Методы улучшения электромагнитной совместимости при монтаже радиоэлектронного оборудования на колёсную транспортную базу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Правительство Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет

«Высшая школа экономики»

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики"

Факультет электроники и телекоммуникаций

Департамент электронной инженерии

Выпускная квалификационная работа

На тему: Методы улучшения электромагнитной совместимости при монтаже радиоэлектронного оборудования на колёсную транспортную базу

Студент группы № ЭМ-21

Семёнов Александр Сергеевич

Руководитель

доц, к.т.н. Мамонтов А.В.

Москва, 2015



Аннотация

Методы улучшения электромагнитной совместимости при монтаже радиоэлектронного оборудования на колёсную транспортную базу.

При разработке радиоэлектронной системы, монтируемой на колёсную транспортную базу, особое внимание необходимо уделять вопросам электромагнитной совместимости. Необходимо учитывать все возможные пути проникновения электромагнитных помех к незащищённым частям радиоэлектронной системы. Для увеличения защищённости системы от внешних и внутренних электромагнитных волн необходимо ещё на этапе проектирования внести необходимые доработки конструкции корпуса транспортного средства и несущих стоек. Необходимо соблюдать определённую технологию монтажа кабельной системы и обеспечить рациональную схему заземления.



Введение

В связи с ускоренными темпами развития электронной техники и как следствие переход современной радиоэлектронной аппаратуры во всё более высокочастотный диапазон электромагнитных колебаний всё более актуальным становится вопрос электромагнитной совместимости (ЭМС) радиотехнических систем. Электромагнитная совместимость технических средств (ЭМС ТС) - это свойство технических средств характеризующаяся способностью функционировать в определённой электромагнитной обстановке с определённым качеством при отсутствии недопустимых электромагнитных помех создаваемых техническим средством.

Актуальность проблемы электромагнитной совместимости подтверждается вступлением в силу с 15 февраля 2013 г. Технического регламента Таможенного союза “Электромагнитная совместимость технических средств” а также в связи с подготовкой к введению в РФ обязательной сертификации технических средств отечественного производства и ввозимых по импорту в соответствии с требованиями государственных стандартов. [1]

Активный процесс миниатюризации современной элементной базы приводит к уменьшению толщины изолирующих диэлектрических слоёв и увеличивает риск их пробоя при воздействии мощных электромагнитных помехи (ЭП) или электростатического разряда (ЭР). Также в связи с тем, что высокочастотные электромагнитные помехи имеют длины волн сопоставимые с размерами элементов конструкции электронных устройств учитывать воздействие электромагнитных помех (ЭП) на радиоэлектронные приборы.

Параллельно с этим процессом каждый год идет ухудшение электромагнитной обстановки (ЭО) в связи с повышение потребности современного общества в использовании всё большего числа радиоэлектронных средств как гражданского, так и военного назначения.

Общая тенденция повышения уровня электромагнитных помех в окружающей среде при одновременном процессе увеличения чувствительности радиоэлектронных компонентов к электромагнитным помехам и электростатическим разрядам выводит электромагнитную совместимость на первый план при разработке и проектировании любых радиоэлектронных систем.

Способы проектирования радиоэлектронных систем сильно различаются в зависимости от их функционального назначения и особенностей объекта размещения. Необходимо учитывать специфику электромагнитной обстановки объекта размещения радиоэлектронного оборудования. Например, монтаж аппаратуры на корабле, самолёте или стационарном объекте обладает набором своих специфических особенностей. При монтаже системы радиоэлектронных средств также необходимо учитывать взаимное влияние всех компонентов данной системы друг на друга. Исправные электронные устройства, проверенные в лабораторных условиях, могут работать не корректно или совсем выходить из строя при включении их в состав радиоэлектронной системы.

Наиболее распространённым объектом монтажа радиоэлектронных систем являются стационарные помещения. При монтаже на объекте данного вида обеспечение электромагнитной совместимости представляется наиболее простой (хотя бывают и исключения), в связи с легко доступностью прокладки заземления и наличием стен выступающих в роли экрана ослабляющего электромагнитное излучение. Также стоит отметить что электромагнитная обстановка такого объекта довольно стабильна и предсказуема что облегчает проведение работ по повышению электромагнитной совместимости системы.

Вторым по популярности объектом монтажа радиоэлектронных систем является монтаж на колёсные транспортные базы. Такие объекты имеют высокую мобильность и широкий спектр функционального применения. В качестве транспортной базы могут выступать как легковые, так и грузовые автомобили, а назначение радиоэлектронной системы может быть как военного, так и гражданского характера.

При монтаже радиоэлектронной системы на колёсную транспортную базу возникает ряд специфических проблем связанных с обеспечением электромагнитной совместимости системы. Например, невозможность обеспечения стабильного заземления при перемещении, ограниченность пространства внутри транспортной базы, что влечёт к более близкому размещению радиоэлектронных блоков друг к другу и в частных случаях невозможность разнесения питающих и сигнальных шин. Также невозможно точно прогнозировать электромагнитную обстановку в возможном месте дислокации радиоэлектронного комплекса. Ещё одним нюансом является возможность работы комплекса от электрогенератора, который может создавать дополнительные электромагнитные волны.

Разработка методики повышения электромагнитной защищённости, применяемая на этапе проектирования технической системы радиоэлектронных приборов, может снизить затраты времени и средств на внедрение готового изделия на рынок членов - государств Таможенного союза. В связи с этим данная задача в условия развития современной техники является актуальной, и способна принести экономическую выгоду предприятиям выпускаю мобильные радиоэлектронные системы.

радиопоглащающий электромагнитный автомобиль токопроводящий



1. Виды электромагнитных помех

Электромагнитные помехи (ЭМП) - в основном электрического происхождения с нежелательной эмиссией, которая бывает или кондуктивной (напряжения или токи), или излучаемой (электрические или магнитные поля) [1]. Во временном интервале помехи могут быть переходными, импульсными или стационарными. В пределах частотного интервала ЭМП могут содержать компоненты с частотами, простирающимися от низких - 50, 60 и 400 Гц до сверхвысоких частот. ЭМП бывают узкополосными или широкополосными, когерентными или не когерентными. Источники ЭМП подразделяются на искусственные и естественные источники. Искусственные электромагнитные помехи, в свою очередь, делятся на преднамеренные и непреднамеренные помехи.

