автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методология моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех

На правах рукописи

Лемешко Николай Васильевич

МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕРТИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ПО ЭМИССИИ ИЗЛУЧАЕМЫХ РАДИОПОМЕХ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в т.ч. системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2014

2 8 НАЛ 2014

005549319

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

Научный консультант: д. т. н., профессор Кечиев Леонид Николаевич

Официальные оппоненты:

Кириллов Владимир Юрьевич,

доктор технических наук, профессор,

Московский авиационный институт,

заведующий кафедрой теоретической

электротехники

Тухас Вячеслав Анатольевич,

доктор технических наук, ООО "Научно-

производственное предприятие "Прорыв",

г. Петрозаводск, генеральный директор

Смирнов Андрей Павлович,

доктор технических наук, ЗАО "НПФ "Диполь",

руководитель направления ЭМС и

радиоизмерений, ФКУ "Главный научный

метрологический центр Минобороны", ведущий

научный сотрудник

Ведущая организация:

ОАО «Радиотехнический институт им. академика А.Л. МиНца»

Защита состоится "30" июня 2014 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.048.13 в Национальном исследовательском университете «Высшая школа экономики» по адресу:

109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3.

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://www.hse.ru.

Автореферат разослан " 1 о " сМ&Х 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета к. т. н., профессор

Николай Николаевич Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тематики работы

Радиоэлектронные средства (РЭС) функционируют в условиях естественных и искусственных радиопомех, в совокупности определяющих электромагнитную обстановку. Наличие свободно распространяющихся электромагнитных волн, а также кондуктивных помех порождает проблему электромагнитной совместимости (ЭМС), являющуюся одной из основных в радиотехнике. Важной особенностью ЭМС как научно-практического направления является ее тесная взаимосвязь с функциональной безопасностью техногенных объектов и медицинской безопасностью, значимость которых в настоящее время общепризнанна.

Воздействие электромагнитных помех на РЭС может приводить к разным последствиям. Характер сбоев для конкретного электронного устройства определяется интенсивностью помехоэмиссии и помехоустойчивостью. Соответственно, методы обеспечения ЭМС развиваются по двум основным путям, направленным в сторону снижения помехоэмиссии и повышения стойкости к кондуктивным и излучаемым радиопомехам.

В настоящее время разработаны принципы обеспечения ЭМС, состоящие в использовании комплекса специальных конструкторских и схемотехнических методов. Улучшение показателей ЭМС достигается экранированием, использованием фильтров, снижением площади проводящих контуров и рядом других технических решений, закладываемых при разработке РЭС.

В целях обеспечения единства используемых критериев соответствия РЭС требованиям по ЭМС для различных классов аппаратуры устанавливают нормы по помехоэмиссии и стойкости к радиопомехам при нормированных условиях испытаний, определяемых стандартами. Подтверждение соответствия РЭС таким нормам выполняется в ходе сертификационных испытаний. При сертификационных испытаниях анализируются как кондуктивные, так и излучаемые радиопомехи РЭС.

На текущий момент методы защиты от кондуктивных помех, включающие в основном схемотехнические приемы, развиты в степени, достаточной для успешного использования в большинстве разработок серийного и массового производства, поэтому более важной задачей является обеспечение соответствия РЭС нормам по эмиссии излучаемых радиопомех.

Сертификационные испытания предусматривают исследование излучаемых радиопомех, формируемых РЭС, на открытых или альтернативных измерительных площадках с привлечением специального оборудования. Они проводятся в аккредитованных лабораториях, занимают до нескольких недель и

имеют значительную стоимость. Достоинством сертификационных испытаний в условиях специализированной лаборатории является их объективность и сравнительно небольшая погрешность результатов, определяемая свойствами измерительной площадки и используемого оборудования.

Вместе с тем, на момент проведения сертификационных испытаний по помехоэмиссии разработчик не имеет гарантий их успешного завершения. Неудача на сертификационных испытаниях приводит к явным временным и финансовым потерям, что недопустимо в условиях жесткой рыночной конкуренции. Кроме того, при обнаружении превышения норм испытания обычно прекращают с формированием соответствующего заключения. Следовательно, разработчики, получив информацию о недопустимом уровне помехоэмиссии на некоторой частоте, не имеют представления о её уровне на многих других частотах. Поэтому последующая доработка РЭС может оказаться неудовлетворительной и вместе с повторными испытаниями приобрести циклический характер.

