Содержание к диссертации
Введение
1. Проектирование элементов и устройств подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС) 10
1.1. Состав и компоновка элементов и устройств подвижных объектов... 10
1.2. Электромагнитная обстановка на борту подвижного объекта 13
1.2.1. Кондуктивные ЭМП в электрических цепях бортовой кабельной сети от источников излучаемых электромагнитных помех 13
1.2.2. Воздействие излучаемых ЭМП на электрические цепи бортовых устройств 36
2. Проектирование бортовой кабельной сети подвижного объекта с учетом электромагнитной совместимости 52
2.1. Критерии и исходные данные прокладки жгутов кабелей 52
2.2. Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников при условиях электромагнитной совместимости между проводниками в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях 53
2.3. Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта 60
3. Методы компоновки приборов и размещения кабелей 70
3.1. Определение уровней помехоэмиссии бортовых элементов и устройств 70
3.1.1. Элементарный электрический излучатель 70
3.1.2. Элементарный магнитный излучатель 75
3.1.3. Определение распределения напряженности электрического и магнитного поля по результатам измерения 80
3.2. Алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех 90
3.3. Алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств 104
4. Методика испытания на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей 114
4.1. Исследование электромагнитной восприимчивости бортовых кабелей 114
4.2. Исследование помехоустойчивости бортовых устройств 126
4.3. Методика испытания электромагнитной обстановки подвижного объекта с использованием моделей бортовых приборов 137
4.3.1. Корректирование нормативных значений стандарта СЕ 102 145
Заключение 160
Используемая литература
- Электромагнитная обстановка на борту подвижного объекта
- Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников при условиях электромагнитной совместимости между проводниками в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях
- Элементарный электрический излучатель
- Исследование помехоустойчивости бортовых устройств
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время при проектировании бортовых систем подвижных объектов существует тенденция увеличения количества электронных устройств, средств связи, навигации, автоматизированных систем управления и т.д.
Тенденция увеличения плотности упаковки при размещении элементов и устройств, электронных блоков и систем различного назначения приводит к необходимости решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС).
Если при конструировании функционирующей электронной аппаратуры не предпринимаются специальные меры, направленные на ослабление или полное подавление электромагнитных помех, то при эксплуатации подвижного объекта могут возникнуть сбой или даже отказы в работе бортовых систем. Источниками помех могут быть, например, устройства, в состав которых входят силовые переключающие цепи, использующие электронные переключающие устройства, коммутируемые с высокой скоростью и др.
Применение нанотехнологии в микроэлектронике приводит к повышению чувствительности аппаратуры, что несовместимо с мощными бортовыми передатчиками и устройствами, создающими мощные электромагнитные помехи.
Оптимизация прочностных параметров конструкций с целью улучшения массагабаритных характеристик приводит к снижению толщины металлических экранирующих элементов и перфорированности или к использованию неметаллических композитных материалов, что приводит к увеличению влияния излучаемых помех на приборы и кабели.
Создание некоторой «системы» из совместно функционирующих подвижных объектов, даже если они имеют различное назначение, означает, что эти объекты расположены в непосредственной близости друг к другу и что для успешной работы системы необходимо обеспечить их электромагнитную совместимость.
Существующие инструкции по установке и монтажу традиционно связаны лишь с функциональными требованиями и часто не учитывают взаимовоздействие электромагнитных помех создаваемых бортовыми электронными устройствами; методы и алгоритмы автоматизированного проектирования трасс, жгутов кабелей не учитывают условия электромагнитной совместимости между кабелями и проводниками в жгутах. Поэтому, решение проблем ЭМС является редким не только для инженеров, устанавливающих и монтирующих системы, но и для специалистов, ответственных за разработку оборудования фирм-изготовителей.
В связи с вышеизложенным, исследование электромагнитной обстановки внутри системы, а также разработка моделей и алгоритмов прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом их электромагнитной совместимости являются актуальными научно-техническими задачами, имеющими важное значение при проектировании бортовых систем подвижных объектов.
