автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методики и модели для учета паразитных параметров печатных узлов при анализе электромагнитной совместимости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

005554745

На правах рукописи

Калимулин Илья Фида1шьевич

Методики и модели для учёта паразитных параметров

печатных узлов при анализе электромагнитной совместимости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

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

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Томск-2014

005554745

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР).

Научный руководитель: Заболоцкий Александр Михайлович,

кандидат технических наук, ТУ СУР, г. Томск

Официальные оппоненты: Майстренко Василий Андреевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Средства связи и информационная безопасность» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ), г. Омск

Матросова Анжела Юрьевна,

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой программирования ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (НИ 11 У), г. Томск

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-

производственный центр «Полюс», г. Томск

Защита состоится 16 декабря 2014 г. в 9 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: г. Томск, ул. Красноармейская, д. 146, а также на официальном сайте ТУСУРа http://www.tusur.ni/ra/science/education/diss.html Автореферат разослан^^ октября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01 доктор физико-математических наук

Мандель А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для обеспечения надёжного функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космических аппаратов (КА) выполняются комплексные испытания, в частности, на электромагнитную совместимость (ЭМС). Однако, они занимают много времени, дорого стоят, и КА может не пройти их с первого раза. Кроме этого, если в результате испытаний установлено, что параметры КА выходят за установленные уровни, то неочевидно, какие изменения необходимо внести в электрическую схему или конструкцию печатной платы, чтобы повторные испытания на ЭМС прошли успешно.

Известным решением является тщательное экранирование с запасом, но оно значительно увеличивает массогабаритные и стоимостные показатели. Поэтому, всё чаще вместе с моделированием функциональных и схемотехнических решений целесообразно выполнение моделировашш испытаний на ЭМС. (Исследования по этой тематике ведёт Н.В. Лемешко). При этом имеет смысл выполнять их не только для готового блока, но и на более ранних этапах проектирования принципиальной схемы, печатной платы и всего прибора, когда гораздо проще и дешевле внести изменения в компонентную базу, структуру схемы и конструкцию печатной платы.

Однако, чтобы получить корректные результаты моделирования испытаний, необходимы модели компонентов и межсоединений, корректно описывающие их поведение на частотах выше верхней рабочей частоты (последние рекомендации— до 100 ГГц). Характеристики пассивных электронных компонентов в таком случае будут содержать несколько резонансов из-за влияния паразитных параметров, и для их моделирования не подойдут известные модели, предосташшемые производителями. Таким образом, возникает задача синтеза многорезонансных моделей. Чтобы её решить, можно обратиться к богатому опыту разработки высокоскоростной аппаратуры (десятки гигабит в секунду), где возникает необходимость моделирования межсоединений в широком диапазоне частот (десятки гиг агерц). Исследования в этой области ведут R. Achar, Т. Dagostino, M.S. Nakhla, I. Novak, D. Saraswat, L.D. Smith, Ю. Шлепнёв и др. В области электрических сетей также возникают похожие задачи, которые исследуют В. Gustavsen, I.R. Pordanjani, A. Semlyen и др. В области сверхвысоких частот (СВЧ) исследования по этой теме ведут С. Rautio, Л.И. Бабак, И.М. Добуш, Т.Я. Шевгунов и др. Но анализ известных исследований показывает, что ряд актуальных задач не решён.

Петь работы — реализовать учёт паразитных параметров (компонентов, посадочных мест, печатных трасс) печатных узлов при анализе ЭМС бортовой РЭА космических аппаратов.

Основные задачи, решаемые в работе

1. Обзор методов синтеза моделей на основе эквивалентных схем.

2. Разработка методики синтеза многорезонансных моделей пассивных электронных компонентов.

3. Разработка методики учёта паразитных параметров посадочных мест компонентов на печатной плате.

4. Разработка методики анализа пассивных цепей с учётом паразитных параметров.

5. Верификация результатов расчёта ёмкостной матрицы.

6. Разработка методики получения моделей цифровых микросхем.

7. Разработка печатных плат для измерения частотных характеристик компонентов и посадочных мест.

Научная новизна

1. Разработана методика анализа пассивных цепей, отличающаяся учётом паразитных параметров компонентов и их посадочных мест.

2. Разработана методика оценки электромагнитной наводки между сигнальными контактными площадками посадочного места корпуса фильтра на поверхностных акустических волнах.

3. Предложено уменьшение погонной индуктивности цепи земля-питание печатной платы только за счёт трассировки.

4. Впервые разработана методика синтеза многорезонансных моделей пассивных электронных компонентов в виде эквивалентной схемы, отличающаяся использованием эволюционных стратегий или рациональной функции, полученной методом векторной аппроксимации частотной зависимости импеданса.

5. Получены модели резистора и конденсатора в виде эквивалентных схем, отличающиеся многорезонансностью частотной зависимости импеданса.

Теоретическая значимость

1. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс численных методов, включающий метод моментов, метод векторной аппроксимации, оптимизацию эволюционными стратегиями, методы анализа и синтеза линейных электрических цепей.

