Развитие требований к характеристикам электромагнитной совместимости общепромышленной и оборонной продукции и современные технические средства для их оценки

PDF версия
В статье рассмотрены основные требования актуальных зарубежных стандартов, касающиеся характеристик электромагнитной совместимости оборонной продукции, а также проведен краткий анализ технических средств для их оценки.

Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимается способность технического средства (ТС) функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим ТС. Понятие ЭМС возникло наряду с появлением первых радиоэлектронных средств и в настоящее время становится все более актуальным. Особенность ЭМС заключается в непреднамеренном характере создаваемых и анализируемых помех. Причем характеристики помех или воздействий предписываются для строго заданных условий работы ТС. Поэтому отечественная и мировая практика в данной сфере отличается высоким уровнем регламентации методов оценки помех и испытаний на устойчивость к ним. Красноречивым подтверждением этого факта, а также важности ЭМС в современной насыщенной электрическими, электронными и радиотехническими ТС обстановке является введение 2013 году Технического регламента Таможенного союза — ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств». Регламент касается продукции гражданского применения. Но очевидно, что включенные в него помехи и критерии устойчивости ТС и методы оценки аналогичны продукции не только оборонного назначения, но и других отраслей, таких как авиационная и автомобильная индустрия или отрасль связи. Очевидно, что при собственных специфичных дополнительных требованиях по ЭМС регламенты оборонных стандартов будут жестче норм, применяемых к аппаратуре гражданского назначения.

Анализ динамики развития национальных стандартов в области оборонной промышленности показывает, что они в значительной степени основаны на зарубежных аналогичных стандартах, зачастую аутентичны им. Такая ситуация привела к тому, что фактически в каждой области действующий национальный стандарт является «предпоследней» версией аналогичного зарубежного стандарта. Поэтому, чтобы оценить актуальные требования к отечественной оборонной продукции, следует рассмотреть и основываться на соответствующих зарубежных стандартах.

Здесь определяющим является стандарт MIL STD 461 и частично MIL STD 462. Несмотря на то, что стандарт MIL STD 461 создан в интересах Минобороны США, он используется в различных сферах, особенно в области разработки систем управления, вычислительных систем, компонентов авиационной и автомобильной техники. Это связано с тем, что поскольку требования указанного документа жестче регламентов гражданских стандартов, соответствие ТС требованиям MIL STD 461 автоматически означает согласованность ТС с требованиями национальных стандартов. Кроме того, соответствие нормам стандарта позволяет применять ТС в оборонной сфере, что повышает конкурентоспособность и расширяет рынок сбыта продукта. Тем не менее было бы целесообразно рассмотреть стандарты на авиационную продукцию DO‑160 и автомобильные стандарты, отраженные в Правилах № 10 ЕЭК ООН. Это связано с тем, что часто объектами этих стандартов становятся устройства двойного назначения, что делает требования данных документов важными для оборонной продукции в целом.

Анализ динамики изменений основных требований в этих стандартах представлен в таблицах 1–3. Результаты анализа показали значительную схожесть физической природы тестов, демонстрируя возможность в конечном счете сблизить методы тестирования, указанные в различных нормативных документах. Как подтверждение сказанному, в ближайшее время планируется введение версии MIL STD 461G. Предполагается, что новая версия стандарта будет включать новые тесты, в частности CS117, RS106, RS108, в значительной степени похожие на тесты документа DO‑160. Так, тест CS117 будет аналогичен тесту раздела 22 DO‑160 c некоторыми изменениями:

  • испытания предполагается проводить только на устойчивость к многократному удару и многократной вспышке;
  • среди методов испытаний оставить только метод кабельного ввода помехи;
  • ограничить применение данного теста только объектами авиационной электроники.

Тесты RS106, RS108 будут соответственно аналогичны тестам RS105 и Разделу 23 RTCA/DO‑160.