Исследования показали, что на практике может быть применен усовершенствованный подход к обеспечению соответствия РЭС нормам помехоэмиссии, который снимает остроту указанных недостатков лабораторных испытаний. В состав стадии технического проектирования вводится новый этап, на котором на основе информации о схемотехнике и конструкции проектируемого РЭС выполняется его схемотехническое и электродинамическое моделирование, а также моделирование условий проведения сертификационных испытаний и средств измерений, предписанных к использованию при лабораторном анализе помехоэмиссии. В ходе расчета оценивается помехоэмиссия на каждой интересующей разработчика частоте в выбранной точке наблюдения. Реализация такого подхода требует создания соответствующих методов и методик.

В России развитию методов моделирования РЭС как источников излучаемых и кондуктивных радиопомех, а также средств измерений, используемых при исследованиях в области ЭМС, посвящены работы Князева А.Д., Воронина А.Я., Кечиева Л.Н., Чермошенцева С.Ф., Юркевича JT.B. Из исследований в этой области в других странах следует выделить труды Poly К., Thihani L., Senior Т., Hristopulos Н., Braxton Т., Tasker S.

В работах этих авторов обоснована необходимость оценки помехоэмиссии на стадии проектирования РЭС, намечены первичные пути их численного исследования как излучающих объектов, изложен ряд концептуальных идей по моделированию средств измерений, используемых в лабораторных исследованиях помехоэмиссии.

Применяемые на сегодняшний день методы обеспечения ЭМС характеризуются ориентированностью на экспериментальные оценки и опыт разработчиков. Вместе с тем, отечественные и зарубежные специалисты признают, что такой подход к решению связанных с ЭМС вопросов далеко не всегда состоятелен, поскольку часто не оперирует с количественными оценками помехоэмиссии. Избыточность закладываемых мер по ЭМС также негативно сказывается на конечном изделии, т.к. ведет к увеличению стоимости РЭС. Таким образом, формирование и развитие методологии моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех позволяет существенно расширить спектр средств, применяемых при обеспечении ЭМС, и качественно улучшить уже используемые методы.

Из изложенного следует, что решаемая в диссертации проблема расчетной оценки уровня излучаемых радиопомех для радиоэлектронных средств на стадии их проектирования, в т.ч. в условиях, соответствующих сертификационным испытаниям по помехоэмиссии, является актуальной и важной в научном и прикладном смысле.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является повышение эффективности используемых проектных решений РЭС путем разработки и практического использования новых методов, предназначенных для оценки уровня излучаемых радиопомех на стадии проектирования в условиях, соответствующих сертификационным испытаниям по помехоэмиссии. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.

1. Проведен анализ современного состояния проблемы электромагнитной совместимости и методов ее обеспечения, проанализирована процедура лабораторных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех и оценена возможность их перевода в плоскость моделирования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

2. Разработана концепция новых типов схемных моделей радиоэлектронных средств, допускающих изменение параметров непосредственно в процессе моделирования и являющихся обобщением классических моделей с жесткой структурой.

3. На основе представления о параметрических и функционально-интерфейсных моделях РЭС разработаны модели средств измерений, используемых при выполнении сертификационных испытаний по эмиссии излучаемых радиопомех, и методика их использования при решении практических задач в области ЭМС.

4. На основе анализа подходов к решению задач электродинамики сформированы приближенные модели для расчета электромагнитных полей,

формируемых РЭС, составляющие основу метода моделирования РЭС как излучающих объектов и метода моделирования сертификационных испытаний по эмиссии излучаемых помех.

5. Разработан метод моделирования РЭС как излучающих объектов, предназначенный для расчета интенсивности радиоизлучений на заданной частоте в выбранной точке свободного пространства при решении задач в области ЭМС.

6. Разработан метод моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.

7. Разработаны основы построения программного комплекса с функцией моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, необходимого для широкого внедрения результатов диссертационной работы в практику разработки электронных устройств.

8. Проведен ряд экспериментальных исследований, подтвердивших основные положения, расчетные соотношения, выводы, показавших практическую применимость и эффективность теории виртуальной сертификации в приложении к решению практических задач.

Методы исследования

В процессе решения поставленных задач использовались принципы системного подхода, методы математического моделирования электрических схем, методы технической электродинамики, теория электрических цепей, теория постановки эксперимента, основные принципы радиотехнических измерений.

Проверка эффективности и практической применимости выработанных в диссертации положений, рекомендаций и расчетных соотношений выполнялась на основе сопоставления расчетных и экспериментальных результатов, полученных для специально разработанных образцов излучающих структур и тестовых радиоэлектронных средств.

Научная новизна работы

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработаны методы моделирования радиоэлектронных средств, для которых необходимо конфигурирование и изменение параметров непосредственно в процессе моделирования, базирующиеся на введенном в диссертации представлении о параметрических и функционально-интерфейсных моделях РЭС, что позволяет моделировать ряд новых устройств, включая средства измерений.