Диссертационная работа выполнена в рамках реализации Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов поиска трасс жгутов позволяющих обеспечить электромагнитную совместимость проводников и кабелей бортовой сети и размещения приборов и устройств на борту подвижных объектов в областях внутреннего пространства с наименьшем уровнем излучаемых электромагнитных помех. Для достижения указанной цели в работе решены следующие научно-исследовательские и практические задачи:
1. Проведено математическое моделирование влияния излучаемых помех на электрические цепи элементов и устройств с целью исследования резонансных характеристик линии связи.
2. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.
3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех.
4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств.
5. Разработана методика испытания на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей.
Методы исследования
При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей, теоретические основы электротехники, методы расчета электрической емкости и индуктивности, методы экранирования аппаратуры и кабелей связи, методы измерения импульсных магнитных и электрических полей, методы математического анализа графов, сетей и алгоритмов, численные методы анализа, методы подавления шумов и помех в электронных системах, методы анализа радиоэлектронных средств и мощных электромагнитных помех, методы оптимизации, методы испытаний электромагнитной совместимости. Математические модели представлены в виде компьютерных программ на языке программирования MatLab и математических расчетов в Excel. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории электромагнитной совместимости кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института.
Научная новизна
1. Предложены топологические модели для проектирования трасс прокладки бортовой кабельной сети.
2. Разработан алгоритм определения трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины.
3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими электромагнитных помех.
4. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей, соединяющих приборы и устройства с учетом электромагнитной обстановки на борту подвижного объекта, создаваемой излучаемыми электромагнитными помехами.
5. Разработан критерий определения границ ближней и дальней распространения импульсных электромагнитных помех.
6. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей с использованием моделей бортовых приборов.
Практическая ценность диссертационной работы
Предложенные алгоритмы и методики размещения устройств и определения трасс кабелей с учетом ЭМС позволяют предотвратить ухудшение качества функционирования бортового приборного комплекса; обеспечить требуемое качество аналоговых и цифровых сигналов, передаваемых по кабелям; кроме того обеспечить защищенность бортовых приборов и устройств от кондуктивных и(или) излучаемых помех; улучшить функционирование электрических, электронных бортовых устройств, а также минимизировать длину бортовой кабельной сети.
Тема диссертационной работы связана с планами Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (ГТУ).
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались автором и обсуждались: на международной Китайско-российской конференции» (Москва, 2007г.), на 4-ой научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО «Компания «Сухой», ОАО «ОКБ Сухого» (Москва, 2007г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2007г.), на всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (Москва, 2008г.), на 10-ой научно-техническая конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2008г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2008г.), а также на заседаниях кафедры 309-й «Теоретическая электротехника». Тезисы
к докладов опубликованы. Кроме того опубликована статья под названием «Алгоритм проектирования бортовой кабельной сети подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости» в журнале «Технологии электромагнитной совместимости», Москва, 2008 г., №2(25) .
Публикации
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах. В том числе, опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 155 страницы машинописного текста, включая 106 рисунок и 11 таблиц. Список литературы включает 43 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 164 страниц.
Электромагнитная обстановка на борту подвижного объекта
При наличии на борту подвижного объекта источников высокочастотных излучаемых электромагнитных помех, с частотой от сотен мегагерц до десятков гигагерц, в электрических цепях бортовой кабельной сети индуцируются кондуктивные электромагнитные помехи, которые могут значительно ухудшать качество функционирования бортовых приборов и устройств [22].
Если длина волны излучаемых электромагнитных помех соизмерима или меньше длины кабелей, расположенных в создаваемой этими помехами электромагнитной обстановке, то под действием этих помех в кабелях могут возникать опасные для бортовых устройств резонансные явления.
Возникновение резонансов напряжений и токов может проводить к появлению ложных сигналов и соответственно не мотивированному срабатыванию исполнительных устройств подвижного объекта. Для анализа резонансных явлений, экранирование электрические цепи соединительной кабельной сети необходимо анализировать как длинные линии. При анализе длинных линий [14] определяются следующие параметры:
Рассматривая передачу электромагнитной энергии в линии связи, фидере, антенне, волноводе и т.д., следует учитывать, что магнитное и электрическое поля распределены по всей длине этих устройств и превращение электромагнитной энергии в тепло также происходит по всей длине устройств. Это цепи с распределенными параметрами, т.е. с распределенными по длине индуктивностями, емкостями, резистивными сопротивлениями.
