סקירה של הנורמות הצבאיות של EMC

מבוא

תאימות אלקטרומגנטית היא גם צורך לפונקציונליות נכונה – ציוד חייב לפעול בסביבה המיועדת שלו מבלי להיות מופרע ולא גורם הפרעות למכשירים אחרים ולסביבה. הפרעה לשידורי רדיו / טלוויזיה, תקשורת רדיו ושירותי RF אחרים אינה חוקית ונאכפת על ידי חוקים. מאחר שלא ניתן להעמיד לדין צרכנים בקלות באשמת שימוש בציוד שגורם להפרעה, הדרך היעילה ביותר לשלוט בהפרעות ,EMC היא להחיל מגבלות מחמירות על היצרנים, בצורה שהמוצרים שהם מכניסים לשוק “לעולם לא” (מצבים יוצאי דופן ) יגרמו להפרעות.

היבט זה האחרון הוא הכוח המניע לכל תקנות האזרחות האזרחיות בעולם, מאז עידן 1950-60. באופן דומה, אי-התערבות היא דאגה ביקורתית למערכות צבאיות, כמו גם לאווירונאוטיקה אזרחית ומכוניות, בשל בעיות חמורות המונחות על כף המאזניים, כמו כישלון בתפקוד ובטיחות טיסה או נהיגה, בכדי למנוע שיבוש תקשורת או רדיו על מערכות קריטיות וחיים בצוותא של מערכות. עם זאת, זה יהיה בלתי ניתן לשליטה unmanageable אם ציוד רגיש מדי (ציוד EMCwise) יכנסו לשוק, דבר שיגרום למספר גדול של תביעות בין צרכנים לא מודעים לבין יצרנים ובין יצרן אחד למשנהו, דבר שעלול לגרום ביטולים של חוזים וסחר.

לכן, במהלך השנים, גופים לאומיים ובינלאומיים פיתחו סדרה שלמה של בדיקות פליטה ורגישות ל-EMC. כך נעשה גם בתחום הצבאי על ידי מחלקות ההגנה השונות. ההבדל הבסיסי הוא כי בעוד תקנות אזרחיות נאכפות מבחינה משפטית, לעומת זאת, בתחום הצבאי מומלצת עמידה בדרישות התקינה הצבאית של EMC, הידוע כ-MIL Std. תקנים הם עניין של דרישה חוזית או צורך של עמידה ברמת איכות. בתקנות אלה, כל אחד מארבעת היבטי תחום ה-EMC  מכוסה על ידי סדרה ספציפית של בדיקות. ברוב המקרים מומלץ ואף נדרש להשתמש בגופים תקינה חיצונים ובמעבדות בבדיקות ומתן פתרונות להתאמת מוצרים צבאיים לתקנים צבאיים ובינלאומיים.

בכדי להמשיך, יש כמה הגדרות בסיסיות כי יש לכסות כבר מההתחלה, בכדי להקל את ההבנה של התחום. (ניתן לראות מילון מונחים וסמלים חיוניים בסוף המאמר)

יחידות EMC מעשיות

באופן מסורתי, מתח, זרם ושדות מתבטאים ב -וולט, אמפר, וולט / מטר (שדה אלקטרוני) או מגבר / מטר (שדה H). עם זאת, ב-EMC כאשר עוסקים מקלטי רגיש או עם בדיקות פליטת, אלה יחידות סטנדרטיות גדולים מדי. כך משמשים Subpliples במקום, הנפוצים ביותר להיות אלה:

מיקרו-וולט (μV), מיקרו-אמפר (מיקרו-אמפר), MicroVolt / m , מיקרו-אמפר / מ’ (μA / m).

דוגמה: מקלט FM טוב מכוון בתחנה נתון יש רגישות טיפוסית של μV0.5-1 על קלט RF שלה (שקע אנטנה). בהינתן Vper V / m0.1 להמרת שדה האנטנה שלו, השדה המינימלי שניתן להבחין בו הוא: μV / 0.1 = 10μV / m1.

 למה דציבלים?