Таблица 1. Динамика изменений требований стандартов серии MIL STD 461 (обозначения в частотных диапазонах: U — напряжение, I — ток, E — напряженность электрического поля, H — напряженность магнитного поля, частота без размерностей выражена в Гц)

Тест

Описание теста

MIL STD, версия/год

461 A

461 B

461 C

461 D

461 E

461 F

1968

1980

1986

1993

1999

2007

CE101

Линии питания, кондуктивные помехи

I: 0,03–20 кГц

CE101

I: 30 Гц – 15 кГц

I: 30–10 кГц

CE102

Сигнальные кабели, кондуктивные помехи

I: 30–20 кГц

Линии питания: U: 10 кГц – 10 МГц

CE103

Линии питания, кондуктивные помехи

I: 20 кГц – 50 МГц

CE103

I: 15 кГц – 50 МГц

 

 

 

CE104

Сигнальные кабели, кондуктивные помехи

I: 20 кГц – 50 МГц

 

 

 

CE105

Метод инверсного фильтра

I: 30–50 МГц

 

 

 

 

 

CE106

Антенные входы

10 кГц – 12,4 ГГц

10 кГц – 26 ГГц

10 кГц – 40 ГГц

CE107

Линии питания, импульсы, временная область

 

CE07

 

 

 

 

CS101

Линии питания, кондуктивные НЧ-помехи

30–50 кГц

U: 30–150 кГц

CS102

Линии питания

50 кГц – 400 МГц

 

 

 

CS103

Антенные порты, интермодуляция

30–10 ГГц

15 кГц – 10 ГГц

CS104

Антенные порты, нежелательные сигналы (2)

30–10 ГГц

30–20 ГГц

CS105

Антенные порты, перекрестная модуляция

30–10 ГГц

30–20 ГГц

CS106

Импульсные помехи, линии питания

100/10

200/10; 0,15

 

 

400/5

CS107

Коммутационные помехи

CS107

 

 

 

CS108

Антенные порты, нежелательные сигналы (1)

30–10 ГГц

 

 

 

 

 

CS109

Структурные токи

 

60–100 кГц

CS110

Затухающие синусоиды, контакты 10 кГц–100 МГц

 

 

CS10

 

 

 

CS111

Затухающие колебательные помехи, кабели

 

 

CS11

 

 

 

CS114

Кондуктивные высокочастотные помехи, ток

 

 

 

I: 10 кГц – 400 MГц

I: 10 кГц – 200 MГц

CS115

Кондуктивные импульсные помехи, фронт

 

 

 

2/30 нс, 5 А

CS116

Затухающие колебательные помехи, кабели

 

 

 

10 кГц – 100 MГц (6 частот)

RE101

Магнитное поле, эмиссия

30 Гц–30 кГц

30–50 кГц

Н: 30–100 кГц

RE102

Электрическое поле, эмиссия

14 кГц – 10 ГГц

E: 10 кГц – 18 ГГц (на 1 м)

RE103

Гармонические и побочные сигналы, антенны

10 кГц – 40 ГГц

RE104

Магнитное поле, эмиссия

20–50 кГц

 

 

 

 

 

RE105

Автомобили, двигатели, эмиссия

E: 150 кГц – 1 ГГц

 

 

 

 

 

RE106

Перегрузка линий питания

E: 14 кГц – 1 ГГц

 

 

 

 

 

RS101

Магнитное поле, устойчивость

30 Гц – 30 кГц

30–50 кГц

30–100 кГц

RS102

Наводки магнитного/электрического поля

МП ПЧ и имп.

 МП/ЭП

 

 

 

RS103

Электрическое поле, устойчивость

14 кГц – 10 ГГц

14 кГц –
10 ГГц (40 ГГц)

10 кГц – 40 ГГц

2 МГц –
40 ГГц

RS104

Наводки гармонического магнитного поля

14 кГц – 30 МГц

 

 

 

 

 

RS105

Импульсное электромагнитное поле

 

 

RS05

RS105, 50 кВ/м, фронт 75 нс

Таблица 2. Основные отличия последней версии документа DO‑160D (по главам DO 160D)


главы

 Тест

Цель и особенности испытаний

Основные изменения в версии

15

Магнитное поле

Оценка влияния объекта испытаний на показания компаса или на показания датчика магнитного поля.