2. Изучены особенности влияния размеров и расположения двух проводников над идеально проводящей плоскостью на их погонную индуктивность.

3. Проведена модернизация существующих математических моделей компонентов, учитывающая многорезонансность частотной зависимости их импеданса.

4. Теоретический инструментарий моделирования испытаний по электромагнитной совместимости до частоты 18 ГГц расширен разработанной методикой анализа пассивных цепей с учётом паразитных параметров и полученными многорезонансными моделями резистора и конденсатора.

Практическая значимость

1. Используя разработанную методику синтеза моделей, для частот до 20 ГГц получены модели резистора и конденсатора, используемых в бортовой радиоэлектронной аппаратуре КА.

2. Используя разработанную методику анализа пассивных цепей с учётом паразитных параметров компонентов и монтажа, выполнен анализ четырёх

цепей и микрополоскового делителя мощности радиотехнического блока аппаратуры радионавигации КА.

3. Апробирована оптимизация параметров математической модели резистора в диапазоне частот до 20 ГГц, используя эволюционные стратегии.

4. Разработаны рекомендации по улучшению ЭМС: пяти унифицированных электронных модулей (УЭМ) энергопреобразующего комплекса; УЭМ блока аппаратуры радионавигации; печатной платы макета радиотракта системы автономной навигации; печатного узла системы автономной навигации.

5. Представлены методика разработки моделей цифровых микросхем на языке Digital SimCode, разработанная по ней модель интегральной схемы 1554ИР35ТБМ, а также перевод справочника по языку Digital SimCode.

6. Результаты использованы в практике учебного процесса двух университетов.

7. Создан комплект измерительных тестовых печатных плат.

Использование результатов исследований

1. ОКР по теме «УЭМ-ТУСУР», хоздоговор 95/10 от 24.11.2010, в рамках реализации Постановления 218 Правительства РФ.

2. ОКР по теме «САН», хоздоговор 96/12 от 16.11.2012, в рамках реализации Постановления 218 Правительства РФ.

3. Проект «Развитие объектов инновационной инфраструктуры ТУСУРа, включая технологический бизнес-инкубатор, обеспечивающей укрепление кооперации университета с промышленными предприятиями в создан™ высокотехнологичных производств и целевой подготовке кадров по приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий РФ» в рамках реализации Постановления 219 Правительства РФ в 2011-2012 гг.

4. Подпроект 2.2.1.3 «Разработка комплекса учебно-методического и программного обеспечения для исследования и проектировашы инновационных устройств с учетом электромагнитной совместимости» на 2013 г. в рамках реализации программы стратегического развития ТУСУРа 2012-2016 гг.

5. Учебный процесс Томского государственного университета: целевая подготовка магистрантов физико-технического факультета по программе «Космические промышленные системы» для предприятия «Газпром космические системы», г. Королев.

6. Учебный процесс радиотехнического факультета ТУСУРа.

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение,

4 главы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список литературы из 101 наим., приложение из 23 с. Объём диссертации с приложением - 168 е., в т.ч. 105 рис. и 21 табл.

Личный вклад. Все результаты работы получены автором лично или при непосредственном его участии. Обработка и интерпретация результатов выполнена лично автором. Часть результатов получена совместно с соавторами публикаций. Постановка задач выполнена научным руководителем A.M. Заболоцким.

Методология и методы исследования. В работе применены компьютерное моделирование и натурный эксперимент, схемотехнический анализ, численные методы (метод моментов, метод векторной аппроксимации, эволюционные стратегии), методы анализа и синтеза линейных электрических цепей.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанная методика анализа пассивных цепей реализует учёт влияния паразитных параметров компонентов и их посадочных мест на частотные характеристики цепей.

2. Разработанная методика для оценки электромагнитной наводки между сигнальными контактными площадками посадочного места корпуса фильтра на поверхностных акустических волнах обеспечивает выбор требуемого корпуса без электродинамического анализа.

3. Выбором расположения и размеров трасс цепи земля-питание типовой печатной платы на металлическом основании, используемой в бортовой радиоэлектронной аппаратуре космического аппарата, можно уменьшить погонную индуктивность этой цепи в 8 раз для двухслойной и в 9 раз для многослойной платы.

4. Разработанная методика синтеза многорезонансных моделей пассивных электронных компонентов обеспечивает создание моделей для моделирования испытаний по электромагнитной совместимости до частоты 18 ГТц.

5. Полученные многорезонансные модели резистора и конденсатора пригодны для моделирования испытаний по электромагнитной совместимости до 18 ГГц.

Достоверность результатов подтверждена: совпадением результатов, полученных различными видами анализа для различных расположений и ориентации тестовой конфигурации; сравнением результатов расчёта трёхмерного и двухмерного анализа методом моментов; согласованностью результатов измерений и моделирования изготовленной печатной платы; совпадением результатов моделирования различными программными продуктами.

Апробация результатов

Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в конкурсах: УМНИК 2012-2014; стипендия Правительства РФ студентам и аспирантам 2012-2013 гг.; грант РФФИ 13-07-98017; грант РНФ 14-19-01232; проектная часть государственного задания Минобрнауки России 8.1802.2014/К.

