Проблемы использования реверберационной камеры при испытаниях на восприимчивость к радиочастотному электромагнитному полю

Ввиду того, что основная тематика испытаний в лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР», это испытания изделий авиационной промышленности гражданского и специального назначения, основными документами, регламентирующими проведение таких испытаний, являются стандарты КТ-160G/14G и ГОСТ РВ ,а также программы и методики предприятий-заказчиков. Одним из основных видов испытаний является проверка восприимчивости изделия к радиочастотному электрическому полю высокой напряженности (англ. High-intensity Radiated Field - HIRF) вплоть до 7,2 кВ/м (КТ-160G группа L).

Для закрытия максимально возможных категорий жесткости указанных выше стандартов, в лаборатории ЭМС АО « ТЕСТПРИБОР» было решено создать рабочее место на основе радиочастотной реверберационной камеры (РК) (см.рис.1), которая является альтернативным методом проведения испытаний на восприимчивость к электрическому полю.

Рис. 1 Реверберационная камера лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР».

Общие габаритные размеры - Ш х В х Г 2700 х 1550 х 1650 мм
Размеры рабочей зоны - Ш х В х Г 700 х 700 х 700 мм
Диапазон рабочих частот - 400 МГц - 18 ГГц

Данный метод испытаний в нашей стране пока не получил широкого распространения, в том числе и потому, что при разработке, аттестации и эксплуатации такого вида оборудования персоналу лаборатории приходится сталкиваться с рядом вопросов, часть которых хотелось бы обсудить в данной статье.

Кратко напомню, что реверберационная камера – это экранированное помещение, изготовленное обычно из алюминия или оцинкованной стали, внутри которого расположены передающая антенны, измерительный датчик, а также рассеивающий электромагнитные волны элемент – тюнер. Работа РК основана на принципе многократных отражений падающей электромагнитной волны, генерирующих высокую напряженность поля за счет усиливающей интерференции (эффекта резонанса), в результате чего образуются «стоячие» волны, которые «перемешиваются» тюнером с целью получения однородного электрического поля в рабочем объеме РК.

Преимущество РК заключается в возможности проведения испытаний на восприимчивость к электрическому полю в широком диапазоне частот, при относительно невысоких требованиях к подводимой мощности сигнала на передающую антенну. При этом ориентация испытуемого изделия внутри рабочего объема РК менее важна, так как все его плоскости и подводимые кабели подвергаются воздействию однородного электрического поля, погрешность изменения которого, при правильно сконфигурированной геометрии, обычно лежит в пределах +/- 3 дБ (данное значение подтверждается аттестацией аккредитованной организации).

Аттестация

Аттестация такого вида оборудования как реверберационная камера накладывает, в отличие от антенны или генератора сигналов, дополнительные требования, а именно наличие программного обеспечения (ПО), которое бы позволяло одновременно контролировать положение тюнера, уровень излучаемой мощности и измеренное значение напряженности.

Хотя большинство камер зарубежного производства уже поставляются с ПО для автоматизации испытаний, в случае собственной разработки необходимо привлекать соответствующих специалистов для внедрения программы, позволяющей одновременно обмениваться данными между генератором сигналов, датчиками прямой и обратной мощности, датчиком напряженности электрического поля и приводом тюнера РК.

Сам процесс аттестации занимает существенные временные затраты, т.к. инженеру необходимо в 9 точках испытательного объема на фиксированных частотах и в требуемых положениях тюнера проводить измерение однородности создаваемого электрического поля. Для примера, в таблице 1 отражено требование стандарта ГОСТ РВ 6601-001-2008 к необходимому числу позиций тюнера.

Таблица 1

Учитывая потенциальную трудоемкость испытания, а также принимая во внимание то, что при внесении испытуемого изделия картина полей будет изменяться, существенно ускорить процедуры калибровки и испытаний можно только используя максимальное количество датчиков напряженности электрического поля в рабочем объеме.

