CC BY
56Эффективные меры по обеспечению электромагнитной совместимости оборудования радиорелейной и оптической связи
Зюзин Владислав Дмитриевич
магистрант, кафедра «Сети и системы коммутации» Московский технический университет связи и информатики [email protected]
Платонов Сергей Игоревич
студент, кафедра «Информационная безопасность» Московский технический университет связи и информатики [email protected]
Ладарев Максим Сергеевич
студент, кафедра «Мультимедийных сетей и услуг связи» Московский технический университет связи и информатики [email protected]
Остроумов Андрей Генрихович
студент, кафедра «Информационная безопасность» Московский технический университет связи и информатики, [email protected]
Трушин Георгий Николаевич
студент, кафедра «Многоканальные телекоммуникационные системы», Московский технический университет связи и информатики, [email protected]
В данной статье произведен анализ требований по обеспечению электромагнитной совместимости, произведен анализ оборудования радиорелейной и оптической связи на предмет влияния и зависимость данного оборудования на электромагнитную обстановку. После определения основных проблемных мест оборудования, были рассмотрены различные методы по обеспечению электромагнитной совместимости оборудования различного типа.
Были рассмотрены основные меры по обеспечению электромагнитной совместимости оборудования. Приведено необходимое теоретическое обоснование каждого из методов, а также расчёты и примеры их физической реализации. Научная новизна заключается в определении эффективных мер по обеспечению электромагнитной совместимости. Данная статья содержит 11 рисунков, 3 таблицы и 7 формул. При написании статьи было использовано 10 источников используемой литературы, которые приведены после текста статьи.
Ключевые слова. Заземление, экранировать, помеха, частота, экран, фильтр, электромагнитный, отверстие, волна.
Меры по обеспечению электромагнитной совместимости
В данной статье будут рассмотрены основные меры обеспечения электромагнитной совместимости ТС, а также расчет возможной электромагнитной устойчивости. Основными методами обеспечения ЭМС являются [3]:
1) Экранирование; 2) Применение фильтров; 3) Заземление
Экранирование
В рамках обеспечения ЭМС ключевым способом является применение экранирующих средств защиты от электромагнитного воздействия [5]. Физически процесс экранирования описывается тем, что любая электромагнитная волна характеризуется следующими параметрами взаимодействия с экранирующей средой, как коэффициент отражения, преломления и поглощения. Поведение волны в экранирующей среде показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Электромагнитные волны с экраном
Экран представляет собой электрически проводящую среду, которая отражает и поглощает поле Е± Основной характеристикой экрана является коэффициент экранирования Он представляет собой разность между мощностью поля Ег и потерями, вызванными на поглощение, отражение и переотражение [4]. Е2= Е1-Е3-Е4-Еъ (1)
где Е3 - прошедшая волна, Ег - прямая волна, Е3 — преломленная волна, Е, - переотраженная волна, Е5 — отраженная волна
К,(АБ) = 1ШЛШ (2)
где
Р2- мощностьпослепрнема
где
Р3— после приема в дБ
,
(3)
Р1 — мощность до приема в дБ,
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м о
о сч
0 сч
01
о ш m
X
<
m О X X
Таким образом формулы (1), (2) и (3) описывают расчет напряженности поля. Стоит заметить, что высокочастотное воздействие обычно характеризуется полем Еб, так как с ростом частоты увеличивается коэффициент отражения, при котором волны в приповерхностном слое отражаются и генерируется поле противоположенной направленности, а также учитывается увеличение проницаемости материала экрана. Коэффициент отражения с ростом частоты и проницаемости может достигать 100% от прямого поля В этом случае К3 стоит принимать максимальным, так как основная энергия электромагнитного поля отражается. В данной частотной области коэффициент экранирования описывается полем £а, так как на поверхности возникает скин-эффект, то есть слой, в котором протекают высокочастотные токи электромагнитных волн. С уменьшением частоты и проводимости материала скин-слой увеличивается, но уменьшается с ростом проницаемости. Примерная схема скин-эффекта показана на рисунке 2.
