Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств обеспечения электромагнитной совместимости и содержания сертификационных испытаний по помехоэмиссии 16
1.1. Анализ современного состояния проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств 16
1.2. Анализ современных методов обеспечения ЭМС 25
1.3. Анализ процедуры сертификационных испытаний, требований к условиям их проведения и задействованным измерительным средствам 32
1.4. Оценка возможности использования современных САПР для решения задач ЭМС, а также для осуществления виртуальной сертификации РЭС по помехоэмиссии 45
1.5. Анализ современных методов моделирования РЭС 51
1.6. Постановка задач диссертационной работы 58
Глава 2. Разработка моделей средств измерений, используемых при проведении сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех 60
2.1. Разработка параметрических и функционально-интерфейсных моделей радиоэлектронных средств 60
2.2. Разработка моделей узлов измерительных приемников и методов идентификации их параметров 67
2.3. Разработка моделей измерительных приемников 100
2.4. Повышение вычислительной эффективности моделей ИП и разработка их упрощенных вариантов 107
2.5. Результаты виртуальной калибровки моделей измерительных приемников и экспериментальная оценка их точности 122
2.6. Разработка моделей дополнительных средств измерений, используемых при исследованиях радиопомех 140
2.7. Разработка методики использования моделей измерительных приемников при решении практических задач 151
2.8. Выводы 154
Глава 3. Разработка теоретических основ метода расчета электромагнитных полей, формируемых РЭС 155
3.1. Теоретические основы построения электромагнитной модели РЭС для виртуальной сертификации по эмиссии излучаемых помех 155
3.2. Разработка методики отбора проводников, определяющих помехоэмиссию на частоте анализа 179
3.3. Расчет компонентов электромагнитного поля типовых излучающих элементов печатных плат 190
3.4. Расчет компонентов электромагнитного поля электрически коротких проводников, не являющихся прямолинейными 206
3.5. Учет влияния конструкции радиоэлектронных средств на формируемое ими электромагнитное поле 212
3.6. Анализ результатов экспериментальных исследований 230
3.7. Выводы 236
Глава 4. Разработка метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех 238
4.1. Разработка метода моделирования РЭС как излучающего объекта 238
4.2. Результаты практической апробации метода моделирования РЭС как излучающего объекта 251
4.3. Разработка модели измерительной площадки, используемой при виртуальной сертификации РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех 261
4.4. Разработка метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех 270
4.5. Оценка неопределенности результатов виртуальной сертификации РЭС по уровню излучаемых радиопомех 288
4.6. Апробация метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех 293
4.7. Выводы 316
Глава 5. Разработка основ построения программного комплекса с функцией моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех 318
5.1. Разработка общих требований к программному комплексу с функцией моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех и принципов его построения 318
5.2. Разработка структуры программного комплекса 328
5.3. Использование ПК ВС при проектировании РЭС 343
5.4. Методы тестирования ПК ВС 347
5.5. Аспекты промышленного внедрения ПК ВС 352
5.6. Выводы 357
Заключение 358
Литература 361
- Анализ процедуры сертификационных испытаний, требований к условиям их проведения и задействованным измерительным средствам
- Результаты виртуальной калибровки моделей измерительных приемников и экспериментальная оценка их точности
- Расчет компонентов электромагнитного поля типовых излучающих элементов печатных плат
- Апробация метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех
Введение к работе
Актуальность тематики работы
Радиоэлектронные средства (РЭС) функционируют в условиях естественных и искусственных радиопомех, в совокупности определяющих электромагнитную обстановку. Наличие свободно распространяющихся электромагнитных волн, а также кондуктивных помех порождает проблему электромагнитной совместимости (ЭМС), являющуюся одной из основных в радиотехнике. Важной особенностью ЭМС как научно-практического направления является ее тесная взаимосвязь с функциональной безопасностью техногенных объектов и медицинской безопасностью, значимость которых в настоящее время общепризнанна.
Воздействие электромагнитных помех на РЭС может приводить к разным последствиям. Характер сбоев для конкретного электронного устройства определяется интенсивностью помехоэмиссии и помехоустойчивостью. Соответственно, методы обеспечения ЭМС развиваются по двум основным путям, направленным в сторону снижения помехоэмиссии и повышения стойкости к кондуктивным и излучаемым радиопомехам.
В настоящее время разработаны принципы обеспечения ЭМС, состоящие в использовании комплекса специальных конструкторских и схемотехнических методов. Улучшение показателей ЭМС достигается экранированием, использованием фильтров, снижением площади проводящих контуров и рядом других технических решений, закладываемых при разработке РЭС.
В целях обеспечения единства используемых критериев соответствия РЭС требованиям по ЭМС для различных классов аппаратуры устанавливают нормы по помехоэмиссии и стойкости к радиопомехам при нормированных условиях испытаний, определяемых стандартами. Подтверждение соответствия РЭС таким нормам выполняется в ходе сертификационных испытаний. При сертификационных испытаниях анализируются как кондуктивные, так и излучаемые радиопомехи РЭС.
