Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС И
НАПРАВЛЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС С УЧЕТОМ ЭМС 11
1.1 Анализ современных систем автоматизированного
проектирования РЭС (функциональные характеристики, модели,
методы) 11
1.2 Технологии проектирования РЭС с учетом
электромагнитной совместимости, направления по
совершенствованию процессов автоматизации проектирования
РЭС с учетом ЭМС 29
Цель и задачи исследования 35
Основные выводы главы 36
2. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ИХ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ 38
2.1 Классификация паразитных эффектов и типовых
конструктивно-технологических решений, используемых при
проектировании РЭС 38
2.2 Анализ современных методик рационального размещения
радиоэлектронных компонентов с учетом основных критериев
и критерия ЭМС 46
2.3 Основные выводы главы 58
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ
РЕШЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РЭС С УЧЕТОМ ЭМС НА
ОСНОВЕ МЕТОДА ЧАСТИЧНЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ
ЭЛЕМЕНТОВ 59
Сравнение методов электромагнитного моделирования 59
Математическое моделирование ЭМС на основе метода частичных эквивалентных схем элементов 70
3.3 Разработка алгоритма электромагнитного моделирования на
основе метода частичных эквивалентных схем элементов 93
3.4 Формулировка MNA (модифицированного центрального 95
анализа) моделей РЕЕС
Алгоритм PRIMA 103
Преобразование в эквивалентную схему 105
Решение системы MNA 108
Основные выводы главы 110 4. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС С УЧЕТОМ ЭМС НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЧАСТИЧНЫХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ ЭЛЕМЕНТОВ 112
4.1 Разработка подсистемы автоматизированного проекти
рования РЭС 112
4.2 Апробация методологии на простых структурах 129
4.3 Оценка эффективности подсистемы автоматизированного
проектирования по результатам внедрения 159
4.4 Основные выводы главы 160
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 161
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
ПРИЛОЖЕНИЯ 184
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка современных радиоэлектронных средств (РЭС), обладающих высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, невозможна без применения САПР. Развитие САПР радиоэлектронных средств позволяет решать задачи, связанные с разработкой РЭС с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС), требования к которой постоянно ужесточаются. Оценка качества электромагнитной совместимости РЭС и обнаружение источников нежелательных возмущений на ранних этапах разработки изделия позволяет избежать повторного проектирования и обеспечивает повышение его качества в целом.
САПР РЭС, ориентированные на анализ целостности сигнала и ЭМС (подобные EMC-Engineer, Omega Plus, FIDELITY, ANSYS, EMSight, FDTD) имеют ограниченные возможности в плане моделирования и оптимизации параметров сложных РЭС. Анализ трехмерных металлодиэлектрических структур со сложной геометрией и материальными свойствами с помощью вышеупомянутых САПР либо невозможен, либо требует неоправданно больших затрат машинного времени вследствие применения классических методов моделирования (как правило, метода граничных элементов, метода конечных элементов, метода конечных разностей и метода моментов).
Наиболее известные производители РЭС с большой номенклатурой проектных изделий имеют собственные вычислительные центры, оснащенные мощной вычислительной техникой, и приобретают специализированные дорогостоящие САПР (производителями которых являются такие компании, как Mentor Graphics, Cadence и Zuken). Для большого числа малых производственных фирм, специализирующихся в узкой области, автоматизированного проектирования РЭС, с малыми объемами проектных работ, экономически нецелесообразно приобретение мощного технического и программного обеспечения для решения своих
5 задач, которое в большинстве своем не имеет подробной документации на русском языке, что тоже существенно ограничивает круг пользователей.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью решения вышеупомянутых задач при автоматизированном проектировании РЭС с учетом влияния ЭМС путем создания специализированной САПР, использующей простой численный метод и математические модели, отличающиеся «физичностью» и наглядностью с точки зрения протекающих в структуре электромагнитных процессов.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «САПР и системы автоматизации производства».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка нового подхода к созданию конструкторских САПР на основе метода частичных эквивалентных схем проектирующих радиоэлектронные средства с учетом электромагнитной совместимости, позволяющих снизить трудовые и временные затраты, а также существенно повысить качество проектируемых изделий.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
проведен анализ современных САПР с учетом ЭМС, выделены основные существующие недостатки в данной области и выявлены причины их появления, определены направления повышения эффективности математического моделирования и автоматизированного проектирования РЭС;
проведена классификация паразитных эффектов и осуществлено исследование конструктивно-технологических решений, используемых при проектировании РЭС;
проведено исследование современных численных методов моделирования ЭМС радиоэлектронного оборудования;
разработаны математические модели и алгоритмы проектных решений при разработке РЭС с учетом ЭМС на основе метода частичных эквивалентных схем элементов;
разработана подсистема автоматизированного проектирования на основе метода частичных эквивалентных схем элементов с использованием сокращения порядка модели, оценены его адекватность и эффективность.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались аналитические и численные методы современного математического моделирования и проектирования электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, основные положения теории систем автоматизированного проектирования, стандартные методики размещения радиоэлектронных компонентов, аппарат вычислительной математики, методы имитационного моделирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты:
1. Математические модели электромагнитных явлений в
многослойных металлодиэлектрических структурах, отличающиеся
простотой алгоритмизации и позволяющие изменять внешние компоненты в
структуре и анализировать новую систему, не пересчитывая ее
помехоизлучающие элементы, так как их величина определена только
геометрией структуры и не зависит от электромагнитного контекста.