Материал Магнитная прони- Удельная электропро-
цаемость, ц водимость, См/м
Серебро 0.999981 6.3 • 10»
Медь 0.999912 • 107
Золото 0.999963 4.5 *10»
Алюминий 1.000023 3.5 * 1С7
Латунь ~1.0 2.5 * 107
ли и меди. С ростом частоты отражающие свойства меди уменьшаются, а вместе этим поглощающие увеличиваются, благодаря высокой проводимости. Ввиду меньшей проводимости сталь имеет меньшие потери на отражение с ростом частоты, однако благодаря большей магнитной проницаемости в области высоких частот имеет меньшие потери на поглощении. График представлен на рисунке 3.
Таблица 2
Материал Магнитная проницаемость, г; Удельная электропроводимость, См/м
Пермаллой До 150 000 0.4-0.56
Альсифер До 117 000 0.8
Рисунок 2 - Скин-эффект
Таким образом для обеспечения достаточного К3 в области высоких частот необходимо иметь максимально тонкий экран, с одновременно низкой магнитной проницаемостью и высокой проводимостью материала изготовления. Далее будет представлена таблица наиболее популярных материалов, которые используются для экранирования в ВЧ области [10].
Таблица 1
Рисунок 3 - Расчетные значения потерь стали и меди
При конструировании экранов стоит учитывать его форму. Оптимальным является в виде замкнутой геометрической фигуры, такой как куб. Используя такую форму экрана можно получить достаточно высокий коэффициент экранирования (больше 99 дБ). Однако, экранируемые ТС требуют отверстий в экране для кабелей, аппаратуры и вентиляции. Если такое отверстие сравнимо с 1/20 Я, то оно уменьшает К3 на величину, равную:
^=201ой(И) (4)
где п — количество отверстий
К, = 20\о^ф (5)
где А - длина волны, й — наибольший диаметр отверстия
Влияние отверстий в экранах отображено на рисунке 4.
Для постоянных магнитных полей, а также полей низкой частоты используются материалы с наибольшей магнитной проницаемостью. Это вызвано преобладанием магнитной составляющей в низкочастотных полях. Так, увеличивая магнитную проницаемость, увеличивается К3. Основные материалы представлены в таблице 2.
Таким образом суммируя потери на отражение и поглощение волн получаем Проведем расчетное исследование потерь на отражение и поглощение ста-
Рисунок 4 - Влияние отверстий в экранах
Если экранируемое ТС требует использования отверстия строгого диаметра, в данных случаях прибегают к использованию экранирующих трубок в экране с длиной, намного больше диаметра. Такие трубки обеспечивают огромное затухание на частотах ниже частоты среза Принцип работы представлен на рисунке 5 и описан формулами (6) и (7).
Рисунок 5 - Экранирующий волновод
Частота среза определяется по наибольшему диаметру отверстий и рассчитывается по формуле: £р9Е = 150000/д (6)
где д - диаметр наибольшего отверстия Коэффициент ослабления при вычисленной £ра1 будет равен:
I , , ч=
27,2яс1* 1-М— __
"олч; _
(7)
где <1 — длина наибольшего отверстия / - частота
д — диаметр наибольшего отверстия На рисунке 6 представлены изменения при
применении экранирующих трубок разной длины и диаметра.
Рисунок 6 - Изменение с увеличением частоты
На рисунке 6 построен график экранирующих волноводов разной конфигурации. Стоит заметить, что с увеличением длины трубки до 20мм Квы становится больше при постоянной £р8Е. С увеличением размера трубки до 300мм в длину и 200мм в диаметре отмечается уменьшение и появление более плавного спада в области Экранирующий волновод подходит для ввода в экран оптических кабелей и теряет свои свойства, если поместить внутрь волновода токо-проводящий кабель.