Престольного внимания заслуживают внутрисистемные помехи, возникающие в связи с наличием нежелательных электромагнитных связей в радиоэлектронной системе. Такие помехи могут возникать вследствие всплесков токов или напряжений в цепях силовых кабелей либо вследствие падения напряжения, вызванного общим сопротивлением, через которые протекают токи заземления.

Основными элементами анализа и управления уровнем внутрисистемных помех является рассмотрение следующих пяти направлений:

- анализ цепей и компонентов,

- фильтрация,

- экранирование,

- монтаж,

- заземление,

Следующим немаловажным фактором, влияющим на работоспособности системы с точки зрения электромагнитной совместимости, является электромагнитная обстановка. Техническая процедура определения ЭМО может включать: 1 - определение параметров кондуктивных и излучаемых помех и влияние частот, для которых требуется знать конкретные значения этих параметров; 2 - выбор необходимого испытательного оборудования; 3 -определение необходимого формата для сбора и представления данных; 4 - анализ данных и представление результатов; 5 - выбор приемлемого местоположения сред и альтернативных вариантов (если возможно), основанных на знании уровней окружающих ЭМП и других условиях.

В случае если система устанавливается на мобильную транспортную базу а не на стационарный объект определение точных факторов влияния электромагнитной обстановки является невозможным. В таком случае надо добиваться максимально возможной защищённости системы от воздействия внешних электромагнитных помех. Рассмотрим классификацию возможных источников возникновения электромагнитных помех.

Все источники ЭМП по природе их возникновения делятся на две категории: естественные и искусственные.

Рис Классификация искусственных источников ЭМП

Источники электромагнитного шума, создаваемые природными явлениями, включая атмосферные процессы заряда/разряда, такие, как молния и статические разряды в осадках; внеземные источники, в том числе: излучение от солнца и галактических источников, таких, как радиозвезды, галактики (млечный путь) и других космических источников.

Искусственные источники электромагнитного шума: линии электропередач, автомобильное зажигание, флуоресцентные лампы, электросварка, работа импульсных устройств и пр.

Источники ЭМП естественного происхождения разделяются на две группы в зависимости от различий их физических свойств. Первая группа включает источники, находящиеся в атмосфере, вторая группа - источники, ассоциируемые с излучениями, создаваемые областями, находящимися вне земной атмосферы.

Таблица

Естественные источники	Земные источники	а). атмосферные (грозовые вокруг земли); б). молниевые разряды (локальные грозы, штормы); в). разряды в осадках; г). атмосферные (радиосигналы, излученные при электрических разрядах в атмосфере);
	Внеземные источники	а). космические шумы; б). солнце (состояние высокой активности; спокойное);
Искусственные источники	Источники электроэнергии	а). преобразователи (высоковольтные/ низковольтные); б). распределители; - неисправные/ загрязнённые изоляторы; - неисправные трансформаторы; - неисправный монтаж; - перекрёстные помехи и переизлучения; - плохое заземление; в). генераторы; г). линии электропередач; - неисправные/ загрязнённые изоляторы; - перекрёстные помехи переизлучения;
	Радио- электронные средства	а). радиовещание и телевидение; б). связные средства (исключая радиорелейные); в). радиорелейные средства связи; г). средства телекоммуникации (кроме радиорелейных); д). навигация;
Искусственные источники	Аппаратура бытового и промышленного назначения	а). бытовое радиоэлектронное и электрическое оборудование; б). конторское/ банковское оборудование; в). электрические инструменты; г). инструменты;
	Транспортные средства	а). транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания; б). бортовое электронное оборудование; в). электротранспорт;
	Аппаратура промышленная широкого применения	а). нагреватели и приборы для склеивания; б). системы контроля производства и ЭВМ; в). осветительные устройства; г). медицинское оборудование; д). мощные пылесосы; е). сварочные аппараты и нагреватели;

Атмосферные радиочастотные электромагнитные помехи чаще всего вызваны электрическими разрядами во время гроз. Эти помехи преобладают в диапазоне частот ниже 30 МГц и их спектр излучения очень широкий. Максимальная амплитуда генерируемых частот достигается в диапазоне от 2 до 30 кГц. Основным источником внеземного шума являются солнце, радиоизлучение неба и космические источники, расположенные в пределах галактики. Диапазон частот этих излучений составляет от 136 МГц до 400 МГц.

Искусственные источники электромагнитных помех могут располагаться как на поверхности земли, так и в космосе, а именно спутниковые и космические аппараты. Наземные радиоэлектронные устройства работают в диапазоне, который можно разделить на пять категорий:

- диапазон частот для вещания с частотной модуляцией 88- 108 МГц;

- диапазон частот вещания с амплитудной модуляцией 535-1605 кГц;

- метровый диапазон телевидения: нижние диапазоны 54-72 МГц, 76-88 МГц, верхние диапазоны 174-216 МГц.

- дециметровый диапазон телевидения 470-806 МГц;

- международное радиовещание 5950 кГц и 26,1 МГц.

Радиорелейные системы можно разделить на следующие четыре класса:

- наземные СВЧ - линии связи общего назначения от 2,1 до 12,2 ГГц;

- спутниковые линии связи от 399,9 МГц до 275 ГГц;

- линии ионосферного рассеяния от 400 до 500 МГц;

- линии тропосферного рассеяния от 1,8 до 5,6 ГГц.

Также радиоэлектронные помехи могут создавать системы коммуникации и оборудование не радиорелейного вида охватывают наибольшее число различных категорий излучений от радиоэлектронных средств. Они занимают полосы частот в промежутках от 14 кГц до 960 МГц.

