CC BY
56
Неопределенность результатов виртуальной сертификации РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех
Н.В. Лемешко, к.т.н.
Кафедра «Радиоэлектроника телекоммуникации», МИЭМ НИУ ВШЭ п1етс^1гко @гы, м.т. 8-915-231-17-47
Введение
С повышением пространственной насыщенности радиоэлектронными средствами (РЭС) качественное и своевременное решение задачи ЭМС приобретает все большее значение. Исследования, проводимые в части индустриального радиошума, показали возможность лишь статистического прогнозирования электромагнитного фона в выбранной местности [1, 2]; таким образом, в настоящее время отсутствует возможность точного прогнозирования создаваемой совокупностью РЭС электромагнитной обстановки.
Согласно современной практике, формируемое радиоэлектронным средством электромагнитное поле считается приемлемым, если при испытаниях, проводимых в условиях, соответствующих [3], измеренный уровень его напряженности не превысит норм, установленных продуктовыми стандартами, например, [4]. Такие испытания выполняются аккредитованными лабораториями [5] в обязательном порядке для всех РЭС, выпускаемых серийно, а также для специальных технических средств.
Если в процессе проведения испытаний окажется, что помехоэмиссия превышает установленные нормы, то РЭС отправляют на доработку. На момент изготовления первого опытного образца разработчик не имеет гарантии успешного прохождения сертификационных испытаний, которые вместе с доработкой могут приобрести цикличность, грозящую финансовыми потерями и срывом сроков вывода продукции на рынок.
Анализ этого противоречия, а также порядка проведения и технической стороны сертификационных испытаний позволяют прийти к выводу, что последние могут быть переведены в виртуальную плоскость, что позволит оценивать результаты испытаний непосредственно на стадии проектирования.
Сущность виртуальной сертификации
Виртуальная сертификация предполагает моделирование ряда физических процессов, соответствующих ходу лабораторных испытаний. Ими являются:
— протекание токов в проводниках РЭС, вызывающих излучение;
— распространение электромагнитных волн от проводников к точке наблюдения при их взаимодействии с элементами конструкции РЭС;
— формирование результирующего поля в точке наблюдения как векторной функции времени;
— формирование показаний измерительного приемника при поступлении на вход напряжения, соответствующего воспринимаемой измерительной антенной напряженности электромагнитного поля.
Методики построения математической модели, выявленные их особенности и ограничения подробно изложены в монографии [6], поэтому они не требуют конкретизации и раскрытия содержания. Важно отметить, что как для лабораторных, так и для виртуальных сертификационных испытаний существует множество факторов, определяющих погрешность получаемых результатов. Если рассматривать
моделирование сертификационных испытаний в укрупненном формате, то для каждого типа используемых моделей будут характерны свои погрешности. Исследования электрической модели измерительного приемника, электрической и электродинамической модели РЭС, а также общего модельного представления формирования результирующего поля показали, что для погрешностей, соответствующих каждому влияющему фактору, могут быть оценены максимальные значения. Для виртуальной сертификации следует рассмотреть проблему неопределенности результатов моделирования и привести количественную ее оценку по аналогии с лабораторными испытаниями.
Источники неопределенности измерений в области ЭМС и ее численная оценка
В настоящее время неопределенность измерений в области ЭМС оценивается в соответствии с методикой, изложенной в стандарте [7], который распространяется на измерения кондуктивных помех на портах электропитания, мощности помех и напряженности электрической составляющей электромагнитного поля излучаемых радиопомех при измерениях на открытой испытательной площадке. В последнем случае предписано учитывать следующие потенциальные источники неопределенности:
— погрешность показаний измерительного приемника (ИП);
— затухание в измерительном кабеле, включенном между ИП и антенной;
— коэффициент калибровки антенны;
— точность измерения синусоидального напряжения с помощью ИП;
— амплитудное соотношение и импульсную характеристику ИП;
— минимальный уровень собственных шумов ИП;
— рассогласование между входом ИП и измерительной антенной;
— зависимость коэффициента калибровки от высоты подъема антенны;
— пространственную избирательность антенны и положение ее фазового центра;
— восприимчивость антенны к полям с ортогональной поляризацией;
— симметричность измерительной антенны;
— затухание измерительной площадки;
— расстояние между испытуемым оборудованием и измерительной антенной;
— высоту стола, на котором размещено испытуемое оборудование.