Подробный рисунок, объясняющий испытательную установку и методику испытаний.

16

Входное питание

Устойчивость к изменению питания при нормальном и аварийном состоянии самолета, а также вносимых искажений и влияния на энергосистему самолета

Требование проверки устойчивости к мгновенным прерываниям питания
и характеристики прерываний. Аварийный тест устойчивости к мощной импульсной помехе для каждой фазы переменного тока.

17

Импульсы напряжения

Устойчивость к импульсам напряжения в линиях питаний AC и/или DC, аналог CS106 MIL STD 461F.

Требование минимум 50 импульсов положительной и отрицательной полярности.

18

Кондуктивные
низкочастотные помехи звуковых частот

Устойчивость к помехам в линиях питания, тест почти идентичен CS 101 MIL STD 461F с небольшими различиями в уровне и частоте.
Уровень до 8% от напряжения питания в диапазоне 0,01–150 кГц.

Ограничение максимально допускаемой потребляемой мощности в 100 Вт заменено
на ограничение максимального потребляемого тока по уровню пик-пик 36 А.

Удалена спецификация импеданса 0,6 Ом для связывающего трансформатора.

19

Наведенные помехи
низкочастотного поля

Устойчивость к помехам, наведенным низкочастотным электрическим и магнитным полями, и переходным импульсам напряжения.

Замечание о неприменимости теста к входным линиям питания;
добавлен тест устойчивости объекта к наведенным электрическим полям.

20

Радиочастотные
помехи
(кондуктивные
и излучаемые)

Устойчивость к кондуктивным и излучаемым радиочастотным помехам с амплитудной и импульсной модуляцией. Тесты соответственно аналогичны методу MIL STD 46F CS114 для частот 10 кГц–400 МГц с использованием токового зонда
и методу MIL STD 461F RS103 для частот 100 МГц–18 ГГц с использованием полубезэховой или реверберационной камеры.

Для сближения содержания раздела с требованиями других стандартов
пересмотрены формулировки и термины.

Требование об облучении всех лицевых поверхностей объекта.

Указание на равенство расстояния до антенны при калибровке и тестировании.

Метод в реверберационной камере был изменен от режима непрерывного вращения
к дискретному вращению смесителя, введены новые соответствующие методики.

21

Эмиссия
радиочастотных помех
(кондуктивных
и излучаемых)

Эмиссия кондуктивных помех в соединительных кабелях и линиях питания и излучаемых помех. Кондуктивные помехи измеряются в диапазоне 150 кГц–152 МГц токосъемником, излучаемые помехи измеряются в диапазоне 100 МГц–6 ГГц
в безэховой или реверберационной камере.

Добавлен новый предел помех для высокочастотных и навигационных приемников.

Изменена частота с 1 ГГц до 960 МГц,
на которой изменяется полоса пропускания с 100 кГц до 1 MГц.

Удалена опция использования полосы пропускания 10 кГц в частотных точках
выше 960 МГц и введено замечание, что может быть использован предусилитель.

22

Импульсные помехи,
наведенные молнией

Устойчивость к наведенным молнией импульсам в контактные соединители, соединительные кабели и линии питания.
Используется контактный ввод (для устойчивости к повреждению) или кабельный ввод (для устойчивости к нарушению).
Раздел рассматривает возможность следующих импульсов:
однократный удар, многократный удар и многократная вспышка.

Исключен метод резистора для определения импеданса источника
для контактного ввода.
Добавлена форма импульса 6 для кабельного ввода,
только для испытаний многократных вспышек.