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах конференций: Всерос. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2011, 2012, 2013; Межд. молодёжная научная школа «Актуальные проблемы радиофизики», г. Томск, 2012; Межд. научно-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2012; Межд. конф. «Авиация и космонавтика», г. Москва, 2012 г.; Общерос. молодёжная науч.-техн. конф. «Молодёжь. Техника. Космос», г. Санкт-Петербург, 2013; Межд. научно-практ. конф. «Образование и наука без границ» г. Пшемысль (Польша), 2013 г.; Молодёжная науч.-техн. конф. «Инновационный арсенал молодёжи», г. Санкт-Петербург, 2013 г.; ШЕЕ 1ш.

Conf. on Numerical Electromagnetic Modeling and Optimization for RF, Microwave, and Terahertz Applications, г. Павня, Италия, 2014 г.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 27 работ (7 работ без соавторов): 1 статья в переводном зарубежном журнале, 8 статей в рецензируемых журналах (ш них -6 в журналах из перечня ВАК), 6 свидетельств о регистрации программы для ЭВМ, 2 доклада в зарубежных конференциях, 10 тезисов и докладов в отечественных конференциях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы.

1. Обзор методов, методик и программного обеспечения для анализа электромагнитной совместимости и синтеза моделей компонентов с учётом их паразитных параметров

Моделирование устройств и систем в частотой области является общепринятой практикой в нескольких областях, например, таких как радиоэлектронные и энергетические системы, СВЧ. Процесс моделирования обычно включает преобразование частотно-зависимых табличных данных в модель в виде компактной эквивалентной схемы. Известно большое количество методов для экстракции моделей из таблично заданных временных и частотных характеристик. В диссертации приведён обзор таких методов, сгруппированных по способу синтеза структуры эквивалентной схемы и идентификации параметров ее элементов. Ниже перечислены эти методы.

Аналитический подход. Создаш1е модели основано на анализе физической структуры компонента и описании такой структуры в виде эквивалентной схемы. После выбора структуры модели выполняется подбор параметров элементов.

Аппроксимация рациональной функцией. Для некоторых из методов получения моделей необходимо представить характеристику компонента в виде рациональной функции. Для этого используются различные методы аппроксимации, наибольшее распространение получил метод векторной аппроксимации.

Структурно-параметрическая оптимизация. Очень широко применяются методы оптимизации для синтеза моделей самых разных компонентов и структур. Обычно они применяются для подбора параметров заранее заданной эквивалентной схемы.

Зависимые источники. Используются в программном обеспечении Simbeor. В общем виде методика вышядит следующем образом: аппроксимация частотной зависимости параметров матрицы рассеяния (.S-параметров) рациональной функцией; формирование модели, состоящей из зависимого источника, заданного через преобразование Лапласа; в качестве функции источника указывается аппроксимированная рациональная функция.

Синтез (реализация) линейных электрических цепей. Научная группа из Ульяновского государственного технического университета разрабатывает

методы и программное обеспечение для анализа и синтеза линейных электрических цепей на основе метода схемных определителей.

Другие методы. Программное обеспечение Sonnet позволяет синтезировать компактные SPICE-модели из сосредоточенных элементов на основе рассчитанного отклика. Данный метод предложен учёным J.C. Rautio, основан на выборе из заранее рассчитанных конфигураций эквивалентных схем по нескольким частотным точкам.

Постановка задач исследования.

Обзор позволил обосновать и сформулировать задачи, решение которых целесообразно для успешного достижения цели работы. Для выполнения моделирования испытаний ЭМС в диапазоне частот до 40 ГГц необходимо разработать методики анализа пассивных цепей с учётом паразитных параметров. Известно большое количество методов получения моделей компонентов, однако в них не учитываются многочисленные паразитные резонансы в частотной характеристике, поэтому необходимо разработать методику синтеза многорезонансных моделей пассивных электронных компонентов. В указанном диапазоне частот существенное влияние могут оказывать элементы монтажа компонентов, поэтому необходимо разработать методику учёта паразитных параметров посадочных мест компонентов на печатной плате. Чтобы убедиться в корректности вычисления параметров модели посадочного места, необходимо выполнить верификацию результатов расчёта ёмкостной матрицы. Широко используемый Altium Designer содержит схемотехнический симулятор, позволяющий выполнять моделирование схем из моделей цифровых микросхем в формате Digital SimCode, поэтому целесообразно разработать методики получения моделей на языке Digital SimCode. Чтобы получить данные для синтеза моделей компонентов, необходимо разработать печатные платы для измерения частотных характеристик.

2. Моделирование печатных узлов с учётом паразитных параметров компонентов и их посадочных мест

Краткое содержание результатов из разделов «Методики анализа пассивных цепей и вычисления паразитных параметров», «Совместный учёт паразитных параметров компонентов и монтажа при вычислении частотных характеристик пассивных цепей бортовой аппаратуры космических аппаратов» и «Моделирование различных вариантов микрополоскового делителя мощности». Разработана методика анализа пассивных цепей печатного узла. Для анализа пассивной цепи составляются три варианта её модели: 1) представление каждого компонента в виде идеального элемента; 2) вместо каждого идеального элемента включается эквивалентная схема, учитывающая паразитные параметры компонента; 3) к схеме добавляются паразитные параметры монтажа.

