автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Метод расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов

На правдх^у/рписи

Демскин Дмитрий Викторович

МЕТОД РАСЧЁТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНИРОВАНИЯ ДЛЯ НЕОДНОРОДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ПАЯ 2074 005549346

Москва-2014

005549346

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики».

Научный руководитель: Кечиев Леонид Николаевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Фоминич Эдуард Николаевич,

доктор технических наук, профессор, военный институт (инженерно-технический) ФГК ВОУ ВПО Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии A.B. Хрулева, г.СПб, профессор кафедры электроснабжения, электрооборудования и автоматики

Нисан Антон Вячеславович,

кандидат технических наук, направление развития образования и прикладных исследований ЗАО «НИИИТ» Группа компаний Остек, начальник отдела печатной электроники.

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

«Аргон»

Защита состоится «19» июня 2014 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.048.13 Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3, зал заседаний ученого совета (к.217)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д. 20 и на сайте http://aspirantura.hse.ru/

Автореферат разослан « » 05"_ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Николай Николаевич

Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации

Экранирование является одним из основных средств обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Задачей расчёта электромагнитных экранов занималось много исследователей, но использованные до настоящего времени модели не отвечают возросшим требованиям по ЭМС. Это объясняется увеличением мощности и расширением спектра частот непреднамеренных и преднамеренных электромагнитных излучений, постоянным повышением чувствительности цифровых систем к электромагнитным воздействиям, а также развитием нормативной базы, которая ужесточает требования по ЭМС к аппаратуре. Технический регламент по ЭМС Таможенного союза оговаривает обязательную сертификацию аппаратуры на соответствие требованиям ЭМС.

Поэтому, совершенствование расчётных моделей экранов с учётом неоднородностей в них, учитывающих реальные особенности конструкций, автоматизация процесса расчёта и встраивание процедуры проектирования экрана в процедуру конструирования аппаратуры, является актуальной проблемой и избранная тема диссертации является актуальной. Цель диссертационной работы и задачи исследования Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектных работ при создании электромагнитных экранов радиоэлектронной аппаратуры за счёт совершенствования метода расчёта и визуализации конструкторского этапа проектирования экрана и внедрения «облачных» технологий.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Провести анализ проблемы ЭМС и экранирования, как средства обеспечения ЭМС.

2. Выполнить анализ методов расчёта эффективности экранирования неоднородных электромагнитных экранов.

3. Разработать метод расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов, пригодный для оперативной оценки эффективности экранирования на стадии конструкторского проектирования.

4. Разработать алгоритм и программное обеспечение по расчёту эффективности экранирования для перфорированных электромагнитных экранов, встроенное в процедуру конструирования аппаратуры.

5. Внедрение программного обеспечения в технологии «облачных» вычислений для создания процедуры корпоративного проектирования. Научная новизна

1. Развит аналитический метод расчёта эффективности экранирования неоднородного электромагнитного экрана применительно к оперативной оценки эффективности экранирования на стадии конструкторского проектирования.

2. Разработан алгоритм расчёта эффективности экранирования неоднородного электромагнитного экрана как процедуры интегрированного проектирования экрана.

3. Разработан алгоритм визуализации как процедуры интегрированного этапа проектирования.

4. Предложен экспериментально-теоретический метод нахождения резонансной зоны эффективности экранирования неоднородных экранов.

5. Разработан алгоритм корпоративного проектирования неоднородных экранов на базе «облачных» вычислений.

Практическая значимость

Полученные результаты способствуют повышению эффективности конструкторских работ при конструировании помехозащищённой аппаратуры, работающей в сложной электромагнитной обстановке. К основным значимым практическим результатам работы следует отнести:

1. Программу расчета неоднородного электромагнитного экрана в широком частотном диапазоне. Программный продукт защищен свидетельством №2010617918.

2. Процедуру построения портала на основе «облачных» вычислений для корпоративного проектирования неоднородных электромагнитных экранов.

На защиту выносится следующие основные результаты и положения

1. Аналитический метод расчёта эффективности экранирования неоднородного электромагнитного экрана применительно к оперативной оценки эффективности экранирования на стадии конструкторского проектирования. Показано, что развитие аналитических методов расчета позволяет провести оценку эффективности экранирования с достаточной для инженерной практики точностью при одновременном сокращении времени расчетов по сравнению с применением численных методов

2. Алгоритм расчёта эффективности экранирования неоднородного электромагнитного экрана как процедуры интегрированного проектирования экрана. Для повышения эффективности конструкторского проектирования экрана обеспечено взаимодействие расчетных программных процедур и трехмерной визуализации объекта.