При соединении двух экранирующих систем стоит избегать замыкания экрана на корпус оборудования. Разъемы соединения и ведущие кабели необходимо экранировать и осуществить контакт таким образом, чтобы иметь плотное соединение по всей окружности разъема. Вводное соединение необходимо заключать в изолирующие трубки. Подключение оконечных соединений должно выполняться через проходные фильтры. Примерная схема соединений двух экранирующих систем представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Соединение двух экранирующих систем
Эффективное создание экранирующей системы подразумевает использование качественно подобранных материалов исходя из их характеристик. Исключить возможность появления всякого рода отверстий в экранирующих системах, а также если требуется ввод питания, необходимо его осуществлять с помощью проходных фильтров.
Ключевой особенностью создания экранирования является то, что необходимо начинать разработку экранов с создания дизайна блоков для защиты непосредственного ТС на этапе проектирования. Так, начиная с дизайна платы необходимо учитывать правильное расположение полигонов земли, электропроводящих линий и элементов платы. Для каждого не устойчивого к помехам элемента платы создается металлический экран [6]. Экраны состоят из двух основных типов - основная часть представляет собой металлический экран, расположенный с обратной стороны платы, а также их крышки, которая располагается непосредственно на печатной плате и фиксируется зажимами.
Также экранирование стоит начинать с дизайна блока ТС. Хорошо изолированные элементы экрана способны снизить электромагнитное влияние и обеспечить коэффициент экранирования до 99 дБ. Полностью металлический корпус учитывает сложное расположение полигонов печатной платы и разделяется на зоны для максимального обеспечения экранирующих свойств ТС.
Подавляющие фильтры
Фильтры применяются тогда, когда электромагнитное влияние на ТС невозможно исключить. В этом случае необходимо применить нужный тип подавляющего фильтра, характеристики которого зависят от непосредственной характеристики электромагнитного воздействия.
По элементной базе построения фильтров подразделяют на:
1) Емкостное подавление; 2) Индуктивное подавление [7].
На рисунке 9 представлены принципиальные схемы фильтров.
X X
о
го А с.
X
го т
о
Рисунок 9 - Применение подавляющих фильтров
м о м о
о см о см
о ш т
X
<
т О X X
Одним из основных типов фильтров для подавления высокочастотных синфазных помех является фер-ритовый сердечник, который устанавливается на обоих концах проводов. Схема такого сердечника представлена на рисунке 10.
способный иметь достаточно низкое сопротивление в высокочастотной полосе частот. Соответственно, необходимо создавать заземляющую сеть с общим выводом как для высокочастотной, так и на низкочастотной аппаратуры.
Эффективность защитного заземления определяется качеством объединения всех участков заземления в сеть. Так, например, для обеспечения высокочастотного заземления необходимо использовать такой зазем-литель, который обладает низким полным высокочастотным сопротивлением. На примере рисунка 13 представлено изменение сопротивления медного кабеля от частоты при разных диаметрах сечения.
Рисунок 10 - Ферритовый кольцевой сердечник
Магнитные потоки №1в, создаваемые рабочим током !в компенсируются в сердечнике, а значит на него не воздействует никакая индуктивность. Ток помехи ^ подавляется в фильтре так как на него воздействует очень большая индуктивность, вызванная ферритовым сердечником [8]. В данном случае фильтр выступает в роле фильтра нижних частот.
Для подавления помех, вызванных просачиванием тока помехи от импульсного источника питания в первичную цепь питания, используется комбинированная схема подавления помех, представленная ниже [9]:
Рисунок 11 - Высокоэффективная схема подавляющего фильтра
В данной схеме, дроссели L1 увеличивают общее сопротивление линии и тем самым предотвращают попадание тока помехи в первичную цепь питания. Конденсаторы СБ}, и С6; служат для подавления дифференциальных и синфазных помех. В качестве дросселя также используется комбинированный дроссель для подавления синфазных помех.
