CC BY
4
Bryukhova Alexandra Alekseevna, student, [email protected]. Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineer,
Kostynina Tatyana Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineer
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-338-339
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
А.С. Подгорний, П.А. Николаев, В.Н. Козловский, Е.В. Стрижакова
В статье представлены результаты оценки мощностных показателей электромагнитной поражаемо-сти бортового электротехнического комплекса автотранспортных средств
Ключевые слова: автотранспортное средство, бортовой электротехнический комплекс, электромагнитная совместимость.
В настоящее время критерием оценки помехоустойчивости автотранспортных средств (АТС) является напряженность электромагнитного поля (ЭМП) [1, 2]. Данная величина не дает представления об минимальных мощностных параметрах, которыми должен обладать источник или о энергетических характеристиках электромагнитной среды, в которой находится автомобиль. Решим задачу оценки мощностных параметров электромагнитной обстановки (ЭМО) в области нахождения АТС, при которых вероятно нарушение работоспособности бортовых электротехнических систем. На начальном этапе рассмотрим идеализированный случай, при котором изотропный источник излучения, расположенный в точке О, генерирует ЭМП (рис. 1). На расстоянии R от него находится АТС. Распространяющаяся сферическая волна на расстоянии R имеет структуру для дальней зоны, т.е. является плоской, имеет поперечные, взаимно ортогональные электрические Е и магнитные Н составляющие, которые соотносятся [3]
и
т
\н\ 41 -- 5
где 1в - волновое сопротивление среды, 80 - диэлектрическая постоянная 8,85-10-12 Ф/м; 8 - относительная диэлектрическая проницаемость среды; Ц0 - магнитная постоянная 4п-10-7 Гн/м; ц - относительная магнитная проницаемость среды. Для воздуха 1в = 120п = 377 Ом.
Т.к. основной средой, через которое происходит взаимодействие источника излучения с АТС является воздух, то в дальнейшем будем исключать влияние нерегулярных сред и считать 1в = 120п. Более того нерегулярные среды, характеризующиеся комплексными е и ^ вносят дополнительные потери, приводя к ослаблению ЭМП.
Электромагнитное поле, достигая поверхности S, в точке с радиусом Я, зенитным и азимутальным углами Q и ф, формирует некоторую ЭМО. Мощность Ре, излучаемая источником, определяется интегрированием вектора Уймова-Пойтинга по поверхности сферы в дальней зоне
ре = 1 |[е, нV (2)
2 S
где п - единичный вектор, нормальный к элементу поверхности dS. Решение (2) есть равенство
РЕ= П х 4пЯ2, (3)
где П - модуль вектора Уймова-Пойтинга, который равен
П=—. (4)
2
Подставляя (4) в (3) и учитывая (1) получим
Е = 7,75^5. (5)
Я
Заменим Е на Еит.тт, а Ре на Ре ¡¡т.тт
Ж
Екш.тт = 7,75^=- (6)
Данное выражение показывает общую взаимосвязь между мощностными показателями источника излучения и уровнем помехоустойчивости АТС.
Перейдем к более сложной системе, характеризующейся следующими условиями:
- источник ЭМП обладает некоторыми направленными свойствами;
- источник излучает в верхней полусфере;
- АТС занимает на поверхности S некоторую площадь SАтc;
- АТС полностью попадает в главный лепесток диаграммы направленности источника ЭМП и равен ее площади проекции;
- АТС находиться в дальней зоне облучения источника.
338
О _ _Птах
П.,
(7)
ГДС Птах — вектор Пойтинга в направлении максимального излучения; Пср - вектор Пойтинга изотропного излучателя.
Рис. 1. ЭМП одиночного изотропного источника
Рассматриваемый случай демонстрирует рис. 2.
Рис. 2. Идеализированное представление нахождения АТС в электромагнитном ноле одиночного источника: О - источник ЭМП; АВСБ - площадь проекции главного лепестка диаграммы направленности источника ЭМП
на поверхности полусферы
Поскольку Пср=Рг/4пЯ2, а Птах=Етах2/2^120ж, то
Е 2 Я2
у _ _ тах
60Р£
Соответственно
£ _ 7,75-
Я
По аналогии с (6) заменив Етах на Еит.тт, а Ре на Ре Нт.тт Получим
Гор
- у^1 £ Ит.тт
Е _7 75-
Нт.тт ' ' '
Я
(8)
(9)
(10)
Создание минимальной напряженности поля, при которой происходит поражаемость АТС, зависит от направленных свойств источника ЭМП, усиливающих перенос энергии в заданном направлении и для достижения Ент.тт требуется в раз меньше мощности излучения, чем для изотропного излучателя.