При длине цепи, соизмеримой с длиной волны электромагнитной помехи, изменение мгновенного значения напряжения в конце цепи запаздывает на целое число периодов по сравнению с изменением мгновенного значения напряжения источника. В цепях, длина которых / -А,, запаздывание может составлять большое число периодов. Следовательно, если длина цепи соизмерима или значительно превышает длину волны распространяющегося в ней электромагнитного колебания, то напряжение (ток) является функцией времени и расстояния от начала цепи. Цепь в данном случае является резонансной системой с распределенными параметрами.
Для СВЧ излучения (/"= 8192 МГц) бортовые кабели являются длинной линией (электрическая цепь с распределенными параметрами). В кабелях могут возникать резонансы, которые зависят от параметров кабелей (длины, сопротивление нагрузки). Для бортовых кабелей длиной 1 м, при/= 8192 ГГц, X = 0,03662 м « 1 м расчет резонансных характеристик частот производится как для линий с распределенными параметрами.
Распределение напряжения по длине двупроводной линии на рис. 1. со следующими параметрами: длина провода, lg = от 0,1 до 1 м; [0,1; 0,5; 1]; половина расстояние между проводниками, а = 0,5Е-3 м; радиус проводника, го=0,125Е-3 м; удельное сопротивление, /т=1,7Е-8 Ом/м; эквивалентная диэлектрическая проницаемость изоляции проводников, є, =2; частота источника помехи, /=8192Е6 Гц; Электрическая схема двупроводной линии приведена на рис. 2. Из диаграмм, проведенных на рис. 3-6 следует, что напряжение существенно неравномерно распределяется по длине линии. Изменение сопротивления нагрузки приводить к изменению напряжения на нагрузке. Напряжение на нагрузке может значительно превышать напряжения источника помехи. Изменение сопротивления нагрузки может уменьшить напряжение на конце линии. Как следует из диаграммы на рис. 7 полное соответствие напряжений входа и выхода достигается согласованием сопротивления нагрузки и волнового сопротивления линии. Диаграмма распределения напряжения по длине линии при согласовании сопротивлении RH = Run= 105[Ом] приведена на рис. 10. Важное значение имеет исследование экранирующего эффекта битой пары и установление характера влияния скрутки на величину экранного затухания и потерь на экране.
Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников при условиях электромагнитной совместимости между проводниками в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях
Во внутреннем объеме конструкции подвижного объекта размещаются приборы и устройства различных бортовых систем, объединенные бортовой кабельной сетью. Кабели, соединяющие бортовые приборы объединяются в жгуты. Жгуты прокладываются по определенным трассам внутри подвижного объекта.
Несмотря на то что, кабели имеют защитные экраны, в ряде случаев в них возникают индуцированные кондуктивные электромагнитные помехи под воздействием излучаемых электромагнитных помех. Такие случи возможны, когда трассы прокладки жгутов проходят через области с высоким уровнем напряженности результирующих излучаемых электромагнитных помех.
Критериями определения трасс для прокладки жгутов являются: минимальная длина кабели и минимальные уровни индуцированных кондуктивных электромагнитных помех или их отсутствие.
Индуцируемые кондуктивные помехи в кабелях могут возникать как вследствие емкостных и индуктивных связей между кабелями в одном жгуте, так и в результате воздействие излучаемых электромагнитных помех от бортовых приборов и устройств.
Поэтому перед определением трасс для прокладки жгутов необходимо исследовать уровней излучаемых электромагнитных помех создаваемых бортовыми приборами и устройствами.
Для определения возможности прокладки кабели в одном жгуте необходимо теоретическим или экспериментальным путем определить их электромагнитную совместимость, т.е. исследовать уровень паразитных электромагнитных помех распространяющихся через емкостные и индуктивные связи между кабелями. Результаты данных исследований являются исходными данными для определения трасс прокладки жгутов и распределения кабели по жгутам
Цель алгоритма заключается в нахождении кратчайших путей, по которым должны располагаться жгуты кабелей, соединяющие бортовые приборы и устройства в отсеках подвижного объекта, при условии выполнения электромагнитной совместимости кабелей в жгутах.
Если представить соединения между устройствами как ребра графа, вершины которого соответствуют каждому устройству, и определить их весовые коэффициенты, то возможно находить кратчайшие пути между устройствами с помощью метода Дейкстра [10].