3. Алгоритм визуализации как процедуры интегрированного этапа проектирования. Визуализация конструируемого экрана позволяет в реальном масштабе времени следить за изменением эффективности экранирования при изменении конструкторских параметров и его неоднородностей экрана, а также материалов.

4. Метод нахождения резонансной зоны эффективности экранирования неоднородных экранов на основе экспериментальных данных. Резонансные зоны эффективности экранирования, в которых изменение эффективности резко снижается, могут быть определены по результатам экспериментальных исследований.

5. Алгоритм корпоративного проектирования на базе «облачных» вычислений. Технология «облачных» вычислений обеспечивает новый уровень корпоративного проектирования, объединяя усилия значительного числа пространственно распределенных разработчиков с их информационными потоками. Реализация и внедрение результатов работы

Разработанный программный продукт, по расчёту эффективности экранирования перфорированного электромагнитного экрана, был внедрен в «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт» для оценки эффективности экранирования узлов аппаратуры перспективных систем связи, а также в учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ, в качестве материала для проведения практических занятий для студентов по дисциплине «Основы проектирования электронных средств» и для выполнения выпускных работ. Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и вузовских научных конференциях:

• 9-ый Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

• II Всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами», г. Москва, 2012 г.;

• научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, 2011 г., 2012 г., 2013 г.;

• научные семинары кафедры «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, 2011 г., 2012 г., 2013 г.

Публикации

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 11 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых изданиях,

рекомендованных ВАК. Получено 1 авторское свидетельство на программу для ЭВМ.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы содержащего 118 наименований. Объем работы - 114 с.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе

Рассмотрены проблемы электромагнитной совместимости. Также рассмотрены источники помехи.

Источники помех бывают природного и искусственного происхождения. Наиболее мощными природными источниками помех являются разряды молний, генерирующие значительные токи в системе молниезащиты, и электрические поля высокой напряженности. Источниками искусственного происхождения могут быть самые разнообразные устройства и системы, начиная от мощных радиопередающих устройств и заканчивая микропроцессором. Наиболее мощными искусственными источниками электромагнитного излучения являются ядерные взрывы.

Рассмотрены факторы превышения наведенными токами и напряжениями пороговых уровней. Дано обобщённое представление взаимодействия источника и рецептора помех. Для снижения степени взаимодействия применяют экранирования как один из основных методов обеспечения электромагнитной совместимости. Проблеме ЭМС и вопросам проектирования экранов посвящены работы отечественных ученых и специалистов (Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Петров Б.В., Тухас В.А., Князев А.Д., Бутин В.И., Шапиро Д.Н., Воршевский A.A., Чермошенцев С.Ф., Газизов Т.Р., Мордачев В.И.,

Костроминов A.M., Ромащенко М.А. и др.), а также зарубежных ученых (М. Mardiguian, H. Ott, Clayton R. Paul, R. Morrison, M. L. Monroe, R. Armstrong, T. Williams, Qu Zhaoming, Wang Qingguo, Cheng Erwei, Jia Rui, Parisa Dehkhoda, Ahad Tavakoli, Rouzbeh Moini и др.)

Рассмотрены структуры электромагнитного поля в зависимости от расстояния от источника помех. Обосновано рассмотрения электромагнитного экранирования в дальней зоне. Показано классическое представление однородного экрана, которое базируется на оценки потерь на поглощение энергии электромагнитной волны в толще экрана, на отражение энергии от границы раздела при входе волны в экран, за счет многократных отражений в толще экрана. Анализ аналитических методов расчета неоднородных экранов показывает, что основной подход в данном случае базируется на использовании поправочных коэффициентов. Аналитические методы обеспечивают достаточную для инженерной деятельности точность и высокую производительность при программной реализации.

Детально проанализированы численные методы расчета, которые могут быть применены при проектировании неоднородных экранов. Самый распространённый метод из всех численных методов, это метод конечных элементов. С помощью метода конечных элементов можно получить достаточно точные значения эффективности экранирования в решении задач в квазистатическом приближении и для статических полей. Так как этот метод универсален, то его можно использовать, как для экранов сплошных, так и для экранов с отверстиями, как круглыми, так и щелевыми.

Решение задачи с помощью метода конечных элементов можно представить в виде последовательности этапов, представленных в виде схемы (Рисунок 1).

