Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları HAVAIIK VE UZAY TEKNOOJİEİ DEGİİ TEMMUZ 2009 İT 4 AYI 2 (29-37) HAVA AAI KABOAINDA ÇAPAZ KAIŞMA ÖÇÜMEİ VE KABO AYIM KUAAI Fatih ÜTÜ* Nevzat TAIM Gülay İYİBAKANA TÜBİTAK UEKAE Gebze, Kocaeli 1 inci Hava İkal Bakı Merkezi Koutanlığı Eskişehir Anadolu Üniversitesi Eskişehir fatih.ustuner@uekae.tubitak.gov.tr n.tari@hvkk.tsk.tr giyibaka@anadolu.edu.tr Geliş Tarihi: 29 Nisan 2009, Kabul Tarihi: 06 Teuz 2009 ÖZET Hava araçlarında kullanılan kabloların tiplerinin belirlenesinde ve yerleşiinde fonksiyonel ve çevre şartları isterleri haricinde elektroanyetik uyululuk isterleri de öneli role sahiptir. Bu bildiride çapraz karışa açısından hava aracı kabloları inceleniştir. Gerçek platforlarda kullanılan kablolar üzerinde alınan çapraz karışa ölçüleri veriliştir. Kablo ayrı esafesinin çapr az karışa üzerindeki etkisi vurgulanıştır. Anahtar Kelieler: EMI,EM, Kablolar Arası Çapraz Karışa, Kuplaj. OTAK MEAUEMENT OF AIAFT ABE AND ABE EGEGATION UE ABTAT Besides environental conditions and functionality, requireents of electroagnetic copatibility have considerable role on designation cable types and their installation in the aircraft. In this article, aircraft cables are studied fro the crosstalk point of view. The easureent results of crosstalk of the real aircraft cables are given. Effect of cable separation space on crosstalk is stressed. Keywords: EMI,EM,rosstalk,oupling. 1. GİİŞ Hava araçlarında kullanılan kabloların tiplerinin belirlenesinde ve yerleşiinde fonksiyonel ve çevre şartları isterleri haricinde elektroanyetik uyululuk isterleri de öneli role sahiptir. Elektroanyetik girişi açısından hava araçlarındaki kablolarla ilgili probleler üç ayrı kategoride incelenebilir: (1) Platfor üstü veya harici F vericilerden kaynaklanan elektroanyetik alanların kablolara kuplajı, (2) Kablolardan yayılan elektroanyetik alanın platfor üstü antenli alıcılara kuplajı, (3) Kablolar arasında kuplaj veya kısaca çapraz karışa (crosstalk). İlk iki adde kabloların uçak üzerinde yerleşii ve ekranlaa gereksinileri açısından öne arzederken üçüncü adde yukarıda belirtilen hususlara ilave olarak farklı tiplerde kabloların birbirine olan esafesini belirleede öneli rol oynar. Havacılık terinolojisinde kısaca kablo ayrıı olarak bilinen bu konu eski veya yeni platforların entegrasyonunda göz önüne alınan teel bir husus olup EMI/EM kontrol planlarının en öneli alt başlıklarından birini oluşturaktadır. Hava araçlarında kablo ayrıında kullanılan standardize olaış ve üretici firaların tecrübeler sonucu geliştirdikleri ayrı kuralları vardır. Bu kurallar ülkeden ülkeye ve platfordan platfora değişiklik arz etektedir. Bu konuda evrensel bazı kuralların ortaya konası aacıyla NATO hava araçları elektrik ve elektroanyetik faktörler çalışa grubunda (Air Electrical and Electroagnetics onsiderations Panel - AEP) Türkiye tarafından bir * orulu Yazar ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 29
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları üttefik yayının (allied publication - AP) ortaya konası talep ediliştir. Böyle bir doküana teel teşkil etesi aacıyla hava araçlarında kullanılan örnek kablolar üzerinde çapraz karışa ölçüleri gerçekleştiriliştir. 