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民用航空电子电磁兼容测试系统新要求

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民用航空电子电磁兼容测试系统新要求

  • 分类:新闻资讯
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  • 来源:
  • 发布时间:2010-06-21 14:17

  测试等级、要求和测试过程试图反映航空科技和EMC电磁兼容测试方法的最新进展。

  RTCA/DO-160F,代替之前的DO-160E[1]版本,是由RTCA 135特别委员会制定并于2007年12月6日发布的航空设备环境条件和测试步骤的标准。DO-160F涵盖了航空电气电子设备(航空电子学)的标准步骤和环境测试标准。在DO-160F中规定的测试是为满足联邦航空管理局(FAA)或者其他国际规定对安装在商业航空器上设备的要求而进行的典型测试。

  在DO-160F中测试和测试等级/限值(参见“设备分类”)适用于当前实际使用的所有类型的飞行器,包括小型通用航空器、商业喷气式飞机、直升机、区域喷气式飞机和巨型喷气式飞机,例如最新的空中客车(A380)和波音客机(787)。该文件包括26个部分和三个附件,但是只有15至23节和25节含有电磁兼容的内容。DO-160F包括的其他内容有:温度、高度、振动、沙/尘、电源输入、射频敏感度、雷击和静电放电。

  DO-160F的制定和修正与RTCA的欧盟版本:EUROCAE相配合。作为横跨大西洋的两个组织的合作成果,RTCA/DO-160F与他的欧洲版本EUROCAE/ED-14F完全一致。本文旨在对DO-160F中与EMC有关的每个节节进行简要的说明。DO-160E发布后每部分的变化也将简要说明,最后,我们还要展望DO-160的未来的修订。

  1-3节

  前三节描述了DO-160的目标和适用范围(第1节),提供了全文中的术语及定义(第2节),并且规定了测试条件(第3节)。前三节提供了DO-160的后续节节的参考及准确进行特定测试的通用信息和指导。

  DO-160F新在何处?

  l 在第二节,增加“测试结果的适用范围”。

  l 在第三节,增加“敏感度测试的EUT设置”

  第15节:磁效应

  MC(表示磁兼容与“EMC”表示电磁兼容对应)测试用来确定被测设备(EUT)影响罗盘偏转的程度,或者影响罗盘感应器指示的程度,其亦被称为“磁阀”。

  标准的罗盘拥有一个巨大的表盘,可以读出指针的每一度偏移,这是唯一需要的测试设备。EUT通过东西连线方向接近罗盘,直到观察到北磁极产生一度的移动。测量其间距从而确定“设备分类”。

  设备等级

  可以根据EUT与罗盘(或者罗盘感应器)的间距从小于30厘米到大于300厘米将设备分为五个设备等级(Y,Z,A,B 和C)。

  DO-160F新在何处?

  l 0至30厘米的安装间距归入新分类Y。

  l 每种设备分类的必要描述已加入到第15节“测试目的”之中,同时还有一个关于如何利用测试结果判断EUT与罗盘(或者罗盘感应器)的最近安装距离的讨论。

  l 加入“等同的磁性感应器”的使用方法,以允许与典型的“自由磁性”罗盘相对的电子罗盘的使用。

  第16节:电源输入

  虽然对于“电源输入”(或者其他标准所说的“电源质量”)是否为真正的EMC测试仍有争论,但是这里把它们加入其中有两条原因。首先,电源/输入/质量测试经常由EMC测试人员在EMC实验室完成。其次,在最新版的DO-160中,某些测试的频率范围已经落入了典型的EMC测试参数中,这些测试中所用的设备与在DO-160和其他EMC标准中使用的许多 “真正”的EMC测试是相似的。

  第16节中的测试用来确定由于飞行器正常和紧急操作引起的AC和/或DC电源的各种变化情况下,EUT可否正常运行。另外,16节还包括了验证EUT是否会对航空器电源产生负面影响,从而损害或者降低其他安装设备性能的测试。

