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

Класс 3 кабели, относятся к цепям, создающим низкий уровень помех. К этому классу относятся кабели цепей питания переменного и постоянного тока малой мощности.

Класс 4 - кабели, относятся к цепям, создающим высокий уровень помех. К этому классу относятся кабели цепей питания переменного и постоянного тока высокой мощности и кабели, идущие к передающим ВЧ - антеннам. Данный класс кабелей лучше всего помещать в экранированные короба и надетыми на кобеля трубками с радиопоглощающим материалом. Также к ним должны быть подключены экранированные соединители, установленные на проводящую прокладку для обеспечения надежного электрического контакта с экраном.

При монтаже кабельной системы провода различных классов должны быть расположены параллельно на расстоянии менее 150 мм. Рекомендуемое значение расстояния между кабелями, относящимися к различным классам для случая, когда они проходят параллельно проводам заземления, показаны на Рис. 7.1. В кабельных кожухах кабели необходимо прокладывать как можно ближе к заземлённой поверхности. Прямые цепи и кабеля, по которым течёт обратный ток всех нагрузок необходимо располагать как можно ближе друг к другу.

Рис. Оптимальные расстояния между кабелями разных классов

Следует отметить, что экранирующие оплётки всех кабелей входящих или выходящих из экрана должны иметь электрический контакт на все 360 или же должны иметь фильтры в точке входа в экран. Все кабели должны располагаться параллельно проводнику заземления. На Рис. показаны некоторые виды параллельных заземляющих поверхностей.



Рис. Виды параллельных заземляющих проводников

В качестве заземляющего короба лучше выбрать второй вариант в связи с более простым монтажом в нём. При прокладке кабелей в отдельных закрытых металлических кабельных каналах кабели в них можно располагать вплотную друг к другу.

Особое внимание необходимо уделять длинным силовым и сигнальным кабелям компьютерного или другого оборудования. Эти кабели выступают в качестве приёмных или передающих антенн для высокочастотных электромагнитных помех создаваемых системой и могут стать причиной нарушения работы всей системы или отдельных её компонентов. Для уменьшения влияния высокочастотных электромагнитных излучений на кабельные системы применяются кабельные ферритовые кольца.

Феррит представляет собой ферромагнетик, не пропускающий через себя электричество. Внутри ферритового материала не происходит создания вихревых токов. Благодаря этому его перемагничивание происходит быстро. Такой фильтр, надетый на кабель, вносит большой импеданс для синфазных токов. Другими словами такой фильтр повышает индуктивность участка кабеля. Увеличение индуктивности может составлять несколько сотен раз, что и обеспечивает защиту от высокочастотных помех. Такое фильтр, установленное на кабель, состоящий из большого числа свитых проводов, создаёт синфазный трансформатор, пропускающий противофазные информационные сигналы и отражающий синфазные помехи.

Такой вид фильтров имеет диапазон рабочих частот от 1 МГц до 500 МГц. Также возможно повысить значение вносимого импеданса, за счёт создания нескольких витков провода вокруг ферритового фильтра. Пара витков на сердечнике фильтра увеличивает импеданс чуть менее чем в четыре раза.

Эти элементы могут применяться как на проводах передающих информационные сигналы для ослабления внешних помех, так и на проводах питания.

Конструкция ферритовых фильтров может представлять, как цельное кольцо или цилиндр либо выполнены в виде защёлки содержащей две половинки ферритового цилиндра. Ферритовый фильтр в виде защёлки удобен при монтаже на уже смонтированную кабельную систему. Данный тип фильтра следует закреплять в 3 см от конечного разъёма провода,

7. Монтаж разъёмов на электромагнитном экране

Во многих случаях есть необходимость установки разъёмов на корпуса электромагнитного экрана или корпуса устройства. При этом следует учесть, что между корпусом разъёма и проводящей поверхностью экрана должен обеспечиваться надёжный электрический контакт. Но в связи с тем, что обе соединяемые поверхности не являются идеально ровными, то при их соприкосновении появляются неоднородности. В таких случаях необходимо применять проводящих прокладок.



Рис. Соединение поверхностей: а) - без прокладки; б) - с экранирующей прокладкой

Рассмотрим соединение двух не идеально ровных поверхностей. Как показано на Рис. 6.1 максимальное расстояние ?H между поверхностями при их соприкосновении в некоторой точке определяется значением неровностей. Пунктирной линией показан размер прокладки до сжатия Hg. Hmax и Hmin -определяются классом обработки поверхности. Толщина проводящей прокладки должна соответствовать классу шероховатостей поверхности.[1]

Существует много типов проводящих прокладок. Рассмотрим некоторые из них.

Прокладки из проводящих пластиков и эластомеров применяются для получения высокой плотности соединения с обеспечением водонепроницаемости и защиты от электромагнитных помех. Они представляют собой внедрённые в материал эластомера (силикона) мельчайших металлических шариков. Материалом наполнителя может выступать серебро, никель, медь, алюминий, посеребренная медь, посеребренное стекло и др. Максимальное удельное электрическое сопротивление может составлять от 0,003 до 0,01 Ом*см.

Прокладки с направленно внедренными проводниками изготавливаются путём внедрения множества тонких параллельных проводников в изоляционное основание из сплошного или пористого силикона. Они также как и предыдущий тип прокладок обеспечивают одновременно герметизацию соединения и защиту от электромагнитных помех. Материалом проводников может служить алюминий или монель (медно никелевый сплав).

Эластичные прокладки с высоко проводящим покрытием применяются в местах соединения экрана с другими деталями корпуса, обеспечивая минимальную величину сопротивления между соединяемыми поверхностями. Эластичные прокладки с высоко проводящим покрытием используются в соединениях с гладкими поверхностями с максимальным значением шероховатости не превышающем 0,1 мм. Прокладка состоит из силикона с нанесённым на него наружным слоем из серебра, золота меди, никеля, посеребренной меди, посеребренного алюминия и других материалов. Отличительной чертой этих прокладок является низкая требуемая прижимная сила.