Навигационные радиоэлектронные средства:

- всенаправленные маяки в метровом диапазоне частот 108-118 МГц;

- тактическая авиационная навигационная аппаратура 960-1215 МГц;

- маркерные маяки 74,6 - 75,4 МГц;

- измерительные наземные средства 108-112МГц;

- системы слепой посадки самолётов 328,6 - 335,4 МГц;

- высотомеры 4,2 - 4,4 ГГц;

- пеленгаторы 405 - 415 кГц;

- морская радионавигация 285 - 325 кГц, 2,9 - 3,1 ГГц, 5,47 - 5,65 ГГц;

- наземная радионавигация 1605 - 1800 кГц.

Излучения радиолокационных систем занимают область частот от 225 МГц до нескольких ГГц.

Существуют также источники непреднамеренных помех. К ним относятся: системы зажигания двигателей внутреннего сгорания, энергетические линии и распределительные системы, флуоресцентные лампы, индустриальное оборудование, например, стабилизированная дуговая сварка, электрический транспорт, нагреватели, электрический инструмент.

Излучаемый импульс от индивидуальных автомобилей - периодический узкополосный импульс длительностью от 1 до 5 нс. Пиковая амплитуда импульса от одиночного автомобиля изменяется в зависимости от типа зажигания, скорости автомобиля, механической нагрузки. При длительном периоде эксплуатации излучение от одиночного автомобиля изменяется в зависимости от его износа. Большое число различных двигателей и конструкций подвижных средств, участвующих в городском движении, формирует общую картину излучений от систем зажигания. В общем случае помехи носят импульсный характер.

Эксперименты показали численную зависимость уровня шумов от интенсивности движения. Средний уровень шумов увеличивается на 17 дБ при десятикратном увеличении интенсивности движения. Уровень интенсивности поля имеет приблизительно нормальный закон распределения, кроме некоторых случаев, когда данных недостаточно для определения функции распределения.

В случае линий электропередач максимум интенсивности уровня помех достигается в условиях дождливой погоды, тумана, снега или высокой относительной влажности. Всякий раз, когда линии электропередач и компоненты ухудшаются со временем или нарушаются их работоспособность, можно наблюдать импульсные помехи с частотами выше 50 МГц.

Помехи от линий электропередач во временной области случайны и имеют импульсный характер. Типичное значение длительности импульсов при разрыве линий составляет несколько миллисекунд. Более тонкая структура данного импульса обладает короткой длительностью, малым временем нарастания, искаженной прямоугольной формой и достаточно часто повторяется.

Напряженность поля, генерируемая любым источником излучения, является функцией расстояния от источника до точки наблюдения. Уровень помех может увеличиваться на 10-20 дБ, если относительная влажность возрастает, а также при наличии тумана, снега и дождя, дымки.

Ряд основных типов оборудования для технологических процессов изготовления и сборки в промышленности является важными источниками ЭМ-помех. Оборудование контактной сварки излучает на основной помеховой частоте 35 МГц, и имеет место значительное число гармоник выше границы 1 ГГц.

Источниками помех внутри радиоэлектронной системы также могут быть отдельные компоненты системы. Примерами компонентных источников помех являются провода и кабели, соединители, моторы, генераторы и другие вращающиеся агрегаты, переключатели, реле и соленоиды, вакуумные лампы, транзисторы, диоды, газоразрядные лампы, тиристоры и т.п. Строго говоря , они не являются источниками ЭМ-помех, но являются передатчиками ЭМ-помех, т.е. конвертируют электрическую энергию в электрические помехи.

Провода и кабели обеспечивают индукцию или излучение непредусмотренной энергии в другие провода, кабели, цепи или устройства либо воспринимают помехи от них.

Все непрямые источники электрических помех, соединители могут косвенно генерировать ЭМ-помехи как результат слабого контакта. Действие соединителя подобно ключу с изменяемым полным сопротивлением, которое варьируется в зависимости от внешних условий (т.е. от ударов и вибраций). В результате происходит модуляция сопротивления источника тока или напряжения, что приводит к появлению ЭМ-помех. Другими атрибутами контактов, которые выступают как генераторы ЭМ-помех, являются коэффициент стоячей волны, неполное экранирование, и/или контактный потенциал.

Моторы и генераторы, которые используют щетки и коммутаторы для работы, являются широкополосными источниками переходных электрических помех. Переходные процессы являются результатом дуговых разрядов при разрыве коммутационных щеток при работе, и соответствующие переходные процессы могут иметь результирующие частотные компоненты выше 100 МГц. Помехи от магнитной индукции могут быть определены для частот ниже 100 МГц.

Спектр помех от электромагнитных ключей, реле соленоидов простирается до 300 МГц и выше. Так, реле, переключающие цепь некоторого источника, генерируют магнитную энергию, которая может индуцировать напряжение в 10…20 раз больше, чем напряжение источника. Дуга, развиваемая в контактах переключателей, может иметь индуктивные помехи и/или излучаемые широкополосные переходные ЭМ-помехи.

Фактически любое устройство, которое потребляет энергию или генерирует электромагнитную энергию и сигналы управления, представляет собой потенциальный источник ЭМ-помех. В общем, высокоуровневые источники представляют большую угрозу с позиции ЭМ-помех.

2. Описание транспортной базы

В качестве транспортной базы для размещения радиоэлектронной системы был выбран бронеавтомобиль отечественного изготовления ГАЗ-2330 “ТИГР”.

Данный автомобиль наиболее полно отвечает современным требованиям к военной и гражданской технике. Данная транспортная база имеет несколько различных видов исполнения. Автомобили ГАЗ-2330 “ТИГР” прошли эксплуатационную проверку в спецподразделениях МВД и московского ОМОНа и в данное время серийно выпускаются[9].

Автомобиль “ТИГР” имеет колёсную базу 4х4 с рамной конструкцией высокой жёсткости. Данная транспортная база оснащена независимой двух рычажной подвеской колёс с гидравлическими амортизаторами. Благодаря тому, что автомобиль ”ТИГР” сконструирован с применением общей рамы, на типовое базовое шасси возможна установка кузовов различного типа в зависимости от предполагаемой сферы применения. На данный момент имеются кузова для военного, гражданского применения и вариант автомобиля для полиции.