Датчики напряженности электрического поля

При рассмотрении рынка измерительного оборудования обнаруживается малое количество подходящих датчиков напряженности электрического поля из реестра СИ. На момент написания данной статьи для покрытия всего частотного диапазона испытаний по КТ-160G/14G и ГОСТ РВ 6601-001-2008, возможно использовать только 3 датчика от двух производителей, причем максимально регистрируемый ими уровень достигает 1 кВ/м для частот до 4 ГГц и 600 В/м для частот до 18 ГГц. И хотя этого достаточно для испытаний по ГОСТ РВ 6601-001-2008 и перекрытия большинства категорий КТ-160G, этого явно недостаточно для проведения испытаний импульсными электрическими полями по максимальным категориям жесткости КТ-160G. На зарубежном рынке присутствуют датчики, которые имеют возможность измерения импульсных электрических полей напряженностью до 600 кВ/м, но, к сожалению, пока отечественные испытательные лаборатории не могут их использовать при проведении сертификационных испытаний. Помимо этого для удобства и ускорения калибровки рабочего объема РК, желательно использовать систему из нескольких датчиков (в идеальном случае 9), однако это требует существенного финансирования а так же большего рабочего объема.

Нижняя граница частоты

РК на низких частотах характеризуется конечным числом возбуждаемых типов волн (мод), суперпозиция которых в итоге приводит к неоднородному распределению электрического поля в нижней области диапазона рабочих частот. Также следует отметить, что эффективность РК снижается с убыванием частоты, т.е. мощность сигнала, необходимая для создания определенной напряженности поля, будет тем больше, чем меньше нижняя рабочая частота.

Оценить нижнюю частоту границу рабочего диапазона, при которой будет обеспечиваться необходимое число мод, а также габариты РК, можно используя следующее неравенство:

Помимо геометрии и габаритов РК на характеристики создаваемого поля будет влиять на тип тюнера, его геометрия, положение и количество. При разностороннем подходе к процессу разработки и анализа конструкции РК, влияние тюнера на распределение электрического поля в рабочем объеме можно оценить, используя средства электродинамического моделирования, например CST Microwave Studio или Ansys HFSS.

Тюнер

Как уже было сказано, многократные отражения излучаемых антенной электромагнитных волн от стен корпуса РК образовывают стоячие волны с неравномерными по амплитуде областями. Для обеспечения однородного распределения электрического поля внутри РК прибегают к изменению положения тюнера, что приводит к изменению граничных условий РК. Электрическое поле в рабочем объеме РК считается однородным, если в пределах заданной погрешности усредненные по всем положениям тюнера ( в зависимости от частоты испытательного сигнала число позиций тюнера за один полный оборот может колебаться от 12 до 200 и более) значения амплитуд напряженности одинаковы во всем рабочем объеме.

Тюнер должен быть асимметричным (в РК АО «ТЕСТПРИБОР» используется тюнер типа «Z-Fold») с наименьшим размером λ/3 для самой низкой частоты, которая будет использована, а самый большой размер тюнера должен быть приблизительно 75% наименьшего размера РК. Увеличение размеров тюнера приводит к уменьшению отклонения напряженности ЭМП во внутреннем объеме РК, однако при этом уменьшается рабочий объем. Так же при ориентации друг напротив друга два тюнеры типа «Z-Fold» позволяют добиться более высокой однородности электрического поля в рабочем объеме камеры.

Антенны

Рисунок 2 Малогабаритная биконическая антенна	Рисунок 3 Октавные рупорные антенны

Излучающие антенны должны располагаться не ближе 0,75 м (λ/3 – фактическое ограничение) от любой стены или объекта и позиционированы так, чтобы предотвратить встречное направление между основными лепестками диаграмм направленности (ДН) этих антенн или между испытуемым изделием и основным лепестком ДН любой антенны. Это требование накладывает ограничения на габариты используемых антенн, в случае использования РК с диапазонами рабочих частот от 400 МГц и выше. Большинство трудностей возникает с габаритными биконическими ОВЧ- и логопериодическими антеннами УВЧ диапазонов. Однако рынок испытательного оборудования позволяет решить данную задачу, например можно использовать малогабаритную биконическую антенну с диапазоном частот 30 МГц – 1 ГГц (см. рис 2). Хотя коэффициент усиления такой антенны хуже чем у логопериодической, свойства РК нивелируют требования к требуемой подводимой мощности. В диапазоне от 1 ГГц и выше габариты рупорных антенн позволяют без особого труда размещать их в РК любых размеров. Использование октавных рупоров ( см.рис 3) позволит также сэкономить на мощности усилителей, ввиду более высоких значений коэффициента усиления.