הדציבל נמצא בשימוש נרחב בקהילת EMC מסיבות רבות:

 רמות מפרט לרוב מוטלות ב- dB

EMC חומרה (מסננים, מגנים וכו’…) הופעות מאופיינים ב dB

 רוב מכשירי המדידה מדורגים ב- dB

אבל למה זה כך? פשוט בגלל שה EMI הוא לעתים קרובות מתנהל בטווח דינמי עצום: למשל מעגל המושפע (קורבן) בעל רגישות בטווח μV או mV עשוי להתעמת עם שדות חזקים או transients כוח שיש אמפליטודות של kV. זה משפיע בסדרי גודל של 6 עד 9 לבעיה. קנה מידה לוגריתמי הוא הרבה יותר נוח מאשר ליניארי אחד במקרים כאלה. כמו כן, היופי של dBs הוא, בזכות המאפיינים של לוגריתמים, כל הכפלות הופכות לתוספות (חיבור) וכל חילוק הופך לחיסור.

מעצם הגדרתם, היחס בין שתי הכוחות בא לידי ביטוי על ידי:

DB = 10 יומן (P1 / P2)

כאשר

P1: הספק ב- Watts (או mW) של תופעות מדודות או ממוחשבות

P2: כוח התייחסות בוואט (או mW)

כוח אינו נפוץ ב EMC בלשון, שבו amplitudes הם יותר הכלל. עם זאת, כוח מוזכר יישומי RF שבו מגברי כוח או משדרי רדיו בשימוש.

היחס בין שתי אמפליטודות (מתח, זרמים, שדה E או שדה H) בא לידי ביטוי על ידי:

(DB = 20 Log10 (A1 / A2

כאשר

A1: אמפליטודה של תופעות מדודות או ממוחשבות

A2: אמפליטודה התייחסות

אבל יש יותר מזה. הדציבל אינו רק דמות חסרת ממדים המשמשת להשגת רווח או הנחתה. ב EMC, אנו לקשר את dB ליחידה, על מנת להביע משרעת. בדרך זו, מתחים μV יכול לבוא לידי ביטוי גם ב dB מעל 1 μV אשר כותב dBμV, זרמים dBμA וכן הלאה.

 דוגמאות:

 1μV = 0dBμV

 100μV = 40dBμV

(200μA = 2×100 μA = (6dB + 40dB מעל 1μA, שכותב 46dBμA

רעש RF 60dBμV, פעם עבר דרך מסנן 26dB יופיע כדלקמן: 60dBμV – 26dB = 34dBμV

שימו לב כי יש לנו dB מחליף (יחס ללא ממדים) dBμV, ולכן התוצאה היא dBμV. אם כבר מדברים במונחים לינאריים, היינו מחולקים מתח על ידי מספר (attenuation המסנן), ולכן התוצאה היא מתח.

כאשר מתמודדים עם כוח, וואט הוא לעתים קרובות יחידה גדולה מדי, והפרקטיקה ברדיו, טלקום ו-EMC הייתה להשתמש ב-milliWatt, המבטא ב-dBm:

 1mW = 0dBm

 10mW = 10dBm

 1000mW (או 1 ואט) = 30dBm

המרת dBm לתוך dBμV אפשרי אם אנחנו יודעים את עכבה שבו כוח זה מוחל. לדוגמה, לתוך 50Ω (העכבה הנפוצה ביותר במכשור EMC):

0 dBm (או 1mW) לתוך 50Ω מתאים 107dBμV (או 223mV)

מדוע תחום התדרים?

מלבד פולסים ארעיים כמו מעברי חשמל, ברקים, ESD וכו’, תופעות EMC מטופלות לרוב בתחום התדרים, כיוון ש:

רוב רמות מפרט ה-EMC מוצגות על במונחי תדר או עקומות תדר

חומרה EMC (מסננים, מגינים וכו’..) מופעים מאופיינים בתחום תדר

רוב מכשירי המדידה והחיישנים נמדדים במונחי תדרים

אבל למה זה כך?