Силовой агрегат данной транспортной базы содержит следующие части: дизельный двигатель ЯМ3-534 с турбонаддувом, мощностью 235 лс, механическая коробка передач с пятью ступенями и раздаточная коробка с двумя ступенями.

Автомобиль “ТИГР” спроектирован исходя из требований наличия в его конструкции наибольшего числа, унифицированных узлов соответствующих узлам бронеавтомобилей отечественного производства, существенно уменьшает время на проектирование и освоение производства новых узлов.

Данный автомобиль обладает высочайшей степенью проходимости за счёт высокого клиренса (400 мм) и больших углов свеса. Также данный автомобиль обладает хорошими показателями устойчивости при перемещении по пересечённой местности. Это возможно благодаря наличию полного привода.

В нынешнее время налажено производство нескольких видов исполнения данного транспортного средства: бронеавтомобиль ГАЗ-233034 (СПМ-1), бронеавтомобиль ГАЗ-233036 (СПМ-2) и ГАЗ-233001 без брони. Также в ближайшее время планируется запустить в производство вариант исполнения для спецподразделений МО РФ ГАЗ-233014[9].

Виды исполнения корпусов бронеавтомобилей “ТИГР” сделаны из сваренных между собой пяти миллиметровых бронелистов. ГАЗ-233036 (СПМ-2) обладает пятым классом баллистической защиты по ГОСТ Р 50963-96. ГАЗ-233034 (СПМ-1) и СТС ГАЗ-233014 “ТИГР” обладают третьим классом баллистической защиты по ГОСТ Р 50963-96[9].



Рис Технические характеристики видов исполнения транспортной базы “ТИГР”

Бронеавтомобиль ГАЗ-2330 “ТИГР” обладает вращающейся платформой расположенной на крыше. Внутри его объёма на корпусе кожуха трансмиссии имеются специальные кронштейны, предусмотренные для монтажа средств связи со специально подготовленными местами подключения их к бортовому электропитанию. На внешней обшивке корпуса имеются специальные площадки для установки на них антенн. Все модификации автомобиля имеют систему автоматического регулирования давления воздуха в шинах, систему автоматического пожаротушения и предпусковой подогреватель.



Рис Габаритные размеры ГАЗ-233014.[9]

3. Материалы, обеспечивающие токопроводящий монтаж

При проведении работ по обеспечению электромагнитной совместимости часто возникает необходимость обеспечения надёжного электрического соединения между частями экранирующих поверхностей или проводящих прокладок. В связи с тем, что все краски и клеи, применяемые в современном производстве, являются диэлектриками при решении вопроса обеспечения электрического контакта необходимо применять либо другие способы соединения поверхностей либо клея и краски, обладающие электрической проводимостью. Применение сварки или пайки не всегда удобно и влечет за собой много проблем для их реализации, а болтовые соединения не обеспечивают сплошного электрического контакта. Наиболее рациональным с этой точки зрения является применение проводящих клеев и красок.

Токопроводящий клей.

Токопроводящий клей получают путём заполнения клеевой основы тонкодисперсными проводящими порошками (медь, серебро, никель и т. д.). Такой клей может обладать прочностью на разрыв до 50 Мпа (кГ/) и удельной электропроводностью до . Данные клеи обладают незначительной усадкой, и время их отвердевания может быть доведено до пяти минут, что существенно ускоряет процесс монтажа. Получаемое соединение имеет устойчивость не только к влаге, но и к различным агрессивным средам.

Использование в технике защиты от электромагнитных помех электропроводящих клеев взамен пайки и болтовых соединений способно обеспечить высокую степень защиты от электромагнитных помех при минимальных трудозатратах монтажных процессов. С помощью токопроводящих клеев можно осуществлять такие монтажные работы как: организация соединений стыков экранов, закрепление системы контактного соединения, заполнение зазоров между элементами корпусов, монтаж экранирующих панелей на раму и т.д.

Эффективность защиты от электромагнитных излучений при использовании электропроводящих клеев составляет не менее 60 дБ, а поверхностное сопротивление может составлять одну десятую Ома на единицу поверхности.

Токопроводящая краска.

Применение электропроводных красок для обеспечения электромагнитной защиты технических средств представляется перспективным направлением, поскольку упрощает процесс организации создания экранирующей поверхности на непроводящих частях корпусов технических средств. С помощью этой краски, возможно, изготавливать экран любого назначения в местах специально не оборудованных для этого, и при этом степень электромагнитной защиты такого экрана может достигать примерно 30 дБ.

В состав токопроводящих покрытий входит не электропроводный плёнкообразующий материал, электропроводные составляющие, пластификатор и отвердитель. В качестве материала электропроводных пигментов могут применяться: алюминий, порошковая медь, серебро, графит, сажа, окиси металлов. Проводимость таких клеев напрямую связана со свойствами и концентрацией электропроводного пигмента, от характеристик пленкообразующей основы. Также очень важным является толщина наносимого слоя токопроводящей краски. Электропроводные краски обладают устойчивостью к внешним физическим воздействиям и довольно не изменяют своих характеристик в условиях интенсивных климатических воздействий . Наилучшие показатели наблюдаются при применении красок в качестве электропроводного пигмента которых применяется графит.

Эффективность защиты от электромагнитных помех электропроводных красок можно определить по формуле, применяемой для электрически тонких металлов:

где слагаемое является приращением эффективности защиты от электромагнитных излучений электрической составляющей в шаровом экране для ; - сопротивление на квадрат площади поверхности экрана. В случае, когда получим:

(пример =30+0,975)

Если длинна волны, электромагнитного излучения намного превышает величину эквивалентного радиуса экрана, эффективность защиты от электромагнитных помех превышает 30 дБ. Защищённость в 30 дБ достигается при соотношении . В дальнейшем при увеличении частоты электромагнитной волны эффективность экранирования должна снижаться. При провидении измерений оказалось, что этого снижения не происходит и эффективность электромагнитной защиты остаётся на уровне 30 дБ. Причём в случае, когда наблюдалось повышение эффективности экранирования.

