23.05.2016

Методы оценки экранирующих свойств кабельных жгутов при испытаниях бортовой аппаратуры на соответствие требованиям по обеспечению ЭМС

Лютаев С.В.

Начальник ИЛ ЭМС ЗАО «Тестприбор»

Лаборатория ЭМС ЗАО «Тестприбор» проводит испытания на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС) различных изделий, в том числе и бортовой аппаратуры (БА) летательных аппаратов (ЛА).

В ходе испытаний зачастую выявляются несоответствия изделий требованиям нормативных документов, причем часто это бывает из-за неправильно выполненных кабельных жгутов.

Одной из причин этого является то, что разработкой изделия, представ - ляемого на испытания по ЭМС, и разработкой кабельных жгутов занимаются, как правило, разные отделы в одной организации, а то и разные организации, причем обычно разработчик кабельных жгутов не имеет представления о требованиях по ЭМС к изделию, системе, комплексу.

Рассмотрим некоторые из этих требований.

При испытаниях на эмиссию радиочастотных помех (ГОСТ В 25803-90, ГОСТ РВ 6601-002-2008, ГОСТ Р 51318.11 –2006 ) производится измерение помех от испытуемого изделия в рабочем состоянии со всеми присоеди-ненными кабелями питания, связи, управления, входящими в их состав соединителями как в линиях связи и питания, так и по РЧ полю.

При испытаниях на устойчивость к помехам, воздействие также прилагается к кабельным жгутам, причем для некоторых видов помех воздействие производится именно на кабельные жгуты. В таблице 1 приведены примеры видов испытаний и уровни воздействия.

Таблица 1


ВВФ

НТД

Способ воздействия

Уровень воздействия


Устойчивость к радиочастотным полям (HiRf)

КТ160D

разд 20

антенна- облучатель

V hf=200..500 В/м

τ=16…50 мкс

1

Магнитное поле

КТ160D

разд 19

провод-индуктор

I= 30A х м

F=380-400 Гц

2

Электрическое поле

КТ160D

разд 19

провод-индуктор

V= 5400…135 В х м

F=380- 15000Гц

3

Импульсное воздействие

КТ160D

разд 19

провод-индуктор

αv=600 В

τ1= 50…1000мкс

τ2=0,2…10 мкс

4

Затухающие синусоидальные импульсы

спецтребования

инжектор

I≤ 5А


МИП (микросекундные импульсные помехи)

ГОСТ Р 51317.4.5-99

инжектор/устройство связи

V=0,5…4кВ


НИП (наносекундные импульсные помехи)

ГОСТ Р 51317.4.4-2007

инжектор (клещи связи)

V= 0.2-4 кВ

t= 1…1000 нс

Fи= 5/100 кГц


ЭСР (электростатический разряд)

КТ160D

разд 25,

спецтребования

генератор ЭСР, разрядник

до 15-25кВ

Очевидно, что при плохих экранирующих свойствах кабелей прилагаемые воздействия могут нарушить работоспособность аппаратуры или привести к ее отказу.

Испытания БА ЛА на ЭМС достаточно сложные и дорогостоящие, поэтому целесообразно оценивать экранирующие жгуты отдельно, до поступления на испытания в составе системы, либо выделять в отдельные испытания на начальных стадиях испытаний.

Методы проведения испытаний бортовой кабельной сети ЛА с целью оценки эффективности экранирования приведены 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 0.1-1000 МГц.

Переходное сопротивление электрически короткого одиночного провода

(обычно длиной 300 мм) измеряют по схеме, представленной на рис. 1.

Переходное сопротивление электрически короткого одиночного провода (обычно длиной 300 мм)

1- анализатор спектра; 2- измерительный вход; 3- выход

синхрогенератора; 4 - коаксиальный соединитель;

5- испытуемый одиночный экранированный провод;

6- диэлектрическая подставка; 7- оплетка, соединенная с центральным

проводником; 8- переходное устройство с резистором 50 Ом и

коаксиальным соединителем

Рис.1. Испытательная установка для измерения переходного

поверхностного сопротивления одиночного экранированного провода

Испытуемый провод подключают к выходу синхрогенератора анализатора спектра через переходное устройство с резистором 50 Ом, второй конец провода через высокочастотный коаксиальный соединитель подключают 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 изрезанность измеренной характеристики.