23

Прямое воздействие молнии

Устойчивость внешнего электрооборудования и электронного оборудования к прямому
попаданию молнии. Поскольку эти тесты обычно приводят к разрушению, то объект не запитывается.
Требуются высокие напряжения до уровней тысяч киловольт и/или сотен ампер.

Изменений по сравнению с предыдущей версией нет.

25

Электростатический разряд

Устойчивость оборудования к воздушному электростатическому разряду. Этот тест определяет,
может ли объект функционировать во время или после воздушного электростатического разряда.
Воздействие 10 импульсов положительной и отрицательной полярности 15 кВ.

Изменения включают разъяснение применимости контрольных точек,
в частности утверждение, что контакты соединителей не проверяются.

Таблица 3. Различие требований ЭМС национального и зарубежного стандарта для транспортных средств

Тесты

Требования к тестам

ГОСТ Р 41.10-99 (Правила № 10 1997 г.)

Правила № 10 ЕЭК ООН от 2012 г.

Эмиссия помех от транспортного средства и электронных сборочных узлов

30–1000 МГц

30–1000 МГц

Устойчивость транспортных средств
к излучаемым помехам

Частотный диапазон 30–1000 МГц

Уровень 24 В/м в 90% частотных точек,
в том числе не менее 20 В/м во всем диапазоне.

Частотный диапазон 20–2000 МГц

Уровень 30 В/м в 90% частотных точек,
в том числе не менее 25 В/м во всем диапазоне.

Устойчивость электронных сборочных узлов
к излучаемым помехам

48 В/м в 150-мм полосковой линии;

12 В/м в 800-мм полосковой линии;

60 В/м в ТЕМ-ячейке;

48 мА ток помехи методом BCI.

60 В/м в 150-мм полосковой линии;

15 В/м в 800-мм полосковой линии;

75 В/м в ТЕМ-ячейке;

60 мА ток помехи методом BCI.

Устойчивость электронных сборочных узлов к импульсным помехам по линиям питания

Отсутствуют, соответствующие испытания отражены в ГОСТе.

Импульсы 1, 2a/2b, 3a/3b, 4
(3-й уровень жесткости) по ISO 7637-2 (2004).

Эмиссия импульсных помех в линии питания

Включен раздел,
основанный на ISO 7637-2 (2004).

Электростатический разряд

Включена ссылка на ISO 10605.

Тесты, специфичные
для гибридных автомобилей

Тесты устойчивости
к импульсным микросекундным, наносекундным помехам, искажениям питающей сети и др.

Основными тенденциями требований к ЭМС оборонной продукции являются:

  • расширение частотного диапазона для оценки эмиссии до 18 ГГц и для устойчивости до 40 ГГц;
  • повышение жесткости испытаний на устойчивость к излучаемым помехам до 200 В/м для узкополосных помех и до 7 кВ/м для импульсных помех и некоторых ТС.

В отношении других тестов существенных изменений не замечено.

Можно сказать, что три указанных стандарта полностью охватывают весь перечень норм и методов оценки показателей ЭМС, а соответствие ТС описанным в них регламентам делает его полностью удовлетворяющим требованиям ЭМС. Стандарты предлагают альтернативные методы оценки, что удобно для производителей и испытателей ТС.

Среди всех требований ЭМС большинство из них не вызывает трудностей при наличии необходимой аппаратуры. В настоящее время на рынке представлено достаточное количество продуктов различных зарубежных фирм, таких как SOLAR, AMETEK, TESEQ, Keysight и других, включающих универсальные автоматизированные испытательные генераторы, генераторы импульсных помех, различные устройства ввода помех, измерительные антенны, а также измерительные приемники, измерительные датчики или токосъемники. Особое внимание вызывают тесты на устойчивость к мощным помехам, которые при традиционной конфигурации требуют установки мощных усилителей, безэховых экранированных камер, а значит, становятся чрезвычайно затратными. В то же время широко используемые за рубежом реверберационные камеры и генераторы поля в виде GTEM-ячеек позволяют отказаться от применения безэховых камер и мощных усилителей. Так, первичная аттестация реверберационной камеры TESEQ показала, что для поля 200 В/м в диапазоне частот до 18 ГГц нужен всего 1 Вт входной мощности. Таким образом, появляется возможность существенно снизить стоимость оценки устойчивости к излучаемым помехам.

