Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях и влияний преднамеренных силовых электромагнитных воздействий Газизов Тальгат Рашитович

Содержание к диссертации

Введение

1. Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях и преднамеренных электромагнитных помех: обзор 10

1.1 Неискажённая передача электрических сигналов в межсоединениях 11

1.1.1 Актуальность уменьшения искажений 11

1.1.2 Теоретическое моделирование 16

1.1.3 Экспериментальное моделирование 40

1.1.4 Основные причины искажений сигналов в межсоединениях и способы их уменьшения 43

1.2 Преднамеренные электромагнитные помехи 48

1.3 Постановка задач исследования 50

1.3.1 Разработка моделей и подходов к моделированию 53

1.3.2 Реализация моделей и алгоритмов 58

1.3.3 Приложение моделирования 64

2. Разработка моделей и подхода к моделированию 68

2.1 Вычисление ёмкостных матриц методом моментов 69

2.1.1 Теоретическая основа 69

2.1.2 Дискретизация границ 74

2.1.3 Основные результаты раздела 97

2.2 Аналитические модели для временного отклика 99

2.2.1 Структура из двух отрезков линии передачи с ёмкостной нагрузкой на стыке 99

2.2.2 Периодическая структура из п отрезков линии передачи с ёмкостными нагрузками на стыках 102

2.2.3 Основные результаты раздела 120

2.3 Комплексная оптимизация генетическими алгоритмами 122

2.4 Основные результаты главы 125

3. Реализация моделей и алгоритмов 126

3.1 Квазистатический анализ 127

3.1.1 Вычисление электрических параметров межсоединений 127

3.1.2 Вычисление временного отклика межсоединений 139

3.1.3 Основные результаты раздела 143

3.2 Электродинамический анализ 145

3.2.1 Работа программы 145

3.2.2 Результаты тестирования 149

3.2.3 Основные результаты раздела 156

3.3 Оптимизация допуска обнуления при решении СЛАУ итерационными методами 157

3.4 Оптимизация генетическими алгоритмами 162

3.5 Разработка единой системы моделирования 165

3.5.1 Функциональные возможности 165

3.5.3 Основные результаты раздела 179

3.6 Основные результаты главы 180

4. Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях 181

4.1 Экспериментальное моделирование новой монтажной платы 182

4.1.1 Помехозащищённая теплопроводная монтажная плата и качественная оценка её возможностей 182

4.1.2 Макетирование межсоединений 185

4.1.3 Распространение импульсных сигналов в одиночных линиях 190

4.1.4 Перекрёстные помехи в парах связанных линий 190

4.1.5 Основные результаты раздела 192

4.2 Возможности уменьшения искажений сигналов в межсоединениях с двухслойным диэлектриком 193

4.2.1 Уменьшение искажений по результатам оценки погонных параметров линий ...193

4.2.2 Уменьшение искажений в структурах одиночных линий 209

4.2.3 Уменьшение дальней перекрёстной помехи в последовательно соединённых отрезках связанных линий 213

4.2.4 Уменьшение искажений в отрезке многопроводной линии 235

4.2.5 Основные результаты раздела 246

4.3 Основные результаты главы 247

5. Уменьшение преднамеренных электромагнитных помех 248

5.1 Преднамеренные электромагнитные помехи и авионика 249

5.1.1 Источники 249

5.1.2 Уязвимость 250

5.1.3 Ослабление или усиление 256

5.1.4 Пути решения проблемы 260

5.1.5 Оценка возможных угроз авионике 265

5.1.6 Основные результаты раздела 265

5.2 Вклад автора 266

5.2.1 Методология 266

5.2.2 Контроль паразитных эффектов 267

5.2.3 Компьютерное моделирование: оптимизация генетическими алгоритмами 275

5.2.4 Просвещение и образование 283

5.2.5 Основные результаты раздела 285

5.3 Основные результаты главы 285

Заключение 286

Список литературы 288

Приложения

• Основные причины искажений сигналов в межсоединениях и способы их уменьшения
• Структура из двух отрезков линии передачи с ёмкостной нагрузкой на стыке
• Оптимизация допуска обнуления при решении СЛАУ итерационными методами
• Уменьшение искажений по результатам оценки погонных параметров линий

Введение к работе

Актуальность работы

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) всё больше используется в самых разных сферах инфраструктуры современного общества. Увеличение количества РЭА, часто работающей в ограниченном пространстве, приводит к росту её плотности. Неуклонное возрастание производительности РЭА во многом обеспечивается за счёт увеличения верхней частоты спектра рабочих сигналов.

Эти тенденции стали всё чаще приводить к нарушению работы РЭА из-за взаимных электромагнитных помех, сделав необходимым обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС), способности работать с заданным качеством и не мешать работе других в заданной электромагнитной обстановке. «Обеспечение ЭМС» стало отдельным направлением в радиоэлектронике.

Одной из самых актуальных в ЭМС является проблема уменьшения искажений электрических сигналов. Она особенно обостряется с ростом электрической длины и плотности монтажа межконтактных электрических соединений, или межсоединений (interconnects), как правило, разветвлённых и произвольно ориентированных. При распространении в таких межсоединениях сигналы задерживаются по времени, отражаются от неоднородностей, затухают из-за потерь, испытывают влияние соседних межсоединений. Сложность учёта этих явлений заключается в том, что требуется анализ схем, состоящих из цепей не только с сосредоточенными, но и с распределёнными параметрами, а при строгом подходе требуется сложный электродинамический анализ. На пути практической реализации уменьшения искажений сигналов в межсоединениях часто стоят физические и технологические ограничения. Поэтому именно проблема уменьшения искажений при передаче сигналов в межсоединениях становится одной из главных преград дальнейшему совершенствованию РЭА.