2. ÇAPAZ KAIŞMA OAYI VE HAVA AAI KABOAI Hava araçlarında birçok farklı özellikteki kablo yan yana platfor boyunca uzanırlar. Bu kablolar arasında kuplaj utlak vardır. Ancak bu kuplajın etkinlik derecesi kabloların fiziksel özelliklerine ve bağlantı terinalleri özelliklerine bağlı olarak değişir. Hava aracında kullanılan kabloları işlevlerine göre aşağıdaki ayrıa tabi tutabiliriz: Güç Kabloları o 115 VA / 400 Hz o 28 VD enkro kabloları es frekansı (audio) kabloları Görüntü (video) kabloları adyo frekans (F) kabloları Veri kabloları Güç kabloları, üzerinden yüksek akıların geçtiği özellikle düşük frekansta gürültü akıı zengin kablolardır. Hava aracı ana güç üreti ve dağıtıında üç faz 115 VA 400 Hz kullanılaktadır. Bu kablo üzerinde öncelikle 400 Hz güç gerilii vardır. Bununla birlikte hava aracında evcut elektrikelektronik cihazların iletkenlik yoluyla yaydığı gürültü gerilii de evcuttur. Bu gürültünün gerili seviyesi hava aracı elektriksel güç standardı MI-TD-704 de tanılanıştır [1]. Bu doküana göre gürültünün genliği frekansa bağlı değişekte olup 3.16 Vrs seviyelerine kadar yükselebilektedir (1 khz 3 khz arası). Güç kabloları diğer kabloları etkileyen unsur niteliğindedir. enkro kabloları faz bilgisini bir noktadan bir noktaya taşıak için kullanılırlar. Özellikle kokpitte kullanılan göstergelerin heen hepsi senkro kabloları vasıtasıyla sürülür. 400 Hz frekansında çalışır. Üzerinde 26 VA genliğinde işaret taşınır. Bu kablolar güç hattından etkilene riski yüksek kablolardır. es frekansı (audio) kabloları genellikle dahili haberleşe için kullanılan kablolardır. Bununla birlikte sensör hatlarında da kullanılırlar. Dahili haberleşe ikrofon hatları için 600 oh sonlandıra epedansları kullanılaktadır. Millivoltlar ertebesinde gerili seviyesinde çalışabilirler. Güç kablolarından ve F verici kablolarından etkilene ihtialleri evcuttur. Bu hat üzerinde alınganlık frekans aralığı 30 Hz 15000 Hz e kadar değişektedir. Görüntü kabloları 170 protokolunda video bilgisini iletek için kullanılırlar. Üzerlerinde 5 MHz e kadar giden bir frekans spektruunda işaret taşırlar. onlandıra epedansları 75 oh seviyesindedir. Bu kablolar özellikle glas kokpit özelliğine sahip yeni nesil uçaklarda kokpitte bulunan gösterge panellerini sürdüğünden kritik önee sahiptirler. Etkilene riski bulunan kablolardır. adyo frekans (F) kabloları hava aracında bulunan tü antenli sistelerde anten bağlantısında kullanılan kablolardır. Antenli sistein niteliğine bağlı olarak üstünde taşınan işaretin genlik ve frekansı değişektedir. Antenli siste eğer bir verici ise üstünde 100 V lar seviyesine varan işaret gerilii olabilektedir. Antenli siste eğer bir alıcı ise üstündeki işaretin genliği 1 uv un altına dahi düşebilektedir. Dolayısıyla F kabloları verici konuunda etkileyen alıcı konuunda ise etkilenen niteliğine sahiptirler. F kabloları uçak üzerinde çok geniş bir frekans aralığında kullanılakla beraber esas ağırlıklı olarak ilgilenilesi gereken frekans bölgesi HF / VHF / UHF bantlarını kapsayan 2 400 MHz frekans aralığıdır. Hava araçlarında MI-TD-1553B standardına [2] uygun veri haberleşesi için veri kabloları evcuttur. Bu kablolarda 1 MHz hızında haberleşe işaretleri vardır. İşaret genliği 18 27 V arasında değişektedir. Hattın karakteristik epedansı ve sonlandıra epedansları yaklaşık 75-80 oh seviyelerindedir. Özellikle güç hatlarından etkilenebilir. 3. KAN AANINDA ENDÜKTİF- KAPAİTİF KUPAJ MODEİ Kablolar arası çapraz karışanın odellenesi için dağıtık ileti hattı odelinden yola çıkılabileceği gibi düşük frekanslarda toplu elean kullanıı ile Şekil 1 de gösterilen basitleştiriliş endüktif-kapasitif kuplaj odeli de kullanılabilir. Burada =l ve =c, ise topla hat uzunluğudur. Şekilde görülen gerili kaynağı girişi kaynağı kablodan, etkilenen kabloya gerçekleşen endüktif kuplajı, akı kaynağı ise girişi kaynağı kablodan, etkilenen kabloya gerçekleşen kapasitif kuplajı gösterektedir. G indisi ise girişi kaynağındaki gerili ve akı seviyelerine işaret etektedir[3] ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 30