Прижимное усилие в среднем для всех типов прокладок на эластичном основании составляет 0,5 кг/.

При установке экранирующих прокладок на металлическую поверхность используют следующие методы:

- использование клеящейся подложки;

- использование проводящего клея;

- крепление с помощью винтов;

- крепление с помощью зажимов;

Основными методами установки проводящих прокладок для разъёмов являются использование проводящего клея и крепление с помощью винтов.

Для монтажа разъёмов наиболее удачным вариантом является применение прокладок из токопроводящего силикона. Токопроводящий силикон обеспечивает не только требования по электромагнитной совместимости, но и обеспечивает герметичность соединения. Он обеспечивает коэффициент экранирования не менее 60 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц. Поверхностное сопротивление данного материала составляет 0,02 Ом на см при применение в качестве проводящего наполнителя серебра на медной подоснове.

Данный вид материала производится в виде вырубных профилей применяемых для определённых типов разъёмов или в виде кольца круглого профиля с различными диаметрами. На Рис. показаны возможные варианты вырубных профилей прокладок и колец круглого профиля.

Рис. Варианты вырубных профилей прокладок и колец круглого профиля

8. Экранирование стоек

В сфере обеспечения электромагнитной совместимости экранирование является одним из самых важных процессов. Экраны обеспечивают возвратный путь для токов фильтрации и защищают от непосредственного воздействия электромагнитного поля на элементы системы. Экранирование основывается на ослаблении электромагнитного поля за счёт эффектов отражения и поглощения проводящей поверхности экрана.

Экранирование является сложным конструкторским процессом, поскольку включает в себя многие факторы такие как, фактор эстетичности, фактор ремонтопригодности и экономический фактор. Экраны бывают пассивные и активные, но наиболее распространены в радиоэлектронной промышленности именно пассивные экраны. Экраны могут иметь самую различную конфигурацию и изготавливаться из различных материалов.

При рассмотрении физических основ экранирования помехонесущие поля разделяют на квазистационарные (медленно изменяющиеся) и волновые поля. При воздействии квазистационарного электрического поля на поверхности экрана появляются заряды, создающие внутри экрана собственное поле направленное навстречу внешнему полю. В случае с быстро изменяющимися во времени полями они проникают на небольшую глубину материала экрана и их энергия превращается в тепло.

Часть энергии падающей на поверхность экрана электромагнитной волны отражается от внешней и внутренней границы экрана, не проникает за экран. Отраженная составляющая этой волны также искажает внешнее поле.

Толщина слоя, на которую проникает электромагнитное поле, характеризуется толщиной скин-слоя. Эта величина представляет собой расстояние, на котором электромагнитная волна ослабевает в e раз. С повышение частоты электромагнитного поля уменьшается величина толщину слоя на которую это излучение проникает[3].

Таким образом, получается, что квазистационарные поля не проникают в экран в связи с возникновением электростатического поля внутри экрана, а электромагнитное поле проникает на небольшую глубину из-за наличия скин-эффекта, при этом увеличении частоты электромагнитного поля приводит к уменьшению глубины его проникновения.

Эффективность защиты от электромагнитного излучения оценивается как отношение напряженности электромагнитного поля вне экранного пространства к напряженности поля в экранированном объёме. Различают эффективность экранирования электрического поля и магнитного поля :

;

Эффективность экранирования имеет три части. Часть, основанная на затухании электромагнитной волны из-за нагрева металлической поверхности вихревыми токами. Затухание волн прошедших сквозь поверхность электромагнитного поля от границы диэлектрик - экранирующая поверхность до границы экранирующая поверхность диэлектрик. Затухание электромагнитной волны из-за множественного переотражения электромагнитных волн от внутренних стенок экранирующей поверхности.

Эффективность защиты от электромагнитных помех зависит от электрической проводимости и величины толщины материала. Чем лучше проводимость и больше значение толщины материала экрана, тем выше его эффективность защиты. Экранирующие поверхности из немагнитных материалов (алюминия, меди, латуни) магнитные волны отражается в основном от первой границы диэлектрик - экранирующая поверхность. Экранирующие панели из магнитных материалов (феррит, сталь, пермалой) отражение волны происходит от второй границы. При увеличении магнитной проницаемости экрана, эффект экранирования вне зависимости от частоты изменения поля повышается. Эффективность экранирования немагнитного материала зависит от проводимости экрана, величины его толщины и частоты изменения поля. Защиту от электрического поля осуществить легче, чем от магнитного поля. Защищать устройство от магнитного поля лучше всего экранами из магнитомягких материалов.

Имеются три зоны воздействия источников помех: зона ближнего действия, зона переходного действия и зона дальнего действия. В зоне ближнего действия в основном необходимо защита от статического поля, здесь влияет закон электромагнитной индукции. Для данного случая экран необходимо ставить ближе к источнику поля. Электростатический экран защищает от внешнего излучения при помощи компенсации этого поля за счёт индуцированных зарядов. Этот эффект известен как “клетка Фарадея”. Но заземлять данный тип экрана всё равно необходимо исходя из условия протекания обратных токов и соображениям электробезопасности.

Очень важно обеспечивать надёжность электрического контакта экрана с заземляющим проводом. Поэтому оптимальным способом его изготовления является сварка или пайка. Винтовое соединение или соединение заклёпками может быть выполнено только при гарантированной долговременной надёжности механического присоединения и не возникновении в месте соединения коррозии. Экранирующая поверхность может выступать переизлучателем электромагнитных волн при отсутствии электрического соединения с землёй.