Таким образом, методика анализа цепей состоит из следующих шагов:

1. Моделирование для варианта 1: Составить схему цепи. В качестве генератора сигнала установить источник синусоидальной ЭДС амплитудой 1 В.

Импеданс генератора равен 50 Ом или импедансу реального источника сигнала для цепи, например, импедансу выходного буфера микросхемы. Установить нагрузку для цепи (как правило, это резистор 50 Ом или импеданс реальной нагрузки цепи, например, входного буфера микросхемы). Задать параметры анализа в частотной области: частотный диапазон, количество частотных точек. Выполнить моделирование. Вычислить частотные характеристики.

2. Моделирование для варианта 2: Получить многорезонансные модели для каждого компонента. Далее аналогично варианту 1: составить схему цепи; установить генератор сигнала и его импеданс; установить нагрузку цепи; задать параметры анализа; выполнить моделирование; вычислить коэффициент передачи.

3. Моделирование для варианта 3: Вычислить параметры моделей посадочных мест. Модифицировать модель для варианта 2: добавить модели посадочных мест и установить рассчитанные параметры. Далее аналогично варианту 1: составить схему цепи; установить генератор сигнала и его импеданс; установить нагрузку цепи; задать параметры анализа; выполнить моделирование; вычислить коэффициент передачи.

При схемотехническом моделировании влияние контактных площадок компонента с двумя выводами можно учесть в виде схемы из трёх ёмкостей (рис. 1 а, где СРАш, Срам - собственные ёмкости контактных площадок; См-взаимная ёмкость между двумя контактными площадками).

Для вычисления ёмкости контактных площадок используется система ТАЬОАТ. В ней вначале создается трёхмерная геометрическая модель посадочного места (рис. 16) и задаются порядок следования контактных площадок и электрические параметры диэлектриков.

Двухполюсный компонент

Рис. 1 - Эквивалентная схема (а) и трёхмерная геометрическая модель (о) посадочного места компонента с двумя сигнальными контактами

Затем вычисляется ёмкостная матрица С, из неё вычисляются взаимная и собственные ёмкости контактных площадок:

Методика апробирована на 4-х пассивных цепях блока аппаратуры радионавигации и на микрополосковом делителе мощности (результат для одной из цепей приведён на рис. 2). Показано, что при схемотехническом моделировании на этапе разработки схемы, когда топология печатной платы ещё не разрабатывается, важно учитывать паразитные параметры компонентов и монтажа, даже, на первый взгляд, несущественные по значению. Такой учёт позволит более точно сформулировать ограничения и рекомендации для

0>АО1 — (- п — См, СРАВ2 — С22 — С

■м-

топологии печатной платы, элементов экранирования и защиты, а также для компоновки блоков.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 -100

Рис. 2 - Согласующая цепь на выходе ПАВ-фильтра: АЧХ (а), ФЧХ (б).

1 - вариант 1, каждый компонент представлен в виде идеальных элементов; 2 - вариант 2, цепь в варианте 1 с учетом паразитных параметров компонентов;

3 - вариант 3, цепь в варианте 2 с учётом паразитных параметров контактных

площадок

Раздел «Оценка электромагнитной наводки со входа на выход посадочного места фильтра на поверхностных акустических волнах». На основе выше описанной методики предложена методика для оценки уровня электромагнитной наводки между сигнальными контактными площадками посадочного места ПАВ-фильтра на печатной плате: 1) Определить геометрические параметры посадочного места ПАВ-фильтра. 2) Составить геометрическую модель посадочного места. Задать электрические параметры диэлектриков. В качестве проводников 1, 2 указать сигнальные контактные площадки. 3) Задать начальный размер сегмента. Последовательно увеличивать сегментацию и вычислять ёмкостную матрицу до сходимости значений её элементов. 4) Рассчитать ёмкостную матрицу. Из неё вырезать матрицу 2И2 (элементы матрицы столбцов 1, 2 в строках 1, 2). 5) Из ёмкостной матрицы рассчитать параметры модели посадочного места в виде эквивалентной схемы. 6) Рассчитать коэффициент передачи для эквивалентной схемы посадочного места.

Методика продемонстрирована на примере анализа посадочных мест 4-х ПАВ-фильтров (ФП-592, ФП-647 и ФП-613 (корпус К1)-У99П)59-А) и ФП-658 (корпус К0-\''97034), см. рис. 3, которые использовались при проектирован™ системы автономной навигации. В документации на фильтры указано, что топология печатной платы должна обеспечивать уровень электромагнитной наводки не хуже -(65-70) дБ.