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları jw I Gdc - V jw V Gdc V - - Şekil 1. Frekans Alanında Basitleştiriliş Endüktif Ve Kapasitif Çapraz Karışa Kuplaj Modeli Hat elektriksel olarak kısa, bir başka deyişle hat gerili seviyesine ( ) bağlı olarak aşağıdaki gibi uzunluğu sinyal dalga boyundan çok çok küçük olsun (<<λ). Bu duruda etkilenen hatta kuple olan akı ifade edilebilir: [3]. ve gerili seviyeleri girişi kaynağı devrenin kaynak I G dc (3.1) VG dc V (3.2) Yakın kenarda ve uzak kenardaki çapraz karışa seviyesini superpozisyon teoreini kullanarak aşağıdaki gibi yazabiliriz. İlk teri endüktif kuplajı ikinci teri ise kapasitif kuplajı gösterektedir [3]. = I G dc V (Yakın kenar) (3.3) G dc = I G dc V (Uzak kenar) (3.4) G dc 1 = V j V ω (3.5) 1 = V V (3.6) Buradan hareketle, çapraz karışa, yakın kenardaki kuplajın ( ) ve uzak kenardaki kuplajın ( ), girişi kaynağı devrenin kaynak gerili seviyesine ( ) oranı şeklinde bir transfer fonksiyonu olarak aşağıdaki gibi gösterilebilir[3]. = (3.7) ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 31
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları = (3.8) = = IND AP ( M M ) IND AP ( M M ) (3.9) (3.10) M M M M IND AP IND AP Burada = (3.11) = (3.12) = (3.13) AP = M = (3.14) Yukarıda verilen denkleleri frekansa bağlı çizdirdiğiizde elde edilen eğri Şekil 2 de verildiği gibidir. V IND V, V IND V, V AP V V AP V 20 db/decade (Krostalk Oranları) (Frekans) f Şekil 2. Çapraz Karışa Oranının Frekansa Bağlı Grafiği ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 32
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları 4. ÇAPAZ KAIŞMA ÖÇÜMEİ Kablolar arasında kuplaj seviyesini ölçek aacıyla EN3475-808 standardından [4] yola çıkılarak bir ölçü düzeneği geliştiriliştir (Bkz. Şekil 3). Bu ölçü düzeneğinde etkileyen kablo ile etkilenen kablo birbirine paralel 10 boyunca uçak gövdesinin benzetiini yapan bir toprak düzlei üzerinde seriliştir. Kablolar toprak düzleinden 5 c yukarıda tutuluştur. Kablolar arasındaki esafe ölçüde değiştirilen paraetrelerden birisi oluştur. Üç farklı esafe ele alınıştır. Önce kablolar aralık bırakılaksızın yan yana tutuluş, daha sonra iki kablo arasında 2.5 c esafe bırakılış ve son olarak iki kablo arasındaki esafe 5 c ye çıkarılıştır. Etkileyen kablo bir işaret üreteciyle sürülen çıkış epedansı son derece düşük bir güç yükselteci ile besleniştir. Güç yükseltecinin etkileyen kablo terinalinde oluşturduğu gerili seviyesi bir T çıkışı kullanılarak yüksek giriş epedanslı bir ultietre tarafından ölçülüştür. Etkileyen kablo 50 oh epedansıyla sonlandırılıştır. 50 oh girişli bir spektru analizör ile etkilenen kablonun sırasıyla her iki terinalinde de endüklenen gerili ölçülüştür. Ölçüler esnasında etkilenen kablonun boştaki terinali 50 oh ile sonlandırılıştır. Ölçü alınan terinal etkileyen kablonun sürüldüğü tarafa yakınlığına bağlı olarak adlandırılıştır (yakın terinal : - near end, uzak terinal : far end). Etkilenen kablonun ekranı var ise ölçüler üç farklı ekran sonlandırası için ayrı ayrı alınıştır. Birinci duruda ekran her iki terinal tarafında da sonlandırılaıştır. İkinci duruda yakın terinal tarafındaki ekran toprak düzleine bağlanırken diğer terinal bağlanaıştır. Üçüncü duruda ise her iki terinalde de ekran, toprak düzleine irtibatlanıştır. Ölçüler 300 Hz 1 MHz frekans aralığında gerçekleştiriliştir. Ölçülerde etkileyen kablo olarak öncelikle 115 VA 400 Hz kablosu ele alınıştır. Etkilenen kablo olarak ise sırasıyla senkro, ses frekansı, görüntü, 28 VD ve veri kablosu ölçüe giriştir. Ölçülerde kullanılan kabloların özellikleri aşağıda veriliştir: M27500-22-B3U-23 üçlü burgulu AWG22 ölçüsünde ekransız kablodur. 