Введение к работе
Актуальность работы. Современная электронная аппаратура, основанная на микроэлектронных и микропроцессорных компонентах, имеет широкие функциональные возможности, но повышенную восприимчивость к электромагнитным помехам. Особо опасными представляются кондуктивные помехи, которые могут подаваться и проникать в аппаратуру непосредственно по проводникам. В качестве источников электромагнитных помех активно исследуются сверхкороткие импульсы1 (СКИ), которые способны вывести аппаратуру из строя. СКИ могут подвергаться модальным искажениям1 (изменениям за счет разности задержек мод многопроводной линии передачи). Отсутствие срабатывания защитных устройств из-за возможности модального разложения и последующего восстановления импульса (РПВИ) в структурах с модальными антиподами3 (отрезки трехпроводных связанных линий, у которых разницы задержек синфазной и дифференциальной мод противоположны по знаку) может усугубить эту проблему. Данное явление может возникать непреднамеренно, в структурах из отрезков многопроводных линий, а также использоваться преднамеренно, для вывода аппаратуры из строя. В любом случае, пристальное внимание должно уделяться кабелям и печатным платам, особенно, в критичной аппаратуре, ярким примером которой является бортовая аппаратура (БА) космических аппаратов (КА). Поэтому исследование этого явления весьма актуально для повышения помехозащищенности указанных устройств.
Цель работы - повышение помехозащищенности вычислительной техники и систем управления с печатными платами и кабелями за счет компенсации модального разложения и последующего восстановления электрических сигналов.
В работе применены: электродинамический и квазистатический анализ, экспериментальное и компьютерное моделирование.
Достоверность результатов работы основана на корректном использовании метода моментов и теории линий передачи, на согласованности результатов эксперимента и моделирования.
Научная новизна
-
Разработана методика с использованием восьми основных способов возникновения модальных антиподов для защиты от сверхкоротких импульсов.
-
Установлены закономерности смены знака разности погонных задержек мод модальных антиподов в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости среды и расположения проводников.
1 К.Ю. Сахаров и др. Исследование функционирования локальной вычислительной сети в
условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов // Технологии ЭМС. -
2006. №3 (18).-С. 36-45.
2 Т.Р. Газизов и др. Исследование модальных искажений импульсного сигнала в многопро
водных линиях с неоднородным диэлектрическим заполнением // Электромагнитные волны
и электронные системы.- 2004. №11- С. 18-22.
И.Г. Бевзенко и др. Модальные антиподы плоских трехпроводных кабелей // Электромагнитные волны и электронные системы.- 2011. №11. С. 71-74.
-
Получены зависимости смены знака разности погонных задержек мод от разноса проводников для различных элементов бортовой аппаратуры космических аппаратов.
-
Экспериментально установлен и подтвержден процесс разложения и восстановления сверхкороткого импульса, для разных видов кабелей, вариантов антиподов, различной длины отрезков кабелей.
Практическая значимость
-
Для реальных структур показаны опасности существования непреднамеренных модальных воздействий и возможности создания специальных модальных воздействий.
-
Выявлена возможность существования частоты воздействия, значительно ослабляющегося на стыке отрезков и восстанавливающегося в конце структуры.
-
Показана возможность модальных воздействий в бортовой аппаратуре космических аппаратов.
-
Разработаны программы для моделирования модальных явлений в реальных кабелях и печатных платах.
-
Разработаны практические рекомендации по устранению нежелательных модальных явлений.
Использование результатов
-
Программная реализация имитационных моделей для вычисления матриц погонных параметров и временного отклика кабельных структур, результаты моделирования кабельных структур с модальными явлениями, рекомендации по использованию модальных явлений для уменьшения влияния помеховых электрических сигналов в кабельных структурах использованы в ходе выполнения составной части ОКР «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008 с ОАО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск).
-
Результаты исследования по разложению и восстановлению импульсов использованы при подготовке и написании нормативного документа и двух национальных стандартов в ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург. Исследования модального разложения импульса в полосковых структурах использованы для изготовления и поставки 12 макетов модальных фильтров для защиты сети Fast Ethernet от СКИ (хоздоговор НИИЦ/НИР/10-01 от 15.01.2010 с ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург).
