автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромагнитные резонансные явления в экранированных модулях быстродействующих электронных вычислительных средств

¿>7 уу- Э/Х7Э О- О

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

На правах рукописи

ЗАМАЛЕТДИНОВА Луиза Язкаровна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЭКРАНИРОВАННЫХ МОДУЛЯХ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ.

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Даутов О.Ш.

Казань 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.......................... 5

ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературы................................... 11

ГЛАВА 2. Электродинамическая модель экранированного

модуля узла ЭВС в виде частично заполненного резонатора........... 27

2.1. Экранирование. Назначение Классификация электромагнитных экранов. Основные характеристики........ 27

2.2. Определение эквивалентных параметров диэлектрического материала с потерями................................................................ 31

2.3.Определение собственных полей и частот частично

заполненного резонатора материалом с потерями................... 35

2.3.1.Классификация резонаторных структур. Основные параметры резонаторов....................................................... 35

2.3.2.Классификация электромагнитных полей частично заполненного резонатора на поля электрического и магнитного типов................................................................ 37

2.3.3.Построение собственных волн и трансцендентных уравнений для резонатора 1-го типа................................... 41

2.3.4.Построение собственных волн и трансцендентных уравнений для резонатора 2-го типа................................... 44

2.3.5. Методика решения трансцендентных уравнений............ 46

2.4. Методика определения дополнительных тепловых потерь в

экранированных модулях ЭВС за счет высокочастотной части спектра............................................................................ 54

2.4.1 .Определение тепловых источников за счет

высокочастотной части спектра электромагнитной энергии................................................................................. 55

2.4.2.0писание используемой тепловой модели узла

вычислительного устройства............................................... 57

ГЛАВА 3. Распределение электромагнитных полей внутри экранируемого объема......................................................................... 62

3.1.Возбуждение частично заполненного резонатора объемными токами.................................................................... 62

3.2.Влияние внешних полей на распределение электромагнитных волн внутри экрана.................................... 66

3.2.1.Задача возбуждения частично заполненного

резонатора поверхностными магнитными токами............ 68

3.2.2.3адача возбуждения частично заполненного

резонатора поверхностными электрическими 73

токами.......

3.2.3.Примеры распределения энергии электромагнитного поля в результате проникновения электромагнитных полей сквозь щели экрана................................................... 76

ГЛАВА 4. Электродинамическая модель ввода вывода в экранируемую область в виде запредельного волновода.................. 82

4.1. Модель соединения двух волноводов прямоугольного сечения со значительной разницей в размерах, расположенных произвольным образом по отношению к друг другу.............................................................................. 83

4.1.1. Анализ матричных коэффициентов

93

4.1.2. Соединение двух волноводов без учета отраженных

волн питающего волновода................................................. 95

4.1.3.Решение в электрической метрике задачи соединения

двух волноводов................................................................... 101

4.1.4. Проверка правильности решения модели соединения двух волноводов на выполнение энергетического

баланса на стыке их соединения......................................... 110

4.2. Определение электромагнитных полей экранируемого пространства в результате проникновения внешнего электромагнитного поля через щели экрана, выполненные в виде отрезка запредельного волновода...............................

4.2.1 .Определение коэффициентов отражения.......................... 117

4.2.2. Оценка точности модели возбуждения частично заполненного резонатора посредством соединяемого волновода............................................................................. 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................... 122

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................... 123

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................................... 138

ВВЕДЕНИЕ. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Актуальной задачей является разработка новых методов анализа элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью повышения их характеристик. В условиях взаимного существования различных электронных и управляющих систем одним из основных вопросов проектирования новой аппаратуры является задача обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС), при этом экранирование является одним из основных средств уменьшения электромагнитной энергии как излучаемой аппаратурой, так и проникающей в нее.

Электромагнитный экран одновременно с выполнением основной функции - ослабления поля помех - оказывает воздействие на собственные параметры цепей и контуров экранируемого объекта, что связано с перераспределением электромагнитного поля при установке экрана. Одним из существенных моментов является то, что любой электромагнитный экран ведет себя как объемный резонатор и обладает рядом резонансных частот, которые определяются его размерами и компоновкой размещаемых внутри экрана элементов й узлов аппаратуры. Для используемой ранее низкочастотной элементной базы область резонансных частот экранной обол очки и верхняя граничная частота спектра импульсных сигналов считались разнесенными и необходимость учитывать резонансные эффекты не возникала.

