Overhold MIL-standarder for kvalitetskontrol af militært udstyr

Når udstyr til militært brug skal kvalitetssikres anvendes MIL-standarder, som specificerer minimumskrav til elektriske og mekaniske komponenter og apparater. Systemet, som er udviklet af USA’s militær, anvendes som kvalitetsreference verden over.

MIL-standarden over dem alle for EMC har siden 1960’erne været 461. Den nyeste version er MIL-STD-461G. Når den standard benyttes, er det næsten altid skrappe krav, der varsles. Til gengæld er den udbredt og anerkendt i det meste af verden.

Pas på med omfanget – det er stort!

Lov aldrig at overholde ”hele MIL-STD-461”. Uden begrænsninger vil det medføre, at der skal overholdes både EMP-test, lyntransienttest og HF-indstrålingstest med 200 V/m. Også på emissionssiden kan kravene være svære at overholde. Som udgangspunkt kan udstyrsklassen ”Ground, Army” benyttes, hvis ikke kunden allerede har fastlagt sine forventninger. De pågældende tests ses i skemaet Figur 1, hvor Ground, Army har 8 stk. ”A”, der er Applicable Tests.

Revision G med flere tilnærmelser

MIL-STD-461G er af amerikansk oprindelse og udgives af det amerikanske Department of Defence. Den har dermed ingen relation til EU-standardisering eller international IEC-standardisering i øvrigt.  MIL-STD-461 indeholder omkring 20 testparametre, hvoraf de 10-12 er relevante for størstedelen af produkterne.

Standarden er meget systematisk med betegnelse for de forskellige testparametre. Alle emissionstestparametre hedder ”E” som slutbogstav. Eksempel: RE – Radiated Emission for alle feltbårne emissionstests. Tilsvarende hedder immunitetsparametrene ”S” for Susceptibility, der er standardens term for ”påvirkelighed”. Susceptibility er det duale udtryk for immunity. Eksempel: Conducted Susceptibility for ledningsbåret immunitetstest. Derudover har testene 3-cifrede løbenumre.

I forbindelse med udgivelsen af version G er testomfanget blevet udvidet lidt, idet for eksempel ESD-testen CS118 (test med elektrostatiske udladninger) helt svarende til den civile ESD-standard IEC 61000-4-2 er indføjet. I tråd med MIL-standardens systematik er der dog tilføjet en specialitet: Et tvungent ”check” af testopstillingen, inden man udfører test på sit produkt. Man skal verificere, at der rent faktisk er spænding tilstede på udgangen af ESD-generatoren inden test, ligesom man for alle andre test skal verificere, at testsignalet er korrekt indstillet, inden man fuldfører en test. Alle emissionsmålinger skal indeholde et sæt data, hvor man påfører et kendt signal til målenetværk, strømprobe eller antenne og verificerer, at der måles det forventede. Det er indbygget kvalitetssikring og dermed god laboratoriestil.

MIL-standarden er også blevet udvidet med en krævende test hentet fra luftfartsverdenen: Test CS117. Den beskriver test med mere end 5 forskellige transienter og skal anvendes til at verificere elektronik, der skal anvendes med risiko for inducerede forstyrrelser fra lynnedslag i nærheden (ikke direkte lynnedslag).

Immunitet i hele frekvensområdet – ingen fristeder!

Den største udfordring for elektronikproducenter, der møder MIL-STD-461 for første gang, er det store frekvensområde. Kravene starter for nogle typer udstyr ved 30 Hz. Og HF-indstråling slutter ved 18 eller 40 GHz.

Det store frekvensområde betyder, at virkeområdet for EMI-filtre på strømforsyning og signalforbindelser skal udvides i forhold til ”de sædvanlige” CE-mærkningskrav. Det betyder også, at for eksempel switch frekvensen i en strømforsyning ikke kan placeres udenfor kravenes frekvensområde. Test CE102 ligner rigtig meget den civile måling af Conducted Emission i henhold til CISPR 16-2-3. Der anvendes endda samme impedansforløb for måleimpedansen (50 Ω 50 μ LISN). Men kravene starter ved 10 kHz, og det kan kræve design af en ekstra filtersektion på netfiltret.

BCI konceptet – Bulk Current Injection

Tests med ledningsbårne signaler (CS-tests) foregår i frekvensområdet 30 Hz til 200 MHz. Test CS114 udføres på alle kabler. 200 MHz er så høj en frekvens, at filterkomponenter og skærmede kabler skal være velkonstruerede for at kunne virke. Og det store frekvensområde betyder, at der er meget høj sandsynlighed for, at der bliver indkoblet på netop den mest sårbare frekvens i systemet eller den frekvens, hvor filtre og skærme virker dårligst.

MIL-standarden anvender BCI-probe til immunitetstest. Fysisk er det en magnetkerne med en vinding, som testsignalet tilsluttes. Magnetkernen kan åbnes og sættes omkring et kabel. Indkoblingen sker magnetisk, så man behøver ikke forbinde koblingsnetværk eller lignende til testobjektet. En BCI-probe kan derfor benyttes på alle former for kabler.

Betegnelsen ”bulk” henviser til, at BCI-proben indkobler på alle ledere i et kabel på én gang. Om der rent faktisk genereres en strøm i alle ledere, afhænger af den impedans, som hver leder ender i (i hver ende af kablet). Det giver derfor ingen mening at udføre BCI-indkobling på et kabel, der ender blindt. Man er nødt til at tilslutte kabler til periferudstyr eller simuleringsbokse, der svarer til en realistisk impedans. BCI-indkoblingen er en Common Mode (CM) indkobling. Den indfører ingen differentielle testsignaler, og den modellerer dermed den situation, at et HF-støjsignal overføres fra et andet støjende kabel, som er ført parallelt i for eksempel en kabelbakke. Common Mode signaler (inducerede CM-strømme) kan også optræde, hvis et kabel opfanger radiobølger gennem luften.