חישובים רבים (השתקפות שדה, אפקט העור, פונקציות העברה, תהודה, קרוסטלק וכו’.) הם פשוט יותר לבצע בתחום התדר

בעיות פליטה רבות EMI או מדידות בסופו של דבר במדידה בכמה תדרים בדידים

כדי להעריך את הצימוד של דחף אחד, חישובים פשוטים ומהירים יכולים להתבצע באמצעות sinewave בתדר שווה (כלומר רוחב פס) הדדי risetime הדופק

לכן, במקרים רבים שבהם האותות ידועים על ידי צורת הגל שלהם, מומחה EMC יתרגם אותם בתחום התדרים, תוך שימוש בהמרת פורייה.

 רגישות או חסינות?

אם כי מונח זה או אחר משמשים לעתים קרובות ללא הבחנה, הם אינם שם נרדף. כאשר בודקים את הפגיעות של ציוד ל- CW או לטרמינטים, סף הרגישות הוא רמת הבדיקה שבה הציוד נכשל. לפיכך, בדיקת הרגישות היא למעשה בדיקה כי הציוד הוא חסין (לא מופרע) עבור הרמה שנקבעה. לאחר שעבר בהצלחה את הבדיקה לא אומר לנו מה רמת הרגישות בפועל שלנו. נוהג זהיר במהלך הפיתוח או בדיקות טרום ההסמכה היא להגדיל את הגירוי שבוצע או הקרינה עד להגיע תקלה הנבדק (אם זה קורה). ואז, ורק אז נוכל לדעת את מרווח EMC שלנו.

דוגמה: נניח שדרישת ה-RS שלנו היא: הציוד הנבדק לא ייכשל עבור 10V / m. זה עובר בסדר; אבל העלאת משרעת השדה, אנו מוצאים כמה תדרים שבהם תקלות להתרחש עבור 30V / m. זה מציין את מרווח EMC שלנו:

שוליים = רמת החסינות בפועל / חסינות נדרשת = 30V / m / 10V / m = 3, כלומר מרווח 10 ≈B

למעשה, מרווח חסינות של 6-10dB הוא ערך הוגן להגנה על היצרן מפני:

אי וודאות המדידה של בדיקות susceptibiliy

 הזדקנות המוצר במהלך חייו בפועל

וריאציות בהתקנות מוצרים בפועל באתרי לקוחות

וריאציות ייצור עקב שינויים בתהליך או סובלנות רכיבים

 דרישות EMC צבאיות

הדרישות הצבאיות והאזרחיות של EMC מבוססות על עקרונות דומים. אך קיימים הבדלים משמעותיים בחומרת הגבולות ובהסדרים מסוימים של מבחני הבדיקה. העיקר של ה MIL הינו בדיקות EMC על פי תקן 461 (). MIL Std 461 המיושם על ידי הצבא הינו בשימוש נרחב בשלושת החילות, חיל היבשה, חיל הים וחיל האוויר ברוב המדינות. האיכות המוכחת זמן של גישת הבדיקות שכנע את תעשיית המטוסים האזרחית ואת תעשיית הרכב ליישם דרישות EMC דומה מאוד.

Mil-Std 461 עוקב אחר הדיאגרמה של איור 2. אחד היתרונות הרבים הינם בפשטות של כל בדיקות פליטה והרגישות המבוצעות בדרך כלל. עם זאת, כל המבחנים של איור 2 אינם נשמרים בהכרח, ומבוצע בהתאם ליישום של הציוד, ואת הישום של הציוד: צבא, חיל אוויר או חיל הים.

בדרך כלל, על היצרן לספק תוכנית בקרה של EMC המתארת כיצד הוא יטפל ב-EMC במהלך תהליך התכנון, וכן תוכנית בדיקה של EMC המראה כיצד יאמת את התכנון שלו. לפיכך, גיליון נתונים לציוד המתאר את הפריט כ”מתאים למיל-סטד 461 ” אינו בעל משמעות מועטה כל עוד לא נאמר אילו בדיקות נעשו ובאיזה רמות.

בדיקות פליטה & רגישות הגדרת

 תכונה מעניינת של Mil-461 היא שכמעט סידור בדיקה זהה נשמר עבור כל סדרה של בדיקות CE, CES, RE, RS, השינויים מוגבלים לסוגי אנטנות, סוגי מקלט וגנרטורי הספק עבור ה CW או פולס. בדיקות מבוצעות בחדר מוגן (כדי למנוע הפרעות בסביבה הסביבה הרגילה). בנוסף, כדי למנוע השתקפויות טפיליות, החדר מוגן עשוי “anechoic” על ידי כיסוי הקירות והתקרה עם חומרים בולעים ל RF כמו פירמידות או אריחים, מנסה ליצור מחדש תנאי שדה פתוח.