Возросшее быстродействие электронных вычислительных средств (ЭВС) значительно увеличило верхнюю границу спектра передаваемых сигналов, которая затронула область резонансных частот экрана. Это связано с тем, что тактовая частота современных базовых элементов вычислительной техники достигла 500 МГц и наблюдается

постоянная тенденция к ее увеличению. Фронты импульсов при этом не должны превышать 0,05 периода сигнала, следовательно, верхняя часть спектра обрабатываемых сигналов достигает десятка гигагерц, а это в свою очередь требует изучения вопросов поведения аппаратуры в полосе СВЧ частот. Совмещение резонансных частот экрана со спектром обрабатываемых модулем сигналов может вызвать следующие явления:

•значительное поглощение или увеличение соответствующих составляющих спектра излучений, что может привести к сбоям и соответственно снизить надежность работы модулей;

•возрастание значения помехи, если ее частота совпадает с одной из собственных частот экрана или близка к ней, поскольку напряженность электромагнитного поля в экранируемой области возрастает обратно пропорционально разности квадратов собственной частоты экрана (рассматриваемого как резонатор) и помехи; •снижение эффективности экранирования; •увеличение потерь в быстродействующих цифровых широкополосных ИС, затрагивающих СВЧ спектр, по сравнению с ИС, работающими на более низких частотах из-за потерь в диэлектриках.

•снижение широкополосности линий связи из-за резонансных явлений экрана.

Именно эти эффекты начинают играть все возрастающую роль на современном этапе развития вычислительной техники.

Таким образом, резонансные явления в экране существенно влияют на функционирование экранированного модуля вычислительного устройства и требуют их подавления. Поэтому при конструировании экранов и объектов, предназначенных для работы в экранированных модулях, следует учитывать возможность возникновения резонансных режимов. Это требует количественного

описания резонансных явлений и именно с помощью расчетов резонансных режимов можно обеспечить избирательное поглощение высокочастотных полей стенками экрана в диапазонах волн, соответствующих резонансным режимам путем конструирования поглотителей или нанесения узкополосных покрытий.

Облегчающим обстоятельством является то, что для решения этих задач возможно использование приближенных оценок диапазона и плотности спектра резонансных частот. Для этого используется приближенная модель экранируемого модуля в виде резонатора, частично заполненного диэлектриком с потерями. Параметры этого однородного диэлектрика могут быть найдены путем усреднения параметров неоднородного содержимого экранируемой полости.

Другой важной проблемой является оценка проникновения электромагнитного поля из вне в экранируемую полость и излучение его наружу через отверстия и щели в корпусе модуля. Выполнение связи модуля с окружающими объектами при помощи запредельного волновода в условиях резонанса внутри корпуса требует точной количественной оценки, особенно, если резонансные режимы корпусов изделий соответствуют частоте помехи или излучаемым сигналам.,

_____________Кроме _того, если избежать резонансных________режимов- экрана не

представляется возможным, нужна хотя бы предварительная оценка, каким образом совмещение спектра обрабатываемых сигналов с резонансными частотами экрана может повлиять на поведение аппаратуры. Для решения этих вопросов необходимо определить методики, позволяющие найти распределение электромагнитных полей внутри экранируемой области, а это требует решения задачи возбуждения рассматриваемой модели резонатора.

В связи с этим, актуальной задачей при проектировании экранов является разработка новых методик анализа, позволяющих прогнозировать резонансные явления в экранах и оценивать их влияние на качество работы проектируемого изделия.

Для решения поставленных задач необходимо применение методов прикладной электродинамики, т.е. решения краевых задач для уравнений Максвелла при заданной геометрии области и параметрах заполняющей область среды.

Решению поставленных задач посвящена диссертационная работа. В первой главе дан аналитический обзор литературы. Вопросу построения электродинамической модели резонатора, частично заполненного однородным диэлектриком с потерями посвящена вторая глава диссертационной работы. Рассматриваются две модели прямоугольного резонатора, отличающиеся между собой типами внешних стенок: для модели 1-го типа - все внешние стенки являются идеально проводящими поверхностями, для модели 2-го типа - одна поверхность магнитная. Выбор типа модели резонатора позволяет оценить проникновение электрической или магнитной составляющей внешнего поля через щели экранированного модуля. Получены выражения, позволяющие рассчитать собственные поля электрического и магнитного типов волн для резонаторов как 1-го типа, так и 2-го типов, построены соответствующие трансцендентные уравнения, дана методика решения этих уравнений, когда решение ищется в комплексной области, а также методика определения дополнительных тепловых потерь за счет энергии электромагнитного поля.

В третьей главе исследуется распределение электромагнитных полей внутри экранируемого объема в результате его возбуждения сторонними источниками. В общем случае действие внешних

9 Г—:

источников можно имитировать заданным распределением токов. В данной главе решается задача возбуждения частично заполненного резонатора сторонними электрическими и магнитными токами. При решении используется метод собственных частот, когда возбуждаемое поле ищется в виде ряда по собственным полям исследуемого объема. Получены расчетные соотношения, позволяющие найти коэффициенты разложения при определении возбуждаемого поля.

