Методы испытаний кабельных жгутов на электромагнитную совместимость

Лаборатория электромагнитной совместимости (ЭМС) АО «ТЕСТПРИБОР» проводит испытания 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 изготовленных кабельных жгутов.

Одна из причин заключается в том, что разработкой изделия, представляемого на испытания по ЭМС, и разработкой кабельных жгутов занимаются разные отделы одной организации, а то и разные организации, причем обычно разработчик кабельных жгутов не имеет представления о требованиях по ЭМС к изделию, системе и всему 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 присоединенными кабелями питания, связи, управления, входящими в их состав соединителями как в линиях связи и питания, так и по радиочастотному (РЧ) полю.

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

Очевидно, что при низких 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 их испытания в составе системы, или испытывать их на начальных стадиях.

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.

Рис. 1. Испытательная установка для измерения переходного поверхностного сопротивления одиночного экранированного провода:
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

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 в Ом/м рассчитывают по формуле:

ZT = Uпров/(Iпров∙l) = (50∙Uпров)/(Uвых∙l),

где: Uпров — напряжение, наведенное на внутреннем проводнике одиночного экранированного провода, измеренное анализатором спектра, В; Iпров — ток, протекающий по внешней поверхности оплетки испытуемого провода (Iпров = Uвых/50 Ом), А; Uвых — напряжение на выходе синхронного генератора; l — длина испытуемого проводника, м.

Эффективность экранирования SE в децибелах рассчитывают по формуле:

SE = 34–20lg (ZT).

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 в диапазоне 30–1000 МГц основана на измерении напряжения в проводнике, помещенном в испытательную камеру ГТЕМ (гигагерцевая ТЕМ-камера) или РТЕМ (резонансная ТЕМ-камера), сначала с экраном (оплеткой), потом без него. Схема измерительной установки с использованием камеры ГТЕМ показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки для измерения эффективности экранирования экранирующими оплетками проводов или жгутов в ГТЕМ-камере:
(1, 8 — резисторы сопротивлением 50 Ом;
2 — центральная пластина;
3 — ГТЕМ-камера;
4 — радиопоглощающий материал;
5 — испытуемый кабель с оплеткой с двумя адаптерами на концах;
6, 9, 12 — высокочастотные коаксиальные соединители;
7, 11 — деревянная подставка;
10 — подставка из пенопласта;
13 — на вход анализатора спектра;
14 — анализатор спектра;
15 — выход синхрогенератора;
16 — усилитель;
17 — выход усилителя

Эффективность экранирования в децибелах рассчитывают по формуле:

SE = 20lg (Uбез экр/Uэкр).

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 табл. 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 в децибелах рассчитывают по формуле:

SEтреб= SEтаб + 20lg (Eтреб)–40,

где SEтаб — эффективность экранирования, заданная в табл. 2.

К достоинствам данного метода следует отнести достаточно точное моделирование поведения кабеля в радиочастотном поле. Недостатком является высокая стоимость и сложность оборудования, его громоздкость, необходимость 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 01205–2012 этот метод приводится как альтернативный [1]. Схема измерения по этому методу показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема измерений с помощью триаксиальной линии:
1 — генератор;
2 — испытываемый кабель;
3 — измерительная труба;
4 — согласующий резистор;
5 — измерительный приемник

Эффективность экранирования испытуемого образца в децибелах можно вычислить по формуле:

SE = 20lg (Uген/Uвх),

где Uген — напряжение на выходе генератора; Uвх — напряжение на входе анализатора спектра. Есть различие в терминологии и определениях, используемых специалистами связи [2, 3] и радиоэлектроники [1]. В данной статье при описании методов испытаний сохраняется терминология соответствующего первоисточника.

Удобство метода триаксиальной линии, компактность измерительных установок и относительная простота оборудования делают его привлекательным для испытателей.

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

На рис. 4 приведено изображение установки с использованием оборудования фирмы BEDEA/Rosenberger [4]. На основе подхода, использующего триаксиальный метод, можно испытывать не только кабели, но и кабельные соединители и различные прокладки, в том числе предназначенные для обеспечения 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.

Рис. 5. 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

На рис. 6 показана установка для испытания различных прокладок. Преимуществом метода является защищенность установки от посторонних шумовых излучений и отсутствие собственных. Это обеспечивает динамический диапазон измерений до 100 дБ без использования специального экранированного помещения. Частотный диапазон измерений – от нескольких килогерц до 3–4 ГГц и выше.

Рис. 6. Схема установки для испытания прокладок на ЭМС:
1 — соединитель;
2 — генератор;
3 — измерительный приемник;
4 — контактная пружина/прокладка;
5 — экранирующая перегородка;
6 — переходной адаптер;
7 — внешний проводник;
8 — внутренний проводник

Триаксиальный метод только в последние несколько лет утвердился в качестве предпочтительного в стандартах кабельной промышленности, 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. 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 6 м располагаются еще одни поглощающие клещи.

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

Затухание экранирования в децибелах определяется по формуле:

SE= 10∙lg (P1/P2max),

где: P1 — мощность, подаваемая от генератора; P2max — максимальная излучаемая мощность.

При доступных в настоящее время поглощающих клещах затухание экранирования может быть измерено в диапазоне до 2,5 ГГц. К достоинству этого метода можно отнести то, что измерения проводятся на оборудовании, обычно имеющемся в каждой лаборатории ЭМС. К недостаткам можно отнести большую длину кабеля, подвергаемого испытаниям, и необходимость проведения измерений в экранированном помещении.

Рис. 8. Схема установки по методу инжекционной линии:
1 — анализатор цепей;
2 — аттенюатор 20 дБ;
3 — ответвитель;
4 — опорные панели;
5 — испытываемый кабель;
6 — липкая лента;
7 — согласованная нагрузка;
8 — инжекционная линия

Еще одним методом измерения сопротивления связи является метод инжекционной линии (IEC 96–1 Amendment 2/1993.). Схема измерительной установки по этому методу показана на рис. 8. 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.

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 до 3 ГГц.

Иногда из-за организационных сложностей согласования техзадания 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 с помощью контрольно-проверочной аппаратуры контролируется наличие искажений за счет сигнала помехи, прошедшей через экран кабеля.

Рис. 9. Сигнал с затухающей синусоидальной импульсной помехой

На рис. 9 показана осциллограмма сигнала помехи (импульсный затухающий синусоидальный сигнал) в последовательности импульсов цифрового кода. На рис. 10 представлена фотография части испытательной установки на воздействие затухающего синусоидального импульса. На экране осциллографа видно искажение сигнала из-за воздействия помехи.

Рис. 10. Испытательная установка для исследования воздействия затухающей синусоидальной импульсной помехи

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