Очень важным фактором является то, что на поверхность экрана должны отсутствовать отверстия, щели, места стыков и тому подобных неоднородности. Не должно возникать препятствий для протекания токов в цепях заземления. Все вентиляционные щели должны располагаться вдоль линий протекания токов. Оба случая показаны на Рис.

Рис. Щели в экранирующей поверхности: 1 - неправильное расположение щелей; 2 - рекомендуемое расположение щелей

Проблемой является изготовление экранирующей поверхности для устройств, имеющих пластмассовый корпус. Увеличение эффективности защиты от электромагнитных помех в этом случае может достигаться либо применением материалов на основе пластмассы с металлическим наполнителем либо создание поверхностных слоев металла, например с помощью проводящей краски.

Для экранирования магнитных полей на низких частотах необходимо применять материалы, имеющие высокую магнитную проницаемость, так как они концентрируют поле внутри толщи металла и не дают ему проникать внутрь экранированного объёма. Но требование директивы электромагнитной совместимости не распространяется на магнитное экранирование на низких частотах. В связи с этим такой тип экранов необходимо применять только для аппаратуры, которая чувствительна к магнитным полям промышленной частоты.

Способы повышения эффективности экранирования.

Теоретически эффективность экранирования может достигать значения 200 дБ при использовании приемлемых толщин обычных материалов. Но на практико это значение гораздо ниже за счёт наличия в экранах отверстий и неоднородностей. Отверстия необходимы для вентиляции, окон наблюдения и индикации, для ручек управления и т. д. Также швы образуются при соединении проводящих частей экрана из-за некачественной поверхности панелей или из-за наличия краски, окислов или ржавчины, что приводит к появлению изолирующего слоя. Серьезной проблемой являются шарнирно открывающиеся панели, дверей или крышек, которые составляют часть экранирующего корпуса. При этом необходимо размещать панели внахлёст с проложенной между ними проводящей прокладкой.

Наихудшей формой щели между экранами является узкая и длинная щель, особенно когда она расположена перпендикулярно вектору электрического поля. При разделении такой щели на две половинки улучшают магнитное и электрическое экранирование более чем на 6 дБ, при этом ширина щели оказывает второстепенное влияние на результат экранирования.

Смотровые окна тоже являются неоднородностями, через которые внедряются электромагнитные помехи и их следует закрывать прозрачными проводящими материалами. Экранирование смотровых окон необходимо осуществить при помощи медной сетки либо плёнки с напылённым проводящим слоем. Эффективность защиты от электромагнитных помех в данном случае, при условии наличия надежного электрического контакта по периметру смотрового окна, не может превышать более 40-50 дБ. Но большие значения эффективности могут, не понадобится в связи с наличием других отверстий в экране.

Следующей неоднородностью, через которую могут проникать электромагнитные помехи, являются вентиляционные отверстия. Эти отверстия необходимо закрывать перфорированными сетчатыми экранами или перфорированными панелями. Перфорированные панели лучше делать с большим числом малых отверстий, чем с малым числом больших отверстий.

Наилучше показатели экранирования вентиляционных отверстий при наилучших массогабаритных параметрах показывают панели из “сотового” проводящего материала, в которых элементы в виде сот используются как запредельные волноводы. В этих панелях толщина экрана в несколько раз превосходит ширину отдельного отверстия. Каждое отверстие по размеру должно быть меньше половины длинны волны для частот, которые должны быть отсечены. В зависимости от длинны элемента конструкции сотовых панелей эффективность экранирования может достигать 90 дБ.

Вентиляционные решётки, сделанные из “сотового” проводящего материала способны экранировать электромагнитные помехи в диапазоне частот от 10 МГц до 40 ГГц и обеспечивают максимально возможный доступ воздуха. Материалом таких панелей часто является бериллиевая бронза с покрытием, нержавеющая сталь или алюминий.

9. Организация рационального заземления

Заземление - это соединение одного или нескольких проводящих тел с землей для устранения разности потенциалов между телом и землей.[2] Соединением в этом случае называется связь двух проводящих тел по средствам проводника. Понятие земля не является однозначным. В случае данного проекта земля может рассматриваться как общий корпус транспортного средства используемый как обратный токопровод. Но не следует забывать о соединении корпуса транспортного средства непосредственно с землёй способной поглощать огромное количество энергетического заряда. Земля обладает огромной электрической ёмкостью и может выступать в качестве идеальной опорной базы для напряжений электрической системы.

Первостепенной задачей организации рационального заземления является достижение эквипотенциальности, но в следствии этого возникают следующие проблемы. Заземление оказывается не эквипотенциальным в связи с наличием омического и индуктивного падения напряжения. Также возможно появление помех в цепях РЭС за счёт появления токов большой мощности в цепях заземления и как следствие вызванных ими значительных индуктивных эффектов. Также организация заземления позволяет решить проблему статического электричества. В связи с этим вопросы заземления радиоэлектронных средств требуют к себе самого пристального внимания в сфере защиты от электромагнитных помех.

Цепь заземления сама может стать источником помех для заземляемого оборудования. Если цепь заземления имеет замкнутые контуры, то внешние электромагнитные волны могут наводить в них циркулирующие токи, называемые шумом заземления. Для высокочастотных излучений заземляющие проводники на резонансах частотах могут стать паразитными антеннами. При конструировании заземления для высокочастотных систем необходимо учитывать такие явления, как индуктивное сопротивление, резонансные явления и скин-эффект.

К цепям заземления предъявляются следующие требования:

- непрерывность;

- исключение замкнутых контуров;

- минимальное полное сопротивление;

- на ВЧ диапазоне соединение должно быть как можно электрически коротким;

Непосредственное соединение с землёй производится с помощью проводника или совокупность проводников находящихся в соприкосновении с землей, и называются заземлителями.