Данная схема отличается многоуровневым подавлением возникающих дифференциальных и синфазных помех и применяется очень часто в средствах связи, где очень важно изолировать линию передач от помех в цепях питания.
Заземление
Заземление в рамках обеспечения электромагнитной совместимости является основополагающим. Для грамотного обеспечения бесперебойной работы технических средств, а также защите от наведённого напряжение на устройства связи, вызывая тем самым помехи в работе ТС, необходимо правильно «заземлить» устройства связи [2]. Устройства связи необходимо заземлять как в низкочастотном, так и высокочастотном, причем одним заземлителем. Комплекс заземляющих устройств должен включать в себя заземлитель,
Рисунок 13 - Комплексное сопротивление медного кабеля с разным сечением
Как видно на рисунке, медный кабель, независимо от сечения обладает высоким комплексным сопротивлением на высоких частотах. Исходя из требования к системе заземления данный тип кабеля не подходит для комплексного заземления. Для качественного заземления необходимо обеспечить одинаковое низко-омное заземление как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазоне.
Основными методами по обеспечению низкоомного сопротивления заземления являются:
1) Соединение заземлителя с широким поверхностным контактом, которое обеспечивает достаточный поверхностный контакт обеих сторон участков заземления с общим выходом;
2) Соединение некоторого числа отдельно заземленных проводов в общую сеть заземления;
3) Экранированный провод заземлителя, который имеет низкое полное сопротивление не зависимо от частоты.
Надежный контакт с землей обеспечивает максимальную защиту заземления. Так, в зависимости от ТС и использующихся в нем типов кабелей существуют свои особенности заземления. В таблице 1.3 представлены различные группы кабельных соединений, отражающие их чувствительность к помехам.
Стоит отметить, что все участки установки заземления должны иметь общую площадь вывода для заземленного корпуса. Соответственно всю кабельную систему заземления необходимо протягивать по продольному направлению поверхности общего вывода [9].
Таблица 3
Группа Тип чувствительности Особенности
1 группа Максимальная чувствительность Используются в низковольтных аналоговых сетях связи и аппаратуры для измерений. Неиспользуемые провода необходимо заземлить с обоих концов. В противном случае в низкочастотном диапазоне возможно влияние помехи на полезный сигнал системы передачи.
2 группа Средняя чув- ствитель- ность Используется в низковольтных цифровых системах линий связи, а также в низковольтных цифровых линиях с коммутируемыми сигналами и системах низковольтного питания.
3 группа Малая чув- ствитель- ность Используются в защищенных от помех силовых линиях управления индуктивных нагрузок и не подключенные сетевые кабели. Данная группа кабелей отличается минимальной чувствительностью к помехам, а также является источником помех для других линий и представляет опасность для других ТС. Данный тип проводов необходимо соединять с другими заземлителями перпендикулярно.
4 группа Нулевая чувствительность Используется в подводящих линиях сварочного оборудования, силовых цепей и на входных линиях преобразователей. 4 группа представляет собой мощный источник помех, который требует заземления в первую очередь.
Заключение
В соответствии с действующими нормативными документами, работы по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электроэнергетики являются продолжительными во времени, должны проводиться в течение всего времени существования объекта, начиная от выбора площадки под новый объект и заканчивая выводом его из эксплуатации. Поскольку работы по ЭМС требуют наличия специализированной электротехнической лаборатории и программного обеспечения, кадрового обеспечения инженерами-электриками по специальности «Техника высоких напряжений» и смежным специальностям, имеющими опыт расчёта переходных процессов в электрических цепях и электромагнитных полей, работы по ЭМС целесообразно отдавать на подряд в специализированные организации, имеющие соответствующий опыт работы, персонал, лабораторию и программное обеспечение.