2. На основе новых подходов к моделированию разработаны модели измерительных приемников с детекторами пикового, квазипикового, среднего, среднеквадратичного значений и дополнительных средств, используемых при

исследованиях радиопомех, а также подходы к идентификации их параметров, что позволяет на практике использовать их в качестве виртуальных средств измерений с нормированными характеристиками. Соответствие свойств моделей измерительных приемников требованиям стандартов подтверждено выполнением калибровочных условий.

3. Предложены методы моделирования проводников РЭС, имеющих различную конфигурацию, как источников радиопомех, основанные на приближениях электрически коротких антенн и позволяющие рассчитать компоненты электромагнитного поля проводников в свободном пространстве при решении задач в области ЭМС.

4. На основе ряда практически применяемых упрощений разработаны методы учета влияния конструкционных элементов РЭС на распространение радиопомех, позволяющие уточнить характеристики излучений в точке наблюдения путем рассмотрения явлений их преломления и дополнительного ослабления.

5. Разработан метод моделирования РЭС как излучающего объекта, позволяющий оценить как функцию времени напряженность формируемого ими электромагнитного поля в свободном пространстве. Соответствующая ему методика разработана на уровне, достаточном для решения практических задач в области ЭМС.

6. Разработан метод моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, позволяющий оценить результаты последующих лабораторных испытаний, наметить — при необходимости — пути доработки схемотехнических и конструкторских решений и значительно повысить вероятность успешного прохождения лабораторного тестирования.

7. Разработаны теоретические основы построения программного комплекса с функцией моделирования сертификационных испытаний, включая его структурные схемы и алгоритм проектирования с его использованием, предусматривающий проведение виртуальной сертификации на стадии технического проектирования РЭС, что открывает широкие перспективы по практическому внедрению разработанной методологии и по разработке соответствующего средства автоматизированного проектирования.

Положения, представляемые к защите

1. Параметрические и функционально-интерфейсные модели электронных схем являются обобщением моделей с жесткой структурой и обеспечивают возможность моделирования дополнительных существенных свойств РЭС в пространстве электрических сигналов.

2. Сформулированные принципы построения моделей, базирующиеся на использовании параметрических блоков в схемах замещения и положенные в

основу разработанных моделей измерительных приемников и дополнительных измерительных средств, позволяют оценивать их реакцию на известные входные воздействия путем моделирования.

3. Выработанные в диссертации модели и математические соотношения, основанные на приближении электрически коротких антенн, являются базисом метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.

4. Теоретический базис на основе приближения электрически коротких антенн позволил развить метод моделирования РЭС как излучающих объектов, отличающийся от известных универсальностью по классам моделируемых РЭС.

5. Разработан метод моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, отличающийся от известных использованием новых методов и методик, предложенных в диссертационной работе, и впервые позволивший на стадии проектирования РЭС оценивать результаты таких испытаний на основе вычислительного эксперимента.

6. Предложен алгоритм проектирования РЭС с использованием программного комплекса, реализующего моделирование сертификационных испытаний РЭС по эмиссии изучаемых радиопомех.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Московского института электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».

Практическая значимость работы

Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем.

1. Внедрение теории виртуальной сертификации в практику проектирования РЭС позволяет резко повысить вероятность успешного прохождения лабораторных испытаний на завершающих этапах проектирования, что снижает риск финансовых и временных потерь.

2. Предложенные в диссертации методы и методики могут применяться непосредственно при решении инженерных задач в области ЭМС.

3. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили практическую применимость развитых в диссертации теоретических положений.

Реализация и внедрение результатов работы

Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику разработки перспективных радиоэлектронных средств в ОАО «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт», в ОАО «Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», в ФГУП «Ростовский-на-Дону научно-

исследовательский институт радиосвязи», в ЗАО «Компания «Радиокомсистема», а также в учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ на кафедре «Радиоэлектроника и телекоммуникации», в учебный процесс Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

Апробация результатов работы

Работа в целом и ее основные результаты докладывались и обсуждались:

— на тринадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ, в 2010 г.;

— на LXVI научной сессии РНТО РЭС им. A.C. Попова, посвященной дню радио, в 2011 г.;

— на четырнадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ, в 2011 г.;

— на девятом Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. С.-Петербург, в 2011 г.