Весьма актуальна в ЭМС проблема преднамеренного оказания, в преступных или террористических целях, мощного электромагнитного воздействия на электронные и электрические системы, нарушающего их функционирование. (Эту проблему часто называют электромагнитным терроризмом. В англоязычной научной литературе для неё применяют термин «intentional electromagnetic interference» (IEMI), дословный перевод которой «преднамеренная электромагнитная помеха» (ПЭМП) совпадает с известным термином, принятым в радиоэлектронной борьбе. Поэтому в данной работе для неё используется термин «преднамеренное силовое электромагнитное воздействие» (ПД ЭМВ), принятый ГОСТ Р 50922-2007.) Предпосылками возникновения этой угрозы стали, с одной стороны, достижения в создании мощных источников электромагнитного поля, а с другой – неуклонное уменьшение уровней сигналов электронных систем. Всё более широкое внедрение электронных систем в жизнь общества, приведшее к сильной зависимости от них, а также доступность устройств создания помех, сделали эту угрозу реальностью. Проблема ПД ЭМВ является самой новой в ЭМС, и поэтому ещё далека от своего решения.

Между тем, эти проблемы связаны друг с другом и системный подход к их решению в единой работе может сделать это решение более успешным.

Цель работы – уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях и влияний преднамеренных силовых электромагнитных воздействий. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать новые модели и подходы к моделированию искажений; реализовать новые и некоторые известные модели и алгоритмы для моделирования искажений; найти новые пути уменьшения искажений сигналов в межсоединениях; предложить подходы и пути к уменьшению влияний преднамеренных силовых электромагнитных воздействий.

В работе применены: системный подход, экспериментальное и компьютерное моделирование, электродинамический и квазистатический анализ, метод моментов, оптимизация генетическими алгоритмами.

Достоверность результатов подтверждена сравнением результатов моделирования с результатами: опубликованными другими авторами; полученными с помощью других программных продуктов; полученными экспериментально.

Научная новизна

1. Разработаны более универсальные, точные и экономичные модели для квазистатического анализа межсоединений.

2. Предложен новый подход к моделированию (комплексная оптимизация генетическими алгоритмами), отличающийся совокупностью совместно используемых принципов.

3. Выявлены новые закономерности поведения характеристик различных структур полосковых линий с двухслойным диэлектриком.

4. Сформулированы условия минимизации искажений из-за разности скоростей мод.

5. Впервые собраны воедино и систематизированы результаты научных исследований по проблеме преднамеренных силовых электромагнитных воздействий.

Практическая значимость

1. Разработана и защищена патентом на изобретение монтажная плата; защищены патентами на полезную модель: широкополосная антенная система, модальный фильтр, устройство воздействия на аппаратуру, устройство модального зондирования; защищено патентом на изобретение устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи.

2. Программно реализован ряд известных и новых электродинамических и квазистатических моделей для анализа и оптимизации широкого класса структур проводников и диэлектриков.

3. Показаны многочисленные возможности уменьшения искажений сигналов в разнообразных структурах межсоединений с двухслойным диэлектриком за счёт выбора параметров структур.

4. Предложены подходы и пути к уменьшению преднамеренных силовых электромагнитных воздействий, в т.ч. разработанные для уменьшения искажений сигналов в межсоединениях.

5. Выполнена разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры.

Использование результатов работы

5. 1. Результаты экспериментального моделирования межсоединений использованы для совершенствования межсоединений субблоков и плат генмонтажа систем ЧПУ в НИР "Разработка и исследование комплектных унифицированных блочно-модульных систем ЧПУ металлорежущим оборудованием". (Отчёт по НИР, тема 19-87 "Экран", Томск, 1991). Получен патент на изобретение.

   2. Результаты экспериментального моделирования межсоединений и разработанные алгоритмы вычисления параметров одиночных и связанных межсоединений использованы для исследования возможностей применения полосковых линий в качестве межсоединений контактирующего устройства, а также монтажной платы для скоростных цифровых микросхем 6500 серии на арсениде галлия в НИР "Исследование полосковых линий передачи для быстродействующих цифровых схем". (Отчёт по НИР, хоздоговор №50/93, Томск, 1993).

   3. Разработанные алгоритмы и программы вычисления параметров межсоединений использованы в НИР "Разработка принципов построения и создание автоматизированных телевизионных систем наблюдения, охраны и регистрации". (Заключительный отчёт по НИР, выполненной в составе региональной научно-технической программы "ВУЗОВСКАЯ НАУКА – РЕГИОНАМ" 1993–1996 гг., Томск, 1996).

   4. Разработанные алгоритмы и программы вычисления отклика в межсоединениях применены для исследования возможностей уменьшения искажений сигналов в линиях связи в НИР "Интерактивные телевизионно-компьютерные системы мониторинга объектов и сооружений". (Отчет по НИР, выполненной в составе Томской региональной МНТП "Прогресс и регион" 1997–1999 гг., Томск, 1999).

   5. Программная реализация квазистатических моделей для вычисления матриц параметров и электродинамической модели для вычисления токов в проводных структурах в составе комплексной оптимизации генетическими алгоритмами применены в НИР "Исследование научно-технических принципов и изыскание инженерно-технических решений по созданию широкодиапазонных быстроразворачиваемых антенн ДКМВ диапазона". (Отчёт по НИР, тема "Крюшон-Т", хоздоговор 1402, Томск, 2003.) Получен патент на полезную модель.

   6. Результаты исследований внедрены в учебный процесс ТУСУР и использованы в 12 учебных и учебно-методических пособиях.

   7. Результаты научных исследований автора, изложенные в монографии "Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях", применяются в учебном процессе Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

   8. Монография "Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетий" используется многими специалистами и получила положительные отзывы представителей академической науки, Минсвязи РФ и высшей школы.

   9. Программные реализации моделей вычисления временного отклика в многопроводных линиях передачи применены для исследования возможностей уменьшения искажений импульсного сигнала в межсоединениях многослойной печатной платы в хоздоговорной НИР «Разработка технической документации прибора для прямого видеонаблюдения состояния элементов эксплуатационных и фильтровых колонн нагнетательных и контрольных скважин полигона подземного захоронения ЖРО СХК». (Рег. ном. НИР 0120.0 509.654, хоздоговор № 20-05, ТУСУР, Томск, 2005 г.).