Системы заземления, возможно, разделить на две категории: защитные и рабочие [2]. Заземление защитное применяется для поддержания частей несущих конструкций на уровне одного и того же потенциала, соответствующего потенциалу земли и должно обеспечивать нагрузку с низким сопротивлением для мощных токов, которые могут возникнуть, в радиоэлектронных комплексах. Эта категория заземления обязана обладать хорошим низкоомным контактом с землёй.

Рабочее заземление содержит заземление силовых приборов, которые требуется наличие заземления, и схемное заземление, которое служит опорный потенциал для радиоэлектронных схем. Данная система заземления позволяет уменьшить уровень взаимовлияния между разными радиоэлектронными схемами.

В реальных ситуациях необходимо искать компромисс между простотой выполнения заземления и его качеством при учёте параметров ЭМС: частотного диапазона, уровня помех и параметров аварийных ситуаций. Основные виды рабочих заземлений электронной аппаратуры приведены в Таблице

Таблица

Схема заземления	Краткая характеристика
Последовательная одноточечная	Наиболее употребим ввиду своей простоты. Имеет слабые показатели защищенности от электромагнитных помех. Эту схему надлежит использовать для цепей с большими различиями в потребляемой мощности. Наиболее чувствительные к влиянию помех части схемы следует подключать как можно ближе к точке общего заземления.
Параллельная одноточечная	Схема наиболее применима для комплексов, работающих с низкими частотами (до 1 МГц). Для данной схемы характерно наличие большого количества проводов заземления.
Многоточечная	Она подходит для комплексов работающим на высоких частотах, начиная с 10 МГц. Имеет низкий импеданс земли вследствие низкой индуктивности заземляющих средств.. Длинна провода соединяющая между элементами системы и заземляющей поверхностью должно быть минимальной.
Гибридная	Эта схема имеет преимущества как одноточечной системы заземления так и многоточечной схемы заземления. В основном применяется для организации заземления комплексов работающих в широком спектре частот.

Одноточечная система заземления концептуально самая простая, при ней каждая стойка или субблок имеет единственную связь с шасси. У неё отсутствуют петли заземления на низких частотах и отсутствуют связи через общее сопротивление заземления. Токи в системе заземления, не влияют на схему. Она хорошо работает на низких частотах, а для схем с частотами выше одного мегагерца применяют модификацию одноточечной системы заземления. При ней в одну систему связываются цепи заземления модулей с однотипными характеристиками. Потом эти цепи присоединяются к одной точке одноточечного заземления, что позволяет уменьшить связь через общее сопротивление между цепями, но в то же время высокочастотные цепи заземления остаются локальными. Самые шумящие цепи располагаются ближе к общей точке для минимизации эффекта связи через общее сопротивление. Когда отдельный модуль имеет более чем одну систему заземления, модули должны быть связаны встречно включенными диодами для предотвращения повреждений, когда цепи разъединяются.

В гибридном и многоточечном заземлении устраняются проблемы, присущие одноточечной системе заземления. Многоточечное заземление необходимо для цифровых систем и высокочастотных цепей с высоким уровнем сигнала. Модули и схемы соединяются вместе многими короткими (менее 0,1 ?) связями для минимизации напряжений общего режима, вызванных полным сопротивлением заземления. Альтернативным решением является применение большого числа связей с шасси, заземленной панелью или другим проводящим телом с низким полным сопротивлением.

В гибридных системах используются реактивные компоненты для создания системы заземления, которая по-разному функционирует на низких и радиочастотах, что может быть необходимо в чувствительных широкополосных цепях.

Обособленные системы заземления при установке электронного оборудования необходимо соединять между собой не более чем в одной точке, чаще всего именуемым опорным узлом. Особенно необходимо следить за разнесением заземляющего кабеля силового оборудования и электронного оборудования. Наиболее важной функцией схемы заземления по обеспечению ЭМС является минимизация напряжений помех в критических точках в сравнении с полезным сигналом.

Для мощных электромагнитных помех заземление защитное не является надежным отводом, в соответствии с этим для увеличения защищённости радиоэлектронных средств к электромагнитным помехам особое внимание надо уделять схемной системе заземления. Схемная система заземления может быть одноточечной, многоточечной, “плавающей” и региональной. При этом одноточечная схема может быть выполнено по системе “ёж” и “ёлочка”. Такие схемы употребим в малых экранированных подсистемах, так как при ней не образуются петли, которые могут стать приёмниками радиоэлектронных помех.. Поскольку из-за резонансных эффектов применение схем заземления в виде “ёжа” и “ёлочки” для больших систем нецелесообразно.

Иногда наиболее оптимально применение схемы с “плавающим” заземлением, при которой каждый экранированный объём имеет собственную систему заземления. Но при её реализации необходимо организовывать изолирующие устройства связи между отдельными экранированными объёмами радиоэлектронных средств.

Самой распространенной системой является многоточечная система заземления. В ней каждая подсистема РЭС экранирована, заземлена и связана с другими подсистемами с помощью проводников. В этом случае требуется хорошая защита вводов кабелей и их экранирование с максимальным сближением их к земле.

Региональная система заземления обладает комбинированными свойствами всех предыдущих систем. В данном случае в пределах каждой экранированной зоны сохраняется концепция одноточечной системы заземления, однако все выходы кабелей между зонами должны иметь специальную систему изоляции подсистем друг от друга.

Одноточечная система заземления имеет лучшие показатели на низких частотах, а многоточечная система заземления на высоких частотах. Следует отметить, что необходимо тщательно выполнять все технологические нормы по исполнению качественного заземления корпусов устройств радиоэлектронных систем, что бы ни понижать эффективность защиты от электромагнитных помех. Заземляющие проводники не должны нарушать целостность экранов и не добавлять новых отверстий, щелей или сварных швов в экране.

Правила заземления.