о у

КО-У99Э59-А

КБ-У97034

¡Ь

50 Ом

Ь

50 0м

Я5

-74 -76

-78 -30 -82

-86

Рис. 3 - Схема включения фильтров в двух корпусах

По рис. 4 видно, что для фильтров в корпусе КБ-У99В59-А условие выполняется с запасом 5-10 дБ (для центральной частоты фильтра), а в корпусе

\Щ, ДБ '

Корпус ФП-613 ФП-592 ФП-647

- К1)-У991}59-А 1575,42 МГц 1587 МГц 1601МГц

ФП-658

1560 МГц

1 Корпус К0-У97034

■ , , /Л Гц

1,55 1,56 1,57 1.58 1,59 1,6 1,61 КГ)-У99059-А - в 15 Рис. 4 - Наводка между контактами ПАВ-фильтров 20 дБ.

Раздел «Анализ индуктивности цепи земля-питание в печатных платах». Выполнен анализ индуктивности цепи земля-питание двухслойных и многослойных печатных плат (ДПП и МПП) с учётом реального стека унифицированных электронных модулей бортовой РЭА КА. Для анализа структур печатных плат использовано вычисление матрицы погонных индуктивностей. Погонная индуктивность цепи земля-питание определяется, как у пары связанных линий при дифференциальном воздействии

Аз-п = (-^11 + ^22 ~ ), где ¿1Ь ¿22, А» - элементы матрицы погонных индуктивностей, вычисленные в ТА1,САТ (опорным проводником полагается плоскость металлического основания).

Проводники цепи земля-питание представляют собой отрезки связанных линий передачи, которые для ДПП могут быть трёх вариантов, а для МПП -6 вариантов. Анализ выполнен для трёх ширин проводников (и> = 0,5; 1; 2 мм) при изменении расстояния я между проводниками.

Показано, что для ДПП выбором расположения и размеров трасс цепи земля-питание можно значительно уменьшить её погонную индуктивность (с 742 нГн/м до 92 нГн/м, т.е. в 8 раз). Однако при уменьшении 5 с больших значений до 0,5 мм погонная индуктивность уменьшается несущественно. Расположение проводников на верхнем слое является наихудшим, а на нижнем- уменьшает индуктивность примерно в 1,5 раза. Расположение проводников на разных слоях даёт промежуточные результаты, но уменьшение 5 от 0,5 мм до расположения проводников друг под другом, уменьшает индуктивность примерно в 2 раза, давая наилучший результат (примерно в 1,5 раза лучше нижнего слоя).

Для МПП, при расположении проводников на одном слое, выбором параметров можно уменьшить индуктивность (от 910 до 182 нГн/м, т.е. в 5 раз). По сравнению с ДПП индуктивность выше (минимальное значение выше в 2 раза), что объяснимо удалением проводников от основания. Аналогично ДПП, каждое приближение проводников к основанию и увеличение и> позволяет уменьшить индуктивность, но в меньшей степени (примерно на четверть).

Для МПП, при расположении проводников на разных слоях, выбором параметров можно значительно уменьшить индуктивность (от 820 до 92 нГн/м, т.е. в 9 раз). По сравнению с результатам, когда проводники расположены на одном слое, минимальное значение индуктивности меньше в 2 раза. Увеличение уменьшает индуктивность. Приближение проводников к основанию уменьшает индуктивность, но лишь пока .у больше 0,2 мм. Наилучший вариант расположения проводников - как можно ближе друг к другу.

3. Автоматизированный синтез моделей пассивных электронных компонентов Раздел «Методика автоматизированного синтеза многорезонансных моделей пассивных электронных компонентов». Разработана методика автоматизированного синтеза многорезонансных моделей. Её применение показано на синтезе моделей для чип-резистора и выводного конденсатора. Она состоит из следующих этапов: 1) измерение компонента; 2) пересчёт 5ц в импеданс Z; 3) аппроксимация 2 рациональной функцией методом векторной аппроксимации; 4) разложение рациональной функции на элементарные дроби; 5) реализация элементарных дробей эквивалентными схемам, используя методы синтеза цепей; 6) формирование итоговой 8Р1СЕ-модели; 7) верификация модели.

Рассмотрим получение широкополосной модели чип-резистора Р1-12-0.062 51±5% Ом (типоразмер 0603) по предложенной методике. После пересчёта 5ц в 2 выполнена аппроксимация рациональной функцией методом векторной аппроксимации. В результате получена рациональная функция вида

/(^ = ¿-£2-+ </+«?. (1)

Первый член функции раскладывается на несколько сумм дробей с комплексно-сопряжёнными полюсами вида

а + ]Ъ а - }Ь

---+---• (2)

5 - (О + /со) 5 - (ст - /СО)

Каждая такая сумма (2) реализуется в виде параллельного контура р> (1<\_р1, А'2_рг, Ь_р1, С_рг) (рис. 8а), оставшиеся члены функции реализуются в виде последовательного сопротивления и индуктивности. Расчёт параметров контура и последовательного резистора и индуктивности выполняется по формулам из теории цепей. Таким образом, итоговая эквивалентная схема резистора будет состоять из 4-х последовательно соединённых контуров, Я_х5 и (рис. 5).