Другим направлением развития технических средств в области ЭМС является естественное желание производителей или испытателей технических средств иметь в распоряжении комплексные системы, что позволит в одной установке проводить испытания сразу по нескольким стандартам. Поскольку при тестировании на характеристики ЭМС проверка устойчивости является более затратной, рассмотрим комплексирование тестов именно в этой области.

В таблицах 4–5 приведены результаты сравнения характеристик тестов по трем группам испытаний — устойчивости к кондуктивным низкочастотным радиопомехам, устойчивости к кондуктивным высокочастотным радиопомехам, устойчивости к излучаемым радиопомехам. Очевидны близость частотных диапазонов и жесткостей испытаний. Заметная общность характеристик тестов позволяет сформировать комплексные испытательные системы, предусматривающие требования проверок сразу по нескольким стандартам. Примерный состав предлагаемых установок на примере оборудования известных и популярных в мире TESEQ, Keysight и других производителей приведен в тех же таблицах. На рис. 1–3 представлены технические конфигурации предлагаемых унифицированных испытательных установок.

Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к кондуктивным низкочастотным радиопомехам

Рис. 1. Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к кондуктивным низкочастотным радиопомехам:
а) генератор NSG 4060;
б) устройства связи и развязки;
в) конфигурация испытаний

Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к кондуктивным высокочастотным радиопомехам

Рис. 2. Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к кондуктивным высокочастотным радиопомехам:
а) генератор NSG 4070;
б) зонд;
в) конфигурация установки

Таблица 4. Испытания на устойчивость к кондуктивным радиопомехам

Документы

Воздействия (уровень, диапазон, сигнал)

Оборудование

Устойчивость к кондуктивным низкочастотным радиопомехам

ГОСТР51317.4.16

До 30 В, в диапазоне 15 Гц –150 кГц узкополосный.

  • NSG 4060 (TESEQ) — специализированная испытательная система в составе генератора 15–150 кГц, усилителя мощности до 200 Вт, блока мониторинга объекта.
  • Устройства связи/развязки по подбору (TESEQ).
  • Дополнительные модули (TESEQ) для сильнотоковых линий питания.

MIL STD 461F, CS101

До 6 В, в диапазоне 30 Гц – 150 кГц
или от второй гармоники частоты  питания.

DO-160, раздел 18

До 4 В, в диапазоне 700 Гц – 32 кГц для питания AC, в диапазоне 10 Гц – 200 кГц для питания DC.

Правила № 10 ЕЭК ООН

отсутствуют

Устойчивость к кондуктивным высокочастотным радиопомехам

ГОСТ Р 51317.4.6

До 10 В, в диапазоне 150 кГц – 80 MГц,
с АМ с повышением максимумов.

  • NSG 4070, TESEQ — специализированная испытательная система в составе генератора 9 кГц – 1 ГГц, блока мониторинга объекта; трехканального измерителя мощности с опционально встраиваемым усилителем мощности до 75 Вт во всем диапазоне или в 150 кГц – 230 МГц.
  • Усилитель мощности (TESEQ), 100 Вт.
  • Устройства связи/развязки (TESEQ) по подбору в зависимости от типа линий (c разрывом линии).
  • Токовый зонд (TESEQ) для ввода помех симметричных и несимметричных токов (без разрыва линии).
  • Согласующий аттенюатор (TESEQ).
  • Принадлежности и программное приложение.

MIL STD 461F,  CS114

До 109 дБмкА (300 мА), в диапазоне 10 кГц – 200 MГц,
меандр и ИМ с сохранением максимумов.

