Развитие требований к характеристикам электромагнитной совместимости общепромышленной и оборонной продукции и современные технические средства для их оценки
Андрей Смирнов, д. т. н., руководитель направления электромагнитной совместимости и радиоизмерений, компания Диполь
Константин Басалаев, технический специалист, компания Диполь
msk@dipaul.ru
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 не только продукции 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 делают 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 STL 461 (обозначения в частотных диапазонах: U — напряжение, I — ток, E — напряженность электрического поля, H — напряженность магнитного поля, частота без размерностей выражена в Гц)
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.
Таблица 2. Основные отличия последней версии документа DO-160D (по главам DO 160D)
Таблица 3. Различие требований ЭМС национального и зарубежного стандарта для транспортных средств
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 аттестации 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.
Таблица 4. Испытания на устойчивость к кондуктивным радиопомехам
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.
Таблица 5. Испытания на устойчивость к излучаемым высокочастотным помехам (корпус объекта)
Рис. 1. Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к кондуктивным низкочастотным радиопомехам
Рис. 2. Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к кондуктивным высокочастотным радиопомехам
Рис. 3. Технические средства и конфигурация установки для проверки устойчивости к излучающим радиопомехам (при использовании излучающих антенн)
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.
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.