Из всего вышесказанного следует, что на частотах менее 1 МГц наиболее целесообразно применять одноточечное заземление. При частотах выше 10 МГц одноточечную систему заземления применять нельзя, так как индуктивность провода увеличивает полное сопротивление заземления, а паразитные емкости способствуют образованию незапланированных путей для токов заземления, что вызывает образование петель заземления, которые восприимчивы к магнитным полям.

В том случае, если система очень чувствительна к электромагнитным помехам, необходимо использовать гибридную схему заземления. Данный вид заземления требует тщательной схемотехнической проработки и сложных расчётов.

С позиции обеспечения ЭМС, даже схемы, работающие на низких частотах, должны быть хорошо защищены от радиоэлектронных помех. На практике это обеспечивается при применении схем многоточечного заземления.

При реализации заземления необходимо помнить, что:

- проводники обладают конечным полным сопротивлением, увеличивающимся с частотой;

-две точки заземления, физически разделённые, не имеют одинакового потенциала, пока между ними протекает ток;

- одноточечное заземление недопустимо на высоких частотах.

10. Методы и оборудование для проверки ЭМС

Испытания по сертификации радиоэлектронных систем в сфере ЭМС должно проводиться специально для этого предназначенных организациях с применение сертифицированного лабораторного оборудования и высококвалифицированного персонала.[5] Но при таких сертификационных работах организующая их организация после обнаружения несоответствий параметрам системы по ЭМС не указывает компании производителю причину возникновения данного несоответствия. Поэтому обнаружение и устранение несоответствий параметров электромагнитной совместимости должно проводиться на предприятии изготовителе радиоэлектронной системы. Для этого на предприятии должно иметься специальное оборудование.

Для оценки параметров электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем необходимо применять специализированное оборудование для анализа интенсивности электромагнитных волн. В качестве измеряемого параметра характеризующего ЭМС выбрана напряженность электромагнитных полей. Таким образом, критерием качества электромагнитной совместимости системы является значение напряженности электрического и магнитного поля создаваемого системой или пронимаемое сквозь экраны. Также следует отметить, что измерения необходимо проводить в широком спектре частот.

На рынке представлен широкий спектр измерителей напряженности магнитных и эклектических волн для разных диапазонов частот. Но наиболее рационально применять широкополосный измеритель с рядом откалиброванных измерительных зондов. Таким устройством является Narda NBM-550. Данный прибор может проводить измерения параметров электромагнитного поля в широком диапазоне частот. С помощью этого прибора, можно исследовать характеристики неионизирующих излучений. Данный прибор хорошо подходит для исследования соответствия параметрам стандартов по обеспечению электромагнитной защиты в сфере определения напряженности электромагнитного поля. Рабочий диапазон частот данного прибора составляет - от 100 кГц до 60 ГГц.

Данный прибор может оснащаться как обычными зондами для измерения, так и зондами у которых имеется возможность настройки их параметров. Испытательные зонды калибруются независимо от основного прибора.

Данное устройство может применяться в следующих сферах:

- анализ напряженности поля;

- определение безопасных зон;

- анализ и измерение напряженности полей радиолокационного и радиовещательного оборудования;

- анализ параметров магнитного поля;

- измерение уровня электромагнитных помех;

- измерение напряженности полей в радиоэлектронных системах для установления электромагнитной совместимости. Характеристики прибора и подключаемых зондов представлены в таблице.

Таблица Характеристики Narda NBM-550

Дисплей
Тип	ЖКД, работающий на пропускание и отражение, чёрно-белый.
Размеры	10 см (4 дюйма), 240х320 точек.
Частота обновления	200 мс для гистограмм и графиков, 400 мс для численных результатов.
Параметры измерения
Единицы измерения	мВт/, Вт/, В/м, А/м, %(от стандарта) 0,0001-9999, 4 знака, могут быть выбраны переменные или постоянные триады.
Тип измерений (изотропные, RSS)	Текущий, максимальный, минимальный, средний, средний максимальный.
Тип измерений (трёхмерный режим)	Текущий по Х, текущий по Y, текущий по Z (требуется зонд с отделёнными осями)
Усреднение по времени	Изменяемое время усреднения, от 4 с до 30 мин (с шагом 2с)
Пространственное усреднение	Дискретное или непрерывное
Многопозиционное пространственное усреднение	Усреднение по не более чем 24 пространственно усреднённым результатам, сохраняются каждая позиция и общий итог
Режим “История” (“History”)	Графическое отображение изменения результатов измерений во времени (от 2 минут до 8 часов).
Корректирующая частота	1 кГц до 100 ГГц или отсутствует (непосредственный ввод частоты, интерполяция между точками калибровки)
Поиск “горячих точек”	Звуковая индикация возрастания или убывания напряженности поля (тип результата: текущий или максимальный)
Функция оповещения	Звуковой сигнал 2 к Гц (с частотой повторения 4 ГГц), настраиваемый порог срабатывания
Временные параметры записи	Предустановка времени запуска: до 24 часов или мгновенное начало. Продолжительность записи: до 100 часов.



Рис Характеристики подключаемых зондов

11. Методика повышения ЭМС

Проанализировав всю вышесказанную информацию, сформируем список мероприятий методики повышения электромагнитной совместимости для конкретного примера радиоэлектронной системы, монтируемой на колёсную транспортную базу ГАЗ-2330 “ТИГР”. В качестве радиоэлектронной системы выберем теоретическую модель системы радиоэлектронной разведки монтируемой на мобильной транспортной базе.

Корпус транспортной базы.

Рассмотрим конструкторские решения по доработки корпуса транспортной базы для использования его в качестве электромагнитного экрана.