  第16节有趣的一点是它是DO-160中唯一涵盖EUT敏感度(如浪涌、中断、瞬时变化等)和EUT的有害干扰(发射)的产生(如谐波电流、再生能量、电源因素等)的要求与测试的一个节节。以上这些,加上逐渐增加的航空电源系统的复杂度和多样性,及16节较多的内容(在DO-160中共有61页),触发了SC-135进行一些关于将电源输入/质量要求分离出去成为一个完全不同文件的讨论---尽管此时没有考虑马上做出更改。

  为了赶上航空电源系统设计的最新进展,第16节在过去的10年里发生了巨大的变化。随着新的电力系统在最新型航空运输机上的应用,DO-160F也经过了大幅的修改。

  于2001年6月12日发布的DO-160D第二次修改,对第16节做了大幅修订,加入了新的测试,修改了已有的测试,指出了交流谐波电流部分和变频交流电力系统的问题[2]。在DO-160E中,重新编排了整个章节,将所有交流测试放在一个子节节中,而直流测试再另起一个子节节,使第16节更易于使用和理解。DO-160E同样介绍了一些新的测试方法,例如对交流电源设备的直流分量测试,和一个新的 “航空器电力系统的负载设备影响” 子节节。在DO-160F中,交流和直流电力系统需要更多的测试,增加了包括270V直流电力系统的一系列新的测试和测试等级,同时还有一个扩大很多的测试列表,涵盖了EUT对航空电子电力系统的影响。

  直流输入测试

  直流输入测试包括:

  稳态过电压与低电压状况

  纹波电压

  瞬时电源中断

  瞬时跌落与浪涌

  暴露电压衰减时间(仅对270V电压)

  瞬间电流

  交流输入测试

  交流输入测试包括:

  稳态过电压和低电压的情况

  稳态高频与降频的情况

  稳态相位不平衡(三相电)

  电压与频率调制

  电压与频率瞬变

  瞬间电源中断

  瞬间跌落与浪涌

  直流偏置和电压畸变

  谐波电流发射

  相位不平衡(三相电输入)

  直流电源分量

  瞬间电流

  电流调制

  功率因数

  设备类别

  共有三种设备类型(A,B,D,或Z)其指明了设备使用的电力类型和设备可以正常工作的直流和/或交流电源的类型。对于交流驱动的设备,有一个在类别指示符下的附加指示符,由两个字母组成的标志表明:这个设备已经经过测试,用在固定频率(CF),窄带可变频率(NF),或者宽带可变频率(WF)。

  还有四个附加的类别指示符用来指示下面这些测试:

  交流电流谐波(H)

  交流电流调制(L)

  交流功率因数(P)

  直流电流纹波(R)

  交流或直流涌入(I)

  DO-160F新在何处?

  l 包含270V直流驱动的EUT设备新的类别(D)、测试和测试等级。

  l 对于使用三相交流电的EUT设备的相位损失测试。

  l 在“航空器电力系统的负载设备影响”部分增加更多的测试。

  l 所有试验参数的特定容差。

  l “手动重启”的特别定义。

  第17节:尖峰电压

  此测试可判定EUT在尖峰电压输入至交流和/或直流电源端口期间和/或者之后是否可以按照要求运行。只要产生的波形至少有10微秒的持续时间、少于2微秒的上升时间和50欧姆的电源阻抗,就可以使用各种产生尖峰电压的方法。1分钟之内施加至少50V的尖峰电压。此测试与MIL-STD-461F的CS106非常相似。

  设备类别

  有两个设备类别。B类测试等级为交流(rms)和/或直流线电压的两倍(或者200V,取较少者)。A类测试等级为600V。

  DO-160F新在何处?

  l 当所有的输入口都接入相同的电源总线而需要同时测试所有的输入口的要求。

  l 三相电测试设置。

  l 明确电源阻抗容限。

  第18节:音频传导敏感度------电源输入

  此测试可判定EUT在音频干扰注入至交流和/或直流电输入端口期间是否可以按照要求运行。测试配置和步骤与MIL-STD 461F的CS101测试方法基本相同,仅有的不同表现为测试等级与频率范围上。音频干扰利用变压器耦合至所有电源引入线,测试电源引入线及回路线之间的干扰信号的峰-峰电压。测试等级为正常交流输入电压的8%,频率范围从10Hz到150kHz。