В итоге была поставлена цель и задачи работы.

Во второй главе

Был развит аналитический метод расчёта эффективности экранирования.

Проведённый анализ состояния проблемы показал, что для решения поставленной задачи, наиболее предпочтительным является аналитический метод расчёта эффективности экранирования электромагнитного экрана. От численного метода, он отличается;

• высокой производительностью

• возможность встраивать дополнительные процедуры проектирования

• относительная простота реализации

• возможность оперативного развития по мере уточнения моделей

Рисунок I Схема решения задач МКЭ

Недостатки метода, а именно невысокая точность результата, для оперативных решений не столь существенны, так как окончательное решение будет применяться по результатам экспериментального исследования готового изделия.

Рассмотренные в первой главе элементы теории электромагнитного экранирования получила развитие в инженерной практике в виде коэффициентного метода, который позволяет учесть влияние апертур за счёт введения дополнительных коэффициентов.

Были рассмотрены неоднородности в экране. В итоге был сделан вывод, что если необходимо предусмотреть в экране вентиляционные отверстия,

9

отверстия для кабелей или кнопок, то необходимо учитывать эти отверстия при расчёте эффективности экранирования перфорированного электромагнитного экрана. Для этих целей был предложен коэффициентный метод расчёта эффективности экранирования.

Наиболее распространённый случай использования экранов, это использование экранов в виде металлического листа с отверстиями. Эффективность экранирования в данном случае моно рассчитать по следующей формуле (1):

Sap = Аар + Rap + Вар + Кар1 + Кар2 + Кар3,Д Б (4)

Где Аар - потери на поглощение одиночной апертуры, Rap - потери на отражение одиночной апертуры, Вар - поправочный коэффициент отражения одиночной апертуры, Kapi - поправочный коэффициент числа апертур, Кар2 -поправочный коэффициент близости апертур на низких частотах, Кар3 -

поправочный коэффициент близости апертур на высоких частотах.

Был представлен алгоритм расчёта эффективности экранирования электродинамического экрана (Рисунок 2):

В инженерных расчётах для худшего случая все утечки складываются вместе когерентно. Когерентно складывается сумма всех утечек с вычисленной эффективностью экранирования. Расчет суммарной эффективности экранирования, учитывая утечки через отверстия, можно выполнить по представленной ниже формуле (2):

Ss = -201g[tf + 1Г=1 Карп] (5)

Где К - коэффициент экранирования сплошного экрана, Кпрп -коэффициент экранирования в зоне п утечки, п - число зон апертур, вызывающих утечки

Данная формула соответствует самому худшему случаю, когда складываются значения коэффициентов экранирования отдельных путей прохождения электромагнитной волны. Коэффициент экранирования можно рассчитать по следующей формуле (6):

к =-К (6)

1020

Представив выше процедуру решения задач по расчёту эффективности экранирования перфорированного электромагнитного экрана, предложен следующий алгоритм расчёта неоднородного электромагнитного экрана (Рисунок 2).

Был представлен тестовый расчёт эффективности экранирования. Он показывает, что эффективность экранирования перфорированного электромагнитного экрана будет меньше, чем эффективность экранирования любой из трёх зон (здесь имеется ввиду, что перфорированный экран состоит из трёх зон: зоны с круглыми отверстиями, с прямоугольными и зона сплошного экрана).

Тестовые расчёты эффективности экранирования неоднородного электромагнитного экрана позволяют количественно подтвердить, что затекание электромагнитного поля в экранированную область определяется, прежде всего, неоднородностями, которым при конструировании экрана следует уделять основное внимание.

В третьей главе

Было рассмотрено конструкторское проектирование экранов.

На сегодняшний день процесс конструирования электромагнитных экранов схематически выглядит следующим образом (Рисунок 3):

Было предложено модифицировать этот процесс следующим образом (Рисунок 4):

Рисунок 2

Алгоритм методики расчёта неоднородного электромагнитного экрана

Рисунок 3

Процесс проектирования

Рисунок 4

Проектирование электродинамического экрана

В итоге предлагается внедрить программный комплекс на стадии проектирования, для сокращения конструкторских работ.

В работе представлен алгоритм программного комплекса для оценки эффективности экранирования при конструкторском проектировании экранов (Рисунок 5).

В основе программного комплекса оценки эффективности экранирования при конструировании электромагнитного экрана лежит коэффициентный аналитический метод расчёта эффективности экранирования, рассмотренный выше.