Рис. Внешний вид бронеавтомобиля ГАЗ-2330 “ТИГР”

П.1. На лобовые стёкла и стёкла дверей наносится плёнка с нанесённым на неё проводящим слоем. Данным экранирующим материалом является самоклеющаяся плёнка на полеэстеровой основе с нанесённым на неё прозрачным слоем токопроводящего материала ЕМ70. Светопропускание данного материала составляет 75% , а коэффициент экранирования составляет не менее 30 дБ. При монтаже плёнки используется токопроводящий клей EX-302L/ID-CSS-A(E) предназначенный для соединения края токопроводящей плёнки с корпусом автомобиля.

П.2. На оконные стёкла крепятся панели с медно никелевой сеткой с размерами ячеек 0,63х0,63 мм и диаметром проволоки 0,3 мм. Такие панели обеспечивают эффективность экранирования не менее 30 дБ в диапазоне частот от 30 МГ до 30 ГГц и не мешают прохождению воздуха. При монтаже таких панелей использовался комбинированный DD-образный профиль из токопроводящего силикона с неопреном марки EXCSDD. Данный профиль крепился к панели с помощью токопроводящего клея EX-302L/ID-CSS-A(E) а ответная поверхность на корпусе автомобиля покрывалась токопроводящей краской марки EXCP-001S. Эффективность экранирования такого соединения составляет 60 дБ на частотах от 30 МГц до 1ГГц.

П.3. У всех дверей и люков резиновые уплотнители заменяются на прокладки из комбинированного DD-образного профиля, сделанного из токопроводящего силикона с неопреном марки EXCSDD. Данный профиль крепился к дверям и люкам автомобиля с помощью токопроводящего клея EX-302L/ID-CSS-A(E) а ответная поверхность на корпусе автомобиля покрывалась токопроводящей краской марки EXCP-001S.

Данные мероприятия позволяют рассматривать корпус автомобиля как электромагнитный экран с эффективностью экранирования не ниже 30 дБ при условии обеспечения качественного монтажа всех вышеперечисленных элементом.

Конструкция металлических кожухов для прокладки кабелей

В данной радиоэлектронной системе все кабели можно разделить на два типа. Первый тип кабелей внешние кабели. К данному типу кабелей относится кабель для подачи к вводному щиту питающего напряжения от внешнего электрогенератора, кабеля внешних антенн связи и кабеля идущие к антенно-фидерному устройству радиоэлектронной локации. Данный тип кабелей не защищён корпусом транспортной базы и наиболее уязвим для внешних электромагнитных помех. Для повышения защищённости к электромагнитным помехам данных кабелей необходимо применить следующие мероприятия:

а). В качестве сигнальных кабелей для всех антенных устройств следует применять коаксиальный кабель, в структуре которого имеется слой радиопоглощающего материала. Данный тип кабелей обеспечивает степень вносимого затухания высокочастотных электромагнитных помех около 100 дБ на частотах до 45 ГГц.

б). Кабель подвода питания должен быть оснащён дополнительным слоем внешней проволочной оплётки. Наиболее оптимальными характеристиками обладает проволочная полимерная оплетка кабеля серии CEXP. Такая оплётка применяется для уменьшения эффектов наводки на кабель электромагнитных помех, а также для увеличения механической прочности кабеля. Такая оплётка состоит из переплетённой проволоки из полимера, на которой гальванически осаждён сплав меди с никелем. Данный вид оплётки обеспечивает эффективность экранирования не менее 40 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц. Оплётка легко надевается на кабель путём натягивания “как чулок”

в). На все кабели как питающие, так и сигнальные должны быть установлены ферритовые фильтры. Современная техника предоставляет широкий выбор конструкцией данных фильтров. Наиболее удобным для применения на уже смонтированном кабеле являются ферритовые фильтры серии CF выполненные в виде защёлки устанавливаемой на круглый кабель. Данный фильтр желательно устанавливать на обоих концах кабеля на расстоянии 30 мм от разъёма. Эти фильтры помогают уменьшить влияние высокочастотных электромагнитных помех.

Вторым типом кабелей являются кабели, располагающиеся внутри кузова транспортной базы. Данные кабели следует разделить на подтипы. Первый подтип кабелей это питающие кабели, идущие от вводного щитка к распределительной стойке и питающие кабели от распределительной коробки к блокам системы. Вторым подтипом кабелей является сигнальные кабели, идущие от антенн системы к блокам системы или соединяющие блоки между собой. На оба подтипа кабелей воздействуют электромагнитные помехи от самой системы и помехи прошедшие через корпус автомобиля из окружающей среды. Первый подтип кабелей, в связи с большой мощностью токов протекающим по ним, может являться источником низкочастотных электромагнитных помех с относительно большой напряжённостью, но сами сигналы, протекающие по кабелям данного типа малочувствительны к электромагнитным помехам. Данный вид кабелей необходимо монтировать в отдельном от остальных кабелей металлическом кожухе для ослабления излучаемых ими электромагнитных помех.

Второй подтип кабелей характеризуется высокой чувствительностью к электромагнитным помехам, при этом, в связи с низким уровнем мощности сигналов протекающих по данному типу кабелей, сами они не создают высокого уровня напряжённости электромагнитного поля. В качестве проводов для особо чувствительных сигнальных кабелей лучше всего применять коаксиальные кабели, при условии надёжного кругового электрического контакта экранирующей оплётки с корпусами разъёмов. Данный вид кабелей также рекомендуется укладывать в отдельный металлический кожух, дабы уменьшить влияние на них электромагнитных излучений от блоков системы и внешних электромагнитных волн.

И так рассмотрим последовательность действий при прокладке кабельной системы внутри транспортного средства:

а). Сначала необходимо разделить все кабели на питающие и сигнальные кабели. Затем среди сигнальных кабелей выделить наиболее чувствительные к электромагнитным помехам либо имеющие наибольшую важность для обеспечения корректной работы системы. В качестве проводов для этих кабелей необходимо использовать коаксиальный кабель.