В качестве основного показателя используют расширенную неопределенность, рассчитываемую по формуле А = 2АС, где Лс — суммарная неопределенность измерений. Для определения необходимости корректировки результатов измерений значение А сравнивают с базовым, принятым равным А5 = 5,2 дБ, причем корректировку проводят в случае, когда А > Ах, увеличивая расчетные показания измерительного приемника на разность этих величин.
Суммарную стандартную неопределенность измерений определяют по формуле
где А; и с,- — стандартная неопределенность, дБ, и коэффициент влияния для 1-ой входной величины. В стандарте [7] под входными величинами понимаются любые численные параметры, погрешности которых требуют учета при вычислении значения Ас.
(1)
Стандартные неопределенности А,- рассчитывают на основе характерных
и и О и и
значений относительных погрешностей 8,-, присущих данной входной величине и измеряемых в децибелах. При этом учитывают статистический тип распределения значений А,- характеризуемый коэффициентом к,-. Значения 8, рассчитывают по формуле
А- =8- / к,.. (2)
Для испытаний на открытой измерительной площадке рассматривают входные величины, соответствующие приведенному выше перечислению источников неопределенности.
Неопределенность результатов моделирования сертификационных испытаний
Совокупность потенциальных источников неопределенности задается используемыми принципами моделирования. Поскольку оно обладает свойством идеальности, то многие из источников неопределенности теряют смысл либо не уже не выступают в качестве таковых. Например, в разработанном методе моделирования [6] измерительная антенна рассматривается как устройство, выполняющее преобразование напряженности поля во входное напряжение ИП и не имеющее собственных погрешностей.
Однако при моделировании сертификационных испытаний следует учитывать ряд других факторов, от которых зависит расширенная неопределенность результатов моделирования Ам. При реализации алгоритма моделирования, аналогично проведению лабораторных исследований, это значение сравнивают с базовым, равным 5,2 дБ, и в случае, если Ам > А5, показания ИП по модели перед сравнением с нормами увеличивают на разность этих величин. Значение Ам рассчитывается с использованием формул, аналогичных приведенным выше.
Основными источниками неопределенности результатов моделирования сертификационных испытаний являются:
1) расчет токов, возбуждающих излучение, связанная с несовершенством моделей компонентов и численных методов средств моделирования;
2) использование частотно-ограничивающих фильтров;
3) приближение, согласно которому элементы декомпозиции рассматриваются как участки с током, одинаковым по всей их длине;
4) отбор части проводников РЭС при расчете помехоэмиссии;
5) определение положения точки наблюдения;
6) свойства измерительной площадки;
7) свойства модели измерительного приемника;
8) взаимное расположение элементов конструкции РЭС.
Приведенная здесь нумерация источников неопределенности используется ниже, в т.ч. в таблице 1. Важно отметить, что этот перечень может быть дополнен и другими источниками неопределенности, но они будут оказывать значительно меньшее влияние на результат расчета Ам (например, погрешность диэлектрической проницаемости корпуса РЭС).
Погрешность расчета токов при схемном моделировании обычно не превосходит
10___15% [8], что соответствует 81 = 0,8...1,2 дБ. Для особо сложных схем значение
собственной погрешности моделирования может достигать больших значений. Для этого источника неопределенности примем значение к1 = 1.
Использование частотно-ограничивающих фильтров при расчете токов в излучающих элементах приводит к возникновению погрешности, оцененной в [6] на уровне 0,1...1 %, что соответствует значениям 82 < 0,1 дБ. Данная погрешность должна рассматриваться как родственная предыдущей, и, следовательно, ей целесообразно сопоставить значение к2 = к1 = 1.