DO-160, раздел 20 (п. 1)

До 300 мА, в диапазоне 10 кГц – 400 MГц, меандр и ИМ с сохранением максимумов.

Правила № 10 ЕЭК ООН, ISO 11452-4

До 60 (100) мА, в диапазоне частот 1–400 МГц, АМ с сохранением максимумов.

Таблица 5. Испытания на устойчивость к излучаемым высокочастотным помехам (корпус объекта)

Документы

Воздействия

Оборудование

ГОСТ Р 51317.4.3

До 10 В/м, в диапазоне 0,08–6 ГГц,
АМ с повышением максимумов и поправкой на вариации до 6 дБ.

  • ITS 6006 (TESEQ) — специализированная испытательная система в составе генератора 80–6000 МГц, блока мониторинга объекта, трехканального модуля измерения мощности, коммутатора и переключателя.
  • Усилители мощности до 6 ГГц (TESEQ c выходной мощностью до 100 Вт).
  • Излучающие антенны (0,08–6 ГГц), GTEM-ячейки (TESEQ, 10 кГц–20 ГГц), реверберационные камеры (TESEQ, в диапазоне 0,5–18 ГГц).
  • Принадлежности (коммутаторы, ответвители, измерители мощности — по подбору).
  • Программные приложения (общее и специализированные — под конкретные требования и конфигурации).

Правила № 10
ЕЭК ООН

До 30 В/м (75 В/м для устройств),
в диапазоне 0,02–2 ГГц, АМ (1 кГц, 80%) c сохранением максимумов.

DO-160,
раздел 20 (п. 2)

До 200 (300) В/м, в диапазоне 100 МГц–18 ГГц, меандр и ИМ с сохранением максимумов.

  • Генератор (например, Keysight N5183A с опциями до 20 ГГц и модуляцией).
  • Усилители мощности до 3 ГГц (TESEQ c выходной мощностью до 1 кВт), до 18 ГГц (IFI, с выходной мощностью до 100 Вт в диапазоне до 18 (40) ГГц).
  • Излучающие антенны (0,03–40 ГГц), GTEM-ячейки (TESEQ, 10 кГц – 20 ГГц), реверберационные камеры (TESEQ, в диапазоне 0,5–18 ГГц).
  • Принадлежности (коммутаторы, ответвители, измерители мощности — по подбору).
  • Программные приложения (общее и специализированные — под конкретные требования и конфигурации).

MIL STD 461F,
RS103

До 200 В/м, в диапазоне 2 МГц–18(40) ГГц, меандр и ИМ с сохранением максимумов.

На рис. 3. приведена конфигурация установки на базе трех усилителей мощности и двух излучающих антенн. Очевидно, что количество усилителей может быть увеличено в зависимости от требуемого частотного диапазона испытаний, характеристик антенн. Также вместо антенн могут быть подключены генераторы поля в виде GTEM-ячеек или реверберационные камеры. В итоге универсальность конфигурации соблюдается. Каждая из изображенных испытательных установок представляет собой испытательную систему и подлежит аттестации как испытательное оборудование. Процессы аттестации, включая методики калибровки воздействия, достаточно подробно описаны в соответствующих стандартах и не вызывают технических проблем при их выполнении.

Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к излучающим радиопомехам (при использовании излучающих антенн)

Рис. 3. Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к излучающим радиопомехам (при использовании излучающих антенн)

Анализ тенденций развития требований в части ЭМС показывает их сближение с точки зрения задания регламентов и методик испытаний. Таким образом, можно формировать комплексные унифицированные системы для тестирования ЭМС. Исследование парка технических средств демонстрирует практическую возможность реализации комплексных испытательных систем. Данный фактор целесообразно учитывать при организации или комплектовании испытательных лабораторий, предназначенных для тестирования оборонной продукции и технических средств общего применения, так как позволяет создавать лаборатории и с достаточно широкой областью аккредитации.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *