Введение к работе
Актуальность темы.
С развитием технического прогресса электромагнитная обстановка окружающего пространства постоянно усложняется. Проникновение электротехнических, компьютерных и телекоммуникационных систем в различные сферы деятельности человека и постоянное расширение спектра эксплуатируемых радиоэлектронных средств (РЭС) приводит к необходимости обеспечения нормального совместного функционирования данных средств, а именно, к обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС).
При конструкторском проектировании РЭС основным методом обеспечения ЭМС является электромагнитное экранирование. Величиной оценки электромагнитного экрана является эффективность экранирования (ЭЭ), которая определяется как отношение напряженности поля без экрана к напряженности поля с экраном и выражается в относительных единицах, наиболее часто в децибелах [дБ]. При разработке конструкций экранов и экранирующих корпусов в подавляющем большинстве случаев неизбежно создание более или менее значительных отверстий, швов, соединений элементов конструкции, т.е. неодно- родностей экрана. Любая неоднородность в экране будет нарушать пути прохождения токов, что, в свою очередь, влияет на эффективность электромагнитного экрана. Неоднородности можно разделить на несколько классов: большие открытые области, к которым можно отнести окна, дверцы, индикаторы, дисплеи, малые открытые области, вентиляционные отверстия, отверстия под вводы проводников и разъемы, контрольные окна, соединения между элементами конструкции, швы и щели.
Реальный корпус радиоэлектронного средства всегда содержит как минимум одну из этих неоднородностей. Таким образом, оценка эффективности экранирования с учетом неоднородностей является актуальной задачей и требует разработанной методики решения.
Для поддержания конкурентоспособности изделия необходимо сокращать время, затрачиваемое на его разработку. Интегрирование методов обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки конструкции РЭС позволит избежать многих ошибок и недочетов еще до создания опытного образца, тем самым значительно сократит время и затраты на создание нового изделия. Этому в значительной мере будет способствовать выбор оптимальных методик и мер по обеспечению ЭМС, а также использование специализированных средств автоматизированного проектирования на определенных этапах проектирования. На данный момент существует достаточно обширное множество автоматизированных средств, способных моделировать электромагнитные (ЭМ) поля, излучаемые РЭС, все они входят в состав более крупных программных комплексов и, как следствие, имеют высокую стоимость, что делает их недоступными многим малым и средним предприятиям. Но даже при наличии таких автоматизированных средств проведение верного анализа ЭМС в большинстве случаев достаточно затруднено, это обусловлено порой излишними требованиями к заданию граничных условий и глубокого понимания физики моделируемого процесса, а также отсутствием методик: как, что и на каких этапах проектирования наиболее целесообразно моделировать.
Актуальность темы диссертационного исследования определяется необходимостью разработки методик, математических моделей и алгоритмов оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости. Разработанные методики позволят осуществить оптимизацию конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов по форме, материалу, технологии изготовления экрана, размерам и расположению отверстий с учетом множества конст- рукторско-технологических критериев и ограничений, требований технического задания и регламентирующих документов. Интегрирование методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы создания РЭС позволит повысить качество и скорость выхода нового изделия, что, как следствие, снизит себестоимость производимой продукции и увеличит конкурентоспособность.
Диссертационная работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2010.17 «Исследования и разработка перспективных методов проектирования и технологии изготовления радиоэлектронных средств».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка комплекса математических моделей, алгоритмов и методик выбора оптимального конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов при проектировании конструкций модулей, узлов и блоков радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: проанализировать этапы проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости, выявить взаимосвязи и особенности на каждом из этапов;
провести анализ задач соответствия радиоэлектронных средств требованиям ЭМС, структурировать способы и методы достижения требуемых результатов;
предложить и структурировать комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемых электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей в экране;
выполнить разработку алгоритмов, позволяющих ускорить процесс измерения напряженности и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, с последующей обработкой результатов в современных автоматизированных средствах для процедур сертификации;
разработать методики оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, удовлетворяющих и другим требованиям технического задания;
осуществить анализ методов и автоматизированных средств, позволяющих моделировать электромагнитные поля, выявить их основные достоинства и недостатки для проектирования РЭС с учетом моделирования параметров электромагнитной совместимости;
создать автоматизированные средства реализации методик и алгоритмов оптимального проектирования конструкции электромагнитных экранов и экранирующих корпусов радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, с возможностью взаимодействия с современными пакетами средств автоматизированного проектирования и анализа.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и элементы теории электростатики и электродинамики, теории электромагнитных полей, теории распространения электромагнитных волн, математического моделирования и оптимизации, теории алгоритмов, теории автоматизированного проектирования и методы вычислительной математики.
Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
структурная схема интегрирования методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки радиоэлектронных средств, отличающаяся указанием определенных этапов разработки радиоэлектронных средств, в которые данные меры могут быть включены на основании целесообразности и своевременности;
алгоритмы и основанные на них методики оптимального проектирования конструкций электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, отличающиеся возможностью оптимизации по критерию эффективности экранирования для конкретных групп неоднородностей, обобщенных по функциональному назначению или конструктивному исполнению, возможностью прохождения по различным сценариям в зависимости от имеющихся исходных данных и внешних ограничений, а также возможностью интегрирования в комплексный подход решения задач электромагнитной совместимости, выполняемых на различных этапах создания радиоэлектронных средств;
алгоритм сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля, отличающийся возможностью получить значительный выигрыш времени при незначительных потерях в точности по сравнению с классическим сетчатым шагом при проведении экспресс-измерений напряженности и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, реализуемый в сканерах электромагнитного поля;
комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемого электромагнитного экрана с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднород- ностей экрана, отличающийся возможностью оценки различных видов неодно- родностей электромагнитных экранов.
Практическая значимость работы. На основе предложенного комплекса математических моделей разработаны алгоритмы, методики и автоматизированные средства реализации методик оптимального проектирования конструкции радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости, с помощью которых осуществляется оптимизация конструкции электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС с приведением их к требуемой эффективности ослабления электромагнитных полей, излучаемых модулями, узлами и блоками радиоэлектронных средств. В результате чего возможно сокращение сроков выхода изделий на рынок, снижение их себестоимости и, как следствие, повышение конкурентоспособности разработанных изделий.
Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и автоматизированных средств реализации методик оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие»», что позволило на отдельных этапах проектирования радиоэлектронных средств оптимизировать выбор конструктивного исполнения и материала электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, снизить затраты на изготовление выпускаемой продукции при требуемом уровне качества. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Моделирование и анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств» для магистров направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010 - 2012); Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2010 -2012); научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета в 2010 - 2012 гг.; Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ магистров, аспирантов и молодых ученых «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса» (Санкт-Петербург, 2009 - 2011); научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ВГТУ (2009 - 2011); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2010-2012); XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь (RLNC*2012)» (Воронеж, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В ходе решения поставленных задач автором было получено оригинальное техническое решение, в результате чего была составлена и подана заявка №2012124407/20(037349) на выдачу патента на изобретение.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: обзор систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, рекомендации по их выбору [1,6]; алгоритм и методика измерения ЭМ полей с варьируемым шагом перемещения датчика [2,13]; определение итоговой границы ЭМС [3]; методика оптимизации экранов и неоднородностей экрана [4,18]; выбор этапа проектирования для реализации требований ЭМС на основе технико-экономического анализа [5,8]; анализ и структура решений проблем ЭМС [7,8,10]; модели ЭРЭ в комплексах инженерного анализа [9,11]; обзор алгоритмов и технических средств измерения ЭМП [12,14]; методика совместного решения задач ЭМС и обеспечения тепловых режимов [15]; моделирование экрана в системе автоматизированных инженерных расчетов [16]; структурная схема интегрирования решений ЭМС в этапы проектирования [17].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 88 наименований, и 14 приложений. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 37 рисунка и 7 таблиц.