Рис. 5 - Многорезонансная модель чип-резистора Р1-12-0.062 51 ±5% Ом

Для верификации модели выполнено её схемотехническое моделирование в TALGAT. Частотная зависимость импеданса Z, вычисленного по полученной модели, приведена на рис. 6. Рассчитанная частотная зависимость модуля разности результатов измерений и модели приведена на рис. 7.

^ПгЮм -' А- 8°Г

150 - /Л -т

it» / V : о ■

50 V jj^ А0'

% 5 50 15 / ГГц Ю 0 5 10 15 /ГГц»

Рис. 6 -Частотная зависимость Zрезистора: измерения (—), модель (+)

15 / ГГц 20 0 5 10 15 / ГГц 20

Рис. 7 - Верификация модели резистора: частотная зависимость модуля разности результатов измерений и моделирования

Аналогичным образом синтезирована модель конденсатора К10-17а-0.47 ±5% мкФ из 6 последовательно соединённых контуров (рис. 86). Её частотная характеристика приведена на рис. 9. Аналогично резистору, выполнена верификация модели (график с разностью опущен).

Я2_Р1 R2.pl ¿_р1 Я2_р/ Я2_р6 £_р6

C_pi

Rl_pi

С. pi

Rl-Pl

C_pi

Rl_pi

C_p6

Rl_p6

Рис.

■ Схема параллельного контура (а) и многорезонансная модель выводного конденсатора К10-17а-0.47 ±5% мкФ (б)

Среднеквадратичное отклонение (СКО) между результатами измерения и моделирования |Z| составляет для резистора 0,701 Ом, а для конденсатора-11,05 Ом. Таким образом, можно сделать вывод, что полученные модели пригодны для анализа ЭМС печатных плат в диапазоне частот до 18 ГГц.

Рис. 9 - Частотная зависимость Z конденсатора: измерения (-), модель (+)

Ш 15 /ГГц 20

4. Верификация программного инструментария, методика разработки моделей цифровых микросхем и разработка измерительных печатных плат Раздел «Верификация результатов вычисления ёмкостной матрицы». Выполнена проверка корректности вычислений в модуле 3 О-анализа печатных структур ТАЬОАТ. На рис. 10 показана печатная структура, используемая для верификации расчёта ёмкостной матрицы. Методика верификации: 1) Оценка сходимости рассчитываемых значений. (Необходима для выбора параметра сегментации при дальнейших расчётах). 2) Оценка влияния расположения конфигурации относительно центра координат: положительный квадрант и симметрично относительно центра координат. 3) Оценка влияния ориентации конфигурации, вдоль оси 2 и вдоль оси X. (Необходима для проверки корректности математических моделей). 4) Сравнение с результатами 20-анализа. Рассчитываются погонные значения, используя верифицированный 20~анализ. Итоговая ёмкостная матрица получается из погонных значений

Рис. 10 - ЗО-модедь тестовой конфигурации: два проводника на диэлектрике над идеально проводящей плоскостью

Каждый расчёт выполнен для трёх значений гг= 1, 10,80. Для конфигурации, расположенной в воздухе, наблюдается наибольшее различие результатов 20- и 31)-анализа, объяснимое тем, что в 20-аиализе на торцах проводников получаются магнитные стенки, а в 30 - дополнительные торцевые ёмкости, вклад которых достигает 10%.

В результате показано, что при расположении конфшурации только в положительном квадранте плоскости ОХ2- так и конфигурации симметрично относительно центра координат в плоскости ОХ2у вычисленные значения ёмкостной матрицы совпадают, а значит, отсутствуют вычислительные ошибки

округления. Были верифицированы реализации формул расчёта вдоль осей Z и X. Показано, что результаты 3D- и 2D- анализа согласуются.

Раздел «Разработка печатных плат для измерения частотных характеристик пассивных электронных компонентов». Для измерения частотных характеристик компонентов необходимо их подключить к стандартному коаксиальному тракту векторного анализатора цепей. Для этого существуют различные варианты: пайка компонента непосредственно к коаксиально-микроиолосковому переходу; пайка к печатной плате с установленными соединителями; специализированное контактирующее устройство. Типовым способом является пайка на печатную плату, что обеспечивает необходимый уровень точности и повторяемости результатов, а также позволяет учесть влияние параметров диэлектрика платы и контактных площадок.

Разработан ряд измерительных плат в двух вариантах: для зажима в измерительном станке; с двумя соединителями типа SMA. Измерительный станок уже содержит соединители, поэтому на платах они отсутствуют. При разработке плат учтена возможность проведения TRL-калибровки. Набор калибровочных мер состоит из меры на пропускание (thru), меры на отражение (reflect) и двух мер из линий разной длины (line 1 и 2). Платы изготовлены и обработаны, часть из них показана на рис. 11.

1

í

а

Рис. 11 - Изготовленные и обработанные измерительные платы из наборов «TRL Caikit for Anritsu 0805, 0603, 0402» (а) и «TRL Caikit SMA 0805» с напаянными соединителями (б)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Представлен краткий обзор методов синтеза моделей на основе эквивалентных схем.