— на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, в 2011, 2012 и 2013 гг.;

— на пятнадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ, в 2012 г;

— на шестнадцатом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», МИЭМ НИУ ВШЭ, в 2013 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 52 печатные работы, в т.ч. 51 статья (из них 29 статей в журналах, включенных в список ВАК), 1 монография объемом 196 с, тезисы докладов 3 конференций.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 197 наименований, и 4 приложений. Общий объем работы составляет 486 е., объем приложений — 111 с. В приложения вынесены результаты экспериментальных исследований, формализованное описание моделей и другая дополнительная информация.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности поставленной научной проблемы, определена направленность ее результатов и рассмотрено логическое построение работы по главам. Сформулированы цель работы и ее задачи, решение которых составляет основу методологии моделирования сертификационных испытаний. Кратко описано современное состояние и отмечен вклад отечественных и зарубежных ученых и специалистов в решение

проблемы. Приведены сведения о структуре и объеме диссертации и ее приложений, апробации и внедрении ее результатов, а также краткое содержание по главам.

В первой главе диссертационной работы проводится анализ методов и средств обеспечения электромагнитной совместимости и содержания сертификационных испытаний по помехоэмиссии. Рассматривается современное состояние проблемы электромагнитной совместимости, классификация методов ее решения. Рассматриваются и анализируются организационно-технические аспекты сертификационных испытаний по эмиссии излучаемых радиопомех. Далее анализируется возможность использования современных средств автоматизации для решения задач ЭМС и осуществления виртуальной сертификации. Выполняется анализ современных методов схемотехнического моделирования РЭС, на основе которого обосновывается необходимость разработки функционально-интерфейсных и параметрических моделей РЭС. На основе проведенного анализа выявляются пути развития теории виртуальной сертификации как научного направления, формулируются цель и задачи диссертационной работы.

Диапазон используемых радиочастот, простирающийся до 40 ГГц, уже «перегружен» спектрами излучений систем теле- и радиовещания, служб связи и т.п. Вместе с этими излучениями, несущим какую-либо информацию и выполняющим коммуникационную функцию, паразитные излучения РЭС создают дополнительный электромагнитный фон. Непрерывное повышение взаимных помех и ухудшение электромагнитной обстановки (ЭМО) приводит к повышению вероятности потенциального нарушения нормального функционирования РЭС.

Обеспечение ЭМС основано на анализе реальной ЭМО) в месте размещения РЭС или радиоэлектронной системы. Помехи, определяющие внешнюю ЭМО, создаются обычно источниками, находящимися на значительном удалении, и их часто удается четко разделить на регулярные сигналы радиопередатчиков и шумоподобные сигналы. Внутренняя ЭМО дополнительно определяется излучениями других РЭС в составе радиоэлектронной системы, особенно в случае ограниченного пространственного разнесения.

С точки зрения генерации радиопомех устройствами, не предназначенными для излучения радиоволн, обычно используется следующая классификация. К первой группе относятся РЭС, формирующие относительно регулярные высокочастотные колебания, близкие к синусоидальным как для основной частоты, так и для гармоник. Вторая группа источников радиопомех является более широкой и включает различные устройства, не

вырабатывающие периодические высокочастотные колебания. Сюда следует отнести практически все современные РЭС и дополнительно электроискровые устройства, системы зажигания автомобилей и линии электропередач.

Современные методы обеспечения ЭМС могут быть подразделены на организационные и технические. Первая группа методов относятся главным образом к межсистемному уровню ЭМС и включает рациональный выбор частот для различных радиослужб, установление частотно-пространственного разнесения между РЭС с установленными характеристиками по ЭМС, определение мест размещения РЭС и т.д., а также использование нормативной документации и её разработку для новых типов оборудования.

Технические методы обеспечения ЭМС подразделяются на системотехнические, схемотехнические и конструкторско-технологические. Системотехнические методы включают рациональное разделение радиоэлектронных комплексов на функциональные узлы и их пространственное размещение, обеспечение функционирования всех подсистем в условиях реальной ЭМО с использованием методов более низкого уровня, их выбор и оценку эффективности, оптимизацию проектируемых систем по характеристикам ЭМС. Схемотехнические методы направлены на поиск схемных решений, которые повышают помехоустойчивость и способствуют снижению помехоэмиссии. Конструкторско-технологические методы включают в себя экранирование и заземление, рациональное топологическое проектирование печатных узлов.

Применение тех или иных методов обеспечения ЭМС определяется конкретными решаемыми задачами. Вместе с тем, отсутствие численной оценки эффективности решений в части ЭМС ведет к проектированию РЭС в условиях повышенной неопределенности, что снижает интегральное качество его результатов.