Это обусловлено появлением эффекта поглощения электромагнитных колебаний внутри объёма слоя электропроводящей краски.

4. Корпус транспортной базы

Корпуса практически всех колёсных транспортных средств выполняются в виде цельных металлических корпусов, а значит, могут выступать в роли экрана для электромагнитных волн. Главными неоднородностями данного экрана являются оконные стёкла. Также надо отметить, что двери и люки колёсных транспортных средств не имеют сплошного электрического контакта с корпусом автомобиля. В большинстве случаев по периметру двери идёт уплотняющая резиновая прокладка являющаяся диэлектриком, а электрический контакт осуществляется только в петлях и замке двери или люка. Также дверь полностью покрывается краской, что даже при наличии механического контакта предотвращает наличие электрического контакта.

У рассматриваемого бронеавтомобиля имеется цельносваренный корпус из бронелистов толщиной 5 мм. Выбранный вариант транспортной базы имеет 3 двери (дверь водителя, дверь пассажира, задняя дверь) , 4 оконных люка, и один люк на крыше автомобиля. Все эти элементы автомобиля снабжены уплотняющей резиновой прокладкой по периметру прижимаемой поверхности. Оконных стёкол имеется 9 штук. Лобовое стекло, стекла оконных люков 4 шт., окна дверей водителя и пассажира, и два окна половинок задней двери. При рассмотрении корпуса автомобиля как экрана от электромагнитных волн основной задачей является ослабление проникаемых внутрь объема автомобиля электромагнитных помех через окна, так как они не являются проводящей поверхностью. Также необходимо обеспечить электрический контакт по периметру дверей, окон и люков без потери герметизирующих свойств уплотнительной прокладки и не предотвращающее их свободное открытие и закрытие.

Вначале рассмотрим методы ослабления проникания внутрь объема автомобиля электромагнитных помех через окна.

Методы ослабления электромагнитных помех проникающих внутрь объема автомобиля через окна.

В идеале для ослабления электромагнитных помех проникающих внутрь объема автомобиля через окна необходимо закрыть их поверхности сплошными металлическими листами, а визуальный контроль управления автомобилем осуществлять с помощью внешней видеокамеры и монитора установлено внутри автомобиля. Но данное решение слишком дорогостоящее и трудно реализовываемое на практике. Так что будем отталкиваться от того что проводя меры по ослаблению электромагнитных помех проникающих через окна необходимо сохранять в достаточной для осуществления управления автомобилем прозрачности поверхности оконных стёкол.

Исходя из вышесказанного, можно выделить два метода придания поверхностям оконных стёкол проводящих свойств без существенного ухудшения их прозрачности. Это применение проводящих прозрачных материалов и применение проволочных сеток. Рассмотрим подробнее оба эти способа.

Проводящие прозрачные материалы.

В настоящее время для экранирования применяют окна, изготовленные с применением осаждения металлов в вакууме на оптически прозрачные подложки. В качестве подложек может использоваться стекло либо прозрачный пластик. Данные экраны крепятся к несущей конструкции РЭС при помощи прижимных рамок с уплотняющими электромагнитными проводящими уплотнителями, с помощью которых обеспечивается необходимая электропроводимость контакта окон с несущей конструкцией РЭС.

Немаловажным критерием, обуславливающим возможность применения данных материалов, является, обеспечение необходимой эффективности защиты от электромагнитных помех при снижении его оптических характеристик в пределах допустимых значений. Оптические и электрические характеристики этих панелей с электропроводным слоем зависят от природы напыляемого материала и условий его напыления. Напыляться могут как просто оксиды единичного материала, так и сплавы металлов. Величина толщины слоя плёнки покрытия, при которой сохраняется оптическая прозрачности окна с ухудшением прозрачности не более 20% и обеспечивающая необходимую электропроводимость, варьируется в значительном диапазоне (от 5 до 3000 нм).

Для стеклянных подложек наибольшее применение имеют плёнки из окислов металлов. Панели с применением такого проводящего покрытия имеют хорошую прочность, устойчивы к химическому воздействию и имеют плотное соединение с подложкой.

Прозрачные панели с электропроводным слоем получили широкое применение в смотровых панелях и системах измерительных устройств и индикаторами РЭС. Также их применяют в том случае, если есть необходимость следить за происходящими внутри экранируемого объёма процессами.

В общедоступной продаже имеется богатый ассортимент прозрачных материалов имеющих высокие показатели электрической проводимости поверхностного слоя при уменьшении оптической прозрачности не более чем на 20% и эффективностью защиты от электромагнитных волн примерно 30 дБ. Увеличение толщины напыляемой проводящей плёнки определяет величину поверхностного сопротивления, но увеличивает потерю прозрачности. В связи с этим есть необходимость вычислять наиболее рациональную толщину плёнки. Она находится по формуле:

,

(пример

где - удельное сопротивление материала пленки, Ом*м;

- коэффициент эффективности экранирования в относительных единицах;

d - толщина покрытия, м;

Но величина уменьшается с толщиной d, а сама связь между d и точно неизвестна, и для разных видов материала устанавливается опытным путём. Таким образом, для создания покрытия из алюминия для защиты от электромагнитных помех в диапазоне частот до 10 ГГц нужно создать плёнку с сопротивлением поверхностного слоя не менее 20 Ом. Но толщина слоя электропроводного материала должна превышать следующее значение:

(6,5 нм).

где - поверхностное сопротивление, Ом;

d - толщина пленки, м.

Нужно заметить, что эффективность экранирования в 20 дБ для рассматриваемого случая может быть достигнута только при обеспечении надежного и непрерывного электрического контакта проводящей поверхности с каркасом. При отсутствии надёжного электрического контакта возможно снижение реальной эффективности экранирования относительно расчётной, особенно это заметно в диапазоне частот от 60 до 400 МГц.