2. Разработана методика для оценки электромагнитной наводки между сигнальными контактными площадками посадочного места корпуса фильтра на поверхностных акустических волнах. На основе данной методики выданы рекомендащш по совершенствованию конструкции печатной платы макета радиотракта системы автономной навигации в проекте «САН».

3. Разработана методика анализа пассивных цепей, отличающаяся учётом паразитных параметров компонентов и их посадочных мест. Используя её, выполнен анализ печатных узлов УЭМ блока аппаратуры радионавигации КА и выданы рекомендащш по обеспечению ЭМС.

4. Выявлены ресурсы уменьшения погонной индуктивности цепи земля-питание печатных плат бортовой радиоэлектронной аппаратуры только за счёт трассировки. Показано, что в платах на металлическом основании можно уменьшить погонную индуктивность в 8—9 раз.

5. Впервые разработана методика синтеза многорезонансных моделей пассивных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. По ней получены модели резистора и конденсатора в частотном диапазоне до 20 ГГц.

6. Выполнена верификация результатов расчёта ёмкостной матрицы печатной конфигурации при трёхмерном анализе методом моментов. Показано, что результаты трёхмерного анализа согласуются с результатами двухмерного анализа. Разработана программа для автоматического выполнения такой верификации.

7. Выполнена оптимизация параметров математической модели резистора в диапазоне частот до 20 ГТц, используя эволюционные стратегии.

8. Предложена методика разработки моделей цифровых микросхем на языке Digital SimCode, апробированная на модели интегральной схемы 1554ИР35ТБМ.

9. Создан комплект измерительных печатных плат.

Таким образом, цель работы достигнута. В ней решена задача реализации учёта паразитных параметров печатных узлов при анализе электромагнитной совместимости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов, имеющая значение для технических наук в области исследования «Разработка научных и технических основ проектирования, конструирования, технологии производства, испытания и сертификации радиотехнических устройств» паспорта специальности 05.12.04— Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах из перечня ВАК (6) 1. Заболоцкий A.M., ГазизовТ.Р., Калимулин И.Ф. Индуктивность цепи

земля-питание в печатных платах бортовой аппаратуры космических

аппаратов // Авиакосмическое приборостроение. — 2011. — №11. — С. 11—15.

2. Калимулин И.Ф., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М. Импеданс низкочастотных пассивных компонентов бортовой аппаратуры в диапазоне до 20 ГГц// Приборы и техника эксперимента. — 2012. № 2. С. 91-97.

3. Калимулип И.Ф., Мелкозёров А.О. Оптимизация параметров математической модели резистора по критерию соответствия расчетного модуля коэффициента отражения измеренному в диапазоне до 20 ГГц// Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 2012. № (2)26, ч. 1. С. 66-70.

4. Аширбакиев Р.И., Калимулин И.Ф., Кузнецова-Таджибаева О.М. Аппроксимация поверхности переходного отверстия печатной платы ортогональными прямоугольниками для вычисления емкости// Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. —2013. №4(30), ч. 2. С. 58-61.

5. Калимулин И.Ф. Оценка электромагнитной наводки со входа на выход посадочного места ПАВ-фильтра // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 2013. №4(30), ч. 2. С. 54—57.

6. Калимулин И.Ф., Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Кузнецова-Таджибаева О.М. Совместный учёт паразитных параметров компонентов и монтажа при вычислении частотных характеристик пассивных цепей бортовой аппаратуры космических аппаратов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники,— 2014. №3(33). -С. 10-20.

Статьи в рецензируемом отечественном журнале (2)

I. Калимулин И.Ф., Заболоцкий A.M., Газизов Т.Р. Сравнение корпусов ПАВ-фильтров по электромагнитной наводке посадочного места // Техника радиосвязи. - 2014. - №2. - С. 72-82.

8. Газизов Т.Р. Пути решения актуальных проблем проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости / Т.Р. Газизов, А.М. Заболоцкий, А.О. Мелкозеров, С.П. Куксенко, П.Е. Орлов, В.К. Салов, И.Ф. Калимулин, Р.И. Аширбакиев, P.P. Ахунов, Р.С. Суровцев, М.Е. Комнатное // Техника радиосвязи. — 2014. — №2. — С. 11—22.

Статья в зарубежном журнале

9. Kalimulin I.F., GazizovT.R., Zabolotsky A.M. Impedance of low-frequency passive components of spaceborne equipment at frequencies ranging to 20 GHz // Instruments and Experimental Techniques. — 2012. —No 2. — P. 231—237.

Тезисы и доклады в зарубежных конференциях (2)

10. Калимулин И.Ф., Заболоцкий A.M. Методика получения широкополосной модели конденсатора// Материалы докладов IX межд- науч-пракг. конф. «Образование и наука без границ 2013». 7-15 декабря 2013 г.- Пшемысль (Польша): Наука и исследования. - Т. 46. С. 35-39.

II. New results on EMC simulation for space projects of TUSUR University/ T. Gazizov, A. Melkozerov, P. Orlov, V. Salov, R. Ashirbakiev, R. Akhunov, S. Kuksenko, I. Kalimulin // Proc. of IEEE Int. Conf. on Numerical

Electromagnetic Modeling and Optimization for RF, Microwave, and Terahertz Applications. May 14-16. - 20104. - Pavia (Italy). P. 1-4.