б). На питающие кабеля необходимо надеть ферритовые фильтры, для отсечения высокочастотных наводок на этих кабелях. Также необходимо каждый питающий кабель скрутить в витую пару с проводом, соединяющим корпуса разъёмов. Данный провод обеспечивает минимальную площадь контуров, по которым печёт прямой и обратные токи.

в). Затем необходимо смонтировать металлический короб для прокладки питающих кабелей. Внешний вид данного типа коробов показан на Рис. Монтаж и металлических коробов удобнее всего осуществлять с помощью вытяжных заклёпок и токопроводящего клея для удаления щелей в стыках.



Рис. Металлические кожухи для прокладки кабелей

г). Затем прокладывается металлический кожух для сигнальных кабелей. Его лучше располагать на расстоянии не менее 150 мм от кожуха с питающими кабелями.

д). Выход любого типа кабеля из кожуха должен осуществляться с использованием внешней проволочной оплётки. Её следует надевать на выступающую из кожуха часть кабеля, и она должна быть опаяна по периметру выходного отверстия. Также следует, обеспечит надёжный электрический контакт внешней проволочной оплётки и корпуса разъёма кабеля.

При использовании данного вида кожухов для защиты кабельной системе эффективность экранирования может достигать не менее 60 дБ при условии обеспечения правильной технологии монтажа.

В некоторых случаях удобно применить вместо металлических кожухов гибкие экраны из ПВХ оплётки с внутренним слоем из алюминиевой фольги с застёжкой. Застёжка обеспечивает лёгкую установку кабелей и при необходимости допускает снятие и повторную установку экрана.

Правила монтажа кабельных разъёмов.

Важным элементом обеспечения электромагнитной совместимости при монтаже кабельной системы является обеспечение надёжного электрического контакта корпуса разъёмов кабелей с корпусом блока или панели устройства. При монтаже разъёмов на панели экрана необходимо зачищать место под разъёмом от краски. В случае если материал экрана подвержен коррозии, эти места необходимо покрывать токопроводящей краской. Для компенсации неровностей поверхности экрана и разъёма необходимо между ними устанавливать прокладку из токопроводящего силикона.

Экранирование стоек.

Все радиоэлектронные блоки внутри транспортной базы закрепляются в специальных несущих стойках. Стойки представляют собой рамную конструкцию, не имеющую стенок. Для улучшения защищённости блоков радиоэлектронной системы от воздействия электромагнитных помех необходимо оснастить несущие стойки экранирующими панелями. При этом необходимо обеспечить достаточный доступ воздуха к блокам и не ухудшить ремонтопригодность радиоэлектронной системы. Рассмотрим разработку экранирующих панелей для стойки оператора АРМ.

Боковые и передняя панели экрана должны иметь жесткое закрепление к стойке. Задняя панель экрана должна иметь шарнирное соединение для обеспечения лёгкого доступа к внутреннему объёму стойки, а также иметь кабельный ввод, располагающийся в верхней части стойки. В качестве основы для таких экранов выбраны панели вентиляционных решёток сотовой формы. Эти вентиляционные решетки выполнены для создания запредельных волноводов, способных экранировать электромагнитные волны в диапазоне частот от 10 МГц до 40 ГГц, и обеспечивают максимально возможный доступ воздуха. Они изготавливаются из бериллиевой бронзы с покрытием, нержавеющей стали и алюминия. Они закреплены на раме и опаяны по контуру для исключения щелевого проникновения электромагнитного излучения. Эффективность экранирования таких панелей составляет не менее 90 дБ.

Все поверхности сложной формы будут закрываться панелями из алюминия толщиной 3 мм. Все панели должны обладать электрическим контактом по периметру и в местах стыков с рамой несущей стойки. Для этого установки этих панелей будет осуществляться за счёт винтов с применением прокладок из токопроводящего силикона. Панель на задней стенке стойки будет выполнена на шарнирном соединении для обеспечения доступа к блокам. По периметру этой панели будет располагаться уплотнительный профиль из токопроводящего силикона, а прижатие будет обеспечиваться накидными винтами с барашковой гайкой.

Для ввода и вывода кабелей в верхней части стойки располагается специальный кабельный ввод. Он представляет собой металлическую коробку верхняя стенка, которой сделана в виде нескольких прижимных планок. На планке с двух сторон токопроводящим клеем приклеен пустотелый профиль из токопроводящего силикона. На одной из сторон коробке также наклеен этот профиль из токопроводящего силикона. Провода пропускаются между двух частей профиля и прижимаются винтами. Коаксиальные кабели в местах прижима планкой зачищаются от внешнего изоляционного слоя для обеспечения надёжного электрического контакта с металлической оплёткой кабеля. Провода, не имеющие металлической оплётки, в местах прижима покрываются несколькими слоями самоклеющейся медной фольги для образования в этом месте подобия запредельного волновода. Места выхода кабелей также закрываются ответными частями кабельных кожухов для питающих и сигнальных кабелей. В месте стыка кожуха с корпусом кабельного выхода должна быть уплотняющая прокладка из токопроводящего силикона.

Маскировочная сетка из радиопоглощающего материала.

В случае применения экранирования как способа защиты от электромагнитных помех часть энергии падающей электромагнитной волны отражается от поверхности экрана и может стать причиной многих негативных явлений. Примером такого явления может служить заметность автомобиля для радиоэлектронной локации. Это явление особо критично для военной техники.

Для уменьшения интенсивности поля электромагнитных волн как отражённых от корпуса автомобиля, так и создаваемых самой системой единственным возможным способом является применение внешнего радиопоглощающего материала. Одним из наиболее подходящих для данного случая материалов является радиопоглощающий материал Российского производства “Крона” выполненный в виде камуфляжной сетки.