На текущий момент методы защиты от кондуктивных помех, включающие в основном схемотехнические приемы, развиты в степени, достаточной для успешного использования в большинстве разработок серийного и массового производства, поэтому более важной задачей является обеспечение соответствия РЭС нормам по эмиссии излучаемых радиопомех.
Сертификационные испытания предусматривают исследование излучаемых радиопомех, формируемых РЭС, на открытых или альтернативных измерительных площадках с привлечением специального оборудования. Они проводятся в аккредитованных лабораториях, занимают до нескольких недель и
имеют значительную стоимость. Достоинством сертификационных испытаний в условиях специализированной лаборатории является их объективность и сравнительно небольшая погрешность результатов, определяемая свойствами измерительной площадки и используемого оборудования.
Вместе с тем, на момент проведения сертификационных испытаний по помехоэмиссии разработчик не имеет гарантий их успешного завершения. Неудача на сертификационных испытаниях приводит к явным временным и финансовым потерям, что недопустимо в условиях жесткой рыночной конкуренции. Кроме того, при обнаружении превышения норм испытания обычно прекращают с формированием соответствующего заключения. Следовательно, разработчики, получив информацию о недопустимом уровне помехоэмиссии на некоторой частоте, не имеют представления о её уровне на многих других частотах. Поэтому последующая доработка РЭС может оказаться неудовлетворительной и вместе с повторными испытаниями приобрести циклический характер.
Исследования показали, что на практике может быть применен усовершенствованный подход к обеспечению соответствия РЭС нормам помехоэмиссии, который снимает остроту указанных недостатков лабораторных испытаний. В состав стадии технического проектирования вводится новый этап, на котором на основе информации о схемотехнике и конструкции проектируемого РЭС выполняется его схемотехническое и электродинамическое моделирование, а также моделирование условий проведения сертификационных испытаний и средств измерений, предписанных к использованию при лабораторном анализе помехоэмиссии. В ходе расчета оценивается помехоэмиссия на каждой интересующей разработчика частоте в выбранной точке наблюдения. Реализация такого подхода требует создания соответствующих методов и методик.
В России развитию методов моделирования РЭС как источников излучаемых и кондуктивных радиопомех, а также средств измерений, используемых при исследованиях в области ЭМС, посвящены работы Князева А.Д., Воронина А.Я., Кечиева Л.Н., Чермошенцева С.Ф., Юркевича Л.В. Из исследований в этой области в других странах следует выделить труды Poly K., Thihani L., Senior T., Hristopulos H., Braxton T., Tasker S.
В работах этих авторов обоснована необходимость оценки помехоэмиссии на стадии проектирования РЭС, намечены первичные пути их численного исследования как излучающих объектов, изложен ряд концептуальных идей по моделированию средств измерений, используемых в лабораторных исследованиях помехоэмиссии.
Применяемые на сегодняшний день методы обеспечения ЭМС характеризуются ориентированностью на экспериментальные оценки и опыт разработчиков. Вместе с тем, отечественные и зарубежные специалисты признают, что такой подход к решению связанных с ЭМС вопросов далеко не всегда состоятелен, поскольку часто не оперирует с количественными оценками помехоэмиссии. Избыточность закладываемых мер по ЭМС также негативно сказывается на конечном изделии, т.к. ведет к увеличению стоимости РЭС. Таким образом, формирование и развитие методологии моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех позволяет существенно расширить спектр средств, применяемых при обеспечении ЭМС, и качественно улучшить уже используемые методы.
Из изложенного следует, что решаемая в диссертации проблема расчетной оценки уровня излучаемых радиопомех для радиоэлектронных средств на стадии их проектирования, в т.ч. в условиях, соответствующих сертификационным испытаниям по помехоэмиссии, является актуальной и важной в научном и прикладном смысле.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью работы является повышение эффективности используемых проектных решений РЭС путем разработки и практического использования новых методов, предназначенных для оценки уровня излучаемых радиопомех на стадии проектирования в условиях, соответствующих сертификационным испытаниям по помехоэмиссии. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.
-
Проведен анализ современного состояния проблемы электромагнитной совместимости и методов ее обеспечения, проанализирована процедура лабораторных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех и оценена возможность их перевода в плоскость моделирования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
-
Разработана концепция новых типов схемных моделей радиоэлектронных средств, допускающих изменение параметров непосредственно в процессе моделирования и являющихся обобщением классических моделей с жесткой структурой.
-
На основе представления о параметрических и функционально-интерфейсных моделях РЭС разработаны модели средств измерений, используемых при выполнении сертификационных испытаний по эмиссии излучаемых радиопомех, и методика их использования при решении практических задач в области ЭМС.
-
На основе анализа подходов к решению задач электродинамики сформированы приближенные модели для расчета электромагнитных полей,
формируемых РЭС, составляющие основу метода моделирования РЭС как излучающих объектов и метода моделирования сертификационных испытаний по эмиссии излучаемых помех.