Литература
1. Михайлов, А.С. Измерение параметров ЭМС РЭС / А.С. Михайлов. - М. : Связь, 1980. - 244 с.
2. В.И. Ефанов, А.А. Тихомиров. Учебное пособие. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. Томск. 2012г.
3. Михайлов, А.С. Справочник по расчету электромагнитных экранов / А.С. Михайлов. - М. : Энергоатом изд-во, 1988. - 244 с.
4. В.И. Ефанов, А.А. Тихомиров. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. Учебное пособие. Томск. 2012г.
5. А. Шваб. Электромагнитная совместимость. Энергоатомиздат. Москва. 1995г.
6. Измерительные приборы от А до Я, Онлайн-библиотека, 2019. URL: https://all-pribors.ru/groups (дата обращения 03.05.2019.
7. Уайт, Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи / Д. Уайт; пер. с англ. - М. : Советское радио, 1977. -Вып. 1. - 348 с.
8. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / под ред. В.И. Кравченко. - М. : Радио и связь, 1984. - 256 с.
9. EM Test Rentals - EMC Test Equipment, EMC test equipment rental solutions, 2019. URL: https://transientspecialists.com/collections/em-test (дата обращения 05.05.2019.
10. Browse Equipment & Services, Research equipment and services, 2019. URL: https://scientificservices.eu/ (дата обращения 05.05.2019.
Effective measures to ensure electromagnetic compatibility of
equipment of radio-relay and optical communication Zyuzin V.D., Platonov S.I., Ladarev M.S., Ostroumov A.G., Trushin G.N.
Moscow Technical University of Communications and Informatics This article analyzes the requirements for ensuring electromagnetic compatibility, analyzes radio-relay and optical communication subject of influence and dependence of this equipment on the electromagnetic environment. After identifying the main problem areas of the equipment, various methods for ensuring electromagnetic compatibility of various types of equipment were considered. The main measures to ensure electromagnetic compatibility of equipment were considered. The necessary theoretical justification for each of the methods, as well as calculations and examples of their physical implementation, was given. The scientific novelty lies in determining effective measures to
ensure electromagnetic compatibility. This article contains 11 figures, 3 tables and 7 formulas. When writing the article, 10 sources of used literature were used, which are listed after the text of the article. Keywords. Grounding, shielding, interference, frequency, screen,
filter, electromagnetic, hole, wave. References
1. Mikhailov, A.S. Measurement of parameters of EMC RES / A.S.
Mikhailov. - M.: Communication, 1980 .-- 244 p.
2. V.I. Efanov, A.A. Tikhomirov. Tutorial. Electromagnetic compati-
bility of electronic equipment and systems. Tomsk 2012
3. Mikhailov, A.S. Handbook for the calculation of electromagnetic
screens / A.S. Mikhailov. - M.: Energoatom Publishing House, 1988 .-- 244 p.
4. V.I. Efanov, A.A. Tikhomirov. Electromagnetic compatibility of
electronic equipment and systems. Tutorial. Tomsk 2012
5. A. Schwab. Electromagnetic compatibility. Energoatomizdat. Moscow. 1995
6. Measuring instruments from A to Z, Online Library, 2019. URL:
https://all-pribors.ru/groups (accessed 03.05.2019.
7. White, D. Electromagnetic compatibility of electronic equipment
and unintentional interference / D. White; trans. from English -M.: Soviet Radio, 1977. - Vol. 1 .-- 348 s.
8. Radio-electronic means and powerful electromagnetic interfer-
ence / ed. IN AND. Kravchenko. - M.: Radio and communications, 1984. - 256 p.
9. EM Test Rentals - EMC Test Equipment, EMC test equipment
rental solutions, 2019. URL:
https://transientspecialists.com/collections/em-test (accessed 05.05.2019.
10. Browse Equipment & Services, Research equipment and services, 2019. URL: https://scientificservices.eu/ (accessed 05.05.2019.
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О M
о