Для улучшения надёжности контакта между поверхностью стекла и проводящей поверхностью можно увеличить значение толщины напыляемого слоя на краях панели, что приведёт к уменьшению поверхностного сопротивления.

Сеточные материалы.

Для создания экранирующих поверхностей часто применяются сеточные материалы. Это оправдывается тем, что экраны из сетчатого металла легки и удобны при монтаже, организуют, проницаемость воздуха в экранируемый объём, светопроницаемы и позволяют получать хорошую эффективность защиты от электромагнитных помех в широком спектре частот. В сравнении с экранами из листового материала сетчатые экраны со временем могут иметь потерю эффективности защиты от электромагнитных излучений за счёт коррозии и загрязнения. В связи с этим целесообразно использовать сетчатые панели из коррозионностойких металлов, таких как латунь, медно никелевая проволока или бронза. Недостатком такого вида экранов является невысокие показатели защищённости от физического воздействия.

Свойства экранирования сетчатых экранов проявляются основным образом за счёт отражения падающих электромагнитных волн. Свойства экранирования сетчатого материала определяются следующими её характеристиками: шаг сетки; радиус проволоки; удельная проводимость материала сетки.

По вышеперечисленным параметрам можно классифицировать два вида сетки - густые сетки и редкие сетки. К густым сеткам относят те, у которых отношение шага сетки к радиусу проволоки меньше или равно 8, в противном случае сетка редкая.

Коэффициент эффективности экранирования сетчатого материала можно вычислить по формуле:

(пример )

где s - шаг сетки, м;

r - радиус проволоки, м;

- длинна волны, м;

- коэффициент эффективности экранирования в относительных единицах;

Погрешность вычисления по данной формуле мала для редких сеток, но для густых сеток имеет место лёгкое завышение в связи с тем, что с уменьшением размера ячейки индуктивность ячейки начинает сильнее влиять на эффективность защиты от электромагнитных помех.

Значения эффективности экранирования при использовании сетчатого материала экрана могут составлять приблизительно 30 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 30 ГГц при толщине сетки 0,5 мм. Сетчатые экраны, особенно с густой сеткой, значительно ухудшают светопроницаемость по сравнению с напыляемыми проводящими плёнками, но обладают большей эффективностью экранирования и не препятствуют проникновению воздуха внутрь экранируемого объема. Так же как и при использовании напыляемых проводящих плёнок для обеспечения заявленного коэффициента экранирования необходимо обеспечить надёжный электрический контакт экрана с корпусом.

Конструкторское решение по использованию прозрачных проводящих материалов.

По функциональному назначению стёкла в автомобиле “Тигр” делятся на два типа. Лобовое стекло и стёкла дверей водителя и пассажира служат для обеспечения обзора водителя. К данному типу стёкол предъявляется более жёсткие требования к светопропусканию поверхности. Стёкла оконных люков по бокам автомобиля предназначены для обеспечения освещенности внутреннего объёма корпуса и при необходимости проветривания. К этому типу стёкол предъявляются менее жёсткие критерии по светопропусканию поверхности, но необходимо учитывать возможность открывания данных окон для проветривания.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать следующие выводы:

а). На лобовом стекле и стёклах дверей водителя и пассажира необходимо применить материал с напылением проводящего слоя на прозрачную подложку. Это обеспечит наилучшее светопропускание поверхности экрана при достаточно высокой эффективности экранирования.

Для данного вида стекол было выбрано прозрачное экранирующее покрытие для стекол на полеэстеровой основе с нанесённым на неё прозрачным слоем токопроводящего материала EM70 [7] c самоклеющимся покрытием. Структура данного материала представляет собой четыре слоя:

- упрочненное покрытие;

- полиэстеровая пленка;

- токопроводящий слой на основе серебряного сплава;

- липкий слой;

Толщина плёнки составляет 75 мкм. Поверхностное сопротивление 15 Ом на квадратный сантиметр. Светопропускание 75%. Коэффициент экранирования > 30 дБ. Диапазон рабочих температур от -30 ?С до +80 ?С. [7]

При монтаже самоклеющейся плёнки необходимо обезжирить поверхность стекла и отрезать рулон по ширине до необходимого размера. Затем, удалив защитный слой пленки, смочить монтируемую плёнку водой и прикатывается к стеклу. Затем плёнка обрезается по периметру. Порядок монтажа плёнки показан на Рис.

Рис. Порядок монтажа плёенки EM70

Для обеспечения надёжного электрического контакта поверхности токопроводящего слоя плёнки с корпусом автомобиля необходимо применять токопроводящий силиконовый клей герметик. Перед проклейкой стыка плёнки с корпусом автомобиля необходимо очистить корпуса от краски и покрыть данную область токопроводящей краской, а с плёнки счистить верхний полеэстеровый слой по периметру склейки.

б). В случае с оконными люками применяется, металлическая сетка из медно-никелевой проволоки. Размеры ячейки сетки 0,63х0,63 мм, а диаметр проволоки 0,3 мм. Так как во время эксплуатации системы оконные люки могут открываться для проветривания, металлическая сетка будет крепиться не на стекле окна, а на отдельной раме пяльцах. Данная рама крепится к корпусу автомобиля на петлях и имеет два прижимных откидывающихся винта. Сетка крепится к раме путем припайки. На внутренней части рамы, по всему периметру, располагается желоб с установленным внутри него токопроводящим силиконовым пустотелым профилем D - типа. По периметру прижимаемой к корпусу автомобиля поверхности должна быть снята краска и нанесена токопроводящая краска.

Методы обеспечения электрического контакта по периметру дверей, окон и люков автомобиля.

Для повышения стойкости и защиты радиоэлектронных систем от неблагоприятного влияния электромагнитных волн используют электромагнитные экраны. Как показывает практика, во многих случаях большинство экранов делается гораздо толще, чем это необходимо в действительности. Поэтому в большинстве реальных случаев защитные свойства экрана определяется количеством нарушений непрерывности корпусов с экранами, т. е. имеющимися электрическими неоднородностями.