Методика измерения эффективности экранирования оплетками проводов произвольной длины на частотах от 30 МГц до 1000 МГц основана на измерении напряжения в проводнике, помещенном в испытательную камеру ГТЕМ или РТЕМ сначала с экраном (оплеткой), потом без него. Схема измерительной установки с использованием ГТЕМ камеры показана на рис. 2

Схема измерительной установки с использованием ГТЕМ камеры

1,8- нагрузка 50 Ом; 2- центральная пластина; 3- ГТЕМ камера;

4- радиопоглощающий материал; 5- испытуемый кабель с оплеткой с двумя адаптерами на концах; 6,9,12- высокочастотный коаксиальный соединитель;

7,11- деревянная подставка; 10- подставка из пенопласта; 13- на вход анализатора спектра; 14- анализатор спектра; 15- выход синхрогенератора;

16- усилитель; 17- выход усилителя.

Рис.2 Схема установки для измерения эффективности экранирования экранирующими оплетками проводов/жгутов в ГТЕМ камере

Эффективность экранирования рассчитывают по формуле

SE= 20lg(U без 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 в соответствии с [1] раздел 20, категория жесткости W, эффективность экранирования оплетками одиночных проводов и жгутов проводов должна быть не менее значений, приведенных в таблице 2.

Диапазон частот, МГц

Эффективность экранирования одиночного провода, дБ

Эффективность экранирования жгута проводов, дБ

От 30 до 100 включ.

40

Св. 100 « 200 «

35

30

« 200 « 400 «

30

25

« 400 « 700 «

20

« 700 « 1000 «

Таблица 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= SE таб+ 20 * lg (Eтреб) - 40, дБ

где SEтаб - эффективность экранирования, заданная в таблице 2.

К плюсам данного метода следует отнести достаточно точное моделирование нахождения кабеля в радиочастотном поле. Минусом является 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 приводится как альтернативный [1].

Следует отметить различие в терминологии и определениях, используемых в «кабельных» публикациях и стандартах[2,3] и «радиотехнических» [1]. В данной статье при описании методов испытаний сохраняется терминология соответствующего первоисточника.

Схема измерения по этому методу показана на рис. 3.

В кабельной промышленности для оценки эффективности экранирования кабелей  применяется метод триаксиальной линии  (ГОСТ Р 54429-2011, ГОСТ Р 53880-2010  ) [2,3].

1- генератор; 2- испытываемый кабель; 3- измерительная труба

4- согласующий резистор; 5- измерительный приемник.

Рис.3 Схема измерений с помощью триаксиальной линии

Эффективность экранирования испытуемого образца можно вычислить по формуле :

SE= 20*lg(Uген/Uвх), дБ

где - Uген напряжение на выходе генератора

Uвх - напряжение на входе анализатора спектра

Удобство метода триаксиальной линии, компактность измерительных установок и относительная простота оборудования делают его привлекательным для испытателей. На рис.4 показана фотография установки с использованием оборудования фирмы BEDEA/Rosenberger [4].

Установка для измерения эффективности экранирования с помощью триаксиальной линии.

Рис. 4 Установка для измерения эффективности экранирования с помощью триаксиальной линии.

На основе подхода, использующего триаксиальный метод, можно испытывать не только кабели, но и кабельные соединители и различные прокладки, в том числе предназначенные для целей ЭМС. Для этого исследуемый соединитель помещается либо в трубе триаксиальной камеры либо в резонансной камере на основе прямоугольного волновода. Схема установки для испытания соединителей показана на рис.5, на рис. 6 показана установка для испытания различных прокладок.

Схема установки для испытания соединителей триаксиальным методом

1- генератор; 2- аттенюатор; 3- труба; 4- исследуемый соединитель;

5- измерительный приемник; 6- удлиняющая трубка; 7- соединительный кабель; 8- переходное устройство с согласующим резистором

Рис.5 Схема установки для испытания соединителей

триаксиальным методом

Схема установки для испытания ЭМС- прокладок

1- соединитель; 2- генератор; 3- измерительный приемник;

4- контактная пружина/прокладка; 5- экранирующая перегородка;

6- переходной адаптер ; 7- внешний проводник; 8- внутренний проводник

Рис.6 Схема установки для испытания ЭМС- прокладок

Преимуществом метода является использование установки, защищенной от посторонних (шумовых) излучений и не излучающая в окружающее пространство. Это обеспечивает динамический диапазон измерений до 100 дБ без использования специального экранированного помещения. Частотный диапазон от нескольких кГц до 3-4 ГГц и выше.