А также был представлен алгоритм 30 моделирования электромагнитного экрана (Рисунок 6):

Алгоритм для расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов

15

Алгоритм 30 моделирования члектромагнитого экрана

Особые трудности представляют резонансные явления в экране, которые трудно прогнозируемые при расчетах, но играют существенную роль,

поскольку в резонансных областях происходит резкое снижение эффективности экранирования. На основе обработки многочисленных экспериментальных данных предложен метод нахождения резонансной зоны электромагнитного экрана с апертурами. При аналитическом расчёте не учитывается явление резонанса, но можно приблизительно вычислить частоту, при которой происходит резонанс. Начало резонанса можно определить по формуле (7):

F = ■ (7)

п f 4 /

где с - скорость света, / - ширина отверстия, п - число (1,2 или 4)

Частотный диапазон резонансной зоны можно вычислить следующим образом

(8):

F = 100— X/ICM, (8)

см 4 7

где h - высота отверстия.

Подставив исходные данные в выведенные эмпирическим путём формулы, мы видим, что вычисленные значения приблизительно сходятся с измеренными значениями. В этих областях эффективность экранирования спадает до единиц децибел. Таким способом можно рассчитывать частоты, при которых происходит резонанс и для этих частот принимать конструкторские меры по повышению эффективности экранирования за счет устранения резонансных явлений в полости корпуса за счет установки перегородок, применения радиопоглощающих материалов и т.п.

Был произведён выбор и обоснование языка программирования для. дальнейшей реализации, представленных в работе алгоритмов.

В четвёртой главе

Было представлено руководство пользователя программным комплексом SE Calculator.

Была проведена проверка адекватности расчёта эффективности экранирования.

Был произведён расчёт эффективности экранирования перфорированного электромагнитного экрана и сравнения полученных результатов с результатами, полученными в эксперименте, проведённом в Аризонском Государственном Университете; с результатами расчётов, проведёнными различными численными методами; а также с экспериментами, опубликованными в других статьях. В итоге было показано, что результаты, полученные аналитическим методом приблизительно схожи с результатами, полученными в эксперименте.

Разработан алгоритм (Рисунок 7), позволяющий развить метод расчёта эффективности экранирования с использованием «облачных технологий», который позволит намного продуктивнее и более качественно разрабатывать новые электромагнитные экраны, а также быть в курсе последних событий в мире электромагнитной совместимости.

Следует особенно отметить, что вся информация, которая появляется в данной реализации, пополняется всем сообществом профессионалов в области электромагнитной совместимости, а не одним человеком или малой группой людей.

Общие выводы

По результатам исследования могут быть сформулированы следующие выводы:

1. Выполнен анализ проблемы ЭМС и экранирования, как средства обеспечения ЭМС. Выявлено, что ужесточаются требования помехозащищённости электромагнитных средств, постоянно развивается нормативная база, увеличивается мощность и расширяется спектр непреднамеренных и преднамеренных электромагнитных излучений.

Развитие метода расчета экрана с использованием «облачных тех пологий»

¿ффСК1'ИВ1ШС(Н .■краннровання:

I. Расчёт эффективности «кр:«нпрои.чнцн аналитическим чеголоч

30 модели "жрана 3. Моделирование

^■ьнсПшсму г Ир1>СК1М[К.>ВП>ШЮ и конаруирониниш

Г

Обсуждения пользователями

■^СИ

1>аза данных материалов:

материалов

2. Стандарты

3.Библиотеки'

Общая информация о конференциях, нысьчвка.ч и обитнях

дру|

I очный расчет н]и|к:кшш1ис1н жранирования:

Расчет эффективности экранировании численным жчолом

г сорим:

I .1;

ч-рнфсш

Методики жоперимета

Т

Аппаратное

Рисунок 7

Развитие метода расчёта экрана с использованием облачных технологии

Из этого можно сделать вывод, что совершенствование расчётных моделей экранов, учитывающих реальные, особенности конструкций, автоматизация процесса расчёта и встраивание процедуры проектирования экрана в процедуру конструирования аппаратуры, является актуальной проблемой.

2. Произведён анализ методов расчёта эффективности экранирования. Было выявлено, что все базовые аналитические методы, в отличие от численных методов, рассматривают бесконечно протяжённый экран без каких либо неоднородностей. Учет неоднородностей ведется на основе введения вспомогательных коэффициентов. Аналитический метода наиболее приемлем для поставленной задачи, поскольку его программная реализация обладает максимальной производительностью.