Такой электрической неоднородностью являются щели между дверьми, окнами и люками и корпусом транспортного средства. Необходимость герметизации данных щелей заставляет применять в этих местах диэлектрические резиновые уплотняющие прокладки. Для улучшения эффективности экранирования корпуса автомобиля от внешних электромагнитных волн необходимо обеспечить наличие надежного электрического контакта в местах стыков дверей, окон и люков без потери их функциональных особенностей.

Существует два метода для обеспечения разъёмного электрического контакта между двумя металлическими поверхностями. Использование контактных дорожек из стойких к коррозии материалов или профили из токопроводящего силикона. Рассмотрим данные методы.

Проводящие контактные дорожки.

Современная промышленость предлагает широкий спектр номенклатуры проводящих контактных дорожек произведённых из тонкой упругой металлической ленты формованной специальным образом. Наиболее часто в качестве материала для таких контактных дорожек являются устойчивые к коррозии металлы, такие как фосфористая бронза, бериллиевая бронза или нержавеющая сталь. Исходя из типа контактной дорожки, она может быть покрыта оловом, никелем, или золотом.

Данные металлические проводящие дорожки выпускаются с клейки основанием, с клипсовыми зажимами или монтажными окнами под винты или заклепки. Конструкция контактных лепестков зажимов чаще всего имеет пружинящими свойствами и имеет широкую номенклатуру форм.

Применение данных контактных дорожек может обеспечивать большой коэффициент защиты от электромагнитных помех. При частоте от 1МГц до 1ГГц он может достигать не менее 90дБ.

Профиль из токопроводящего силикона.

Электропроводящего силикон несёт в себе химически инертные частицы с напылённым на них слоем электропроводного материала. Эти частички спекаются в профиль разнообразной формы исходя из функциональных требований к применению данного материала. При спекании данный профиль сохраняет свойства проводника электрического тока. Проводящим материалом для данного материала могут выступать серебро, медь, никель или графит. При этом сохраняются свойства герметика получаемые за счёт использования силиконового наполнителя.

Получаемый профиль легко изгибается и за счет своих упругих свойств может применяться как герметизирующая прокладка. Он удобен в тех случаях, когда к стыку двух металлических поверхностей предоставляются требования по электромагнитной защите и одновременно необходимо обеспечить герметичность соединения. С помощью применения профиля из токопроводящего силикона можно добиться обеспечения климатического исполнения до IP 67 включительно. Это может быть достигнуто при сжатии профиля на 5%15% для цельных профилей и на 10%25% для пустотелых профилей. При использовании токопроводящего силикона коэффициент подавления электромагнитных помех может составлять не менее 60 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1ГГц.

Конструкторское решение по использованию материала обеспечивающего контактную проводимость поверхности.

Из представленных выше двух вариантов самый большой коэффициент подавления электромагнитных помех у металлических контактных дорожек (90 дБ на частотах от 1МГц до 1ГГц), но монтаж их гораздо сложнее, чем у профиля из токопроводящего силикона. Металлические контактные дорожки сложнее изгибать а, как известно траектория периметра дверей автомобилей довольно сложна и предполагает наличие изгибов под 90 ? изгибов вдоль некоторых из краёв двери. Так как контактные дорожки выпускаются с профилем, имеющим прямолинейную форму в своём основании, для обеспечения изгиба необходимо вырезать сегменты из него. При том, что край двери, где необходимо обеспечить электрический контакт, уже оснащён резиновой уплотняющей прокладкой, что оставляет мало места на монтаж металлической контактной дорожки. Из всего вышеперечисленного следует, что использование в данных целях контактных дорожек нецелесообразно.

В связи с тем, что профиль из токопроводящего силикона может служить не только проводником электрического тока, но и герметиком, то в случае его использования по периметру автомобильных дверей окон и люков можно исключить использование там имеющейся резиновой уплотняющей прокладки.

Для обеспечения электрического контакта между дверями, окнами и люком автомобиля “Тигр” выбираем комбинированный DD - образный профиль токопроводящего силикона с неопреном.

Токопроводящий материал силикона - серебро на медной подоснове. Диапазон рабочих температур от -55 ?С до +150 ?С. Поверхностное сопротивление 0,02 Ом на см. Предел прочности 430 кН/м. Коэффициент экранирования более 60 дБ в диапазоне частот от 30 MГц до 1 ГГц. Максимально возможное удлинение 200%.

Монтаж профиля из токопроводящего силикона включает следующие этапы.

1). Удаление резиновой уплотняющей прокладки с поверхности кромки двери.

2). Зачистка от краски поверхности кромки двери и корпуса автомобиля.

3). Нанесение токопроводящей краски на кромки двери и корпуса автомобиля.

4). Приклеивание токопроводящим клеем профиля из токопроводящего силикона к кромке двери автомобиля.

5. Применение радиопоглощающих материалов

Применение экранирования как способ защиты от электромагнитных помех не всегда даёт положительные результаты. Часть энергии электромагнитной волны, падая на проводящую поверхность экрана, отражается от неё и воздействует на элементы находящиеся внутри экранируемого объёма, что может повлиять на корректность работы устройства. В случае применения радиопоглощающих материалов энергия электромагнитного излучения преобразуется в тепловое излучение (ИК-диапазон). Эти материалы могут обеспечивать поглощение радиочастотных помех полосе частот от 10 МГц до 60 ГГц. Также есть радиопоглощающие материалы, поглощающие узкую полосу частот электромагнитных излучений, примерно ?±15%. Материалы с узкой полосой частот электромагнитного излучения изготавливаются из слоя поглощающего материала закреплённого на металлической основе. Толщина слоя такой панели составляет d= ?м/4, где ?м - длинна волны в материале, точнее, d= ?м/4, где - относительная диэлектрическая проницаемость и относительная магнитная проницаемость покрытия. Защита от электромагнитного излучения в данном виде материала создаётся за счёт интерференции и взаимной компенсации на границе поверхности падающей и отражённой волны. Разность фаз и совпадение значения амплитуды этих волн добиваются за счёт выбора параметров поглотителя.