-
Разработан метод моделирования РЭС как излучающих объектов, предназначенный для расчета интенсивности радиоизлучений на заданной частоте в выбранной точке свободного пространства при решении задач в области ЭМС.
-
Разработан метод моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.
-
Разработаны основы построения программного комплекса с функцией моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, необходимого для широкого внедрения результатов диссертационной работы в практику разработки электронных устройств.
-
Проведен ряд экспериментальных исследований, подтвердивших основные положения, расчетные соотношения, выводы, показавших практическую применимость и эффективность теории виртуальной сертификации в приложении к решению практических задач.
Методы исследования
В процессе решения поставленных задач использовались принципы системного подхода, методы математического моделирования электрических схем, методы технической электродинамики, теория электрических цепей, теория постановки эксперимента, основные принципы радиотехнических измерений.
Проверка эффективности и практической применимости выработанных в диссертации положений, рекомендаций и расчетных соотношений выполнялась на основе сопоставления расчетных и экспериментальных результатов, полученных для специально разработанных образцов излучающих структур и тестовых радиоэлектронных средств.
Научная новизна работы
В диссертационной работе получены следующие основные результаты.
-
Разработаны методы моделирования радиоэлектронных средств, для которых необходимо конфигурирование и изменение параметров непосредственно в процессе моделирования, базирующиеся на введенном в диссертации представлении о параметрических и функционально-интерфейсных моделях РЭС, что позволяет моделировать ряд новых устройств, включая средства измерений.
-
На основе новых подходов к моделированию разработаны модели измерительных приемников с детекторами пикового, квазипикового, среднего, среднеквадратичного значений и дополнительных средств, используемых при
исследованиях радиопомех, а также подходы к идентификации их параметров, что позволяет на практике использовать их в качестве виртуальных средств измерений с нормированными характеристиками. Соответствие свойств моделей измерительных приемников требованиям стандартов подтверждено выполнением калибровочных условий.
-
Предложены методы моделирования проводников РЭС, имеющих различную конфигурацию, как источников радиопомех, основанные на приближениях электрически коротких антенн и позволяющие рассчитать компоненты электромагнитного поля проводников в свободном пространстве при решении задач в области ЭМС.
-
На основе ряда практически применяемых упрощений разработаны методы учета влияния конструкционных элементов РЭС на распространение радиопомех, позволяющие уточнить характеристики излучений в точке наблюдения путем рассмотрения явлений их преломления и дополнительного ослабления.
-
Разработан метод моделирования РЭС как излучающего объекта, позволяющий оценить как функцию времени напряженность формируемого ими электромагнитного поля в свободном пространстве. Соответствующая ему методика разработана на уровне, достаточном для решения практических задач в области ЭМС.
-
Разработан метод моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, позволяющий оценить результаты последующих лабораторных испытаний, наметить — при необходимости — пути доработки схемотехнических и конструкторских решений и значительно повысить вероятность успешного прохождения лабораторного тестирования.
-
Разработаны теоретические основы построения программного комплекса с функцией моделирования сертификационных испытаний, включая его структурные схемы и алгоритм проектирования с его использованием, предусматривающий проведение виртуальной сертификации на стадии технического проектирования РЭС, что открывает широкие перспективы по практическому внедрению разработанной методологии и по разработке соответствующего средства автоматизированного проектирования.
Положения, представляемые к защите
1. Параметрические и функционально-интерфейсные модели
электронных схем являются обобщением моделей с жесткой структурой и
обеспечивают возможность моделирования дополнительных существенных
свойств РЭС в пространстве электрических сигналов.
2. Сформулированные принципы построения моделей, базирующиеся на
использовании параметрических блоков в схемах замещения и положенные в
основу разработанных моделей измерительных приемников и дополнительных измерительных средств, позволяют оценивать их реакцию на известные входные воздействия путем моделирования.
-
Выработанные в диссертации модели и математические соотношения, основанные на приближении электрически коротких антенн, являются базисом метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.
-
Теоретический базис на основе приближения электрически коротких антенн позволил развить метод моделирования РЭС как излучающих объектов, отличающийся от известных универсальностью по классам моделируемых РЭС.
-
Разработан метод моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, отличающийся от известных использованием новых методов и методик, предложенных в диссертационной работе, и впервые позволивший на стадии проектирования РЭС оценивать результаты таких испытаний на основе вычислительного эксперимента.
6. Предложен алгоритм проектирования РЭС с использованием
программного комплекса, реализующего моделирование сертификационных
испытаний РЭС по эмиссии изучаемых радиопомех.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Московского института электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».
Практическая значимость работы
Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем.
1. Внедрение теории виртуальной сертификации в практику
проектирования РЭС позволяет резко повысить вероятность успешного
прохождения лабораторных испытаний на завершающих этапах
проектирования, что снижает риск финансовых и временных потерь.