3. Разработан алгоритм расчёта эффективности экранирования неоднородного электромагнитного экрана, как процедуры интегрированного проектирования экрана. В основу этого метода лёг коэффициентный метод расчёта эффективности экранирования, который учитывает наличие прямоугольных и круглых отверстий.

4. Разработан алгоритм визуализации, как процедуры интегрированного этапа проектирования. Благодаря этому алгоритму, конструктор на первых этапах проектирования электромагнитного экрана, может построить графическую ЗО модель электромагнитного экрана с одновременным расчетом его эффективности экранирования, что существенно облегчает дальнейшие конструкторские работы и сокращает сроки проектирования.

5. Разработан метод нахождения резонансной зоны эффективности экранирования неоднородных электромагнитных экранов на основе экспериментальных данных. Благодаря этому методу можно определить, на каких частотах будет происходить явление резонанса и в расчёте не

учитывать эти частоты, а при конструировании экрана принять методы по устранению резонанса.

6. Разработан алгоритм корпоративного проектирования электромагнитных экранов на базе «облачных технологий». Этот алгоритм позволяет интегрировать научный и информационный потенциал разработчиков в рамках корпоративного проектирования.

7. Разработан программный комплекс «SE Calculator», в основу которого легли представленные в работе алгоритмы. Благодаря этому программному комплексу существенно ускоряется процедура проектирования и конструирования неоднородных электромагнитных экранов.

На основании вышеизложенных результатов можно заключить, что цель, поставленная в начале исследования, выполнена.

Работы, опубликованные автором в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Демский Д.В. Расчёт эффективности экранирования неоднородных экранов // Технологии ЭМС. 2011. №2 (37) - С. 55 - 56 (0,25 п. л.) (в соавторстве с Лафишевым М.А.; авт. вклад - 0,15 п.л.).

2. Демский Д.В. Автоматизация расчёта эффективности экранирования // Технологии ЭМС. 2013. №1 (44) - С. 44 - 54 (1,25 п.л.) (в соавторстве с Фоминой И. А., Марченко М.В.; авт. вклад - 0,5 п.л.).

3. Демский Д.В. Специализированный измеритель напряжённости электрического поля для измерения эффективности экранирования // Технологии ЭМС. 2013. №1 (44) - С. 23 - 28 (0,75 п.л.) (в соавторстве с Журавлёвым И.Н., Кечиевьгм Л.Н., Крючковым Н.М., Савиным Ю.В.; авт. вклад - 0,15 п.л.).

В других изданиях

1. Демский Д.В. Алгоритм расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов // Научно-техническая

конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. 2011 - С. 213 (0,15 п. л.).

2. Демский Д.В. Алгоритм расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов // 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011 г. - С. 141 - 142 (0,3 п. л.) (в соавторстве с Лафишевым М.А.; авт. вклад - 0,15 п.л.).

3. Демский Д.В. Расчёт эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов // Материалы международной научно-практической конференции «Инфо 2011». 2011 - С 253 - 255 (0,45 п. л.).

4. Демский Д.В. Применение САЬБ-технологий для расчёта эффективности экранирования неоднородных электромагнитных экранов // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, посвящённая 50-летию МИЭМ. Тезисы докладов. 2012-С. 269 (0,15 п. л.).

5. Демский Д.В. Особенности эффективности экранирования неоднородных электромагнитных экранов // Информационные технологии в науке, бизнесе и образовании. IV международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных. 2011 - С. 72 (0,15 п. л.).

6. Демский Д.В. Реализация алгоритма расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов с использованием САЬБ-технологий // Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами. Тезисы докладов II всероссийской научно-технической конференции Москва. 24 -26 октября 2012 г.-С. 153 (0,15 п. л.).

7. Демский Д.В. Автоматизированная методика построения 3-е! модели электромагнитного экрана с учётом требуемой эффективности экранирования // Научно-техническая конференция студентов,

аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. 2009 - С. 196 (0,15 п. л.) (в соавторстве с Сафоновым А.А.; авт. вклад-0,07 п.л.). 8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010617918 «Расчёт эффективности экранирования электромагнитных экранов (SE Calculator)»

Лицензия ЛР № 020832 от 15 октября 1993 г. Подписано в печать «/6> 2014 г. Формат 60x84/16

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. Печ. Л 1 Тираж 120 экз. Заказ № ¿?С>