Триаксиальный метод в качестве предпочтительного метода измерений в стандартах кабельной промышленности утвердился только в последние несколько лет, до этого использовался метод «поглощающих клещей» (ГОСТ Р 54429-2011, п. 8.3.9, IEC 61196-1 п.12.4).

Схема измерений по этому методу представлена на рис.7

Схема установки по методу поглощающих клещей

1- генератор; 2- поглощающие клещи 3- измерительный приемник;

4- датчик тока; 5- согласованная нагрузка; 6 – испытываемый кабель

Рис.7 Схема установки по методу поглощающих клещей.

Принцип измерений состоит в том, что сигнал от генератора подается в испытуемый кабель через отверстие в отражающей пластине, на другом конце кабеля включается согласующая нагрузка. За отражающей пластиной располагаются поглощающие ферритовые клещи с токосъемником, на расстоянии 600 см располагаются еще одни поглощающие клещи. Затухание экранирования определяется по формуле:

SE= 10*lg (P1/P 2max) , дБ

где - P1 - мощность, подаваемая от генератора,

P 2max максимальная излучаемая мощность

При доступных в настоящее время поглощающих клещах затухание экранирования может быть измерено до 2,5 ГГц [….].

К достоинству этого метода можно отнести то, что измерения проводятся на оборудовании, обычно имеющемся в каждой ЭМС лаборатории.

К недостаткам можно отнести большую длину кабеля, подвергаемого испытания, и необходимость проведения измерений в экранированном помещении.

Еще одним методом измерения сопротивления связи является метод инжекционной линии (IEC 96-1 Amendment 2/1993.)

Схема установки по этому методу показана на рис. 8.

Схема установки по методу инжекционной линии

1- Анализатор цепей; 2- аттенюатор 20дБ; 3- ответвитель;

4- опорные панели; 5- испытываемый кабель; 6- липкая лента:

7- согласованная нагрузка; 8- инжекционная линия (проводник)

Рис.8 Схема установки по методу инжекционной линии

Сигнал с выхода синхрогенератора анализатора спектра подается на инжекционный провод, который крепится к испытываемому кабелю, дальний конец которого соединен с входом анализатора спектра, с помощью которого производится измерение проникающего сигнала.

Методы оценки экранирующих свойств

где АT = U2/U1 ;

U1 - напряжение сигнала, подаваемого в провод-

инжектор

U2- напряжение, измеренное на выходе испытуемого

кабеля

Верхний частотный предел, до которого может быть измерено сопротивление связи по этому методу, зависит от длины испытуемого отрезка образца кабеля и составляет 3 ГГц.

Иногда, из-за организационных сложностей согласования ТЗ на испытания оборудования на ЭМС или утверждения результатов испытаний, оказывается проще проводить испытания кабельных жгутов непосредственно по методам, по которым испытывается аппаратура на ЭМС. При этом на одном конце кабеля включается имитатор сигнала бортовой аппаратуры, на выходе контролируется наличие искажений за счет сигнала помехи, прошедшего через экран кабеля, либо через КПА просто контролируется наличие помехи в сигнале прошедшем через испытуемый кабель.

На рис. 9 показана осциллограмма сигнала помехи (импульсный затухающий синусоидальный сигнал) в последовательности импульсов цифрового кода.

Осциллограмма сигнала с помехой.

Рис. 9 Осциллограмма сигнала с помехой.

На рис.10 представлена фотография части испытательной установки на воздействие затухающего синусоидального импульса. На экране осциллографа видно искажение сигнала из-за воздействия помехи.

Осциллограмма сигнала с помехой

Рис.10 Фотография испытательной установки на воздействие затухающей синусоидальной импульсной помехи

Перечисленные методы могут быть использованы разработчиками или испытателями для оценки качества кабельных жгутов из состава БА.

ИЛ ЭМС ЗАО «Тестприбор» готова по заказу предприятия - изготовителя подобрать или разработать подходящую методику и провести необходимые испытания кабельных жгутов, в том числе в составе «большого» изделия или комплекса.

Библиография:

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. Balunless measurement of coupling attenuation of screened balanced cables up to 2 GHz. Bernhard Mund, Christian Pfeiler, 64rd IWCS Conference, Atlanta, GA, USA, October 2015