Перейдем к практическим приложениям рассмотрения задачи определения мощностных показателей электромагнитной поражаемости АТС. На практике в большинстве случаев АТС взаимодействует с лишь некоторой частью плотности потока энергии излучателя, т.к. очевидно, что площадь, которую пронизывает поток электромагнитных волн, пропорционально увеличивается квадрату расстояния от источника. Конечно, имеют место быть ситуации, когда АТС находится в непосредственной близости от узконаправленного источника поля и попадает в его зону действия, но их процент очень мал. Соответственно можно говорить лишь о некоторой доле поглощаемой энергии.
С учетом того, что не существует изотропного излучателя, любой источник ЭМП имеет некоторый коэффициент усиления, который связан с КНД известным выражением
О _ Щ, (11)
где ц - КПД излучателя.
Зная эти параметры, можно найти мощность, затрачиваемую на излучение в основном лепестке диаграммы направленности.
Воспользовавшись формулами (3), (7) и (11), выразим плотность потока мощности в главном лепестке диаграммы направленности излучателя.
П _-ОРр-. (12)
тах 4жЯ2^
Зная площадь шарового сегмента главного лепестка диаграммы направленности источника &л(Я) на расстоянии Я вычисляется мощность, затрачиваемая на излучение в данном направлении
Ртах _ -^PгSm (Я). (13)
Соотношение Ре/ц есть выходная мощность усилительного каскада излучателя Ри. На практике Ри и Ре взаимосвязаны через КСВ антенны, а если исследования проводятся в лабораторных условиях, то данные значения определяются измерениями поглощаемой и отраженной мощности.
Логично предположить, что проблемы ЭМС наиболее вероятны при попадании АТС в направление максимального излучения источника поля. При известной площади проекции АТС (Батс) на плоскость нормали к сфере распространения излучения, вычисляется отношение площади проекции АТС к площади шарового сегмента главного лепестка диаграммы направленности источника
5 А
К _-
-'АТС
(14)
5л (Я),
где Яатс - расстояние от источника ЭМП до АТС.
Подставляя (14) в (13) и как ранее, по аналогии заменяя Ре/ц на Ри.нт.тш, получаем предельную минимальную поглощаемую мощность поражаемости АТС
КОР
р _ .Ит.тш 5 (п ). (15)
Нт.тт . п2 гл\лАТС)
АТС
Выражение (15) можно упростить, записав в виде:
ОР
р _^ГИ.Ит.тш 5 . (16)
Нт.тт . п2 АТС
АТС
Соответственно предельная минимальная плотность потока энергии поражаемости равна
ОР
П^т. _СВт/м2). (17)
4жЯатс
В рамках работы были проведены исследования мощностных показателей электромагнитной поражаемо-сти АТС. Эксперименты проводились на базе испытательного комплекса ЭМС АО «АВТОВАЗ». Исследования проходили в безэховой камере (рис. 3) с габаритными размерами: 30x20x14,5 м и рабочим диапазоном частот 20 МГц -18 ГГц, с применением полеобразующих систем (рис. 4 и 5), параметры которых приведены в табл. 1 и 2.
Рис. 3. Безэховая камера ЭМС лаборатории АО «АВТОВАЗ»
а б
Рис. 5. Полеобразующая система диапазона частот 1 - 2 ГГц: а - рупорная антенна АТ 4510; б - усилитель
мощности АЯ 500 ТО 2
Таблица 1
Основные характеристики излучающих антенн__
Антенна Диапазон частот, ГГц Импеданс, Ом КСВ, max Ширина ДН Коэффициент усиления, dBi
AT 1080 0,08-1 50 1.7:1 Е - 600 Н - 1050 6,5 - 80 МГц 7,2 - 100 МГц 8 - 200 МГц 8,2 - 600 МГц 8,1 - 1 ГГц
AT 4510 1 - 4,2 50 1,6:1 Е - 250 Н - 260 13 - 1 ГГц 14,5 - 1,25 ГГц 16 - 1,5 ГГц 17 - 1,75 ГГц 17,8 - 2 ГГц
Таблица 2
Основные характеристики радиочастотных усилителей мощности_
Усилитель Диапазон частот, ГГц Номинальная мощность кВт КСВ, max Выходной импеданс, Ом
AR 3000 W 0,08-1 3 2:1 50
AR 500 TG 2 1 - 2,05 0,5 2:1 50
Для расчета мощностных показателей электромагнитной поражаемости воспользуемся результатами экспериментальных исследований, приведенными в [4]. На основании обработанных данных построен график частотной зависимости минимальных уровней помехоустойчивости (рис.6). Данная кривая обобщает все проведенные экспериментальные исследования, охватывая функциональные классы С, D и Е.