2. Предложенные в диссертации методы и методики могут применяться
непосредственно при решении инженерных задач в области ЭМС.
3. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили
практическую применимость развитых в диссертации теоретических
положений.
Реализация и внедрение результатов работы
Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику разработки перспективных радиоэлектронных средств в ОАО «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт», в ОАО «Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», в ФГУП «Ростовский-на-Дону научно-8
исследовательский институт радиосвязи», в ЗАО «Компания «Радиокомсистема», а также в учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ на кафедре «Радиоэлектроника и телекоммуникации», в учебный процесс Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.
Апробация результатов работы
Работа в целом и ее основные результаты докладывались и обсуждались:
на тринадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ, в 2010 г.;
на LXVI научной сессии РНТО РЭС им. А.С. Попова, посвященной дню радио, в 2011 г.;
на четырнадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ, в 2011 г.;
— на девятом Международном симпозиуме по электромагнитной
совместимости и электромагнитной экологии, г. С.-Петербург, в 2011 г.
на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, в 2011, 2012 и 2013 гг.;
на пятнадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ, в 2012 г;
на шестнадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ НИУ ВШЭ, в 2013 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 52 печатные работы, в т.ч. 51 статья (из них 29 статей в журналах, включенных в список ВАК), 1 монография объемом 196 с, тезисы докладов 3 конференций.
Структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 197 наименований, и 4 приложений. Общий объем работы составляет 486 с., объем приложений — 111 с. В приложения вынесены результаты экспериментальных исследований, формализованное описание моделей и другая дополнительная информация.
Анализ процедуры сертификационных испытаний, требований к условиям их проведения и задействованным измерительным средствам
Стандартизация в области сертификационных испытаний. Согласно [29], проектируемая, а также ввозимая на территорию Российской Федерации электронная аппаратура подлежит сертификационным испытаниям по параметрам помехоустойчивости и помехоэмиссии. Параметры помехоэмиссии принято разделять на относящиеся к излучаемым и кондуктивным помехам.
Согласно современному законодательству, несертифицированные РЭС не могут реализовываться через предприятия торговли. Поэтому организации, занимающиеся производством радиоэлектронной аппаратуры, обязаны проводить свою продукцию через сертификационные испытания, которым подвергается первая партия изделий при серийном установившемся производстве. В Российской Федерации испытания проводятся в независимых испытательных лабораториях или центрах, аккредитованных Госстандартом. Следует отметить, что иметь собственные сертификационные лаборатории по ЭМС могут себе позволить далеко не все даже крупные предприятия и организации, поскольку их цена и стоимость эксплуатации велики. Как правило, работы по комплексу сертификационных испытаний, предусмотренных законодательством для продукции данного типа, выполняются организациями, имеющими узкую специализацию, связанную с измерениями по ЭМС и радиоконтролем [30]. Это является еще одним аргументом в пользу разработки теории виртуальной сертификации, которая позволит должным образом подготовиться к лабораторным исследованиям.
Перечень проектируемых РЭС очень широк. Они отличаются назначением, полосой рабочих частот, областью использования. Поэтому их разделяют на укрупненные виды, для которых устанавливают отдельные требования по ЭМС. Стандарты, относящиеся к конкретной группе технических средств, называют продуктовыми. Таким образом, изготовителю РЭС для определения требований к изделию необходимо его отнести к той или иной группе и ориентироваться на требуемые для неё показатели.
Для указанного принципа классификации можно использовать разное количество видов оборудования в зависимости от степени детализации. Однако практические исследования [22] показали нерациональность значительного количества таких групп, поскольку аппаратура, построенная на элементной базе одного и того же поколения и предназначенная для преобразования одинаковых сигналов характеризуется, согласно статистике, примерно одинаковым уровнем помехоэмиссии.
В настоящее время для нормирования эмиссии радиопомех используется классификация, предусматривающая около десяти групп РЭС, примерами которых являются:
— технические средства с малым энергопотреблением [31];
— технические средства промышленных зон [32];
— радиовещательные и телевизионные приемники и другая схожая бытовая аппаратура [33];
— оборудование информационных технологий [34];
— профессиональная аудио-, видео- и аудиовизуальная аппаратура, а также устройства управления световыми приборами для зрелищных мероприятий [35];
— оборудование дуговой сварки [36];
— средства радиосвязи [37].
Основополагающим стандартом, который устанавливает последовательность и содержание сертификационных испытаний по ЭМС, а также общие требования к средствам и условиям измерений, является ГОСТ 51320-99 [38], соответствующий международным стандартам СИСПР 16-1 (1993-08), изд. 1 и СИСПР 16-2 (1996-11), изд. 1.
Продуктовые стандарты являются уточняющими и дополняющими по отношению к нему, причем их структура такова, что частично включает в себя содержание стандарта [38]. Как отмечалось выше, в рамках диссертационной работы для определенности предполагается ориентироваться на оборудование информационных технологий (ОИТ). При этом следует полагать, что проверяемые параметры, принципы тестирования и свойства средств измерений для РЭС других групп не имеют принципиальных отличий от принятых для ОИТ.