   10. Разработанные модели и алгоритмы использованы для выполнения проекта «Разработка системы компьютерного моделирования электромагнитной совместимости». (Акт №31315 ввода в эксплуатацию по мероприятию 3.1.3а инновационной программы ТУСУР, 2006 г. и свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8376.)

   11. Выполненный анализ генераторов преднамеренных электромагнитных силовых воздействий, методов и средств защиты от их деструктивного воздействия, устойчивости элементов электронной инфраструктуры объектов использован при разработке национального стандарта в СПбФ ФГУП «НТЦ «Атлас».

   12. Рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости и защите от электромагнитного терроризма учитывались в ходе работ по обеспечению безопасности объектов Главного управления Центрального банка РФ по Томской области.

   13. Результаты исследования новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением, полученные при выполнении проекта по гранту РФФИ 06-08-01242, использованы в 2 проектах, поддержанных Фондом Бортника по программе «УМНИК», и защищены 3 патентами на полезную модель и патентом на изобретение.

   14. Разработанные квазистатические модели, программная реализация электродинамической модели, рекомендации по уменьшению взаимовлияний электрических сигналов, программная система компьютерного моделирования использованы в ходе выполнения составной части опытно-конструкторской работы по теме: Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008, шифр «АПК–ТУСУР», 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ).

   15. Исследования по модальной фильтрации использованы при подготовке и написании нормативного документа и двух национальных стандартов, на её основе изготовлено и поставлено 8 макетов модальных фильтров для защиты сети Fast Ethernet от сверхкоротких импульсов (хоздоговор НИИЦ/НИР/10-01 от 15.01.2010 с ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург).

   Апробация результатов

   Результаты исследований автора позволили подготовить заявки, победить в конкурсах грантов и успешно выполнить по ним проекты под его руководством:

   1. "Новая монтажная плата для быстродействующих цифровых схем" – конкурс грантов Государственного комитета по образованию РФ 1993 г. по фундаментальным исследованиям в области автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики, кибернетики, метрологии и связи, 1994–1995 гг.

   2. "Система компьютерного моделирования сложных структур проводников и диэлектриков" – конкурс грантов ТУСУР, 2001–2002 гг.

   3. "Система компьютерного моделирования сложных структур проводников и диэлектриков с графическим интерфейсом пользователя" – конкурс грантов ТУСУР, 2003 г.

   4. "Автоматизированное проектирование оптимальных широкополосных антенн с сосредоточенными нагрузками" – конкурс грантов ТУСУР, 2005 г.

   5. "Исследование новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением" – конкурс грантов РФФИ 2006 г., проект 06-08-01242.

   Результаты исследований автора использованы при выполнении проектов:

   1. "Анализ и прогнозирование искажений СВЧ радиоволн и звуковых волн при их распространении в неоднородной тропосфере над неоднородной и неровной земной поверхностью" – Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг., этап 1 государственного контракта №02.740.11.0232, 2009 г.

   2. "Разработка основ синтеза методом «выращивания» 2D и 3D топологий нерегулярных микрополосковых структур, управляемых интегральных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов и их экспериментальное исследование" – Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг., этап 1 государственного контракта №П 690 от 12.08.2009 г.

   3. Образовательный проект переподготовки кадров в области наногетероструктурной электроники СВЧ для предприятий Томской области – конкурс 2009 г. ГК «Роснанотех».

   Результаты исследований автора (один из ключевых исполнителей) использованы в подготовке заявки (шифр 2010-218-01-123), победившей в открытом публичном конкурсе Министерства образования и науки Российской Федерации по отбору организаций на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства. Проект – Разработка унифицированного ряда электронных модулей на основе технологии "система-на-кристалле" для систем управления и электропитания космических аппаратов связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования.

   Результаты работы представлялись и обсуждались: Межд. вроцлавский симп. по ЭМС, Польша, 1992–2002; Межд. симп. по антеннам и распространению волн, Япония, 1996, 2000; Азиатско-тихоокеанская микроволновая конф., Индия, 1996; Межд. симп. по антеннам и электромагнитной теории, Китай, 1997; Совместное китайско-японское совещание по волоконной оптике и электромагнитной теории, Китай, 1997; Тематическое совещание по электрическим характеристикам электронного монтажа, США, 1997; Межд. цюрихский симп. по ЭМС, 1999, 2001, 2006, 2007, 2008; Ген. ассамблея URSI, Канада, 1999; Межд. симп. по ЭМС, Германия, 1999; Межд. симп. "Конверсия науки – международному сотрудничеству", Томск, 1999; Межд. научно-практ. конф. "Современная техника и технологии", Томск, 2000; Всерос. научно-практ. конф. "Интеграция учебного процесса и фундаментальных научных исследований в университетах", Томск, 2000; Всерос. научно-практ. конф. "Проблемы информационной безопасности общества и личности", Томск, 2000–2002, 2004, 2005, 2007; Научно-техн. конф. "Электронные и электромеханические системы и устройства", Томск, 2000, 2008; Межд. симп. по ЭМС и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 2001, 2005, 2007; Межд. симп. IEEE по ЭМС, Канада, 2001; Межд. Европейский симп. по ЭМС, Италия, 2002; Всерос. научно-практ. конф., посв. 40-летию ТУСУР, Томск, 2002; Научно-практ. конф. "Современные средства и системы автоматизации", Томск, 2002; Всерос. научно-техн. конф. по проблемам создания перспективной авионики, Томск, 2003; Всерос. научно-техн. конф. "Современные проблемы радиоэлектроники", Красноярск, 2004; Межд. конф. EUROEM, 2004, 2008; Межд. научно-практ. конф. "Электронные средства и системы управления", Томск, 2004, 2008; Научно-метод. конф. "Групповое проектное обучение", Томск, 2007; Межд. IEEE-сибирская конф. по управлению и связи, г. Томск, 2009; Межд. конф. по защите от молнии, Италия, 2010.