Типография издательства НИУ ВШЭ 125319, г. Москва, Кочновский пр-д, д. 3

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

04201458446 На правахр 1^иси

Демский Дмитрий Викторович

Метод расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кечиев Леонид Николаевич

Москва, 2014

Оглавление

Введение.....................................................................................................4

Глава 1. Экранирование, как средство обеспечения электромагнитной совместимости...................................................................10

1.1. Проблемы электромагнитной совместимости.......................10

1.2. Аналитические методы расчёта электромагнитных экранов 16

1.3. Численные методы расчёта экранов.......................................23

1.4. Постановка задачи....................................................................30

Глава 2. Метод расчёта неоднородного электромагнитного экрана..34

2.1. Анализ аналитических методов расчёта................................34

2.2. Неоднородности в экране........................................................36

2.3. Коэффициентный метод расчёта экрана................................38

2.4. Алгоритмы расчёта неоднородного электромагнитного экрана 47

2.5. Выводы......................................................................................55

Глава 3. Разработка алгоритма расчёта экрана и его визуализация...56

3.1. Конструкторское проектирование экранов...........................56

3.2. Программный комплекс оценки эффективности экранирования при конструкторском проектировании экранов..............59

3.3. Резонансная зона электромагнитного экрана с апертурами 63

3.4. Выбор и обоснование языка программирования..................66

3.5. Выводы......................................................................................68

Глава 4. Методика применения разработанного программного обеспечения по расчёту неоднородных электромагнитных экранов...........70

4.1. Руководство пользователя.......................................................70

4.2. Проверка адекватности расчёта эффективности экранирования................................................................................................73

4.3. Развитие метода расчёта экрана с использованием «облачных технологий»................................................................................87

4.4. Выводы....................................................................................100

Заключение.............................................................................................101

Список литературы................................................................................103

Введение

При повышении быстродействия РЭС, возникают проблемы, обусловленные искажением сигналов в линиях связи. Основными причинами искажения сигналов в линиях связи являются электромагнитные излучения. При взаимодействии переменного электромагнитного поля с цепями электронного средства, имеющими вполне конкретную физическую реализацию, в этих цепях наводятся токи и напряжения соответствующих интенсивностей. При превышении наведёнными токами и напряжениями определённых пороговых уровней в рецепторе (в непреднамеренно созданных антеннах - самые разнообразные проводники и детали) происходят события, приводящие к нарушениям функционирования. Вероятность превышения наведёнными токами и напряжениями пороговых уровней зависит от многих факторов, основными из которых являются:

• Уровни электромагнитного возмущения источника помех;

• Уровень восприимчивости рецептора помех;

• Ослабление электромагнитного возмущения при его распространении от источника до чувствительных цепей рецептора;

• Степень совпадения частотного диапазона источника и рецептора помех;

• Степень совпадений поляризаций электромагнитного возмущения источника и переменных цепей рецептора [1]

Основные источники электромагнитного излучения, вызывающего искажение сигналов в электронных устройствах делятся на внешние и внутренние источники.

Внешними источниками являются:

• системы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии

• транспорт на электроприводе (железнодорожный и его инфраструктура, городской - метро, троллейбус, трамвай)

• функциональные передатчики (радиостанции, телевизионные передатчики, системы сотовой связи, системы мобильной радиосвязи, спутниковая связь, радиорелейная связь, радиолокационные станции и т.п.)

• технологическое оборудование различного назначения, использующее сверхвысокочастотное излучение, переменные и импульсные магнитные поля

• медицинские терапевтические и диагностические установки

• средства визуального отображения информации на электроннолучевых трубках (мониторы, телевизоры)

• промышленное оборудование на электропитании, электробытовые приборы

• природные излучения (солнечные бури, молнии, радиоактивные излучения)

Внутренними источниками излучения в электронных устройствах являются колебательные контуры, прерыватели, индукционные ёмкости, усилители, микропроцессоры, системы потребления электроэнергии и т.д.

Если от внутренних помех можно в какой-то мере избавиться путём рациональной конструкции, установки дополнительных фильтров и т.д., то от внешних источников основным средством защиты являются экраны. [20] В настоящее время производители современных САПР (система автоматизированного проектирования) стараются учитывать при проектировании РЭС обеспечение целостности сигнала, уменьшение перекрестных помех меж соединениями и т.д. Это такие производители,

как Mentor Graphics Technologies, Cadence и Zuken. С этой целью они используют математическое моделирование физических процессов, протекающих в аппаратуре при ее функционировании.