115 VA 400 Hz güç dağıtıında kullanılır. M22759/34 tekli dönüşünü hava aracı şasesinden sağlayan AWG22 ölçüsünde 28 VD güç beslee kablosudur. M27500-22-D3T-23 senkro hatları için kullanılan üçlü burgulu ve ekranlı kablodur. M27500-22-D2T-23 kablosu ekranlı burgulu çift hatlı bir kablodur. es frekansı hatları için kullanılır. 7530-A5314 görüntü hatları için kullanılan triaksiyel kablodur. Dahili ekran dönüş hattı olarak işlev görürken harici ekran sadece ekranlaa için kullanılaktadır. TM01-600 MI-TD-1553B haberleşe hatları için kullanılan ekranlı burgulu çift hattır. G400 koaksiyel yapıya sahip çift örgülü radyo frekans kablosudur. F hatlarının tüünde kullanılaktadır. Şekil 3. Düşük Frekans (300 Hz 1 MHz) Çapraz Karışa Ölçü Düzeneği F verici kablosunun diğer kablolar üzerindeki etkisini değerlendirek için yukarıda verilen ölçü düzeneği test cihazı ve ölçü frekans aralığı açısından değiştiriliştir. İşaret üreteci spektru analizör cihazları yerine HP 8753D network analizör kullanılıştır. Dinaik ölçü aralığını artırak için bir F güç yükselticisinden yararlanılıştır. Bu kez ölçü 2 400 MHz arasında yapılıştır. Bu test sadece G400 ile M27500-22-D2T ses frekansı kablosu arasında yapılıştır. ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 33
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları Elde edilen ölçü sonuçları aşağıdaki gibi derleniştir: 115 VA güç kablosu ile diğer kablolar arasındaki kuplaj seviyesi yakın terinal ve uzak terinal için sırasıyla Şekil 4 te ve Şekil 5 de veriliştir (kabloların ekranlarının her iki taraftan da toprak düzleine irtibatlı olduğu konuda). Şekilden görüldüğü gibi çapraz karışa seviyesi frekansla doğru orantılı olarak artıştır. En az etkilene görüntü kablosunda görülüştür. Görüntü kablosunu diğer burgulu ekranlı yapıya sahip olan ses frekansı, MI-TD-1553 veri kablosu ve senkro kabloları izleiştir. En yüksek etkilene ise 28 VD kablosunda görülüştür. Yine 115 VA güç kablosu ile diğer kablolar arasında ekranlaa yönteleri ve kablolar arası esafeye bağlı olarak çapraz karışa seviyesinin değişii ile ilgili örnek olarak 115 VA es frekansı kablosu çapraz karışa ölçüleri Şekil 6 da veriliştir. Şekilden görüldüğü gibi ekranın tek veya çift noktadan toprak düzleine bağlanası çapraz karışa seviyesinde belirgin bir iyileşe eydana getirektedir. Kabloları birbirinden uzaklaştıra ise özellikle ilk 2.5 c lik esafede etkin gözükekte (yaklaşık 9 db) sonraki 2.5 c lik esafe artırıı çok fazla bir iyileştireye yol açaaaktadır (yaklaşık 1 db). Bu hususla ilgili olarak diğer kablolarda gerçekleşen esafeye bağlı çapraz karışa iyileşe seviyeleri Tablo 1 de veriliştir. Tablodan görüldüğü gibi tü kablolarda ilk 2.5 c lik esafede yaklaşık 9 db lik bir iyileşe elde edilirken 5 c de bu iyileşe 10 db seviyesinde gerçekleşiştir. Mesafe audio- XT Tablo 1. Mesafeye Bağlı Çapraz Karışa Azalası audio- XT Ortalaa Çapraz karışa İyileşesi (db) video- video- senkro- senkro- XT XT XT XT s1553- XT s1553- XT 2.5 c 8.76 8.69 9.21 8.98 9.51 9.04 9.38 9.34 5 c 9.73 9.71 10.17 9.91 10.31 10.03 10.39 10.34 on olarak F verici kablolarından diğer kablolara 2 400 MHz frekans aralığında olabilecek kuplaja örnek olarak G400 F kablosu ile ses frekansı kablosu arasındaki çapraz karışa grafiği Şekil 7 de veriliştir. Şekilden görüldüğü gibi sonuçlar -100 ila - 120 db arasında değişektedir. Bu sonuç G400 kablolar için üreticiler tarafından verilen 100 db ekranlaa etkinliği değeri ile uyu içindedir. Bu seviye 100 V seviyesinde gerili taşıyan bir G400 kablosunun yanına serilen ses frekansı kablosunda en fazla 1 V gerili elde edileceğini gösterektedir. Şekil 4. Yakın Kenar Çapraz karışa Ölçüleri ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 34