На сегодняшний день основной способ обеспечения ЭМС заключается в обеспечении соответствия нормам помехоэмиссии, что достигается комплексным использованием упомянутых методов и проверяется экспериментально. После завершения проектирования и конструирования РЭС изготавливают опытный образец, который подвергается лабораторным исследованиям в установленных стандартами условиях. Проводится частотно-селективная оценка излучаемых и кондуктивных помех в полосе частот, предусмотренной для данного класса оборудования. Как правило, охватываемый такими измерениями диапазон частот составляет от 9 кГц до 18 ГГц для излучаемых и от 9 кГц до 300 МГц для кондуктивных помех, однако для РЭС специального назначения эти интервалы могут быть расширены.

Все РЭС подразделяются на группы по функциональному назначению, для каждой из которых устанавливаются свои нормы помехоэмиссии, но измерительные схемы для таких групп не имеют принципиальных отличий. Схема открытой измерительной площадки, рекомендованная к использованию при выполнении сертификационных испытаний, описана в ГОСТ 51320-99.

Измерения выполняются обычно следующим образом. Угол поворота испытуемого объекта относительно направления на подъемное устройство с измерительной антенной изменяется дискретно, и для каждого угла поворота оценивается напряженность электрической составляющей электромагнитного поля при варьировании высоты подъема антенны и поляризации. Наибольшее значение напряженности поля, измеренное в описанных условиях, считается характерным для РЭС и далее сравнивается с нормами помехоэмиссии.

Для измерения напряженности электромагнитного поля используются измерительные приемники или анализаторы спектра с нормированными параметрами, включая полосу пропускания фильтра на промежуточной частоте (0,2; 9; 120 кГц или 1 МГц (имп.) по уровню -6 дБ). В качестве измерительных используют преимущественно дипольные, рамочные и логопериодические слабонаправленные антенны.

Очевидно, что задача численной оценки эмиссии электромагнитных помех должна решаться с использованием систем автоматизации проектирования (САПР). Проведенный в работе анализ показал, что наиболее близкими по необходимой функциональности являются САПР электродинамического моделирования, но и они не могут использоваться непосредственно для моделирования сертификационных испытаний, т.к. не обеспечивают численный анализ всех требуемых физических процессов. Поэтому имеющиеся средства автоматизации следует признать малопригодными для моделирования сертификационных испытаний.

Возможность моделирования сертификационных испытаний имеет следующее обоснование. При численном анализе помехоэмиссии следует учитывать процессы излучения электромагнитных волн отдельными участками проводников и их пространственную трансформацию. Расчет показаний измерительного приемника может быть осуществлен путем схемотехнического моделирования. Для расчета напряженности электромагнитного поля, формируемого РЭС в точке наблюдения, должен использоваться принцип суперпозиции, а также, при необходимости, должна учитываться планируемая пространственная ориентация антенны. Физическая правомочность перехода от лабораторных испытаний к их моделированию обеспечивается использованием моделей, адекватно отражающих все существенные особенности рассматриваемого процесса.

Ключевыми моментами в развитии теории виртуальной сертификации являются:

— построение моделей измерительных средств, вовлеченных в процесс сертификационных испытаний, с учетом требований стандартов;

— переход к формальному представлению РЭС, позволяющему построить его приближенную электродинамическую модель, сообразную решаемой задаче;

— разработка методов моделирования условий выполнения измерений при сертификационных испытаниях РЭС.

В работе показано, что схемные модели измерительных приемников (ИП) с жесткой структурой могут иметь лишь ограниченное применение, поскольку в этом случае утрачивается возможность моделирования сканирования по частоте, изменения полосы пропускания фильтра промежуточной частоты и т.д. Поэтому моделирование существенных функций ИП будет невозможным. Ввиду этого необходимо разработать общие принципы формирования новых моделей, не имеющих отмеченных недостатков, и на их основе строить схемы замещения измерительных приемников.

Несмотря на то, что каждый отдельно взятый образец РЭС обладает своими характеристиками в части ЭМС, оценочный расчет результатов сертификационных испытаний позволяет в значительной степени упростить их прохождение в лабораторных условиях. Перевод сертификационных испытаний в виртуальную плоскость не заменяет их проведения в принятой форме, т.е. для реальных образцов РЭС, и предлагается как дополнительный этап проектирования.

Прогнозируемый эффект расчетной оценки помехоэмиссии РЭС на стадии проектирования состоит:

— в значительном сокращении объема и длительности лабораторных исследований РЭС за счет анализа излучений только в критических полосах частот, в которых по результатам виртуальной сертификации наблюдается значительная эмиссия радиопомех;

— в определении предполагаемых направлений максимального излучения РЭС;

— в использовании результатов виртуальной сертификации для прогнозирования ЭМО при включении РЭС в состав комплекса.