Чехол из такой сетки способен обеспечить коэффициент отражения при нормальном падении электромагнитной волны на плоскую, закрытую радиопоглощающим материалом металлическую поверхность составляет 20%. Диапазон длин волн эффективной работы 0,35 см.

Организация рационального заземления.

Радиоэлектронная система, монтируемая на мобильную транспортную базу обязательно должна иметь надёжное заземление. Колёсные транспортные базы чаше всего имеют колёса с резиновыми покрышками, в связи с этим электрический контакт с землёй зачастую отсутствует.

Выделим два режима работы такой системы. В первом случае, когда система функционирует непосредственно во время движения. Этот случай чаще всего характеризуется тем, что система работает не полностью. Обычно функционирует лишь часть оборудования, отвечающая за связь и определение местоположения. В этом случае “землёй” является корпус автомобиля. Дополнительно необходимо установить несколько металлических цепей прикреплённых к корпусу автомобиля и свисающих, так что бы имелся контакт с поверхностью грунта. Данные цепи являются отводами статического заряда от корпуса автомобиля.

Второй режим работы обычно характеризуется развёртыванием радиоэлектронной системы на определённом месте. В составе системы должны быть колья заземления не менее 4 штук. Колья вбиваются в грунт с четырёх сторон от автомобиля на глубину не мене метра. Колья заземления соединяются с элементами конструкции автомобиля достаточно толстыми медными проводами. Один провод заземления должен подсоединяться к заземляющему винту вводного щита. Один провод должен вести к винту массы под капотом автомобиля. Оставшиеся два провода присоединяются к противоположным сторонам корпуса автомобиля, где должны быть специально сделанные прижимные винты.

В случае если радиоэлектронная система работает на частотах, не превышающих 10 МГц, организуется одноточечная система. Каждый блок имеет свой заземляющий кабель, ведущий непосредственно к клемме заземления на вводном щитке автомобиля.

В противном случае необходимо применять гибридную схему заземления. В этом случае в пределах одной стойки организуется одноточечная система заземления, где каждый блок имеет короткий провод, ведущий к болту заземления. У стойки может быть не один такой болт, а несколько. Эти болты объединены одной общей шиной заземления ведущей непосредственно к заземляющей клейме на вводном щитке. Разные стойки могут подсоединяться к разным заземляющим клеммам. Также некоторые блоки могут заземляться непосредственно на корпус автомобиля. На Рис. показана структурная схема гибридного заземления.

Рис. Структурная схема гибридного заземления



Заключение

В результате всех проведённых мероприятий по повышению электромагнитной совместимости радиоэлектронной системы, базирующейся на колёсной транспортной базе, построим упрощённую модель защиты от электромагнитных помех. Данная модель показана на Рис. 13.1.

Рис. Упрощённая модель защиты радиоэлектронной системы от электромагнитных помех

Внешний слой сетки из радиопоглощающего материала обеспечивает поглощение 80% энергии падающей электромагнитной волны. При этом он поглощает электромагнитные волны внешней среды, так и создаваемые самой радиоэлектронной системой.

Слой корпуса автомобиля имеет эффективность экранирования порядка 30 дБ. Такое низкое значение обусловлено эффективностью экранирования прозрачной проводящей плёнки нанесённой на стёкла автомобиля.

Эффективность экранирования экрана стойки радиоэлектронных блоков составляет 60 дБ. Эффективность экранирования металлических кожухов для прокладки кабелей составляет 60 дБ.

Рассмотрим эффективность защиты от электромагнитных помех различных элементов радиоэлектронной системы.

а). Радиоэлектронные блоки. Эффективность экранирования радиоэлектронных блоков составляет сумму коэффициентов эффективности экранирования корпуса автомобиля, экрана стойки, и корпуса блока. Значение этой сумму теоретически составляет не менее 150 дБ.

б). Сигнальные кабели. За счёт применения коаксиального кабеля с слоем радиопоглощающего кабеля эффективность экранирования составляет не менее 100 дБ. Данное значение соответствует сигнальным кабелям, расположенным вне корпуса автомобиля. Для кабелей расположенных внутри корпуса автомобиля это значение значительно выше.

в). Кабеля питания расположенные внутри корпуса автомобиля. Эффективность экранирования составляет минимум 100 дБ.

Для организации заземления для данной радиоэлектронной системы была выбрана гибридная система заземления. Для предотвращения влияния высокочастотных помех наводимых в кобелях радиоэлектронной системы были применены ферритовые фильтры.

Применение всех вышеописанных методов повышения электромагнитной совместимости обеспечивает высокую степень защиты от электромагнитных помех.



Список литературы

1. Балюк Н.В., Болдырев В.Г., Булеков В.П., Кечиев Л.Н., Кирилов В.Ю., Литвак И.И., Постников В.А., Резников С.Б. “Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов”. Москва, МАИ. 2004г. - 628с.

2. Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д.” Защита электронных средств от воздействия статического электричества”, Москва. 2005г. - 362с.

3. Кечиев Л.Н., Акбашев Б. Б., Степанов П. В. “Экранирование технических средств и экранирующие системы”. Москва. 2010г. - 472с.

4. Кармашев В.С. “Электромагнитная совместимость технических средств: Справочник” Москва, 2001г. - 402с.

5. Кирилов В.Ю. “Технические средства испытаний электромагнитной совместимости”. Москва, МАИ. 2007г. - 72с.

6. Н.А. Володина, Р.Н. Карякин, Л.В. Куликова, “Основы электромагнитной совместимости”. Москва. 2007г. - 466с.

7. Борисов В.Ф., Мухин А.А., Корниенко Ю.Н., Назаров А.С., Трегубов Ю.В., Федотов Л.М., Чайка Ю.В. «Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для радиотехнических специальностей» Москва, МАИ. 1992г. - 38с.

Размещено на Allbest.ur

...