   Публикации. Опубликовано научных работ – 111, в т.ч. без соавторов – 29:

   Структура и объём диссертации: введение, 6 глав, заключение, список литературы из 478 наим., прил.; объём без прил. – 351 с., в т.ч. 138 рис. и 62 табл.

   Личный вклад. Результаты получены автором лично или при его участии.

   Положения, выдвигаемые для публичной защиты

   1. Полученные в работе методом моментов модели для получения матрицы коэффициентов электростатической индукции, с вычислением элементов матрицы системы линейных алгебраических уравнений по формулам в виде конечных комбинаций элементарных функций, отличающиеся наличием границ диэлектрик-диэлектрик: ортогональных не только оси Y, но и оси X, а также произвольного наклона (для двумерных конфигураций); ортогональных не только оси Y, но и оси X, а также оси Z (для трехмерных конфигураций), позволяют без численного интегрирования и разложения в ряд анализировать любые конфигурации проводников и диэлектриков с прямолинейными границами произвольной ориентации (для двумерных конфигураций) и с прямоугольными границами любой ортогональной ориентации (для трёхмерных конфигураций).

   2. Полученные в работе аналитические модели (в виде конечных комбинаций элементарных функций) для временного отклика на линейно нарастающий перепад напряжения периодических структур из n последовательно соединенных отрезков линий передачи с ёмкостными нагрузками на стыках, отличающиеся возможностью: не только равных, но и различных значений характеристических адмиттансов входной и выходной линий передачи; не только нечетного, но и четного n; учета составляющих, испытавших не только 1, но и 2, а также 3 пары отражений, значительно увеличивают диапазон моделируемых структур и контролируемую точность их моделирования.

   3. Предложенная в работе комплексная оптимизация генетическими алгоритмами содержащая совокупность совместно используемых принципов (параметрическая, структурная и структурно-параметрическая оптимизация с помощью генетических алгоритмов, в т.ч. с вырезанием строк и столбцов матрицы системы линейных алгебраических уравнений; оптимизация основных и вспомогательных элементов структуры, а также нескольких структур; применение квазистатического и электродинамического анализа; использование итерационных методов; адаптация параметров к задаче), позволяет выполнять более совершенный автоматизированный структурно-параметрический синтез при решении задач по уменьшению искажений электрических сигналов в межсоединениях и влияний преднамеренных силовых электромагнитных воздействий.

   4. Использование двухслойного диэлектрика в структурах из одного и нескольких отрезков одиночных, связанных и многопроводных межсоединений, с совместным выбором параметров диэлектриков и проводников, контролирующим электрические характеристики межсоединений, дает новые возможности уменьшения искажений сигналов в них за счет выявленных закономерностей поведения их характеристик.

   5. Совокупность результатов работы, содержащая собранные воедино и систематизированные научные исследования по проблеме преднамеренных силовых электромагнитных воздействий, применение к этой проблеме методологии теории решения изобретательских задач, предложенные меры по контролю паразитных эффектов (использование общего провода в сосредоточенных компонентах, применение помехозащищенной теплопроводной монтажной платы, учёт преднамеренных перекрестных помех и использование модальных явлений в протяженных межсоединениях), разработанные средства для комплексной оптимизации генетическими алгоритмами, позволяет значительно уменьшить влияние преднамеренных силовых электромагнитных воздействий.

   Основные причины искажений сигналов в межсоединениях и способы их уменьшения

   Под искажениями сигнала понимают изменения его параметров более допустимых пределов. Рассмотрим основные причины искажений сигнала при передаче по межсоединениям и способы их уменьшения.

   При передаче гармонического сигнала по одиночному межсоединению он задерживается по времени из-за конечной скорости распространения и затухает по амплитуде из-за потерь в материалах межсоединения. Зависимость задержки и потерь от частоты сигнала называют дисперсией. При полигармоническом сигнале каждая его спектральная составляющая проходит по межсоединению со своей задержкой и своим затуханием, что приводит к изменению временной формы сигнала. Изменение геометрических параметров и параметров материалов межсоединения по его длине приводит к изменению задержки и потерь по длине межсоединения.

   Важное влияние на искажения сигнала, передаваемого по межсоединению, оказывают нагрузки или неоднородности, расположенные в начале, конце или по длине межсоединения. В результате часть сигнала отражается от каждой нагрузки и распространяется по межсоединению в обратном направлении. Поэтому к концу межсоединения сначала приходит оставшаяся часть сигнала, а позже приходят его части, испытавшие чётное число отражений [209]. Величина, полярность и форма отражённой части сигнала зависят от соотношения нагрузки с волновым сопротивлением межсоединения и от характера нагрузки (резистивная, комплексная). Нелинейность нагрузки обогащает исходный спектр сигнала: в случае гармонического сигнала к нему добавляются его гармоники, а в случае полигармонического сигнала — гармоники каждой составляющей исходного спектра сигнала и их комбинационные частоты [210].

   Причиной искажений сигналов, передаваемых по межсоединениям, часто является внешнее электромагнитное поле. Действительно, любое межсоединение представимо в качестве приёмной антенны, характеристики которой определяются видом и параметрами межсоединения. Такое представление часто помогает качественно оценить возможности уменьшения влияния внешнего электромагнитного поля на сигналы, передаваемые по межсоединениям. Источники электромагнитного поля могут быть разными. Важный частный случай источника - сигналы соседних межсоединений.

   Причины искажений сигналов, распространяющихся в нескольких межсоединениях, сложно определить однозначно. В общем случае они зависят от величины и соотношения электрической и магнитной индукции в отдельных межсоединениях. Для некоторых частных случаев конфигураций многопроводных межсоединений делаются более определённые выводы. Наиболее простой конфигурацией являются параллельные межсоединения, параметры которых не изменяются по длине. Тогда любой сигнал, возбуждаемый в межсоединении, представляется линейной комбинацией нескольких мод, каждая из которых распространяется с постоянной скоростью [211]. При однородном диэлектрическом заполнении скорости всех мод равны (и это упрощает анализ), а при неоднородном — могут быть различны. Из модального анализа и даже из оценки скоростей мод можно сделать выводы о возможностях уменьшения искажений. Но при изменении параметров линии по длине такой подход не применим, и нужен анализ нерегулярных линий.