  EUT必须在最小和最大的设计电流(如果可能)情况下测试,如果与变频系统一起工作,则同时需在AC电源的极限频率下测试。频率扫描率为每10倍30步进,并且在每个步进频点驻留时间为1分钟。

  设备类别

  三种直流电源设备类别(R,B,和Z)指明了设备使用电力的类别和与设备兼容的直流电源的类型。制定了两个(R和K)交流电源设备类别。R类用一个附加的指示(一个两个字母的符号)说明,类别指示后括号内的符号,表明这个设备已经经过测试并可以使用在固定频率(CF),窄带可变频率(NF),宽带可变频率(WF),K类用来指示EUT已经通过测试可以使用任何交流电源输入和使用在比R类更高的电压失真上。

  DO-160F新在何处?

  l 三相电测试配置。

  l 加入(图1)270V直流测试类别/电平。

  l 270V直流Z类的共模测试(在2x差模等级)。

  l 当所有的输入口都接入相同的电源总线而需要同时测试所有的输入口的要求。

 

  图1 Z类,270V直流传导敏感度测试电平

  第19节:感应信号敏感度

  这本节节电磁兼容测试用来判定设备和互联电缆在音频电场、磁场、和瞬时尖峰电压的作用下是否能按照要求运行。互联电缆的测试等级由暴露在辐射线中的线缆长度决定。对于感应切换瞬变电流(感应尖峰)测试,暴露长度可以是1.2或者3.0米,加在辐射线缆上的尖峰电压至少要达到峰-峰值600V。

  对于电磁场感应进入线缆的情况,测试等级由产品暴露在辐射线缆中的互联电缆长度和加在辐射线缆上的RMS电压或电流来决定。测试等级由“伏特x米”(V-m)或“安培x米”(A-m)来表示。例如,Z类需要电场强度为1800V-m,其对应3米长的电缆暴露在施加电压为600Vrms的辐射线缆所产生的电磁场中。如果由于空间限制,只有少于3米的线缆暴露在辐射线缆中,加在辐射线缆上的电压就要提高,以达到1800V-m的测试等级。当测试遇到线缆最后少于3m的特殊情况时需要特殊处理。在这种情况下,测试等级可能会与耦合长度成比例减少。

  扫频测试的频率范围由设备类别确定。频率扫描率为每10倍30步进,其中在每个步进频点的驻留时间为10秒钟。

  设备类别

  设备类别由两个字母表示,第一个字母(A,B,C或Z)表明进行的测试和测试等级。第二个字母(C,N或W)表明与EUT适配的交流电力系统的工作频率(静态、窄带可变,或宽带可变)。

  DO-160F新在何处?

  l 没有显著的变化。

  第20节:电磁兼容测试射频敏感度(辐射与传导)

  该电磁兼容测试用来确定当EUT和它的互联电缆暴露在射频干扰之中时,EUT是否会按要求运行。需要连续波(CW)、调幅方波(SW)、和脉冲调制(PM)射频信号。线性阻抗稳定网络(LISN)必须与每根电源线和未接地的电源回路串接,并且在LISN的电源输入和接地平板之间接入10μF的电容。除非另有规定,互联线缆至少需3.3米长,电源线不能超过1米。

  电磁兼容测试传导敏感度

  射频传导敏感度测试步骤与MIL-STD-461F中的CS114方法相似。射频干扰使用注入探头耦合进入EUT的互联线缆和电源线中,注入探头在测试前首先要按测试等级进行校准(在50欧姆夹具中)。记录下在校准夹具中每个频点达到规定RF电流所需的RF功率值,由此生成的频率-功率校准表将用于实际的测试中。

  测试时,受测线缆或电源线中引入的射频感应电流由已校准的RF电流探头监控,注入探头的射频功率逐步加大直至到达适合的电流等级(由所使用的设备类别所决定)。注入探头的射频能量不能超过在50欧姆校准夹具中校准时记录的功率电平的6dB以上。测试频率范围从10KHz到400MHz,并且每个测试一般都需要扫描两次---一次使用CW信号,然后再使用SW调制信号。