На основе проведенного анализа была сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена разработке моделей средств измерений, используемых при сертификационных испытаниях РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех. Вначале выполняется концептуальная проработка

параметрических и функционально-интерфейсных моделей. Далее разрабатываются модели узлов измерительных приемников, являющихся основным средством оценки помехоэмиссии. Разрабатываются модели ИП как средств измерений, развиваются подходы к повышению их вычислительной эффективности за счет перехода к диапазонным моделям, обладающим меньшими возможностями по конфигурированию, либо за счет спектральных преобразований входного сигнала и перехода к упрощенным моделям измерительных приемников. В виртуальной форме выполняется абсолютная и относительная калибровка моделей ИП, предусмотренная требованиями стандартов к измерительному оборудованию, подтвердившая их применимость в качестве виртуальных средств измерений. Разрабатываются схемы замещения дополнительных измерительных средств, используемых при исследовании радиопомех — анализатора кратковременных радиопомех и анализаторов с определением функции распределения амплитуд. Предлагается методика использования моделей ИП при решении практических задач.

В диссертации предложено и теоретически обосновано использование параметрических (ПМ) и функционально-интерфейсных моделей (ФИМ) для РЭС, в т.ч. для ИП. Структура ПМ (рис. 1,а) предусматривает преобразование конфигурирующих воздействий в управляющие с использованием вспомогательных цепей (ЦФУВ). Управляющие и конфигурирующие воздействия представлены в модели временными функциями фазовых переменных. Конфигурирующие воздействия должны коррелироваться с реальным положением органов управления РЭС. В ПМ используются модели элементов, позволяющие изменять их параметры посредством управляющих воздействий. Назначение ПМ состоит в моделировании изменения параметров элементов РЭС при внешнем управлении.

в

М~Н.....-Н--Н-

Управляющие воздействия Выходные сигналы <0 б) Рис. 1. Структура моделей: а) параметрической; б) функционально-интерфейсной

Структура ФИМ (рис. 1,6) предусматривает использование принципов управления, реализованных в ПМ; их назначением является моделирование РЭС как целостности. Все блоки, кроме функционального, адаптируют формальное представление различных воздействий в управляющие. Функциональный блок построен как совокупность ПМ узлов РЭС.

Модели ИП разрабатывались как ФИМ, что дало возможность моделировать перестройку по частоте, выполняемую при сертификационных испытаниях. На основе требований действующих стандартов к ИП их характеристики были распределены на группы и сопоставлены основным узлам ИП как исходные требования к разработке их моделей. В диссертации были разработаны ПМ преселектора, смесителя, фильтра промежуточных частот (ФПЧ), детекторов, а также эквивалента инерционного индикаторного прибора. Рассмотрим кратко структуру ПМ ФПЧ (рис. 2). Она включает ЦФУВ и пару фильтров с индуктивной связью и токовым входным сигналом. На основе конфигурирующих воздействий рассчитываются значения номиналов

На рис. 2 использованы следующие обозначения: /„, Д/— центральная частота и полоса пропускания ФПЧ по уровню -6дБ, кс — коэффициент связи контуров, ин — значение напряжения, нормирующего коэффициент передачи ФПЧ на центральной частоте. Пересчет этих параметров в номиналы элементов ФПЧ выполняется на основе формул, используемых в радиоэлектронике. Приведенный пример иллюстрирует подход, реализованный при построении моделей всех основных узлов ИП.

При разработке моделей учитывались требования по универсальности и соответствию стандартам, устанавливающим требования к ИП (в первую очередь, ГОСТ Р 51319-99 и ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007). Структурные схемы моделей ИП с квазипиковым и другими типами детекторов приведены на рис. 3,а и 3,6. В качестве входного напряжения здесь рассматривается радиочастотный сигнал, поступающий с измерительной антенны либо с иного устройства. В дополнение к перечисленным выше конфигурирующим параметрам на рис. 3,а обозначены характеристики инерционного индикаторного прибора (ИИП): механическая постоянная времени т, коэффициент демпфирования р и максимальное показание М. Модели предназначены для расчета показаний ИП во времени для заданной формы входного сигнала. Проведенные исследования показали, что для ИП с детекторами, отличными от квазипикового, из модели может быть исключена ПМ ИИП как мало влияющая на результат моделирования.

Повышение вычислительной эффективности модели ИП должно быть неизбежно связано с ее упрощением. В частности, высокочастотная часть может быть в некоторых случаях исключена, если входной сигнал подвергнуть математическим преобразованиям либо использовать эквивалентные представления входного сигнала. Дополнительные возможности открывает уменьшение возможностей конфигурации модели, т.е. переход к диапазонным моделям, для которых может изменяться только текущая частота настройки. В первом случае, как показано в работе, длительность моделирования может быть снижена на 2...4 порядка, во втором — в 1,5...3,5 раза в зависимости от частоты настройки ИП.