Помимо перечисленных государственных стандартов, существует еще их большая группа, относящаяся к помехоустойчивости РЭС. Уровень стойкости к радиочастотному излучению устанавливается путем воздействия электромагнитного поля на РЭС, функционирующее в штатном режиме и в характерных условиях эксплуатации [39], причем выбранный режим должен соответствовать наиболее критичному с точки зрения восприятия изделием радиопомех. Напряженность электромагнитного поля в заданной точке корпуса РЭС (в основном, измерения проводят на портах оборудования) должна соответствовать установленным требованиям для данного типа технических средств.
При исследовании устойчивости к кондуктивным помехам в интерфейсные цепи РЭС вводят источники помеховых сигналов, которые должны отвечать требованиям стандартов. Устройство также должно функционировать в режиме, наиболее критичном к восприятию кондуктивных помех. Критерием соответствия требованиям по стойкости к электромагнитным воздействиям является бессбойное функционирование РЭС, либо, в отдельных случаях, такая степень его нарушения, при которой последнее может быть устранено оператором либо ликвидируется без его вмешательства после исключения воздействия помехи.
Механизм воздействия радиопомех на РЭС состоит в наведении побочных токов в электрических схемах [40]. Поэтому, последовательно рассматривая взаимодействие излучаемых радиопомех с материалом корпуса РЭС и учитывая механизм возникновения наводок, можно путем моделирования решить задачу, смежную рассматриваемой в диссертационной работе — оценить стойкость РЭС к электромагнитным полям. Аналогично, используя схемотехническое моделирование, можно получить оценки стойкости к кондуктивным радиопомехам. Принципиальных причин для неразрешимости этих задач указанными методами нет.
Разделение радиопомех РЭС на излучаемые и кондуктивные. В теории ЭМС радиопомехи, формируемые РЭС, четко подразделяются на излучаемые и кондуктивные в соответствии со средой их распространения. Излучаемые помехи представляют собой электромагнитные волны, распространяющиеся в свободном пространстве, кондуктивные помехи — это токи и напряжения, распространяющиеся в проводниках РЭС, в т.ч. обеспечивающих подключение внешних устройств и электропитание.
В связи с этим, для анализа этих типов радиопомех применяют разные схемы измерений и оборудование наряду с общими принципами оценки радиопомех. Метод, используемый при оценке уровня радиопомех, состоит в их трансформации в сигнал, который может быть подан на вход специального устройства с нормированными характеристиками — измерительного (тестового) приемника [22]. В последнее время вместо таких устройств все чаще используют анализаторы спектра, имеющие соответствующие режимы работы и характеристики и обладающие возможностью панорамного обзора заданной полосы частот. Измерительные приемники обеспечивают перенос спектральных составляющих сигнала вблизи частоты анализа на промежуточную частоту с последующей узкополосной фильтрацией. Далее выходной сигнал фильтра ПЧ подвергается детектированию. Параметры фильтра ПЧ и детекторов измерительного приемника должны соответствовать требованиям, установленным стандартами.
Результаты виртуальной калибровки моделей измерительных приемников и экспериментальная оценка их точности
Моделирование ИП КД имеет ряд особенностей, связанных с наличием в их структуре ИИП. Несмотря на в целом сходные методы калибровки ИП, которые применяются ниже и для их моделей, предложенных в разделе 2.3, представляется методически правильным рассмотреть калибровку ИП КД отдельно от аналогичной для ИП с другими типами детекторов.
Особенности выполнения калибровки модели ИП КД состоят в следующем.
1. Необходимость ограничения шага моделирования во временной области вызвана наличием в модели ИП колебательных контуров с высокой добротностью в преселекторе и ФПЧ. Путем экспериментального исследования моделей было установлено, что при увеличении максимального шага моделирования до значений более некоторого порогового уровня модели ИП КД дают значительную погрешность (более 20%). В качестве тестируемого параметра использовался коэффициент передачи на частоте настройки приемника при синусоидальном входном воздействии. Экспериментально установлено, что если на входе модели действует синусоидальный сигнал с частотой FS, то шаги вывода TOUT и моделирования TR целесообразно ограничить сверху значениями TOUT = 0,01/FS; TR = (0,023...0,032)/FS. (2.79)
Для импульсных воздействий с длительностью импульса TI следует использовать ограничение TOUT = 0,1TI; TR = (0,23...0,32)TI. (2.80) Для импульсных сигналов любой формы рекомендуется использовать такой шаг вывода, при котором вся длительность импульса TI разбивается не менее чем на десять интервалов. Однако при сложной форме импульсного сигнала шаг TOUT должен быть дополнительно уменьшен в целях правильного описания при симуляции и получения результатов с приемлемой точностью. Рекомендуется выбирать шаг TR = (2,3...3,2)TI. С учетом того, что разные программы имеют в целом схожие вычислительные ядра и алгоритмы, можно рассматривать приведенные ограничения как рекомендацию, распространяющуюся на ряд систем моделирования.