  电磁兼容测试辐射敏感度

  射频辐射敏感度测试的步骤与MIL-STD-461E中的RS103相似。EUT及其互联线缆和电源线都暴露在频率范围为100MHz到18GHz的射频辐射场中。

  第20节允许使用两种射频辐射敏感度的测试方法。第一种方法与MIL-STD-461F中所提的RS103的测试方法一样,使用一个标准的半电波暗室。暗室必须铺设射频吸波材料,并且规定了吸波材料的最低性能。天线距离EUT的最小距离为1米,并且当天线的波束宽度无法覆盖整个系统时,需要摆放多个天线。如果EUT含有孔缝、连接器、接缝或者外壳上存在其他穿透点,则所有这些部位都必须直接暴露在测试天线下,测试时EUT有必要多次变换位置。

  EUT放置之前需要校准射频场。对每个使用的天线均需记录达到指定测试等级所需的射频功率。在EUT测试期间,将每个测试频率上的校准功率电平加入到天线中。第二种方法是利用模式调节混响室,首次使用暗室前或对暗室进行任何修改后必须进行场均匀性校准和最大暗室负载验证。场均匀性和最大电场强度测量需要在暗室中九个不同位置使用三轴电场探头。同样,测试前需要用无源线性天线在暗室的不同位置移动用以校准天线。在EUT测试时此校准允许用天线来测量暗室的Q值、时间常数和暗室的负载因数。与利用电波暗室测试方法一样,测试时可将每个测试频率对应的校准功率电平加入到天线中。

  设备类别

  第20节的设备类别用两个字母来表示。传导敏感度测试等级用第一个分类字母表示,辐射敏感度测试等级用第二个分类字母表示。传导敏感度有7种设备类别,辐射敏感度有10种设备类别。这些分类表示了进行测试的严酷等级,和/或所使用的调制方式。S类的1V/m是最不严酷的等级,L类是最严酷的等级,需要达到7200V/m。 

  DO-160F新在何处?

  l 减少了设备类别的数量

  l 传导敏感度现在只有一种测试方法

  l 在电波暗室测试方法中,针对需要暴露EUT的空隙和开口的要求,加入了明确的说明。

 

  图2 B,D,F,G,L 类的辐射敏感度测试电平(CW 和SW)

  图3 B,D,F,G,L 类的辐射敏感度测试电平(脉冲)

  第21节:电磁兼容测试射频发射

  此节中所进行的测试用来判断EUT发射的射频干扰是否超过了规定的限值。测试互联电缆和电源线中出现的传导射频发射。EUT、互联电缆和电源线产生的射频辐射发射也需要测试。

  测试必须使用拥有符合第21节表格1中规定的峰值检波器、中频带宽、频率步进大小和驻留时间要求的测试仪表。

  每一个电源线和非接地电源回路线都需要串接LISN,在LISN的电源输入端和接地平板之间接入10μF的电容。除非另有说明,测试时互联电缆至少要有3.3米长,电源线不能超过1米。周围环境辐射电平必须低于适用限值至少6dB,并且在适用限值3dB之内的任何信号都需要测量并记录。

  电磁兼容测试传导发射

  使用钳式电流探头测试互联电缆和电源线中的传导射频电流。探头放置在距离EUT 5厘米的位置,测量频率范围从150kHz到152MHz。

  电磁兼容测试辐射发射

  辐射射频场使用线性极化天线进行测量,频率范围为100MHz到6GHz。与第20节的射频辐射敏感度测试一样,在第21节有两种射频辐射发射测试方法:电波暗室方法和混响室方法。

  电波暗室需要室内铺设吸波材料,并且规定了吸波材料的最低性能。测试天线的距离是1米,当天线的波束无法覆盖整个系统的时候需要多个天线位置。如果EUT含有孔缝、连接器、接缝或者外壳上的其他泄露点,所有这些都必须直接暴露在测试天线下,测试时EUT需要变换多个位置。

