, стенки и пол камеры делают металлическими. Другой важной особенностью камеры является наличие так называемого тюнера или «мешалки» - поворотного механизма с железными пластинами. От его ориентации зависит фаза и амплитуда переотраженных волн и, как следствие, процесс резонанса в рабочем объеме.

Камера представляет собой резонатор с высокой добротностью, что позволяет создать поле с высокой напряженностью в рабочем объеме, подведя сравнительно небольшую мощность. То есть, реверберационная камера позволяет создать HIRF-поля как в низкочастотном (до 1 ГГц), так и в высокочастотном (от 1 ГГц) диапазонах. Это позволяет исключить из состава оборудования дорогостоящий усилитель мощности. При этом есть важный момент, связанный с размером камеры: нижняя граница диапазона частот напрямую зависит от размера рабочей области.

Реверберационные камеры чаще всего применяются для испытаний на устойчивость БО к воздействию электромагнитного поля. Другими вариантами применения могут быть измерение эффективности экранирования и измерение эмиссии помех. При этом следует помнить о том, что реверберационная камера не может в полной мере заменить безэховую, в частности, если речь идёт об измерении помехоэмиссии.

Результаты измерений

Проиллюстрируем работу реверберационной камеры результатами измерений. Замеры проводились в камере, собранной АО «ТЕСТПРИБОР». Параметры камеры:

  • Общие габариты, мм: 2770 x 1550 x 1650;
  • Размеры рабочей зоны, мм: 700 x 700 x 700;
  • Общий эффективный диапазон частот, ГГц: 0,23 – 40;
  • Коэффициент экранирования, не менее:
    - 120 дБ (230 – 1000 МГц);
    -100 дБ (1 – 10 ГГц);
    - 90 дБ (10 – 18 ГГц);
    - 80 дБ (18 – 40 ГГц).

Схема рабочего места представлена на рисунке 1.

Проиллюстрируем работу реверберационной камеры

Рис.1. Схема рабочего места

В ходе измерений определялась напряженность электромагнитного поля в рабочем объёме реверберационной камеры в зависимости от угла поворота тюнера. Полученная зависимость с указанием точек измерений представлена на рисунке 2.

 Зависимость напряженности электромагнитного поля от угла поворота тюнера

Рис.2. Зависимость напряженности электромагнитного поля от угла поворота тюнера

Измерения проводились в на частоте 230 МГц с применением стандартного оснащения испытательной лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР». Как видно из полученной зависимости, на углу поворота 218 0 наблюдается напряженность электромагнитного поля 1287 В/м. Также наблюдается побочный пик напряженности 742 В/м на углу поворота 240 0 .

Другими словами, собранная камера позволяет создать поле большой напряженности в рабочем объеме при использовании стандартного оборудования лаборатории и без мощного усилителя.

Заключение

Можно сделать вывод, что проведение испытаний на стойкость оборудования к HIRF-полям является технически сложно реализуемой, но, тем не менее, выполнимой задачей. Метод прямых испытаний имеет альтернативы, одна из которых, расчётно-экспериментальный метод, с одной стороны, заметно проще и дешевле реализуема, но, с другой, не обеспечивает полностью достоверных результатов.

Наша лаборатория проводит испытания на стойкость к HIRF-полям в соответствии с КТ-160 расчётно-экспериментальным методом. В настоящий момент собранная нами камера проходит аттестацию. По её завершению лаборатория получит возможность покрыть весь спектр проверок на стойкость к HIRF-полям, соответствующий требованиям КТ-160, обеспечивая результат близкий к натурным испытаниям.