Teststrømmene i test CS114 kan være op til 300 mA. En så kraftig strøm kan destruere komponenter i interfacekredsløb, hvis ikke der er anvendt filterkomponenter, som kan tåle og reducere strømmen.

De kraftige elektromagnetiske felter

Den mest udfordrende immunitetstest for MIL-kunder er RS103: HF-indstråling i frekvensområdet 2 MHz til 40 GHz. Visse testklasser kan slippe med frekvensområdet 30 MHz til 18 GHz. Under alle omstændigheder er det store frekvensområde en udfordring. Kabelskærme begynder ofte at være virkningsløse allerede under 1 GHz. Selv gode kabinetter bliver utætte over 1 GHz, og filtre på printkort skal være udført omhyggeligt og med ground plane lag for at kunne virke over 1 GHz. Igen medfører det store frekvensområde, at testfrekvensen på et eller andet tidspunkt træffer netop den frekvens, hvor filterdæmpning er minimal, og kredsløbet er følsomt. Det svarer dog fuldstændig til et worst-case scenarie, hvor en radiofrekvens eller måske et bredbåndet støjsignal fra en motorstyring optræder i brugsmiljøet for produktet.

Feltstyrken på 200 V/m er den kraftigste testklasse i standarden. Den anvendes for udstyr, som monteres i fly eller på åbent dæk på et skib. De ”lavere” testklasser er på 50 V/m og ned til 10 V/m, som det svageste. 10 V/m er den testklasse, som civile standarder anvender for industriudstyr.

For at kunne generere feltstyrker på 200 V/m i laboratorier skal man anvende forstærkere, der er i kiloWatt størrelse. Især frekvensområdet 30-100 MHz er svært, da man har brug for en stor antenne, der samtidig skal kunne være 1 m fra testemnet. I området over 1 GHz er effektforstærkere en kostbar facilitet. Men standarden tillader brug af et reverberation chamber, som med sine resonansstrukturer (se Figur 2) kan skabe konstruktiv forstærkning af bølgemønstrene, så man kan opnå de 200 V/m eller mere med rimelig forstærkereffekt. Civile standarder beskriver i dag indstrålingstest op til 6 GHz. Derfor er kommercielle HF-forstærkere med power transistorer ved at være almindelige.

TWT – vandrebølgeforstærkere

Skal man over 6 GHz, er forstærkerne ofte opbygget med ”vandrebølgerør” – TWT (Travelling Wave Tube). Vandrebølgerøret er næsten et ”fysikforsøg” installeret i et forstærkerkabinet. Princippet er vist på Figur 3 og består i at få overført energien fra en kraftig elektronstråle til samme frekvens som det HF-signal, der tilkobles vandrebølgerørets indgang.

Elektronerne dannes ved opvarmning af katoden med en glødetråd. Anode og gitter (grid) frigør elektronerne og former elektronstrålen, der passerer gennem røret. Den lange helix-struktur benyttes til at skabe en langsomt vandrende bølge fra venstre til højre på figuren. HF-signalet udbreder sig på helix-overfladen med omtrent lysets hastighed, men på grund af snoningsvinklen (stigningen) på helix-strukturen bliver bølgestrukturen i røret en del langsommere end lyshastigheden. Langs med helixen sker der en vekselvirkning mellem det signal, der fødes ind i indgangen og elektronstrålen. De lokale elektriske feltstyrker tæt på hver helix-vinding accelererer eller bremser elektroner i strålen, og elektronerne i strålen samler sig i ”klumper”, som passer med frekvensen af indgangssignalet. Vekselvirkningen er gensidig, så elektronstrålen inducerer signal i helix-strukturen, og forstærkningen ved passagen gennem røret er stor (måske 100 gange). Ved udgangen er en del af elektronstrålens energi overført til helix-strukturen og tages ud på udgangskonnektoren. Den resterende energi afleveres ved elektronstrålens kollision med kollektor-elektroden. Det kræver stor erfaring at kunne opbygge og producere et vandrebølgerør, og kun en håndfuld fabrikanter i verden (som for eksempel Teledyne, CPI og L3 EED) producerer rør og forstærkere. De mest bredbåndede TWT-forstærkere klarer et frekvensområde på 2 dekader –  for eksempel 2-8 GHz. Et lille styktal gør priserne høje, og røret er sammen med flere kraftige højspændingsforsyninger med til at gøre forstærkerne kostbare.

Støj og forvrængning

Udover pris og kompleksitet er forstærkerne vanskelige, da de genererer et ret groft signal, som sammen med det ønskede signal har en del støj og harmoniske overtoner. Et eksempel er vist på Figur 4, hvor A viser ind- og udgangssignal på en 2-8 GHz TWT-forstærker på 250 W. Ved brug af output filtret følges indgang og udgang nogenlunde ad, og signalet er pænt. Uden filtret (B) ser signalet mere forvrænget ud. Der er forskel på positiv og negativ halvperiode, hvilket viser indhold af lige harmoniske overtoner i signalet. Dette kan have betydning for EMC-testresultater, hvis forvrængningen bliver så kraftig, at forstærkeren nærmest tester flere frekvenser samtidig.

Forkortelser

BCI: Bulk Current Injection
EN: European Norm
EU: European Union
EUROCAE: European Organisation for Civil Aviation Equipment
IEC: International Electrotechnical Commission
ISO: International Standardisation Organisation
LISN: Line Impedance Stabilization Network
RTCA: Radio Technical Commission for Aeronautics