11(0^ и,Пч^ 11(1,4^ и(пч^

икс!

ЧвхГО 0 » —

ИНУН

15

Л_

ГТ1

I

ПМ

преселектора

Г~7

'ко 1Лс

Смеситель и ПМ ФПЧ

гетеродин

/

Модель

квазипикового * ПМ ИИП

детектора

ит1 и,

>. 2

Я

V О)

О- Ч

а)

ЧвхГО

ИНУН ПМ Смеситель и

т преселектора гетеродин

X

"Хв:

17

^Ко Цкс

Параметры, определяемые -типом детектора

X

ПМ детектора

а о . с о.

г б;

Рис. 3. Структурные схемы ПМ ИП: а) с квазипиковым детектором; б) с детекторами, отличными от квазипикового

В работе выполнена проверка соблюдения калибровочных условий для моделей ИП с разными типами детекторов, которая дала положительные результаты. Для всех построенных моделей калибровочные условия выполняются с допустимой стандартами погрешностью.

Соотнесение расчетных и экспериментальных показаний ИП для разных типов входных сигналов позволило определить характерные погрешности диапазонных и упрощенных моделей, для которых среднее значение составило 0,9 дБ и 1 дБ соответственно. Значение максимальной погрешности для моделей обоих типов составляет 2,3 дБ.

Наряду с ИП в практике измерений по ЭМС используют анализаторы кратковременных радиопомех (АКРП) и ИП с определением функции распределения амплитуд. Модели этих устройств в схемном виде были разработаны и проверены на выполнение тестовых условий, подтвердивших их правильное функционирование.

Рис. 4. Схема алгоритма методики использования моделей ИП для решения практических задач в области ЭМС

В конце главы предложена методика использования моделей ИП для решения задач в области ЭМС. Схема ее алгоритма приведена на рис. 4. Порядок использования моделей в значительной степени определяется спецификой решаемых задач. Алгоритм предполагает определение требуемых параметров модели ИП и ее структуры на основе анализа информации о входном сигнале и необходимости конфигурирования, а также необходимости выполнения анализа радиопомех с использованием моделей дополнительных средств измерений. Упомянутый в схеме этап проведения дополнительных исследований предполагает уточнение спектральных свойств сигналов с целью дальнейшего использования их упрощенных, но эквивалентных представлений в полосе частот, близких к частоте анализа. Определение типов и характеристик таких сигналов подробно рассмотрено в диссертации.

В третьей главе выполняется разработка приближенной модели для расчета электромагнитных полей, формируемых радиоэлектронными средствами. Разрабатываются принципы декомпозиции проводников РЭС на линейные фрагменты, для которых можно использовать приближение коротких проводников. Предлагается методика отбора проводников, основанная на схемном моделировании и учитывающая особенности формирования показаний ИП. Далее для наиболее распространенных конфигураций проводников печатных узлов предлагаются соотношения, необходимые для расчета формируемых ими электромагнитных полей. Предлагаются обобщенные формулы для электрически кротких криволинейных проводников, необходимые для анализа электромагнитных излучений шлейфных и других соединений. Вырабатываются подходы к учету влияния конструктивных элементов РЭС на распространение излучаемых радиопомех, приводятся и анализируются результаты экспериментальных исследований,

подтверждающих ключевые моменты теоретического базиса виртуальной сертификации.

Метод расчета помехоэмиссии РЭС предполагает соответствие следующим требованиям.

1. Универсальность в части исследуемых объектов и сигналов, вызывающих помеховые излучения.

2. Вычислительная эффективность, обеспечивающая приемлемую длительность расчета при использовании современных вычислительных средств.

3. Допуск на точность определения уровня эмиссии излучаемых помех должен соответствовать уровню оценочных расчетов и быть сопоставимым с погрешностью экспериментальных методов исследований в области ЭМС.

В основе развитого метода оценки помехоэмиссии лежит представление об электрически коротком элементе декомпозиции, для совокупности которых на основе геометрического суммирования рассчитывается результирующая напряженность поля в точке наблюдения с учетом взаимодействия радиоволн с элементами конструкции РЭС и измерительной площадки.

Для электрически короткого участка проводника (рис. 5) при монохроматическом возбуждении составляющие //,, Ёг и £в задаются уравнениями

и " 4л

II

Рис. 5. Компоненты поля, формируемого линейным элементом с током

= -У

271Ы£и //

1кг \

,1т

т кЦб).