   В заключение отметим ещё одну причину искажений сигналов в межсоединениях- несоответствие реальных характеристик межсоединений требуемым из-за погрешностей, возникающих на этапах проектирования и технологической реализации [212]. В первом случае это обусловлено методической погрешностью из-за несовершенства используемых моделей и других теоретических приближений, во втором— производственной погрешностью параметров межсоединений, определяемой разбросом размеров и свойств материалов относительно номинальных значений. Ярким примером результата такого несоответствия является то, что значение характеристического импеданса межсоединения печатной платы, которое по вычислениям должно быть, например около 55 Ом, при измерениях может фактически оказаться равным 45 Ом или 65 Ом (рис. 1.4). Уменьшение искажений сигналов осуществляется, прежде всего, соответствующим выбором параметров межсоединений. Для снижения задержки сигнала в межсоединении фиксированной длины используют диэлектрики с возможно меньшей диэлектрической проницаемостью. Если же диэлектрики заданы, снижение задержки достигается таким изменением размеров и расположения диэлектриков и проводников межсоединения, чтобы как можно большая часть электромагнитного поля сигнала распространялась в диэлектрике с меньшей диэлектрической проницаемостью.

   Указанные возможности снижения задержки относятся и к снижению затухания сигнала, вызванного потерями в диэлектрике. Потери в проводниках межсоединения уменьшаются при изготовлении проводников из металла с возможно большей удельной электрической проводимостью. Однако потери в проводниках складываются из нескольких составляющих, величины которых зависят от размеров и формы проводников. Первая составляющая определяется сопротивлением проводника постоянному току и, как известно, обратно пропорциональна площади поперечного сечения проводника, поскольку плотность распределения тока по поперечному сечению полагается равномерной. С ростом частоты сигнала сильнее проявляется скин-эффект, приводящий к росту плотности тока на границе проводника и увеличению потерь. Эффект близости проводников друг к другу также приводит к росту потерь. Результаты решения этой задачи показывают, что, например, общее сопротивление микрополосковой линии переменному току может в четыре раза превышать сопротивление переменному току того же микрополоска, удалённого от плоскости земли [214]. Указанные эффекты существенно зависят от формы, размеров и расположения проводников и могут быть уменьшены соответствующим их выбором.

   Отражения сигнала от нагрузок на концах межсоединения уменьшаются с помощью согласования. В случае резистивных нагрузок традиционным способом согласования является выравнивание оконечной нагрузки с волновым сопротивлением межсоединения. Отметим, что полное согласование МПЛП даётся гораздо сложнее, чем одиночной линии [215]. Известно согласование в узкой полосе частот четвертьволновыми отрезками линий передачи, а также широкополосное согласование отрезком линии с волновым сопротивлением, экспоненциально изменяющимся по длине линии [216]. Возможен и такой выбор параметров межсоединений и нагрузок, когда отражённые сигналы на конце межсоединения компенсируют друг друга [217]. Примечательно, что при определённой длине межсоединения с потерями достаточное затухание отражённых сигналов вовсе не требует согласования [218,219]. Известно также использование корректирующих согласующих цепей, учитывающих рост потерь с частотой [220]. Если нагрузки или неоднородности расположены по длине межсоединения, то возможна их компенсация за счёт изменения параметров самого межсоединения [221].

   Структура из двух отрезков линии передачи с ёмкостной нагрузкой на стыке

   В данном разделе представлены подоплека и основные принципы нового подхода. Они впервые опубликованы автором в работе [303]. Результаты применения отдельных элементов этого подхода показаны в последующих разделах данной работы. Краткое описание подхода с примерами его реализации недавно опубликовано в работе [304].

   Генетические алгоритмы широко используются в последнее десятилетие, и зарекомендовали себя надёжным средством оптимизации, в частности в различных задачах технической электродинамики [305]. Например, ГА успешно применяются в ряде работ по проектированию антенн. Ниже кратко рассматриваются некоторые из этих работ, послужившие прототипами для разработки нового подхода.

   В работе [306] структурный синтез выполняется эмпирически: выбираются несколько конструкций антенн, затем отбирается одна из них, имеющая, по результатам моделирования, подходящую диаграмму направленности и минимальный КСВ в заданном диапазоне частот. Далее выполняется параметрическая оптимизация антенны с помощью ГА: оптимизируются расположение и параметры элементов заграждающих фильтров с целью минимизации КСВ и расширения диапазона частот.

   В работе [307] с помощью ГА выполняется автоматизированный синтез, формально являющийся параметрическим, поскольку оптимизируются геометрические параметры элементов антенны. Однако этими параметрами являются пространственные координаты элементов антенны, что приводит к совершенно новым и необычным конструкциям антенн. Их невозможно получить эмпирически по интуиции, так что, в определённом смысле, можно говорить об автоматизированном структурном синтезе с помощью ГА.

   В работе [308] продемонстрирован автоматизированный структурный синтез двухдиапазонной микрополосковой антенны, поскольку использована возможность кодирования в ГА не непрерывных параметров антенны, а кодирования наличия или отсутствия проводящих частей поверхности антенны. В результате получена новая, не интуитивная структура, полностью соответствующая заданным критериям, однако показано, что она не оптимальна, и её характеристики могут быть улучшены. В работе применяются известные RWG-базисные функции для токов на подплощадках, но впервые используются их свойства, позволяющие вычислять матрицу СЛАУ один раз, а после лишь вырезать строки и столбцы, соответствующие подплощадкам, которые просто отсутствуют в оптимизируемой структуре. Это можно делать для подплощадок, токи которых не зависят от соседних подплощадок и от того, является ли она крайней в структуре. Очевидно, что это же можно делать и при любом анализе методом моментов, если в качестве базисных функций выбраны самые простые, единичные функции и на них не накладываются никакие другие условия.