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları Şekil 5. Uzak Kenar Çapraz karışa Ölçüleri Şekil 6. 115 VA Güç Kablosu ile es Frekans Kablosu arası Kuplaj ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 35
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları Şekil 7. F Kablosu ile es Frekans Kablosu arası Kuplaj 5. ONUÇ Bu çalışada gerçek hava aracı kabloları kullanılarak çapraz karışa ölçüleri yapılıştır. Bulunan sonuçlar ile teorik olarak yapılan hesaplaalardaki sonuçlar birbirine benzer çıkıştır. Kullanılan kabloların niteliği oldukça iyi seviyede olduğundan elde edilen çapraz karışa seviyeleri çok yüksek seviyede çıkaıştır. Triaksiyel veya burgulu/ekranlı kablo kullanıının çapraz karışanın azaltılasında öneli rol oynadığı görülüştür. Mesafenin artırılası gibi önlelerde ise ilk 2.5 c esafe artırıının anlalı çapraz karışa iyileşelerine yol açtığı ilave artırıların belirgin iyileşelere yol açayacağı ortaya çıkıştır. ÖZGEÇMİŞE Fatih ÜTÜ 1967 yılında İstanbul da doğuştur. 1991 yılında Ortadoğu Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüünden lisans derecesini alıştır. Aynı bölüde yüksek lisans çalışasını 1994 yılında taalaıştır. 1991-1995 yılları arasında AEAN A.Ş. de çalışış, 1996 dan bu yana ise TÜBİTAK UEKAE de çalışaktadır. 2002 yılında akarya Üniversitesi Fen Bilileri Enstitüsü nden doktora derecesini alıştır. Ana çalışa konusu elektroanyetik orta etkileridir. Nevzat TAIM 6. KAYNAKA [1] MI-TD-704E, Aircraft Electric Power haracteristics, A.B.D. avuna Bakanlığı, 1991. [2] MI-TD-1553B, Aircraft Internal Tie Division oand/esponse Multiplex Data Bus, A.B.D. avuna Bakanlığı, 1978 [3] layton.paul, Introduction to Electroagnetic opatibility, Wiley&ons, 2nd Edition 2006. [4] EN 3475-808, Aerospace eries ables, electrical, aircraft use Test ethods Part 808: ross-talk, Avrupa tandardizasyon Koitesi, 2002. ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 36 1967 yılında Eskişehir de doğuştur. 1991 yılı Anadolu Üniv. Elektrik-Elektronik Mühendislği Bölüünden ezun oldu. 1992 yılında ENA ( Ecole Nationale Aviation ivile) adar ve eyrüsefer yardıcıları uzanlığını bitirdi.1992-1997 yılları arsında Anadolu Üniversitesi ivil Havacılık Yüksek Okulu nda çalıştı. Yüksek isansını 2004 yılında Osangazi Üniversitesi Fen Bilileri Enstitüsü Elektronik Anabili Dalı nda taaladı. Elektroanyetik Girişi ve Uyululuk konularıyla ilgilenektedir. Şu anda Doktora Eğitiine Anadolu Üniversitesi ivil Havacılık Ana Bili dalında deva etekte ve 1 inci HİBM K.lığı Tekno. lh. is. Glş. Bşk.lığında çalışaya deva etektedir.
Hava Aracı Kablolarında Çapraz Karışa Ölçüleri ve Kablo Ayrı Kuralları Gülay İYİBAKANA İlk, orta ve lise öğreniini Eskişehir de taaladı. 1990 yılında, Anadolu Üniversitesi Mühendislik Miarlık Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüü nden ezun oldu.yüksek isansını, 1994 yılında Anadolu Üniversitesi Fen Bilileri Enstitüsü Elektronik Anabili Dalı nda taaladı. 1992 yılında Anadolu Üniversitesi ivil Havacılık Yüksekokulu nda göreve başladı. 2003 yılında, A.Ü. Fen Bilileri Enstitüsü ivil Havacılık Anabili Dalı nda doktora çalışasını taaladı. Halen Anadolu Üniversitesi ivil Havacılık Yüksekokulu nda yardıcı doçent olarak görevini sürdürektedir. ÜTÜ, TAIM, İYİBAKANA 37