2. Упрощение модели ИП КД для диапазонов C и D. Из формул (2.79) и (2.80) следует, что для высоких частот входных сигналов шаги вывода и моделирования становятся порядка 10-10…10-11 с. Это означает, что симуляция в интервале до 4…5 с при использовании обычных вычислительных средств может потребовать несколько сотен машинных часов, что неприемлемо. Поэтому при калибровке в диапазонах C и D ниже используются упрощенные модели ИП КД. Для синусоидального воздействия сигнал с частотой, равной промежуточной, также подается на вход ФПЧ. Вопрос построения рассмотрен в разделе 2.4.
3. Моделирование при низкой частоте повторения импульсов. Как правило, системы моделирования позволяют сохранить рассчитанные значения токов и напряжений в схеме для ограниченного количества точек вывода во временной области. При малом шаге вывода моделирование дает возможность получить зависимость выходного напряжения ИП КД от времени лишь для небольшого его интервала. Проведение относительной калибровки предусматривает низкую частоту повторения импульсов, при которой за показание ИП КД принимается максимальное значение. Однако максимум отклонения стрелки индикаторного прибора из-за его инерционных свойств достигается не в момент прихода импульса, а спустя некоторое время после него. Для обоснованного выбора интервала вывода результатов моделирования следует выполнять предварительный расчет данного запаздывания.
После окончания короткого импульса и порожденного им в ФПЧ переходного процесса, длительность которого много меньше постоянных времени для детектора и ИИП, на вход последнего воздействует напряжение, описываемое уравнением u(t) = Aexp( /ХP). Данная функция соответствует началу разряда КД в нулевой момент времени; здесь А — амплитуда сигнала на выходе детектора сразу после окончания заряда, хр — постоянная времени разряда детектора.
Изложенное выше полностью подтверждается результатами моделирования [104]. В качестве примера рассмотрим модель ИП КД для диапазона А при входном воздействии в виде последовательности импульсов с частотой 1 Гц. Электрическая площадь импульса составляет 13,5 мкВс (см. ниже таблицу 2.8). В результате предварительного моделирования было установлено, что А = 615 мкВ, уо = 160, _у0 = 5,3310-5. Расчет дает значения хэ = 2,5; 1э = 0,4 с. Расчетная динамика движения стрелки ИП приведена на рис. 2.39,а. Моделирование дает результат, приведенный на рис. 2.39,б. На рис. 2.39,а по оси абсцисс отложено относительное время, на рис. 2.39,б — текущее абсолютное время моделирования. Из сопоставления этих зависимостей следует отсутствие между ними существенных различий до начала следующего импульса. Требования к калибровке ИП КД. Калибровка ИП КД подразделяется на абсолютную и относительную. Абсолютная калибровка ИП КД состоит в сопоставлении показаний при подаче на вход синусоидального сигнала с частотой настройки, имеющего действующее значение 2 мВ (66 дБмкВ), и последовательности коротких импульсов с электрической площадью и частотой повторения, указанными в таблице 2.8. Эти показания должны быть одинаковыми для каждого из диапазонов частот; допустимое отклонение составляет ± 1,5 дБ (-16…+18%). При проведении калибровки необходимо учитывать, что импульсы должны иметь равномерный спектр в каждом из диапазонов частот вплоть до его максимальной частоты. В [76] было показано, что для коротких импульсов уровень спектральных составляющих определяется в наибольшей степени электрической площадью импульса, и мало зависит от его формы. Поэтому в качестве испытательных импульсов на вход ИП КД в принципе могут подаваться короткие импульсы любой формы, имеющие соответствующую таблице 2.8 электрическую площадь. Относительная калибровка ИП КД состоит в снятии импульсной характеристики. Она заключается в сопоставлении показаний ИП при действии на входе импульсов с той же электрической площадью, что и при абсолютной калибровке (таблица 2.8), но при разных частотах повторения. В качестве опорного значения выбирается частота следования импульсов при абсолютной калибровке.
Расчет компонентов электромагнитного поля типовых излучающих элементов печатных плат
В разделах 3.1 и 3.2 были приведены примеры типовых излучающих элементов —
отрезков характерных для печатных плат линий передачи. Также отмечалось, что одним из основных путей сокращения количества элементов декомпозиции является рассмотрение проводников, образующих линию передачи, в качестве единой излучающей системы. Для практического использования такого подхода необходимо получить расчетные соотношения, описывающие компоненты электромагнитного поля ТИЭ в произвольной относительно них точке. При этом важен не только расчет абсолютных значений напряженности, но и определение их направления для последующего использования принципа суперпозиции. Задача определения направления компонентов электромагнитного поля, формируемого элементами декомпозиции, рассматривается в разделе 4.1. Ниже рассматриваются следующие виды ТИЭ: одиночный проводник на диэлектрике, копланарная линия, микрополосковая и заглубленная микрополосковая линии. Полосковые симметричная и несимметричная линии исключаются из рассмотрения по причине существенного ослабления поля слоями металлизации, входящими в состав линий этих типов. Для анализа излучений односторонних печатных плат и элементов топологии со сходной конфигурацией используются соотношения, полученные для одиночных проводников на диэлектрике.