  第二种方法是使用混响室,需要进行第20节描述过的场均匀性验证。在EUT安装进暗室后进行EUT负载测量,这些数据在辐射发射测量中作为修正因数使用。对于每一个测试的频率范围,调谐器的每一次旋转,分析仪或者测试接收机需要最少200次扫描。

  设备类别

  共有四种设备类别(B,L,M,H或P)定义了设备的位置和设备与飞行器天线的距离。总之,设备与飞行器天线越接近,越接近飞行器天线“直视”,辐射限值就越严格。

  DO-160F新在何处?

  l 传导发射频率范围已经拓宽到150kHz-152MHz,辐射发射测试的频率范围缩窄为100MHz-6GHz。

  l 对于辐射发射测试加入了在混响室中的新测试方法。

  l 在电波暗室方法中,针对需要暴露EUT的所有孔隙和开放部位,增加了明确说明。

  l 加入了新的限值类别-P类-采用更深的“凹陷”限值对特定的接收机提供附加的保护(图4和图5)。

  l P类设备的辐射发射限值中包括的特别的限值凹陷,是在RTCA 159特别委员会的坚持下最后时刻添加上的,用来对GPS接收机提供特别保护。

  图4 P 类传导射频发射限值- 电源线

  图5 P 类辐射射频发射限值

  第22节:闪电引入的瞬态敏感度

  此类测试利用针脚和电缆束注入到EUT连接器针脚、互联电缆和电源线各类模拟的闪电引入瞬态波形,判断在此期间或过后设备能否按规定运行。针脚注入方法通常情况下用来显示破坏容限,电缆束测试一般情况下用来显示扰乱容限。2002年12月5日发布的DO-160D的第三次修改,对第22节进行了大量修改,主要是对多突发、多冲击线缆束测试方法增加了测试程序、波形和测试电平。新的波形组指示(G到K)也用来涵盖多突发冲击和多脉冲测试。

  针脚注入

  在针脚注入测试中,EUT正常供电,从而使被测试的线路能够正常运行。测试电平定义为信号源规定源阻抗的开路电压(Voc)。例如,波形3,测试等级2规定Voc为250V,短路电流(Isc)为10安培,由Voc与Isc的比值可计算出要求的信号源源阻抗为25Ω。调整信号源产生规定要求的波形3,此瞬态波直接注入接口针脚上。测试后,评估出EUT是否出现性能降低。

  电缆束测试

  电缆束测试可用线缆引入或地面注入的方法,将瞬态波形耦合进入互联电缆束和电源线。

  线缆引入测试方法使用注入探头将瞬态波形注入互联电缆和电源线。地面注入方法与线缆引入方法非常相似,只不过瞬态波形加入到EUT机箱与地面平板之间。

  通过抬高所有本地的地和回路,以及将设备箱体与接地平板绝缘达到EUT与接地板隔离。这个步骤迫使注入到线缆屏蔽层和任何其他回路的瞬态信号返回接地平板。

  每一个电源线和未接地电源回路都必须串接线路阻抗稳定网络(LISN),交流供电设备通过10微法的电容连接LISN的电源输入端和接地平板,而直流供电的设备使用33000微法的电容。除非另有规定,此测试要求互联电缆至少3.3米长,电源线不能超过1米长。

  对于每一种波形,规定的每个电压或者电流测试等级,都有相应的电流或电压限值。例如,波形2、测试等级3,规定了300V的测试电平(VT)和600安培的电流限值(IL)。这些要求意味着在测试过程中要增大信号源输出电平,直到注入探头带的单圈监视环上测到的峰-峰值电压为300V,或直到引入到电缆或电源线的电流为600安培为止。

  电缆束测试可以只使用单冲击方法,或者使用单冲击、多冲击和多突发相结合的方法。

  单冲击测试方法用来表征航空器内部布线对最严酷的航空器外部闪电冲击的影响。规定的测试波形的单次触发(冲击)注入到被测试的电缆束或者线缆中,每一个极性重复应用总共10次。

  多突发测试方法用来表征航空器内部布线对于航空器外部多冲击性质的闪电脉冲产生的感应影响(图6)。规定的测试波形注入到被测试的电缆束或线缆之中,并且每个极性至少要重复5分钟。