Заключение

Таким образом, реверберационные камеры следует рассматривать как альтернативу безэховым камерам при испытаниях на восприимчивость к радиочастотному электрическому полю, только при условии принятия и решения компромиссов и допущений, которые были рассмотрены в данной статье, а также часть которых отражена в таблице 2. Более уместным будет сказать, что оба вида испытательного оборудования дополняют друг друга при выполнении испытаний на ЭМС.

В настоящий момент реверберационная камера АО «ТЕСТПРИБОР» находится в стадии дооснащения и подготовки к аттестации, по завершению которой планируется расширить возможности лаборатории в части испытаний на восприимчивость к радиочастотному электрическому полю.

Таблица 2

Реверберационная камера	Полубезэховая экранированная камера
Зависимость рабочих частот от геометрии	Зависимость рабочих частот от параметров радиопоглощающих материалов
Одновременный контроль 3х параметров: частота амплитуда угол поворота тюнера	Одновременный контроль 2х параметров: частота амплитуда
Необходимость каждый раз перед испытаниями калибровать камеру в 9 точках во всем диапазоне частот при внесении в ее рабочий объем испытуемого изделия	Калибровка в 1 точке
Ввиду необходимости постоянной калибровки время и трудозатраты персонала ≈ в 10 раз выше	Персонал только заменяет/переключает антенны и усилители. Проведение испытаний «вручную» дает сравнительно небольшой прирост к время- и трудозатратам персонала
Необходимость дополнительного ПО и драйверов для управления тюнером	Стандартный пакет ПО для управления усилителями и генератором
Требуются усилители с меньшей мощностью	Необходимы мощные усилители, стоимость которых в несколько раз выше
Возможность создания полей более высокой напряженности при одинаковой подводимой мощности	С ростом требуемой напряженности необходимо гораздо более мощные усилители
Требуется дополнительная функция защиты усилителей от отраженной мощности, которая снижает подводимую мощность в случае рассогласования СВЧ-тракта	Стандартный контроль отраженной мощности датчиками мощности
Требование к однородности поля в испытательном объеме	Требование к однородности поля только по гражданским стандартам
Воздействие на все плоскости изделия и провода	Необходимо вращение или поворот изделия
Ограничение рабочего объема, количества подводимых к изделию кабелей питания и управления	Нет строгих ограничений по объему испытуемого изделия
Неудобство при размещении испытательного и испытуемого оборудования	Испытатель и Заказчик имеет доступ ко всем сторонам испытуемого изделия
Невозможность выездных испытаний	Стойку с усилителями, антенны можно разобрать и вывезти
Некоторые стандарты не предусматривают использование РК	Соответствует стандартам испытаний для большинства видов продукции

Литература

1. Демаков А. В., Комнатнов М. Е., Газизов . Обзор исследований в области разработки и применения реверберационных камер для испытаний на электромагнитную совместимость. Т. Р. УДК 621.317.2

2. Зарубежные военные стандарты в области ЭМС / Кечиев Л.Н.,Балюк Н.В. / Под ред. Л.Н. Кечиева – М.: Грифон, 2014. (Библиотека ЭМС).

3. ГОСТ РВ 6601-001-2008. Оборудование бортовое авиационное. Общие требования к восприимчивости при воздействии электромагнитных помех и методики измерения. – М.: Стандартинформ, 2008.

4. КТ-160G/14G.Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования (Внешние воздействующие факторы)/ . – М.: НИИАО, 2015.