   В работе [305] описаны различные модификации ГА, делающие их более эффективными для конкретных задач. Кроме того, показано, что существуют и оптимальные значения параметров ГА, например размера популяции и вероятности мутации, минимизирующие число итераций ГА для нахождения решения [309].

   Наконец, отметим большой задел, в частности созданный в ТУСУР, из квазистатических моделей, позволяющих с приемлемой точностью, но гораздо быстрее электродинамических, анализировать структуры проводников и диэлектриков различной сложности. Очевидно, что корректное использование моделей квазистатического анализа в процедуре автоматизированного синтеза с помощью ГА существенно ускорит этот процесс. Таким образом, имеются предпосылки для создания нового подхода, объединяющего в себе достоинства известных и имеющего новое качество — эффективный автоматизированный структурно-параметрический синтез. Предлагаемый подход назван комплексной оптимизацией генетическими алгоритмами. Под термином «комплексная» обобщается совместное использование следующих принципов. 1. Параметрическая, структурная и структурио-параліетрическая оптимизация с помощью ГА, в т. ч. с вырезанием строк и столбцов матрицы СЛАУ. Под этим принципом понимается, прежде всего, использование для оптимизации генетических алгоритмов, благодаря их применимости к широкому кругу самых разных задач анализа. Кодируя в ГА не только параметры структуры, но и наличие или отсутствие её отдельных элементов, можно выполнять не только параметрическую, но и структурную оптимизацию, а также выполнять их совместно, т.е. структурно-параметрическую оптимизацию. Это может значительно повысить эффективность оптимизации определённых структур, благодаря новым системным эффектам. Кроме того, использование вырезания строк и столбцов матрицы СЛАУ позволяет дополнительно уменьшить время структурной оптимизации. 2. Оптимизация основных и вспомогательных элементов структуры, а также нескольких структур. Под этим принципом понимается возможность оптимизации не только основных, но и различных вспомогательных элементов структуры, что может дать новые оптимальные параметры структуры. Кроме того, предусматривается возможность оптимизации нескольких структур одновременно. Это может значительно расширить круг решаемых задач и упростить их решение. 3. Использование квазистатического и электродинамического анализа. Этот принцип предполагает возможность использования и квазистатического, и электродинамического анализа, как раздельно, так и совместно. Такое использование может быть: удобным при частичном использовании результатов квазистатического анализа в электродинамическом анализе; полезным для проверки результатов квазистатического анализа электродинамическим анализом; экономичным при корректной аппроксимации или замене (особенно при оптимизации): электродинамического анализа квазистатическим анализом, анализа отклика анализом только матриц параметров, анализа матриц параметров трёхмерных конфигураций анализом матриц погонных параметров двумерных конфигураций. 4. Использование итерационных методов. Этот принцип позволяет значительно уменьшить время анализа за счёт корректного использования итерационных методов. Прежде всего, они применяются для быстрого решения СЛАУ больших порядков. Кроме того, они применимы и для ускорения решения непосредственно к интегральным уравнениям. В случае плохо обусловленных матриц итерационные методы оказываются единственно возможными для получения точного решения. 5. Адаптация параметров подхода к задаче. Под этим принципом понимается реализация возможности изменения (для получения требуемого результата): методов, алгоритмов, моделей и их параметров. Такое изменение может осуществляться как пользователем, так и автоматически, адаптивно к конкретной задаче и даже в ходе вычисления. Таким образом, предложен новый подход, отличающийся возможностью более совершенного автоматизированного структурно-параметрического синтеза.

   Оптимизация допуска обнуления при решении СЛАУ итерационными методами

   В данном разделе рассматривается решение СЛАУ с плотной матрицей итерационными методами, в частности стабилизированным методом бисопряженных градиентов (BiCGStab) с предобусловливанием. Приводятся результаты исследования работы этого метода с различными матрицами в зависимости от точности вычисления и допуска обнуления. Показывается, что существует оптимальное значение допуска обнуления по критерию минимизации времени решения СЛАУ [325,326].

   Вычисление итерационными методами зависит от числа обусловленности матрицы, с ростом которого сходимость может оказаться очень медленной. Однако применение так называемого предобусловливания улучшает сходимость к требуемому решению.

   Помножив систему (1) на матрицу JVT1, получим систему Процесс перехода от (1) к (2) с целью улучшения характеристик матрицы для ускорения сходимости к решению называется предобусловливанием. Из (2) сразу же вытекает важное требование: матрица М должна быть легко обратима. Также необходимо, чтобы матрица М была легко вычислима и близка к матрице А. Следует отметить, что предобусловливание (2) может быть введено в схему метода без необходимости явного вычисления матричного произведения. В нашем случае это сводится к решению двух СЛАУ с матрицей М в каждой итерации.

   Для систем с разреженными матрицами хорошим предобусловливанием служит неполная LU-факторизация, например ILU(O). Она заключается в применении LU-факторизации к матрице А, но если Яу=0, то полагается 1и=0 или W//=0. Поскольку в рассматриваемой задаче матрица А плотная, то применение ILU(O) не целесообразно. Но по аналогии с ILU(O) матрицу М можно формировать так: перед преобразованием каждой строки вычисляют её норму, затем умножением значения нормы на задаваемый допуск обнуления т (drop tolerance) получают значение порога (threshold value). Далее проверяют, если какой-либо элемент преобразуемой строки меньше порога, то этот элемент полагают нулём. После проверки всей строки к ней применяют преобразования из ILU(O). После преобразования всех строк получают разреженную матрицу М такую, что матрица М-1 А обусловлена лучше, чем матрица А.