Взаимосвязь выходной мощности усилителей и напряженности ЭМП в зависимости от частоты была определена в процессе калибровки в соответствии с методикой, изложенной в ISO 11451-2 для расстояния 2 м от переднего края антенн до контрольной линии. Эти данные приведены в табл. 3 и 4 и отображены на рис. 7 и 8.
F но
up, mm
В/я 100
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
\ ..................4
V.................................................
\
80 100
200
500 800 1000 1500 2000
Частота, МГц
Рис 6. Обобщенная экспериментальная зависимость минимального уровня электромагнитной поражаемости
автотранспортных средств
341
Таблица 3
Выходная мощность усилителя ЛЯ 3000 И в диапазоне 80-1000 МГц_
Частота, МГц Мощность, Вт при напряженности 30 В/м Мощность, Вт при напряженности 60 В/м Мощность, Вт при напряженности 100 В/м
80 98 397 1304
86 98 392 1038
90 105 450 1234
94 104 458 1289
100 49 239 801
104 49 251 911
108 51 208 682
110 45 170 568
115 41 143 416
120 47 161 386
124 54 185 457
127 61 200 493
132 56 235 557
135 47 226 555
140 53 196 507
146 66 228 644
149 50 221 690
155 50 208 672
158 54 225 663
164 63 264 750
171 134 478 727
174 67 263 1288
181 65 256 689
188 53 239 681
192 55 251 687
200 60 247 691
204 64 263 749
212 72 296 668
221 70 307 689
230 65 261 679
234 59 203 469
244 47 228 581
249 41 216 534
259 45 180 436
269 48 190 523
280 34 146 384
291 31 126 315
303 33 126 327
309 35 138 351
322 43 182 449
335 29 130 373
341 33 132 353
355 29 122 291
369 40 147 384
377 39 152 464
392 33 115 488
400 34 122 357
416 37 141 428
424 44 176 484
442 31 140 471
450 29 130 332
469 38 130 408
488 29 134 375
497 29 126 356
517 23 114 294
528 25 102 317
549 23 107 240
560 25 119 258
583 20 88 195
606 25 106 222
631 23 86 266
656 21 71 264
669 24 101 285
696 24 90 261
710 17 81 197
739 22 92 223
769 20 88 227
800 18 98 236
816 21 86 266
849 25 96 291
883 29 96 337
901 40 138 391
937 41 129 336
975 26 146 298
1000 24 98 237
По результатам расчетов, определено, что минимальные мощностные параметры электромагнитной поражаемости соответсвуют частоте 124 МГц и уровню помехоустойчивости 28 В/м [8, 9]. Для фронтальной поверхности площадью 2,08 м2 плотность потока энергии равна 2,6 Вт/м2, а мощность 5,4 Вт. Соответствующие параметры для боковой поверхности площадью 5,45 м2 равны 1,42 Вт/м2 и 7,7 Вт. Из расчетов видно, что
минимальный уровень поражаемости напряженности ЭМП (25 В/м на частоте 200 МГц) может не совпадать с мощностными минимумами. Связано это с такими причинами, как частотные характеристики мощность источника и его коэффициента усиления. Также в эксплуатации возможны случаи суперпозиции прямой и отраженных волн, когда на создание некоторого уровня ЭМП затрачивается больше или меньше излучаемой мощности [10, 11].
Таблица 4
Выходная мощность усилителя АЯ 500 ТО 2 в диапазоне 1 - 2 ГГц_
Мощность, Вт Мощность, Вт Мощность, Вт
Частота, МГц при напряженности 30 В/м при напряженности 60 В/м при напряженности 100 В/м
1000 16 42 118
1020 17 50 126
1040 19 51 115
1061 19 48 119
1082 21 57 139
1104 23 57 148
1126 20 67 164
1149 16 61 132
1172 12 52 118
1195 12 46 134
1219 13 54 166
1243 11 44 103
1268 10 41 105
1294 9 37 109
1319 7 30 81
1346 7 33 89
1373 6 28 69
1400 6 24 63
1428 5 21 63
1457 5 18 50
1486 5 18 54
1516 4 17 46
1546 4 19 48
1577 5 29 58
1608 4 21 55
1641 5 19 55
1673 4 20 47
1707 4 20 41
1741 4 17 43
1776 4 18 40
1811 3 14 32
1848 3 13 31
1885 3 12 31
1922 4 16 39
1961 5 19 41
2000 4 16 38
Рис. 7. Выгходная мощность усилителя АЯ 3000 W в диапазоне 80-1000 МГц
343
Частота, МГц
Рис 8. Выходная мощность усилителя АН 500 ТС 2 в диапазоне 1-2 ГГц
Таблица 5
Площадь поверхностей автомобилей LADA_
№ Модель LADA Площадь фронтальной поверхности, м2 Площадь боковой поверхности, м2
1 Vesta SW 2,2 5,45
2 Granta 2,08 5,21
3 Niva Legend 2,35 5,23
4 Niva Trevel 2,54 5,51
5 Largus 2,37 6,05
F lj пр. nun 150
B/M, 140
130
Pnpmm 120
Вт,
110
Hup. m in 100
Вт/м2 90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
80 100
200
700
1000
1500
300 500
Частота, МГп
Рис 9. Экспериментальные уровни минимальной электромагнитной поражаемоспш АТС: 1 - напряженность Е, В/м; 2 - мощность, проходящая через фронтальную поверхность; 3 - мощность, проходящая через боковую поверхность; 4 - плотность потока мощности, проходящая через фронтальную поверхность; 5 - плотность потока мощности, проходящая через боковую поверхность
Полученнные данные мощностных показателей поражаемости сравнимы с значениями, характеризуемыми внешнюю сложную ЭМО [12, 13]. Это доказывает актуальность решения вопросов обеспечения параметрам ЭМС в эксплуатации.