Одиночный проводник на диэлектрике. Наличие диэлектрика вблизи проводящей структуры, как отмечалось выше, приводит к снижению коэффициента распространения волны тока, возбуждающего излучение. Учитывая структуру конструкции, можно считать, что распределение поля в части полупространства, расположенного со стороны размещения проводника, будет описываться уравнениями (3.7) с достаточной для практики точностью при учете реального коэффициента распространения, который рассчитывается через эффективную диэлектрическую проницаемость. Однако в (3.7) направление на точку наблюдения определяет только угол , в то время как в цилиндрической системе координат следует использовать две угловых координаты. В качестве них будем использовать азимутальный угол и зенитный угол , которые отсчитывался в положительных направлениях так, как показано на рис. 3.15. Использование зенитного угла вместо угла места оправдано дальнейшим использованием данных результатов при расчете компонентов излучения ТИЭ. В случае, если рассматривается излучение платы со стороны диэлектрика, углы отсчитываются аналогично, но дополнительно учитывается преломление электромагнитных волн.
В литературе, например, в [130], анализ действия диэлектрика как экрана с позиции ослабления электромагнитных волн выполняется на качественном уровне. В частности, отмечается, что для эффективного использования диэлектрического экрана необходимо, чтобы защищаемый объект непосредственно констатировал с ним или был в него погружен, если используется жидкий диэлектрический материал. В этом случае силовые линии перераспределятся и поле внутри защищаемого объема будет меньше, чем без использования диэлектрика. Однако степень такого ослабления будет мала, поэтому практическое использование диэлектрических экранов нерационально. Максимальное ослабление поля, согласно качественному заключению, соответствует области малых зенитных углов ( 0), в которой граница раздела диэлектрика и пространства имеет максимальную неоднородность для проходящих через неё электромагнитных волн. Если рассматривать аналогию с магнитостатическим экраном, то максимальный коэффициент ослабления должен быть равен относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Использование в модели РЭС по помехоэмиссии каких-либо качественных решений приводит к существенному снижению её точности, в особенности с учетом того, что ослабление поля со стороны диэлектрика зависит от его электрофизических параметров. Поэтому необходимо оценить ослабление излучения в количественных отношениях, причем следует искать её среднее значение для упрощения расчетных соотношений и метода оценки эмиссии радиопомех в целом.
В [130] приводятся расчетные соотношения для эффективности экранирования при использовании магнитных экранов различной конфигурации. Если рассмотреть цилиндрический магнитной экран большой протяженности с относительной магнитной проницаемостью э, внутренним радиусом rt и внешним радиусом г0, то для него 4и эффективность экранирования составит А = . Если проводник на (Дэ+1) +(дэ-1) rt /r0 диэлектрике рассматривать по аналогии, то rt = 0, поэтому К = 4э/(3 - 1)2, причем К не зависит от толщины экрана. Оценим для данного случая эффективность экранирования гетинакса, для которого э = 5,5 [152]. Расчет дает значение К = 0,52. Оно не соотносится со значением ІС= 0,18, которое рассчитывается на основе экспертной оценки максимального значения коэффициента экранирования, которое составляет К = 1/гэ [130] и относится к излучению дальней зоны (плоская электромагнитная волна). Как следует из протокола №4 (приложение 2), реальное значение эффективности экранирования составляет около 0,5 дБ, или 0,944. Данный пример иллюстрирует необходимость использования более строгих методов при расчете ослабления волн диэлектриком.
Для нахождения приближенного значения К рассмотрим сечение диэлектрика плоскостью, проходящей перпендикулярно его поверхности и содержащей проводник, по которому течет порождающий излучение ток (рис. 3.16). В этом случае = /2. Пусть зенитный угол выбран произвольно. Согласно существующим физическим представлениям, на плоской границе раздела диэлектриков должны выполняться следующие условия [151]: An= An; А1 = А2, (3.27) где D]„ и D2n — нормальные составляющие электрической индукции в средах 1 и 2; Ей и Et2 — тангенциальные составляющие напряженности электромагнитного поля. Первое из приведенных условий позволяет рассчитать нормальную составляющую напряженности после выхода из диэлектрика:
Трансформация нормальной составляющей напряженности электромагнитного поля сопровождается изменением направления распространения электромагнитных волн за счет преломления. Поэтому в соответствии с законами геометрической оптики [135] заданному зенитному углу Р, под которым наблюдается проводник на обратной стороне диэлектрика, будет соответствовать излучение, приходящее к границе диэлектрика под углом падения
Апробация метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех
Общие положения. Целью апробации метода моделирования сертификационных испытания РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, являющегося ключевым элементом в разрабатываемой методологии, является проверка установленных выше теоретических положений путем сопоставления экспериментальных и теоретических результатов оценки помехоэмиссии для образца РЭС.