Для нахождения кратчайших путей определяется граф, ребрами которого являются соединения между устройствами а вершинами устройства, соответственно. Схема примера конфигурации соединений между устройствами приведена на рис. 34.
Топологическая модель расположения бортовых устройств и разрешенных трасс для прокладки жгутов проводников и кабелей в виде графа: 1-8 - вершины графа, соответствующие бортовым устройствам; щ (ij=1...8) - весовые коэффициенты ребер графа, соответствующие длинам разрешенных трасс в отсеке подвижного объекта.
Затем с помощью матрицы ограничений проверяется наличие несовместимых кабелей в жгутах на найденных с помощью метода Дейкстры кратчайших путях. Проверка заключается в сравнении путей прокладки жгутов соединяющих устройства номера которых определены в матрице ограничений. В целом, алгоритм поиска трасс для прокладки жгутов минимальной длины с учетом электромагнитной совместимости кабелей состоит из следующих основных пунктов. 1. Построение схемы размещения приборов и устройств и возможных трасс прокладки жгутов в конструкции (отсеке) подвижного объекта. 2. Представление схемы размещения приборов и устройств и возможных трасс прокладки жгутов кабелей в виде топологической модели — графа с заданными весовыми коэффициентами.
Элементарный электрический излучатель
Если при исследовании помехоэмиссии бортового прибора подвижного объекта волновое сопротивление Z в индукционном зоне будет превышать величину волнового сопротивления свободного пространства в дальней зоне Z0 = 377 Ом то очевидно что преобладает электрическое поле; следовательно его источник т.е бортовой прибор или устройство можно приближенно заменить элементарным электрическим излучателем.
Исходными данными для расчета напряженности электромагнитного поля являются например: длина элементарного электрического излучателя /=0,1 м, рабочая частота/- 160x10 Гц, диапазон измеряемого расстояния R= от 0,05 до 1 м, угол измерения в- nil рад, скорость света с = 3х108м/с.
В случае, когда волновое сопротивления ZB индукционной зоне меньше волновое сопротивления свободного пространства Zo преобладающий в видом излучаемой электромагнитной помехе будет являться магнитное поле. В этом случае бортовой прибор можно приближенно заменить элементарным магнитным излучателем. Приведены на рис. 46-47 диаграммы распределения напряженности электрического поля элементарного магнитного излучателя в логарифмическом и натуральном масштабах. Методика определения распределений напряженности электрического и магнитного полей, на различных расстояниях между источником и приемником, основана на определении характера источника электромагнитного поля и расстояния до границы между ближней и дальней зонами электромагнитного поля [1]. Для того, чтобы определить уровни электромагнитной обстановки на борту подвижного объекта необходимо знать уровни излучаемого электромагнитного поля каждого устройства на борту. Для этого необходимо провести измерения уровней напряженностей электромагнитного поля с помощью известного стандарта [2], например MIL-STD-461E, который предназначен для проверки и контроля характеристик электромагнитных помех (помехоэмисии и помехоустойчивости) электронных, электрических и электромеханических элементов, в том числе устройств расположенных в разных отсеках, кабельных сетей или источников питания.
Метод RE102 стандарта предназначен для измерения уровней помехоэмиссии (уровней излучаемых ЭМП в виде электрического поля) от бортовых приборов и устройств, кабельной сети и антенн, используемых в подвижном объекте. При использовании методов RE101 и RE102 измеряются напряженности электрического и магнитного поля на определенном расстоянии с помощью электрической и магнитной антенн соответственно.
При испытаниях бортовых элементов и устройств требуется по методу RE102 стандарта MIL-STD-461E поместить измерительную антенну на расстоянии 1 м от испытуемого изделия. Для определения напряженности поля на расстоянии меньше одного метра возникает необходимость в пересчете значений напряженности.