מאז תחילת שנות ה-2000, חלופה החלה לפתח לבדיקת רגישות ופליטות בתא מהדהד. נכון להיום, החדר anachoic נשאר תא הבדיקה הנפוץ ביותר.

הציוד הנבדק מותקן על שולחן עם ראש נירוסטה (איור 3), כגון הדמיה של הרכבה צבאית טיפוסית, במטוס, ברכב משוריין או בספינה, שם הכבלים מונחים תמיד הרחק ממישור או ממבנה מוליך. כבלי ה- EUT קבועים על 5 ס”מ בלוקים בידוד, כי הם מכריחים גובה קבוע מעל הקרקע עבור כל הבדיקות הבאות.

בפועל, מכשירי המדידה ממוקמים בתא סמוך, כגון המפעילים והציוד ההיקפי המשמש לבקרת הבדיקה (מחשבים אישיים, מדפסות, תצוגות וידאו) אינם מפריעים למדידות.

מיל – סטד 461 בדיקות פליטה

מבחני פליטה מראים כי הציוד המותקן על פלטפורמה, לעיתים בכמויות גדולות, לא יפריע לשירותי הרדיו במערכת המארחת (כלי טיס, כלי רכב, ספינות וכו’.) ולא עם מערכות אחרות החולקות את אותה פלטפורמה או אתר צבאי.

גבולות פליטה שבוצעו

הציוד הנבדק חייב להוכיח כי הוא אינו מייצר על הכבלים החיצוניים שלו (בעצם מוביל כוח, אבל בסופו של דבר האות כבלים בדרישות מסוימות) אותות לא רצויים מעל גבולות איור 4. הגבולות ניתנים מתח (dBμV) הרים הנמל מדידה (רשת מלאכותית). בחלק מהמקרים הספציפיים, מגבלה ניתנת בזרם (dBμA), נמדדת עם בדיקה עכשווית של EMC. התכונות הבסיסיות של הגדרת הבדיקה מוצגות באיור 3. בסופו של דבר, ציוד הבדיקה וההתקנים היקפיים הנמצאים בחלק מהפעולה הרגילה שלהם מותקנים גם הם על שולחן הבדיקה.

רשת מלאכותית (שם רשמי הוא LISN) הוא מכשיר חשוב מאוד המדמה עכבה סטנדרטי, אופייני של החשמל, עבור שניהם CM  ו-DM  נתיבים הנוכחי. זה מונע כי הציוד הנבדק אותו, נבדק במקומות שונים או מעבדות יכול להראות תוצאות שונות בגלל עכבות שונות של ההפצה החשמל באתר המקומי.

מגבלות פליטות קורנות

 הציוד הנבדק חייב להוכיח כי הוא אינו מקרין, על ידי הקופסה שלו ואת הכבלים החיצוניים, שדות RF לא רצויים מעל גבולות איור 5, מראה את החומרה הגרועה ביותר. הרשת artficial עדיין שם, כגון ההתקנה היא בערך זהה לבדיקת CE, אלא כי האנטנה הקבלה מכויל מותקן במרחק מטר 1 (איור 6). מבחן המרחק 1m (הבדל עם בדיקות אזרחיות כי יהיה תיאר מאוחר יותר) מוצדק על ידי יישומים צבאיים טיפוסי רבים בהם ציוד שונים ארוזים מקרוב במוביל.

RE-102 הבדיקה היא אילוץ חמור, שכן זה יכול לדרוש כי ב 1m המרחק הציוד הנבדק אינו להקרין יותר מ 15μV / מ 2 עד 100MHz, מטרה קשה למדי להגיע. אם נדרש, פליטת שדה מגנטי בתדר נמוך (RE-101, 30 Hz-100kHz) נישא גם עם אנטנת לולאה במרחק קצר ואוריינטציות שונות מהציוד הנבדק.