Погрешность, вызванная неравномерностью распределения тока в элементах декомпозиции, определяется текущей частотой анализа /тах и выбранной максимальной длиной элемента продольной декомпозиции 1Л. На практике следует использовать значения сопутствующей приближению коротких антенн погрешности т = 0,001..0,01, определяющие компромисс между потенциальным снижением точности и количеством элементов декомпозиции, что соответствует погрешности
83 < 0,1 дБ. Примем к3 = 1.
Следующий источник неопределенности может быть учтен через коэффициент, используемый при отборе проводников для анализа помехоэмиссии. Естественно, что вклад неучтенных проводников в формирование помехового излучения будет зависеть от форм спектров текущих в них токов. Следовательно, распределение проводников по интенсивности излучения может быть определено точно только для каждого конкретного РЭС. При этом возможны случаи, когда, согласно результатам формального анализа, значительная часть проводников требует учета и тогда указанная функция распределения будет похожа на относящуюся к нормальному распределению. В других случаях она может быть соотнесена с другими типами статистических распределений [9]. Если принять распределение проводников по интенсивности излучений (по коэффициентам, полученным на основе формального анализа) равномерным, то в случае, если из N проводников для анализа отобраны Ы0 при коэффициенте отбора ко, то рассматриваемая относительная погрешность (N - N )к
составит 84 =-0—0. Из статистических соображений имеем (N - N ~ к0.
Nо (1 - ко )
Отсюда имеем 84 ~ к02 /(1 - к0).
Экспериментально показано, что рекомендуемое значение к0 = 0,001____0,01. Это
соответствует значениям относительной погрешности 10-6...10-4. Поскольку функция распределения зависит от схемных решений РЭС, частоты анализа и характеристик используемых сигналов, то при ориентировочных расчетах неопределенности результатов моделирования следует использовать большее значение, поэтому примем
84 = 0,3 дБ и установим к4 = 1.
Положение точки наблюдения определяется с использованием методики, согласно которой рассчитывают приближенное распределение показаний измерительного приемника с выбранным типом детектора при варьировании положения измерительной антенны с некоторым шагом по углу и по высоте подъема. Соответствующие им линейные перемещения точек наблюдения приближенно равны. Поэтому максимальная погрешность будет соответствовать случаю, когда за точку наблюдения принимается точка в распределении, расположенная диагонально. Таким образом, максимальная абсолютная погрешность определения положения точки наблюдения составит Максимальное расстояние, в пределах которого может
меняться по диагонали положение точки наблюдения на развертке, составляет АН, где АН — интервал варьирования высоты измерительной антенны при измерениях. Следовательно, максимальная относительная погрешность определения положения точки наблюдения составит А^ / АН. Минимальное значение АН следует принять
равным 3 м, что соответствует измерительным расстояниям 3 и 10 м. Оценочное значение погрешности соответствует максимальному значению шага, который на втором, уточняющем этапе алгоритма принят равным Аг1 = 0,04 м. Отсюда имеем погрешность, равную 1,3%, что соответствует 0,1 дБ. Поскольку методика определения положения точки наблюдения является приближенной, целесообразно это значение несколько увеличить. Примем 85 = 0,3 дБ и установим К5 = 1.
При оценке погрешности, вызванной измерительной площадкой как источником неопределенности, следует обратиться к стандарту [7], согласно таблицам А.4 — А.7 которого 86 = 4 дБ и К6 = 3. Максимальная погрешность модели ИП, согласно результатам экспериментальных исседований, составляет 87 = 2,3 дБ, значение коэффициента, учитывающего вид функции распределения, принимается равным К7 = 2 [7].