Из схемы алгоритма методики, соответствующей указанному методу, представленной на рис. 4.12, следует, что она предусматривает значительный объем вычислений. Именно поэтому важна его реализация в форме САПР, вопросы которой рассмотрены в следующей главе работы. Поскольку на момент апробации метода моделирования программные средства его реализации не разработаны, то это накладывает отпечаток на порядок ее проведения.
Схема на рис. 4.12 предусматривает последовательное проведение схемного и электродинамического моделирования РЭС с использованием предложенных выше подходов, а также расчет отклика измерительного приемника. Теория схемного моделирования в настоящее время хорошо проработана [26], а модели измерительного приемника со всеми типами детекторов прошли всестороннюю апробацию [96, 104, 105]. Ряд научно-инженерных решений, входящих в состав предложенного метода моделирования, в частности, по отбору проводников для расчета помехоэмиссии на текущей частоте анализа и по расчету составляющих электромагнитного поля для типовых излучающих элементов, уже были проверены выше. С другой стороны, многие этапы, предусмотренные алгоритмом на рис. 4.12, реализуются на основе соотношений, следующих, как было показано выше, из классической радиотехники и электродинамики, что позволяет априори считать их верными и состоятельными применительно к рассматриваемой задаче. По этим причинам, в первую очередь, в целях снижения вычислительной сложности эксперимента, основной упор сделан на расчет интенсивности радиоизлучения образца РЭС, а выполнение ряда этапов алгоритма на рис. 4.12 опущено как не имеющее значительной ценности в контексте апробации методики моделирования сертификационных испытаний.
Из изложенного следует, что выполненная апробация метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, результаты которой анализируются ниже, должна рассматриваться как первичная. Вместе с тем, экспериментальная часть работы, связанная со значительными организационными и техническими трудностями, была выполнена в соответствии с требованиями стандарта [38]. Поэтому приближенность приводимых ниже оценок не умаляет значимость осуществленного эксперимента в целом.
Требования к тестовому РЭС (ТРЭС). Как известно [38], сертификационные испытания выполняются для функционально и конструктивно законченных образцов РЭС перед изготовлением их партии. Поэтому по аналогии с ТРЭС, использовавшимся при проведении экспериментальных исследований, описанных в протоколе №7 приложения 2, излучающий образец, подвергаемый испытаниям на измерительной площадке, должен конструктивно представлять собой печатный узел, расположенный в корпусе, снабженном интерфейсными элементами.
При выработке требований к ТРЭС должны учитываться известные особенности выполнения сертификационных испытаний [10, 38]. Обычно измерительные площадки развертываются в малонаселенной местности с минимальным количеством постоянно функционирующих радиоэлектронных средств либо в безэховых камерах. В текущем случае последние недоступны из-за организационно-экономических ограничений, поэтому следует ориентироваться на открытые измерительные площадки, в местности развертывания которых всегда присутствуют какие-либо радиоизлучения.
В основе ТРЭС должна лежать электрическая схема, допускающая изменение частот помехоэмиссии. Оно может быть вызвано либо варьированием состояния органов настройки и регулировки, либо изменением характеристик сигналов, подаваемых на ТРЭС. Последнее является более предпочтительным, т.к. позволит дополнительно исследовать ТРЭС и упростить проведение измерений.
Кроме того, ТРЭС должно иметь широкий диапазон напряжений электропитания и входных напряжений, что обеспечивает изменение его рабочего режима и повышает вероятность превышения его радиоизлучением уровня фонового радиошума в местности развертывания измерительной площадки. Поскольку программные средства выполнения виртуальной сертификации на момент проведения экспериментальной апробации не разработаны, то целесообразно для расчета помехоэмиссии на развитой теоретической базе выбрать периодические сигналы со сравнительно простым спектром. Это позволит исключить необходимость использования частотно-ограничивающих фильтров путем применения преобразования Фурье и проведения анализа для отдельных гармоник.
Наконец, ТРЭС должно быть настольного исполнения, обеспечивать достаточный уровень помехоэмиссии и изготавливаться из широко применяемых в радиопромышленности материалов.
Разработка ТРЭС. В качестве объекта разработки был выбран формирователь специальных сигналов (ФСС). Функциональность устройства состоит в преобразовании последовательности прямоугольных импульсов в сигнал, в котором каждый второй из них заменен кратковременным импульсом, длительность которого определяется свойствами элементов в схеме ФСС. Область применения рассматриваемого устройства — исследование помехоустойчивости цифровых узлов с малыми скоростями переключения. Суть поверки помехоустойчивости с использованием ФСС состоит в том, что цифровой узел не должен воспринимать кратковременные помехи, реагируя только на основные импульсы. Наиболее простым подходом к построению ФСС с указанной функциональностью является использование схемы, приведенной на рис. 4.13. Там же приведены временные диаграммы, отражающие принцип функционирования устройства.