   Система (2) решалась методом BiCGStab [262] на примере определения токов в проводной антенне (разд. 3.2.1) с матрицей 7V=243 при т=10 , 5 10"%..., Ю-4. В табл. 3.9 приведена выборка результатов вычислений при т=10_3 (Г— время решения СЛАУ, Nlt — число итераций, реальная и мнимая части второго и последнего элементов вектора решения, т.е. распределения тока в антенне) методом BiCGStab при разных Тої (параметр, определяющий остановку итерационного процесса), а также методом Гаусса (последняя строка). Из неё видно, что методом BiCGStab решение, например с точностью до 4 знаков после запятой совпадающее с решением методом Гаусса, получается всего за 5 итераций и в 6 раз быстрее, чем методом Гаусса. При необходимости, более точные результаты легко получить, увеличивая число итераций: например решение, совпадающее с точностью до 10 знаков, получается за 8 итераций и в 4 раза быстрее. И наоборот, если высокая точность решения не важна, а критична скорость вычисления, то её можно увеличить примерно в полтора раза выбором высокого значения Тої.

   Зависимости времени решения СЛАУ с матрицей N=243 от т. для различных Тої приведены на рис. 3.31 (а). Видно, что для всех Тої существует значение т, оптимальное по критерию минимизации времени решения СЛАУ, и выбор значения т=10 , близкого к оптимальному, позволяет ускорить решение в 2-3 раза по сравнению с т на краях диапазона.

   Проведены аналогичные вычисления для той же антенны с матрицей iY=1023. Выборка результатов вычислений при т=10 " приведена в табл. 3.10. Из неё видно, что методом BiCGStab решение, с точностью до 4 знаков после запятой совпадающее с решением методом Гаусса, получается за 10 итераций и в 14 раз быстрее, чем методом Гаусса. Более точное решение, совпадающее с точностью до 10 знаков, получается за 14 итераций и в 10 раз быстрее. Опять же, скорость вычисления можно увеличить примерно в полтора раза выбором высокого Тої.

   Зависимости времени решения СЛАУ с матрицей N=1023 от х для различных Тої приведены на рис. 3.31 (б). Видно, что, как и на рис. 3.31 (а), для всех Тої существует оптимальное значение т. Выбор значения х=5 10 4, близкого к оптимальному, позволяет ускорить решение более, чем в 3 раза по сравнению с т на краях диапазона. В отличие от рис. 3.31 (а), оптимальное значение х несколько сдвинулось вправо, а диапазон возможных значений х расширился, что, видимо, объясняется изменением скорости убывания значений элементов матрицы с удалением от диагонали.

   Для выяснения зависимости оптимального значения х от матрицы исследовались (в более широком диапазоне х) более простые структуры, в частности, диполь с углом между лучами 180 и диполь с углом между лучами 15, отличающийся характером изменения значений элементов матрицы с удалением от диагонали. Зависимости времени решения СЛАУ (Г, матрицей iV=969 от х для этих диполей при 7Ъ/=10 показаны на рис. 3.32 (а). Видно, что существует оптимальное значение х и для этих структур. Выбор значений х, близких к оптимальному, позволяет ускорить решение для угла 180 в 20 раз, а для угла 15 в 10 раз по сравнению с х на краях диапазона. (На правой границе диапазона х время решения почти совпадает с временем решения методом Гаусса). Отметим, что в точке х=10 затраты времени одинаковы для обеих структур, но изменение х влево и вправо от этой точки даёт изменения времени решения СЛАУ, значительные и противоположные для разных структур. Обращает на себя внимание и то, что рост скорости убывания значений элементов матрицы с удалением от диагонали сдвигает вправо оптимальное значение х и расширяет (от 1 (Г до 10 ) диапазон значений х, близких к оптимальному.

   Уменьшение искажений по результатам оценки погонных параметров линий

   При поиске возможностей совершенствования конструкций монтажных плат учитывались следующие факторы [334].

   Широкое распространение и освоение технологии ДІIII с двумя сигнальными слоями гарантирует низкую себестоимость изготовления межсоединений. Увеличение числа сигнальных слоев требует технологии Ml ill и резко удорожает плату. Металлическая пластина в конструкции платы позволяет возложить на неё несколько важнейших функций: общего проводника для обратных токов сигналов и питания; экрана платы; радиатора и проводника тепла; жёсткой несущей пластины, на которой размещены радиоэлементы.

   Между тем, совмещение диэлектрического слоя с печатными межсоединениями на обеих его сторонах и металлической пластины через некий диэлектрический слой, обеспечивающий, по крайней мере, электрическую изоляцию проводников внутреннего слоя от металлической пластины, образует законченную монтажную плату с новыми свойствами. Автором работы совместно с Н. И. Базенковым получен патент [335] на монтажную плату, названную авторами помехозащищеннои теплопроводной монтажной платой (ПТМП). Эскиз поперечного сечения фрагмента ПТМП, поясняющий возможный вариант её конструкции, показан на рис. 4.1. Корпус интегральной микросхемы (ИМС) приклеен к металлической пластине теплопроводным клеем. Выводы ИМС проходят через сквозные отверстия в металлической пластине и изолирующем слое в металлизированные отверстия подложки и припаиваются к ним. Сигнальные проводники, расположенные на внутренней стороне подложки, образуют обращенные полосковые линии, а на внешней- подвешенные полосковые линии. Шина питания расположена на внутренней стороне подложки. Общий вывод питания ИМС припаян к металлической пластине. Качественное сравнение ПТМП с обычной ДПП позволяет выявить достоинства ПТМП, касающиеся технологических, тепловых и электрических характеристик.

   Существенным достоинством ПТМП в части технологических характеристик является возможность изготовления подложки, максимально используя широко распространённую технологию производства обычных ДПП. Возникшие проблемы, связанные с изготовлением металлической пластины, компенсируются сверлением большого числа подложек в одном пакете, более качественной металлизацией отверстий и меньшим их диаметром, что стало возможным при тонкой подложке. Проверено на практике использование полиимидной подложки на металлической пластине из алюминиевого сплава, температурные коэффициенты линейного расширения которых близки [336]. Найдены высококачественные и недорогие материалы для изолирующего слоя, например полиэтилентерефталатные плёнки. Они в 10 раз дешевле полиимидных и более устойчивы к воздействию влаги и высокой температуры при таких же значениях относительной диэлектрической проницаемости и потерь [336]. Поэтому предполагаемые затраты на изготовление ПТМП по предварительным оценкам должны быть не намного выше, чем - ДПП.