Традиционное построение САПР опирается на применение локальных рабочих станций и рабочих станций, объединённых в локально вычислительные сети. Естественно, важным в этом аспекте является расчёт эффективности экранирования от ЭМИ.

Для крупных промышленных предприятий целесообразно создание собственных вычислительных центров и приобретение специализированных дорогостоящих программных продуктов.

Для фирм, специализирующихся в узкой области с относительно малыми объёмами проектных работ, экономически целесообразно использование интерактивной системы интернета по технологии клиент-сервер. При этом подходе на серверной стороне распределённой информационной среды может быть реализован вычислительный центр, обслуживающий всех желающих, в том числе и малые фирмы. Однако развитие подобного подхода страдает от отсутствия методического и программного обеспечения проектных процедур, ориентированных на применение в среде интернет. [21] Нет таких программ и при расчёте эффективности экранирования неоднородных электромагнитных экранов, для встраивания в автоматизированные программы расчёта.

Существующие пакеты, например пакет «Mathematica» фирмы Wolfram Research Inc. для решения задач в области ЭМС, система схемотехнического моделирования NetSpice не могут быть включены в автономную программу расчёта эффективности электромагнитных экранов в силу своей громоздкости.

В настоящем диссертационном исследовании разработаны методы расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов, с помощью компьютерных технологий, как на

локальной машине, в локальных сетях, так и с использованием технологии клиент-сервер.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения и списка использованной литературы. В приложении приведены акты внедрения и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

В первой главе рассматриваются элементы электромагнитной совместимости, источники и рецепторы помех. Выделяются новые мощные источники помех, такие как электромагнитное оружие, импульс высотного ядерного взрыва, средства электромагнитного терроризма. Даются их параметры, механизм воздействия на аппаратуру. Рассматриваются методы защиты аппаратуры от мощных электромагнитных воздействий.

Приводится аналитический метод расчёта эффективности экранирования, приводится обзор численных методов.

Формулируется цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности проектных работ при создании электромагнитных экранов радиоэлектронной аппаратуры за счёт совершенствования метода расчёта и визуализации конструкторского этапа проектирования экрана и внедрения «облачных» технологий .

Во второй главе представлен анализ статей, посвящённый аналитическим методам расчёта эффективности экранирования электродинамических экранов, описываются неоднородности экрана. Так как в современном мире расчёт эффективности экранирования аналитическим методом рассматривает только бесконечно протяжённый экран, то предлагается на рассмотрение коэффициентный метод расчёта эффективности экранирования.

Представлены алгоритмы расчёта неоднородного электромагнитного экрана, которые в дальнейшем лягут в основу программных комплексов п расчёту эффективности экранирования.

Третья глава включает разработку алгоритма расчёта экрана, разработку визуализации экрана для программного комплекса оценки эффективности экранирования при конструкторском проектировании электродинамических экранов. Рассмотрен выбор и обоснование языка программирования, с помощью которого можно реализовать представленные в работе алгоритмы.

В четвёртой главе приводится методика применения разработанного программного обеспечения по расчёту неоднородных электромагнитных экранов. Представлен программный продукт «SE Calculator», дано руководство пользования. Описана проверка адекватности расчётов (сопоставление результатов расчёта по разработанной методике с достоверными известными результатами).

Разработана методика автоматизированного расчета с использованием «облачных» технологий.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

Апробация результатов работы. Результаты представлялись и докладывались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (г. Москва) в 2011, 2012 и в 2013 годах. На 9-ом международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (г. Санкт-Петербург 2011 г). На II всероссийской научно-технической конференции посвящённой системам управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами (г. Москва 2012 г).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 в журналах, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных

журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени доктора и кандидата наук, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника и Телекоммуникации» МИЭМ НИУ ВШЭ.

Глава 1. Экранирование, как средство обеспечения электромагнитной совместимости

1.1. Проблемы электромагнитной совместимости

Электромагнитная совместимость (ЭМС) определяет способность технических средств функционировать «в предусмотренном режиме, в заданной электромагнитной обстановке и при этом не создавать электромагнитных помех другим технических средствам» [8]. Электромагнитные помехи (ЭМП) могут вызывать нарушения функционирования электротехнических и электронных систем, затруднять использование радиочастотного спектрального ресурса, вызывать возгорание легковоспламеняющихся газообразных средств, воздействовать на ткани тела человека. Одним из эффективных средств обеспечения ЭМС радиоэлектронных средств и защиты их от ЭМП является экранирование. Наряду с такими методами как зонирование, фильтрация, заземление и ограничение перенапряжения, экранирование остаётся в ряде случаев единственно возможным решением задачи снижения уровня воздействующих полей на радиоэлектронные средства или устранение помехоэмиссии от технических средств. С повышением быстродействия электронных средств, применение схемотехнических методов (фильтрация, установка ограничителей) не всегда представляется возможным из-за их влияния на быстродействие систем. Поскольку быстродействие является приоритетным показателем при создании самого широкого класса перспективных электронных средств, значение экранирования резко возрастает [23].