Погрешность, учитывающая взаимное расположение элементов конструкции, требует отдельного анализа, поскольку даже в пределах партии РЭС будут наблюдаться различия, например, в положении проводов и шлейфов внутри приборов. С этой точки зрения печатные платы обладают значительно меньшим расхождением в конструкции, в особенности при автоматизированном производстве и монтаже компонентов. Поскольку информация о влиянии взаимного расположения элементов на результаты виртуальной сертификации на текущий момент отсутствует, то следует задать его приближенное значение. В данном случае примем 88 = 0,5 дБ и Кв = 1. '
Согласно [7], значения коэффициентов влияния с, для всех источников неопределенности при измерениях на открытой площадки приняты равными единице. Это же значение следует использовать и для источников неопределенности результатов моделирования сертификационных испытаний. Значения характерных для источников неопределенности параметров сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Значения характеристик для источников неопределенности, свойственных моделированию сертификационных испытаний РЭС по эмиссии _излучаемых радиопомех
Источник неопределенности 81, дБ К А,- , дБ с-
1. Расчет токов в проводниках РЭС 0,8.1, 2 1 0,8.1, 2
2. Использование частотно-ограничивающих фильтров 0,1 1 0,1
3. Неравномерное распределение тока в элементах декомпозиции 0,1 1 0,1
4. Учет части проводников при расчете помехоэмиссии 0,3 1 0,3 1
5. Определение положения точки наблюдения 0,3 1 0,3
6. Свойства измерительной площадки 4,0 3 1,3
7. Свойства модели измерительного приемника 2,3 2 1,2
В. Взаимное расположение элементов конструкции РЭС 0,5 1 0,5
На основе данных таблицы 1 в соответствии с формулами (1) и (2) можно рассчитать суммарную стандартную неопределенность моделирования сертификационных испытаний. Она составляет 2,05...2,25 дБ. Соответственно, расширенная неопределенность будет иметь ориентировочное значение 4,1.4,5 дБ.
Расчетный интервал значений расширенной неопределенности меньше, чем 5,2 дБ, поэтому в большинстве случае результаты моделирования перед сравнением с нормами помехоэмиссии не будут требовать корректировки.
Заключение
Таким образом, в рамках проделанной работы выполнена оценка характерной неопределенности результатов моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех. В случае каких-либо дополнительных особенностей процесса моделирования, а также при наличии уточняющей информации расширенная неопределенность должна рассчитываться непосредственно для конкретной реализации алгоритма моделирования сертификационных испытаний.
Важно отметить, что совокупность факторов, влияющих на неопределенность результатов измерений, допускает исключение либо уменьшение значений некоторых составляющих погрешности при совершенствовании методологии моделирования сертификационных испытаний. В частности, использование теории дифракции и распространения радиоволн может позволить снизить погрешность расчета результирующего поля в точке наблюдения за счет уточнения модели измерительной площадки. Такие усовершенствования следует отнести к последующему развитию методологии виртуальной сертификации.
Литература
1. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. — Пер. с англ. Кармашева В.С., Кечиева Л.Н. — М.: Издательский дом «Технологии», 2003. — 540 с.
2. Рекомендация МСЭ-Я Р.372-9 Радиошум. — Женева, 2004.
3. ГОСТ 51320-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств — источников индустриальных помех» — М.: Издательство Стандартов, 2000. — 39 с.
4. ГОСТ Р 51318.22-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений» — М.: Стандартинформ, 2007. — 60 с.
5. ГОСТ 29037-91 «Совместимость технических средств электромагнитная. Сертификационные испытания. Общие положения» — М.: Издательство Стандартов, 1991. — 7 с.
6. Лемешко Н.В. Теоретические основы моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех. Монография. — М.: МИЭМ, 2012. — 196 с.
7. ГОСТ Р 51318.16.4.2-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Неопределенность измерений в области электромагнитной совместимости». — М.: Стандартинформ, 2007. — 16 с.
8. Алексеев О.В., Головков А.А., Пивоваров И.Ю. и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. Под ред. Алексеева О.В. — М,: Высшая школа, 2000. — 400 с.
9. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — М.: Высшая школа, 2003. — 479 с.