Тезисы и доклады в отечественных конференциях (10)

12. Калимулин И.Ф. Методика разработки моделей цифровых микросхем на языке Digital SimCode / И.Ф. Калимулин, A.M. Заболоцкий // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011». 4-6 мая 2011 года.- Томск: В-Спектр.-2011.-Т. 1.-С. 121-123.

13. Калимулин И.Ф. Создание модели восьмиразрядного регистра 1554ИР35ТБМ для моделирования в Altium Designer / И.Ф. Калимулин, A.M. Заболоцкий // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011». - Томск: В-Спектр. 4-6 мая 2011 года. - 2011. - Т. 1. - С. 124-126.

14. Калимулин И.Ф., Салов В.К. Учёт влияния паразитных параметров компонентов и монтажа на частотные характеристики цепей бортовой аппаратуры космических аппаратов// Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2012». 16-18 мая 2012 года. - 2012. - Т. 1. - С. 91-93.

15. ОсиповаА.В., Калимулин И.Ф. Способы учета паразитных параметров компонентов при схемотехническом моделировании бортовой аппаратуры космических аппаратов // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2012». 16-18 мая 2012года.-2012.-Т. 1.-С. 111-114.

16. Калимулин И.Ф. Анализ методов получения моделей электронных компонентов бортовой аппаратуры космических аппаратов// Актуатьные проблемы радиофизики: материалы Международной молодёжной научной школы / под ред. В.И. Сусляева, O.A. Доценко. 1-7 октября 2012 года. Томск: Изд-во НТЛ. - 2012. - С. 101-102.

17. Калимулин И.Ф. Коэффициент передачи LC-фильтра с учётом паразитных параметров компонентов и элементов монтажа печатной платы бортовой аппаратуры космического аппарата// 11-я Межд. конф. «Авиация и космонавтика - 2012». 13-15 ноября 2012 года. Москва. Тезисы докладов.-СПб.: Мастерская печати. - 2012. — С. 269-270.

18. Калимулин И.Ф. Влияние контактных площадок электронных компонентов на частотные характеристики цепей бортовой аппаратуры космического аппарата// Молодёжь. Техника. Космос: труды V Общероссийской молодёжной науч.-техн. конф. 20-22 марта 2013 года. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т.-2013. -С. 240-241.

19. Калимулин И.Ф., Заболоцкий A.M. Разброс частотной характеристики для конденсаторов одного номинала и корпуса// Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2013». 15-17 мая 2013 года. Томск: В-Спектр, 2013. Т. 1. С. 109-111.

20. ОсиповаА.В., КалимулинИ.Ф. Обзор современных методов в области получения моделей пассивных электронных компонентов // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых

«Научная сессия ТУСУР-2013». 15-17 мая 2013 года. Томск: В-Спектр, 2013. Т. 1. С. 131-132.

21. Калимулин И.Ф. Методика получения широкополосной модели чип-резистора И Материалы докладов IV молодёжной науч.-техн. конф. «Инновационный арсенал молодёжи 2013». 26-28 июня 2013 г. СПб.: ФГУП «КБ «Арсенал» им. М.В. Фрунзе», Балг. гос. техн. ун-т, 2013. С. 150-152.

Патенты и свидетельства (6)

22. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610712. TALGAT 2010. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Вершинин Е-А., Салов В.К., Лежнин Е.В., Орлов П.Е., Бевзенко И.Г., Калимулин И.Ф. Заявка №2011617178. Дата поступления 26 сентября 2011г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 13 января 2012 г.

23. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012660373. TALGAT 2011. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий А.М., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ег.В., Салов В.К., Лежнин Ев.В., Орлов П.Е., Калимулин И.Ф., Суровцев P.C., Комнатное М£. Заявка №2012618426. Дата поступления 5 октября 2012 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 16 ноября 2012 г.

24. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013619615. TALGAT 2012. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий А.М., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ег.В., Салов В.К., Лежнин Ев.В., Орлов П.Е., Калимулин И.Ф., Суровцев P.C., Комнатнов М.Е., Газизов Р.Р, АхуновР.Р. Заявка №2013617773. Дата поступления 29 августа 2013 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 октября 2013 г.

25. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013661350. Программное обеспечите MOM2DSCHEME. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ев.В., Лежнин Ег£., Калимулин И.Ф. Заявка №2013618999. Дата поступления 8 октября 2013 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 5 декабря 2013 г.

26. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013661351. Программное обеспечение MOM3DVIA. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ев.В., Лежнин Ег.В., Калимулин И.Ф. Заявка №2013619000. Дата поступления 8 октября 2013 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 5 декабря 2013 г.

27. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014610616. Программное обеспечение TLPCB. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ев.В., Лежнин Ег.В., Калимулин И.Ф. Заявка № 2013618685. Дата поступления 30 сентября 2013 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 15 января 2014 г.

Тираж 100 экз. Заказ 827. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40 Тел. 533018.