-
Результаты вычисления частотного отклика в структурах с модальными антиподами из плоских кабелей, методика поиска структур, в которых возможны скрытые модальные воздействия, способы получения модальных антиподов в кабелях и печатных платах, результаты экспериментального подтверждения явления разложения и восстановления импульсов в кабельных структурах использованы в ходе выполнения ОКР «Разработка комплекса программных и технических средств для контроля информационных магистралей, обеспечения электромагнитной совместимости и исследования надежности 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» (хоздоговор №4216 от 24.11.2010 г.) для ОАО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск.
4. Результаты исследований внедрены в учебный процесс ТУСУРа: использованы в практических и лабораторных работах, а также в ходе выполнения выпускной квалификационной работы.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Девятая Всерос. научно-практ. конф. "Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности", г. Томск, 2007; Всерос. научно-тех. конф. «Научная сессия ТУ СУР», г. Томск, 2007, 2008, 2010, 2011; Межд. Симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2007, 2011; Межд. конф. «Туполевские чтения», г. Казань, 2007, 2008; Межд. научно-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2008, 2010; Научно-тех. конф. «Электронные и электромех. системы и устройства», г. Томск, 2008, 2010; Межд. научно-практ. конф. «Современные техника и технологии СТТ», г. Томск, 2008, 2011; Научно-тех. конф. «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», г. Железногорск, 2011; Всерос. научно-тех. конф. «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2011; Всерос. конф. «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» г. Красноярск, 2011; Межд. IEEE-сибирская конф. по управлению и связи (SIBCON - 2011), г. Красноярск, 2011; Межд. конф. EUROEM, Франция, г. Тулуза, 2012.
Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в 31 работе (7 работ без соавторов): 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 3 патента на изобретение, 3 патента на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 17 докладов и 5 тезисов.
Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, список литературы из 66 наим., приложения. Объём диссертации составляет 229 с, в т.ч. 120 рис. и 48 табл.
Личный вклад. Все научные результаты, представленные в диссертации, получены при личном участии автора. Постановка цели работы и задач исследования выполнена совместно с ТР. Газизовым. Программная реализация сквозного анализа эффекта модального разложения и восстановления сигналов в отрезках связанных линий выполнена совместно с A.M. Заболоцким и А.О. Мелкозеровым. Основной объем моделирования выполнен автором единолично, часть его выполнена под руководством автора студентами. Экспериментальные исследования проведены совместно с A.M. Заболоцким, А.Г. Лощиловым, М.В. Кокнаевым. Анализ результатов моделирования и эксперимента, а также формулировка основных результатов и выводов, выполнены совместно с ТР. Газизовым. Некоторые результаты исследований получены совместно с соавторами опубликованных работ.
Положения, выносимые на защиту
-
Существует ряд реальных структур кабелей и печатных плат, в которых выполняются условия, необходимые для модального разложения и восстановления электрических импульсов.
-
Разность погонных задержек синфазной и дифференциальной мод в трехпроводных структурах печатных плат бортовой аппаратуры космических аппаратов может составлять от -0,5 до 0,5 нс/м.
-
Явление разложения и последующего восстановления импульсов наносекундного и пикосекундного диапазонов осуществимо в трехпроводных структурах длиной в сотни и единицы метров посредством погружения части структуры в воду, а также перемещения проводника в части структуры.
-
Разработанная методика, отличающаяся выявлением вредных модальных явлений и использованием восьми основных способов возникновения модальных антиподов в структурах бортовой аппаратуры космических аппаратов, позволяет выявить основные возможности отсутствия срабатывания защитных приборов из-за модального разложения и последующего восстановления нежелательных сигналов.
В гл. 1 выполнен обзор задачи моделирования распространения электрических сигналов в электрических соединениях, а также исследований по модальным явлениям. В гл. 2 исследованы варианты создания модальных антиподов. В гл. 3 рассмотрено моделирование модальных явлений в различных элементах БА КА. В гл. 4 проведены экспериментальные исследования с модальными антиподами. В гл. 5 представлена методика выявления структур с нежелательными модальными явлениями, а также описано устройство для нарушения работы аппаратуры за счет разложения и восстановления импульсов.