Для проведения корректного пересчета необходимо провести правильную замену источника электромагнитного поля, элементарным магнитным или элементарным электрическим излучателем. Для этого, необходимо определить какой характер имеет поле в данной области пространства, магнитный или электрический. Характер поля можно установить, определяя волновое сопротивление пространства в ближней зоне. Пространство, окружающее источник, можно разделить на две зоны. Рядом с источником расположено ближняя или индуктивная, зона. На расстоянии превышающим \12%, где X длина волны, располагается дольная зона, или зона излучения. Область вблизи расстояния R=X./2TI является переходной между ближним и дальнем зонами [1]. Диаграмма зависимости полного волнового сопротивления от расстояния до источника для случаев, когда поле является электрическим и магнитным, показана в рис. 50. Границу ближней и дальней зон распространения излучаемых ЭМП от электростатических разрядов необходимо оценивать при анализе воздействия излучаемых ЭМП в виде электрического и магнитного полей на электрические цели бортовой кабельной сети и бортовую аппаратуру.
Такая оценка необходима для определения «электрической длины» проводников, элементов конструкции подвижных объектов. Для электромагнитных помех в виде гармонических электромагнитных полей граница ближней (квазистационарной) и дальней зоны (зоны излучения) определяется длиной волны [1].
Исследование помехоустойчивости бортовых устройств
Методы RS101-RS103 американского стандарта MIL-STD-461E предназначены для определения качества функционирования бортовых устройств находящихся под воздействием электрического и магнитного поля. Метод RS101 оценивает восприимчивость бортового устройства, когда оно находится в зоне воздействия магнитного поля с частотой от 30 Гц до 100 КГц. Метод RS103 оценивает восприимчивость бортового устройства, когда оно находится в зоне воздействия электрического поля с частотой от 2 МГц до 40 ГГц. Схемы испытаний и стандартные нормы методов RS101-RS103 представлены в рис. 78, 79 и 80 соответственно.
После проведения испытаний методами RS101-RS103 определяются уровни напряженности электромагнитного поля, при которых устройство работает без ухудшения качества функционирования. Но в реальных условиях на бортовое устройство влияют излучаемые электромагнитные помехи в виде электрического и магнитного полей генерируемые другими устройствами вокруг него. Поэтому необходимо определить суммарное поле действующее на каждое устройство, создаваемое в результате работы других бортовых устройств и проверить его значение по сравнению со стандартными нормами. Расположение бортовых устройств определяется заданной конфигурацией, например, рис. 81.
Здесь можно заметить, что все устройства находятся на разных расстояниях и углах относительно друг друга и уровни суммарного электромагнитного поля для каждого из них тоже разные. Поэтому иногда оказывается что, когда собираются все устройства в отсеке, одно или несколько из них ухудшает свое качество функционирования даже когда результаты после проведенного испытания на восприимчивость и помехоэмиссию положительные, так как испытание проводится отдельно для каждого устройства.
Можно сказать что, проведение испытаний на восприимчивости бортовых приборов и устройств методами RS101-RS103 не гарантирует качество функционирования бортовых устройств, при их размещении вместе в одном отсеке.
Методику измерения электромагнитного поля бортовых устройств описывает метод RE101-RE102 американского стандарта MIL-STD-461E. Заметим что, измерения этими методами реализуются на расстоянии 1 метр как показано в рис. 82.
После проведения испытаний методами RE101-RE102 необходимо найти распределение напряженности электромагнитного поля на различных расстояниях от устройства, для этого значения пересчитываются его значения методом, описанным в главе 3. После получения значений электромагнитного поля на разных расстояниях между устройствами, можно получить суммарные значения и сравнить их со стандартными нормами. Если суммарное значение превышает стандартных норм, то принимается решение осуществить перемещение устройств, для удовлетворения критерия электромагнитной совместимости.
Способы предварительной оценки влияния излучаемых помех на устройство заключаются в создании электромагнитной обстановки с помощью моделей бортовых приборов. Для этого необходимо провести экспериментальные испытания на восприимчивость и помехоэмиссию всех устройств и на основе этого определить уровни помехоэмиссии моделей бортовых устройств. Эти испытания, возможно, реализовать с помощью Т-камеры.
Т-камеры предназначены [24,25] для получения плоских электромагнитных волн, т.е. волн, векторы электрических и магнитных составляющих которых взаимно перпендикулярны и расположены в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Если испытуемое изделие располагается в рабочей зоне Т-камеры, возможно, измерить напряжения, которое наводиться в центральный электрод селективным микровольтметром, из-за воздействия излучаемого электрического поля создаваемого испытуемым изделием. Схема испытания показана на рис. 84.