Радиопоглощающие материалы способны поглотить до 70% энергии электромагнитной помехи. Эффективность защиты от радиоволн зависит от частотной полосы электромагнитного излучения и толщины радиопоглощающего материала. При использовании данного вида материалов необходимо обеспечивать хороший теплоотвод .

В качестве связующего наполнителя в радиопоглощающих материалах может применяться силикон или полимеры, а в качестве поглощающего наполнителя ферритовый порошок с большой коэрцитивной силой и максимальной петлей гистерезиса или карбонильное железо. Эффект поглощения радио волн в таких материалах основывается на явлении затухания падающей электромагнитной волны в объёме материала и перевод её энергии в тепловую. Это происходит за счёт появления слабых рассеянных токов, магнитогестирезисных или высокочастотных электрических потерь. Количество ферритового наполнителя по отношению к связующему материалу может достигать 70%. Сопротивление поверхности такого материала составляет от Ом до Ом что позволяет устанавливать его непосредственно на токопроводящие части аппаратуры. Граничное значение энергии излучения, которую может поглотить радиопоглощающий материал, напрямую связанно с его температурой максимального рабочего режима. Интервал рабочих температур данного вида радиопоглощающих материалов распространяется от 50°С до +125°С. Радиопоглощающие панели выпускаются в виде гибких листов различной толщины либо трубок разного диаметра.

Данный вид панелей чаще всего применяют в персональных компьютерах, в том числе военного назначения, беспроводных устройствах коммуникации, в приемопередатчиках, системах спутниковой связи. Гибкий листовой поглотитель радиоволн позволяет увеличивать дальность считывания карт доступа идентификационных систем.

Одним из видов радиопоглощающих материалов СВЧ энергии являются краски, с малой степенью отражения. В настоящее время как отечественной, так и зарубежной промышленностью выпускается обширная номенклатура РПМ.

Конструкторское решение по применению радиопоглощающих материалов

Благодаря применению радиопоглощающих материалов можно добиться высокого уровня защиты от электромагнитных помех. Но при этом данный вид материала значительно увеличивает стоимость выпускаемого изделия. Необходимо выработать концепцию компромисса для применения данного вида материалов, для этого необходимо выделить наиболее важные негативные явления, воздействие которых может быть снижено с помощью применения радиопоглощающих материалов.

В первую очередь стоит выделить радиолокационную незаметность транспортного средства. Отраженные от поверхности корпуса или прошедшие сквозь него излучения могут привести к радиолокационному обнаружению транспортного средства. Основную актуальность это явление выступает в сфере разработки военных радиоэлектронных систем. Но и для систем гражданского назначения это явление может нести негативный эффект.

Для решения данной проблемы хорошо подходит разработанный в России радиопоглощающий материал "Крона". [10] Данный вид материала выпускается в виде камуфляжной маскировочной сетки и хорошо подходит для создания различных чехлов для военной техники. Эти чехлы позволяют не только скрыть объекты военной техники от обнаружения в радиолокационном диапазоне, но и уменьшают заметность в оптическом диапазоне при этом ещё и снижая уровень вредного электромагнитного излучения.

Покрытие данного материала представляет собой водосодержащий органический состав, наполненный металлоуглеродным сорбентом. Степень отражения электромагнитных волн падающих на плоскую, защищённую радиопоглощающим материалом металлическую поверхность составляет 20%. Интервал длин волн оптимальной работы 0,35 см.[10].

В случае применения чехла из данного материала сильно снижается вероятность обнаружения замаскированной техники средствами оптической разведки.

В тех случаях, когда в радиоэлектронной системе используются интерфейсные СВЧ - линии, для подавления непреднамеренных электромагнитных помех крайне эффективно применять гибкие помехоподавляющие фильтры с радиопоглощающим элементом. Конструктивно они представляют собой коаксиальный кабель, в структуре которого имеется слой радиопоглощающего материала. Такие фильтры применяются в средствах электронного противодействия, в телекоммуникациях и в РЛС. Данные фильтры имеют высокую степень вносимого затухания - 100 дБ на частотах до 45 ГГц, рабочий диапазон частот от 10 МГц до 1 ГГц. Они могут обеспечивать рабочий ток от 1А до 100А при номинальном напряжении до100 В.

Диапазон рабочих температур такого кабеля составляет от - 67 ?С до +250 ?С. Конструкция помехоподавляющего фильтра с радиопоглощающим элементом показана на Рис. 6.3.

Рис. Конструкция помехоподавляющего фильтра с радиопоглощающим элементом

Похожего результата подавления электромагнитных помех в СВЧ кабелях можно получить, применяя трубки из радиопоглощающего материала. Такие трубки обеспечивают простое и экономичное решение проблемы подавления электромагнитных помех как кондуктивных, так и излучаемых.

В том случае если известны блоки радиоэлектронной системы, создающие высокий уровень высокочастотных электромагнитных помех, для ослабления их влияния, можно применить листы пористого широкодиапазонного радиопоглощающего материала. Данный материал необходимо применять совместно с экранированием данных блоков. Нижний диапазон рабочих частот зависит от толщины радиопоглощающего материала и в условиях ограниченного объёма эффективен только для поглощения радиоэлектронных помех с частотой выше 500 МГц.

6. Монтаж кабельной системы

Для увеличения защиты от электромагнитных помех кабельной системы монтируемой внутри транспортного средства в первую очередь необходимо разделить все кабели на два класса по степени их чувствительности к воздействию электромагнитных излучений и на два класса по степени создания этих помех.

Класс 1 кабели, относящиеся к цепям с маломощными и высокочувствительными к помехам сигналами. К этому классу относятся кабели с сигналами низкого уровня, антенные кабеля радиоприёмников и кабели цифровых систем связи. Кабели такого класса должны укладываться в экранирующие кожух в связи с их очень низким уровнем защиты от электромагнитных помех.

Класс 2 кабели, относятся к цепям с малым уровнем чувствительности к помехам. К этому классу относятся кабели с аналоговыми сигналами высокого уровня.

...