מבחני רגישות של מיל-סט”ד 461

מבחני רגישות למכשירים סלולאריים (MIL-461) בודקים כי ציוד המותקן על גבי פלטפורמה נתונה יפעל כראוי בתנאים הסוערים ביותר של יישומיו, בקרבת משדר הרדיו / משדרי הרדיו המארחת (מטוסים, כלי רכב, ספינות וכו’) או בסופו של דבר בסביבה עוינת הקשורים שליחותו. זה כולל גם חסינות לתופעות חולפות חמורות כמו ברק ו NEMP.

גבולות רגישות

 בבדיקות CS החיוניות, בתחום התדרים (CW) או בדופק חולף (תחום זמן) מסוכמות באיור. כל הבדיקות נעשות בציוד הנבדק המותקן על משטח הספסל של הטבלה, עם הספק המסופק דרך ה-LISN, כמו עבור בדיקות פליטה. עבור תופעות ארעיות, תוכנית הבדיקה חייבת להגדיר מהי דרגה מקובלת של תקלה בציוד הנבדק, אם היא למשל מצב זמני הניתן להשבה עצמית ללא תוצאות קריטיות.

 רגישות הקרינה הקרינה

בדיקות ה-RS העיקריות הן . RS-103 בודק את רגישות הציוד הנבדק לשדות RF חזקים, כפי שניתן להיתקל במטוסים, ברכב צבאי או בסירה. מלבד החדר anachoic, הבדיקה דורשת מגברים ואנטנות עוצמה ליצירת ערכי שדות RF של 20 עד 200V/m. בתנאים מסוימים, מפרט הרכש. עשוי לדרוש חסינות מיוחדת ל-HIRF (High Intensity Radio Fields) עד 2,000 או 5,000 V/m עבור מכ”מים פעמו.

נורמלי RS-103 רמות חמורות ביותר עבור ציוד קריטי המשימה:

מכשור מטוסים שאינם מתכתיים או ציוד צי מעל הסיפון:

 200 V / m, 10 kHz עד 40 GHz אם מוצדקים.

ציוד מוטס באזורים מוגנים או בצי בצי תחת הסיפון:

20 עד 50 V / m,10 kHz עד 40 GHz אם מוצדקים.

ה-RS-105 הוא מבחן ספציפי מאוד המדמה דופק חזק, כמו NEMP. המתקן שונה מ כל אלה לשעבר מיל, אלה עם הציוד הנבדק חשוף בצלחת מקבילה או תא TEM, כי הוא נרגש על ידי מתח גבוה הדופק ליצור שדה 50kV/m עם 3ns זמן עלייה ו 30ns משך.

הערות לסיום

כמה הערות מעניינות יכולות להתבצע בעת השוואת גבולות אזרחיים לעומת מיל סטד EMC. למרות שמדובר במגבלות חמורות יותר מגבולות אזרחיים, גבולות מיל-סטד הם:

עבור בדיקות CE, כמעט כמו המעמד האזרחי עבור בדיקות RE, הם יכולים להיראות הרבה יותר חמור (להגביל על 20dB יותר מחמירים מאשר CISPR 22 בכיתה ב, ונמדד רק 1 מטר). אבל העובדה כי הכבלים הם הניחו 5 ס”מ מעל המטוס gnd כמעט קיזוז ההבדל הזה עד כמה מאות מגהרץ. מסיבה זו, פריט מסחרי מהמדף העובר מסוג B עם מרווח הוגן (≥ 6dB) עשוי להיות צפוי לפגוש את ה- RE-102 החמור ביותר. כמובן, זה לא exonerate של בדיקה בפועל.

עבור מבחני Mil-Std הם בדרך כלל חמורים יותר מאשר אלה האזרחיים, אולם כמה בדיקות חברת החשמל כמו מהיר Transinter Bursts  או ESD  כי הם חמורים מאוד בתעשייה בקטגוריה אין שווה ערך אמתי בארסנל של מיל-461.

עכשיו, לאחר שסקרנו את עיקרי הבדיקות הצבאית, הקוראים עשויים לתהות “עכשיו, מה לעשות אם נכשל בהתאמה לדרישות התקן?”.

המאמר באדיבות,

מעבדות (.Israel Testing Laboratories (I.T.L