Список литературы
1. Regulation No. 10. Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to electromagnetic compatibility. Addendum 9. Revision 6. UNITED NATIONS. Geneva, 2017. 170 p.
2. ISO 11451-1. Road vehicles. Vehicle test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy. Part 1: General principles and Terminology. Third edition. Geneva, 2015. 25 p.
3. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975. 528 с.
344
4. Подгорний А.С., Николаев П.А., Козловский В.Н. Система контроля помехоустойчивости бортового электротехнического комплекса автомобилей к электромагнитным воздействиям. Монография. Тула: ТулГУ, 2022. 180 с
5. Строганов В.И. Моделирование систем электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой в процессах проектирования и производства: Монография / В.И. Строганов, В.Н. Козловский. М., 2014.
6. Козловский В.Н. Комплекс электронных систем управления движением легкового автомобиля с комбинированной силовой установкой. Часть 2. / В.Н. Козловский, В.И. Строганов, В.В. Дебелов, М.А. Пьянов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 2. С. 19-28.
7. Козловский В.Н. Моделирование электрооборудования автомобилей в процессах проектирования и производства: Монография. Тольятти, 2009.
8. Козловский В.Н. Обеспечение качества и надежности системы электрооборудования автомобилей // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Моск. гос. автомобил.-дорож. ин-т (техн. ун-т). Тольятти, 2010.
9. Козловский В.Н. Перспективные системы диагностики управления автономным транспортным объектом / В.Н. Козловский, В.В. Дебелов, О.И. Деев, А.Ф. Колбасов, С.В. Петровский, А.П. Новикова // Грузовик. 2017. № 6. С. 21-28.
10. Козловский В.Н. Развитие проектов электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой / В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров, М.М. Васильев, В.В. Дебелов // Грузовик. 2018. № 6. С. 18-21.
11. Николаев П.А. Оценка соответствия автомобилей требованиям помехоустойчивости к внешним электромагнитным воздействиям / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний // Грузовик. 2017. № 10. С. 44-48.
12. Николаев, П.А. Многофакторная оценка влияния дорожной обстановки на помехоустойчивость бортового электротехнического комплекса автомобилей / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний, А.С. Сак-сонов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2022. № 1. С. 36-41.
13. Николаев П.А. Испытания автотранспортных средств на устойчивость к внешним электромагнитным воздействиям / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний Электроника и электрооборудование транспорта. 2017. № 5. С. 43-46.
Подгорний Александр Сергеевич, канд. техн. наук, научный сотрудник, [email protected]. Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Николаев Павел Александрович, д-р техн. наук, начальник лаборатории, [email protected], Россия, Тольятти, АО «АВТОВАЗ»,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected]. Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Стрижакова Елена Владимировна, канд. техн. наук, доцент, a-ezhova@yandex. ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
POWER INDICATORS OF ELECTROMAGNETIC DAMAGE OF MOTOR VEHICLES A.S. Podgorny, P.A. Nikolaev, V.N. Kozlovsky, E.V. Strizhakova
The article presents the results of assessing the power indicators of the electromagnetic susceptibility of the onboard electrical complex of vehicles.
Key words: motor vehicle, on-board electrical complex, electromagnetic compatibility.
Podgorny Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, senior researcher, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Nikolaev Pavel Alexandrovich, doctor of technical sciences, head of the laboratory, [email protected], Russia, Togliatti, JSCAVTOVAZ,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Strizhakova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