  设备类别

  类别定义由5个字符组成,描述了针脚和线缆测试波形组和测试等级。

  三针脚注入测试波形被分成了两个波形组(A和B)。5个电缆束测试波形被分成4个单冲击波形组(C到F),和4个组合的单冲击、多脉冲、和多突发波形组(G到K)。

  DO-160F新在何处?

  l 在测试等级和方法上没有明显的改变。

  l 加入了波形参数的明确定义。

  l 重新编排整理,通过在测试步骤中将注解移动至图标下方的合适段落,增加了可读性。

  l 增加了确定“噪声”波形测试电平的指导说明。

  第23节:闪电直接影响

  此节的测试用来判定外部挂载的电气电子设备能够忍受严酷闪电冲击的能力。在测试中设备通常不供电,这些测试经常会对EUT产生破坏(有些时候会是严重的破坏)。需要达到上千千伏的高压和/或上百千安培的电流。

  设备类别

  类别定义由4个字符组成,描述了使用的测试波形的特征和严酷等级。前两个字符表明了高电压冲击附加测试类别,后两个字符表明了高电流物理损坏测试类别。EUT的类别确定应对应EUT在航空器上安装处的闪电冲击区域。

  DO-160F新在何处?

  l 在整节中加入了测试波形和方法的明确定义,极大的增强了实用性。

  l 增加了表格及改进(增加)了图示,使测试步骤更加易于理解。

  l 增加了区分电压和电流测试的类别定义。

  l 类别定义清晰化,删除了F类别。

  第25节:电磁兼容测试静电放电(ESD)

  此测试用来判定EUT在空气静电放电测试中和测试后是否仍能够按照规定正常运行。除了EUT放置在接地平板上并且规定了只需要空气放电之外,所使用的测试步骤和信号源与其他绝大多数国际ESD标准相似。测试点选取基于人体接触的部位,在每一处都需要进行10次正极和10次负极的15kV放电测试。

  设备类别

  只有一个类别(A),测试等级为15kV。

  DO-160F新在何处?

  l 除了图表印刷排版错误的更正外,没有明显的更新。

  SC-135的最新动态:

  从最近(2008年3月)的SC-135会议上获知,有一些在将来可能会有所变化的条目举例如下:

  DO-160F的许多节后增加“用户导则”附录(仅是资料性)。

  第16节会有更多的测试和电源类型。

  作为混响室测试方法的可选项,第20节会重新引入“搅拌模式”。

  第21节会被重新修订,将包括特别限值和步骤,用来着重保护用于导航的机载GPS接收机。

  第25节将会重新修订,加入更多的测试等级分类、接触放电和间接放电测试。

  上述这些以及更多的修订,已被建议加入新的即将于2020年12月出版的DO-160G中。

  总结

  RTCA/DO-160和它的欧洲对应版本—EUROCAE/ED-14,是航空电子电器设备的电磁兼容测试系统要求的世界标准。测试等级、要求和步骤反映了航空科技和EMC测试方法的最新进展。鉴于航空科技和EMC电磁兼容测试方法都在迅速的发展中,将对下个修订版本RTCA/DO-160继续进行研究。

  参考文献

  1. RTCA/DO-160E,“航空设备的环境条件与测试方法”,RTCA,Inc.,12月9日,2004

  2. RTCA/DO-160D,“航空设备的环境条件与测试方法”,RTCA,Inc.,7月29日,1997

  3. MIL-STD-461F, “分系统与设备的电磁干扰特性控制的要求”,国防部接口标准部,12月10日,2007


 

  Erik Borgstrom已经在EMC测试领域工作了超过21年。他目前在Environ实验室任EMC项目经理,为国防与航空工业领域的EMC测试专家。Borgstrom先生是IEEE的活跃分子,作为标准咨询和通信委员会的委员。他还是IEEE的EMC分会对RTCA的联络员。 Borgstrom先生也积极参加SAE委员会的AE-2和AE-4(HIRF)的活动,并且是Environ在RTCA的代表,由此他是RTCA特定委员会135的成员,为DO-160第25节(ESD)的修改协调员。

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