Эффекты ЭМП в технических средствах вызывают постоянно растущее беспокойство разработчиков и конструкторов из-за повышения чувствительности компонентов систем к электромагнитным воздействиям,

расширения частотного диапазона и уровня мощностей этих воздействий, а также лавинообразного роста источников помех самой разнообразной природы. Для радиоэлектронных средств специального применения следует учитывать определённую вероятность наличия преднамеренных мощных сверхширокополосных электромагнитных воздействий. Это ставит перед разработчиками аппаратуры еще более сложные задачи по ее защите.

В концепции ЭМС выделяются источники и рецепторы помех, а также среда распространения помех от источника к рецептору. Электромагнитной помехой может являться практически любое электромагнитное явление в рамках широкого диапазона частот. Источник помеховых электромагнитных возмущений может располагаться вне рассматриваемой электронной системы, но он также может располагаться и внутри этой системы. В данном случае одна часть системы является источником, а другая - рецептором [24].

Источники помех бывают природного и искусственного происхождения. Наиболее мощными природными источниками помех являются разряды молний, генерирующие значительные токи в системе молниезащиты, и электрические поля высокой напряженности. Источниками искусственного происхождения могут быть самые разнообразные устройства и системы, начиная от мощных радиопередающих устройств и заканчивая микропроцессором. Наиболее мощными искусственными источниками электромагнитного излучения являются ядерные взрывы. С возрастанием высоты взрыва, увеличивается пробег всех излучений, выходящих из зоны взрыва. Возрастает область ионизации. [2] При взрывах на высотах 80 - 100 км пробег рентгеновского излучения (электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между гамма- и ультра-фиолетовым излучением в пределах длин волн от 10~8 до 0,1 мкм) в горизонтальном направлении составляет

несколько километров, а на больших высотах десятки и сотни километров. 80% энергии космического взрыва идёт на образование рентгеновского излучения. Существуют лазеры с ядерной накачкой, которые фокусируют рентгеновское излучение в узкий пучок энергии и направляют на объект, например на головную часть баллистической ракеты [25]. При этом происходит механическое повреждение ракеты. Поражающее действие высотных ядерных взрывов рассматривают, как правило, на воздушные и космические цели, а на наземные объект (личный состав, радиоэлектронную и электротехническую аппаратуру) - только воздействие ЭМИ. Характер поражающего действия электромагнитного импульса высотных ядерных взрывов сходен с характером поражающего действия ЭМИ наземных и воздушных взрывов. Отличие высотного ядерного взрыва состоит в том, что большие токи напряжения наводятся на кабельных, воздушных линиях и других элементах. Они расположены не только вблизи эпицентра взрыва, но и на расстоянии сотен километров от него. [3] Вследствие этого, личный состав, радиоэлектронная и электротехническая аппаратура могут быть выведены из строя от воздействия ЭМИ высотного ядерного взрыва, находясь на безопасных удалениях от поражения другими поражающими факторами.

В любом случае источник возбуждает электромагнитное поле с определенной частотой или, что наиболее типично, в широком диапазоне частот. При взаимодействии переменного электромагнитного поля с цепями электронного средства, имеющими вполне конкретную физическую реализацию, в этих цепях возникают токи и напряжения соответствующих интенсивностей. При превышении наведенными токами и напряжениями определенных пороговых уровней в рецепторе происходят события, приводящие к нарушениям функционирования.

Вероятность превышения наведенными токами и напряжениями пороговых уровней зависит от многих факторов, основными из которых являются:

• уровни электромагнитного возмущения источника помех;

• уровень восприимчивости рецептора помех;

• ослабление электромагнитного возмущения при его распространении от источника до чувствительных цепей рецептора;

• степень совпадения частотного диапазона источника и рецептора помех;

• степень совпадений поляризаций электромагнитного возмущения источника и приемных цепей рецептора.

На Рис. 1 дано обобщенное представление взаимодействия источника и рецептора помех [8].