   Наличие металлической пластины позволяет значительно улучшить тепловые характеристики монтажной платы. Например, с помощью теплопроводного клея легко обеспечивается хороший тепловой контакт нижней стороны корпуса микросхемы с металлической пластиной, выполняющей функции одновременно теплового радиатора и проводника тепла, выравнивая температуры корпусов микросхем и приближая их к температуре окружающей среды. Для дополнительного облегчения теплового режима тепло передаётся кондуктивным путём за счёт теплопроводности пластины, например внешнему радиатору. Становится возможным отказ от вентиляции корпуса всего устройства. Это, в свою очередь, обеспечивает его более эффективные защиту и экранирование от неблагоприятных воздействий внешней среды. За счёт экранирования также уменьшается электромагнитное излучение самого устройства. Полученные возможности улучшения тепловых характеристик монтажной платы важны для увеличения плотности размещения компонентов быстродействующих электронных схем, отличающихся повышенным выделением тепла.

   Качественная оценка позволяет предположить улучшение электрических характеристик всех видов межсоединений ПТМП: системы электропитания, выводов микросхем, а главное, сигнальных линий. Рассмотрим подробнее каждый из видов.

   Использование металлической пластины как обратного проводника системы электропитания значительно уменьшает электрическое сопротивление этого проводника и обеспечивает его высокую эквипотенциальность. Кроме того, прямые проводники электропитания, выполненные, например, на внутреннем печатном слое подложки, оказываются расположенными параллельно металлической пластине на малой высоте, равной толщине изолирующего слоя. За счёт этого погонная индуктивность линии передачи, образованной прямым и обратным проводниками питания, оказывается значительно меньше, чем в ДПП. Это обеспечивает существенное уменьшение помех по цепям питания, связанных со всплесками потребления тока, например, при одновременном переключении большого числа выходов микросхем. Если необходима более эффективная система электропитания, то её проводники размещаются и на внешнем печатном слое подложки.

   Металлическая пластина существенно уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на плату, а так же излучение от платы. Площадь контуров протекания сигнальных токов в ПТМП существенно меньше, чем в ДПП. Кроме того, контуры меняют свою ориентацию с параллельной к плоскости платы на перпендикулярную. Дополнительно сильно сказывается экранирующее влияние металлической пластины.

   Пропуск выводов микросхем в металлизированные отверстия подложки через сквозные отверстия в металлической пластине оказывает существенное влияние на неоднородности выводов микросхем, что важно для случая быстродействующих схем. Вывод микросхемы становится аналогичным отрезку коаксиальной линии передачи. Уменьшаются ёмкостная и индуктивная связи между соседними выводами.

   Однако наибольшее значение имеет выполнение металлической пластиной функции обратного проводника для сигнальных токов, поскольку это существенно изменяет электрические характеристики сигнальных линий ПТМП по сравнению с обычной ДПП. В этом случае сигналы распространяются по линиям передачи с контролируемым волновым сопротивлением, которые похожи на микрополосковые линии (МПЛ). Печатные проводники наружного сигнального слоя подложки, отделённые от металлической пластины подложкой и изолирующим слоем, образуют подвешенные полосковые линии. Печатные проводники внутреннего сигнального слоя подложки, отделённые от металлической пластины изолирующим слоем, образуют обращенные полосковые линии.

   ППЛ и ОПЛ являются сравнительно новыми и мало исследованными линиями передачи в отличие от МПЛ. Качественный анализ позволяет выявить возможности улучшения важных электрических характеристик межсоединений за счёт использования этих линий, а правильный выбор материала и толщины подложки и изолирующего слоя способен дать дополнительные улучшения.

   Таким образом, сигнальные межсоединения новой платы образуются двумя различными видами линий передачи, которые отличаются от широко распространённых симметричной полосковой линии и микрополосковой линии значительно большей неоднородностью диэлектрического заполнения, но позволяют получить меньшие задержки сигналов в линиях. Поэтому целесообразно тщательное вычислительное моделирование межсоединений ПТМП с целью выявления возможностей уменьшения искажений сигналов в межсоединениях.

   Похожие диссертации на Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях и влияний преднамеренных силовых электромагнитных воздействий

   Искажения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях помехозащищенных теплопроводных монтажных платКузнецова-Таджибаева Ольга Михайловна

   

   Влияние воздействия массажных устройств на адаптацию новотельных коров к машинному доениюСуздалев Сергей Петрович

   

   Влияние воздействия низкотемпературной плазмы на стойкость к биологической и атмосферной коррозии натуральных высокомолекулярных соединенийМекешкина-Абдуллина Елена Ильдаровна

   

   Влияние технологических воздействий на свойства арматурных сталей железобетонных конструкцийКосенко Евгений Евгеньевич

   

   Влияние колебательных воздействий нагрузки на показатели работы тракторных дизелей и способы их улучшения Вайнштейн Григорий Яковлевич

   Влияние электротермического воздействия молнии на безопасность полетов воздушных судовРазумовский, Анатолий Николаевич

   

   Влияние термоциклических воздействий расплавленного металла на систему "конвертер-кран" и совершенствование ее элементов Малов Владислав Валерьевич

   Влияние термоциклических воздействий расплавленного металла на систему "конвертер-кран" и совершенствование ее элементовМалов Владислав Валерьевич

   Влияние электрохимического воздействия на свойства материалов легкой промышленностиЛобов, Роман Владимирович

   Релаксация электросопротивления твердотельных датчиков газов под влиянием внешних воздействийРусских Дмитрий Викторович