Щели и отверстия в корпусах экранов способствуют взаимному проникновению электромагнитных полей. Действие щели в стенке экрана можно заменить действием поверхностных электрических или магнитных токов. В этом случае рассматриваются 2 задачи: возбуждение объема поверхностными электрическими токами и возбуждение объема поверхностными магнитными токами. В данной главе построены электродинамические модели возбуждения экранируемой области поверхностными сторонними электрическими и магнитными токами. Для обоих случаев получены выражения, позволяющие определить коэффициенты разложения для возбуждаемых электромагнитных полей.

В четвертой главе исследуется ввод вывод для экранированной области, выполненный в виде отрезка запредельного волновода. Для оценки взаимного проникновения электромагнитных полей строится электродинамическая модель соединения двух волноводов, размеры которых существенно различаются между собой. При построении модели стыка двух волноводов используются известные результаты теории волноводных структур. Существующие решения предлагаемой задачи требуют построения системы линейных уравнений значительной размерности. В данной главе предлагается новый подход при решении поставленной задачи, достоинствами которого являются: построение системы алгебраических уравнений, размерность которой не превышает

количества рассматриваемых мод узкого волновода, и возможность анализа точности получаемого решения на основе согласования баланса энергии в местах сочленения волноводов. Предлагаемая методика используется также для решения задачи возбуждения частично заполненного резонатора при помощи волновода.

11 '

ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературы

В настоящее время идет непрерывное внедрение вычислительной техники в различные области деятельности человека. Одновременное функционирование множества электронных средств различного назначения способствует их влиянию друг на друга ввиду взаимной проницаемости электромагнитных полей в любой области пространства и проблемы обеспечения помехоустойчивости и ЭМС ЭВС приобретает первостепенное значение в связи с повышением быстродействия, плотности компоновки элементов, снижением энергетического уровня передаваемых сигналов.

Множество работ, посвященных проблемам электромагнитной совместимости [5], [26], [54], [55] современных электронных средств, охватывает широчайший спектр задач, выдвигаемых логикой и развитием техники. В работах [26], [60], [83], [104] освещены основные вопросы электромагнитной совместимости. В них даются общие представления о проблеме ЭМС, разъясняется природа электромагнитных влияний и пути проникновения помех, приводится классификация источников помех, методика расчета электромагнитных экранов, методы и средства измерения помех, обеспечения помехоустойчивости и испытаний на помехоустойчивость. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости [76] элементов и узлов ЭВМ зависят как сроки разработки, изготовления и наладки последней, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации. Наиболее успешная борьба возможна лишь в том случае, когда разработка электрических схем и конструкций элементов и узлов ЭВМ неразрывно связаны.

Для снижения уровня помех с целью обеспечения ЭМС применяются следующие основные методы: рациональная компоновка, экранирование, фильтрация, размещение.

Существует множество работ [3], [5], [21], посвященным проблемам экранирования и методам расчета экранов. Успешно решаются вопросы выбора материала экрана, его толщины, конструктивных элементов, учитывающих влияние отверстий и щелей.

Вблизи источника излучения электромагнитной энергии, используется электростатическое или магнитостатическое экранирование. Это связано с тем, что на расстоянии, меньшем длины волны, преобладает одна составляющая электромагнитного поля -магнитная или электрическая. Расстояния внутри экранируемого модуля ЭВС между элементами, которые могут быть связаны электромагнитным полем, обычно измеряются сантиметрами и долями сантиметра, поэтому для частот ниже СВЧ - диапазона задача экранирования от внутренних источников сводится к экранированию или по магнитной или по электрической составляющей. Если источник излучения находится на расстоянии более 5 длин волн, то поле в этом случае может рассматриваться как сформировавшееся и распространяющееся в виде плоской волны. Поэтому защита ЭВС от внешних помех состоит в решении задачи экранирования от плоской волны.

В общем случае выделяется три области частот, на которых решаются задачи экранирования: 1 ^=0-102 Гц) - низкочастотная область, соответствующая электростатическому и магнитостатическому режиму работы экрана; 1 (Т=102-5-109Гц) - высокочастотная область, отвечающая электромагнитному режиму работы экрана; 3 (Т=5-109-5-10пГц) - сверхвысокочастотная область, соответствующая волновому

режиму работы экрана. Так, в частности, затухание экрана зависит от частоты поля и материала экрана. На рис. 1а - б представлены характеристики затухания магнитного Аэн и Аэе электрического полей для соответствующих трех областей частот. Для сверхвысокочастотной области характерным является наличие определенного ряда частот, при котором не происходит поглощения электромагнит