2. Алгоритм анализа ЭМС, основанный на методе частичных
эквивалентных схем элементов для сложных и нерегулярных структур,
представленных металлическими проводниками и диэлектрическими
площадками законченных размеров, отличающийся наглядностью
протекающих в анализируемой структуре электромагнитных процессов,
небольшим числом выполняемых математических операций
(производительность метода на порядок выше степени быстродействия
методов численного решения интегральных уравнений) и экономичностью в
плане использования ресурсов ЭВМ.
Алгоритм электромагнитного решения модели, основанный на использовании алгоритма PRIMA, метода частичных эквивалентных схем элементов и типового симулятора SPICE, позволяющий анализировать структуру во временной и частотной областях.
Подсистема автоматизированного проектирования РЭС с учетом ЭМС в распределенной вычислительной среде, позволяющая производить вычисления с любого IBM-совместимого ПК с процессором Pentium и не требующая приобретения мощной компьютерной техники и дорогого программного обеспечения.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты являются основой для создания математического обеспечения и подсистемы автоматизированного проектирования РЭС с учетом ЭМС, ориентированной на IBM-совместимые компьютеры с процессором Pentium, функционирующие в операционной среде Windows. Использование в САПР простого и эффективного метода частичных эквивалентных схем элементов, математических моделей и алгоритмов позволяет разрабатывать РЭС с учетом ЭМС в распределенной вычислительной среде.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации подходы к задаче автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости на основе метода частичных эквивалентных схем элементов были использованы при разработке ОАО «ВНИИ «ВЕГА»» в интересах Министерства обороны России, радиотехнического комплекса «РТК-К7» предназначенного для работы в составе подсистемы специальной подвижной связи «Кавказ-7», лабораторные испытания которого подтвердили адекватность и эффективность созданной САПР.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях и форумах: Международная научно-техническая конференция «Системные проблемы надежности, качества, математического
8 моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Москва-Воронеж-Сочи, 2007); Международная научно-техническая конференция «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами» (Москва-Воронеж-Сочи, 2008), научно-методических семинарах кафедры конструирования и проектирования радиоэлектронной аппаратуры ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, соискателю принадлежат: структура моделирования электромагнитной совместимости на основе метода частичных эквивалентных схем элементов [40]; технологии моделирования электромагнитной совместимости РЭС [41]; обзор существующих методов размещение радиоэлектронных компонентов с учетом электромагнитной совместимости [42]; теоретическое описание и экспериментальное исследование передатчика смены групп частот [116].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 189 наименований и приложений. Основная часть изложена на 164 страницах, содержит 46 рисунков и 4 таблицы.
Во введении обоснована актуальность работы, дана ее краткая характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.
В первой главе диссертационной работы проведен сравнительный анализ и рассмотрены функциональные характеристики, модели и методы существующих САПР, подсистем САПР, пакетов прикладных программ и отдельных программ, способных частично анализировать ЭМС радиоэлектронных средств. Рассмотрены их возможности, особенности и
9 недостатки. Выявлено исключительное значение учета требований ЭМС, рассмотрены способы решения проблемы ЭМС печатных плат цифровых РЭС и дана постановка задачи по разработке и исследованию технологии автоматизированного проектирования печатных плат цифровых РЭС с учетом критерия ЭМС.
Рассмотрены технологии проектирования радиоэлектронных средств, направления по совершенствованию процессов автоматизации проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости.
На основе проведенного анализа определены цель и задачи работы.
Во второй главе отражены результаты исследования методик проектирования радиоэлектронных средств с учетом влияния электромагнитных излучений на их функционирование. Проведена классификация паразитных эффектов и типовых конструктивно-технологических решений, используемых при проектировании радиоэлектронных средств. Рассмотрены директивы и законодательные акты в области ЭМС. Разработана методика рационального размещения радиоэлектронных компонентов с учетом основных критериев и критерия ЭМС. Выявлен ряд основных факторов, влияющих на ЭМС на уровне радиоэлектронных компонентов и возникающие в связи с этим задачи.
Третья глава посвящена моделированию и алгоритмизации проектных решений при разработке радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости на основе метода частичных эквивалентных схем элементов. Определена структура частичных элементов. Рассмотрены особенности дискретизации структуры в ячейках объема и площади. Рассмотрены эквивалентные паразитирующие элементы, которые моделируют электромагнитное поведение каждой ячейки площади и объема для преобразования в пассивную электрическую цепь, составленную из сопротивлений, мощностей, индуктивностей и генератора напряжений.
10 Проведено моделирование эквивалентной схемы на основе резистивной, индуктивной и емкостной составляющих.
Сформулирован метод MNA (модифицированного центрального анализа) моделей метода частичных эквивалентных схем элементов. Рассмотрен алгоритм PRIMA (Passive Reduced-order Interconnect Macromodeling Algorithm) который гарантирует стабильность и пассивность схемы и сочетает уменьшенный размер в объеме с высокой точностью расчета. Представлено превращение формулировки MNA, которая выражает математическую модель системы сокращенного порядка, в эквивалентные схемы. Разработана схема решения модели, основанной на соединении алгоритма PRIMA в методе частичных эквивалентных схем элементов для анализируемой структуры, с помощью формулировки MNA, в математической модели.
Четвертая глава посвящена разработке подсистемы
автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств с учетом
электромагнитной совместимости на основе метода частичных
эквивалентных схем элементов.
Проведена апробация предложенной методологии на простых структурах, электромагнитное поведение которых известно и результаты подтверждены при помощи аналитической модели, а также доступными цифровыми симуляторами.
В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.
Приложение содержит акт внедрения результатов диссертационной работы.