± + А|СО5(0),

(1)

4ясое

■4-

г2

— |5Ш(0),

где I— комплексная амплитуда тока в проводнике; / — его длина; г — расстояние между точкой наблюдения и центром проводника; к = 2я/А. — волновое число; е„ — диэлектрическая постоянная среды распространения; со — циклическая частота. Для тока ¡(¡) с ограниченным спектром уравнения (1) могут быть приведены к функциям

Яф(0 =

/вЦО)

4л /З1п(0)

4л

/е„Ц„ т) | ¡(1-х) г с/1 г2

/(<-т) | Ла-т)

/соз(е) /IГ

ж

(2)

Данные соотношения взяты за основу при расчете излучения каждого выбранного для анализа элемента декомпозиции. Запаздывание в случае распространения в однородной среде составляет т = .

Для проводников РЭС следует рассматривать поперечную и продольную декомпозицию. Показано, что для частот до 10 ГГц поперечная декомпозиция не требуется для проводников типичных размеров; критерий продольной декомпозиции был выведен на основе сопоставления форм точной и приближенной диаграмм направленности для фрагмента проводника. Этот

критерии описывается уравнением ртах =-

к..

6т

гДе Р™,

максимально допустимая электрическая длина проводника; кр — коэффициент распространения, характеризующий снижение скорости распространения электромагнитной волны в проводнике относительно свободного пространства; т — максимально допустимое значение относительной погрешности составляющих поля для элемента декомпозиции.

При разработке метода моделирования сертификационных испытаний была предпринята попытка его одновременной оптимизации. В частности, очевидно, что декомпозиция и расчет излучения для всех проводников РЭС не является рациональным решением. Поэтому следует отобрать проводники с токами, вносящими значительный вклад в суммарную помехоэмиссию на текущей частоте анализа. Для этого можно применять формальный или экспертный подход. В первом случае используют схемное моделирование, которое может проводиться одновременно с расчетом токов в проводниках РЭС, в ходе которого определяют наличие и интенсивность спектральных составляющих вблизи частоты анализа в полосе, соответствующей ФПЧ. Для этого предложено использовать ячейку первичного анализа со следующей предлагаемой структурой (рис. 6).

Рис. 6. Схема ячейки первичного анализа Токовый сигнал = 1,(1) снимается с ветви схемы в модели РЭС при помощи фиктивного источника Уг и подается на нелинейный управляемый напряжением источник напряжения (НИНУН), который служит для введения в схему эквивалентного длине весового коэффициента и для нормировки коэффициентов передачи резонансных фильтров с индуктивной связью, состоящих из идентичных каскадов А, и А2\ А3 и А4. Передаточная функция источника В¡, кроме того, обеспечивает блокировку анализа токов в проводнике в интервале времени / < /0/. Это необходимо для пропуска переходных процессов. Формируемое на выходе В/ напряжение и¡(¡) описывается передаточной функцией и,(О = ¡у/ОЬЩИщУСго2, где Сг, — коэффициент передачи единичного каскада фильтра на частоте /о, 11(1,¡щ) — функция Хевисайда с параметром Гщ.

Для выполнения первичного анализа функции необходимо

получить её значение в схеме. Для этого используется емкость С/ = 1 Ф, ток 1у//(0 через которую численно равен производной напряжения на емкости С/: = с/и¡(0^1. При помощи источника напряжения В2, управляемого током

(ИНУТ), ток iyfi(t) трансформируется в численно равное ему напряжение u¡(t). Далее напряжения u¡(t) и u2(t) подвергаются узкополосой фильтрации. Каскады A¡ —А4 построены по схеме, аналогичной ФПЧ ИП.

На основе сигналов u3(t) и u/t), формируемых фильтрами, необходимо получить общие показатели интенсивности излучения для данного проводника для функций ifi) и di,(t)/dt. В качестве интегральных показателей следует использовать максимальное значение модулей функций u3(t) и u4(t), а также их интегральные значения, полученные на конечное время моделирования tmax, которое должно быть равно выбранному конечному времени при проведении моделирования схемы для определения помехоэмиссии. В схеме на рис. 6 методом интегрирования токов емкостями получают напряжения um(t) и uuc(t)\ и„„(t) и u„c(t) соответствующие интегральным и пиковым показателям для функций di,(t)/dt и i¡(t). В ходе дальнейшего анализа полученные значения ранжируются, нормируются по максимальному значению в каждой группе, и по превышению выбранного порога отбираются те сигналы и проводники, которые вносят наибольший вклад в помехоэмиссию.

Упомянутый выше экспертный подход основан на обоснованном предположении о вкладе групп проводников РЭС в общую помехоэмиссию.

Далее в работе получены формулы для расчета компонентов электромагнитного поля типовых излучающих элементов (ТИЭ) печатных узлов. К ТИЭ отнесены одиночный проводник на диэлектрике, копланарная, микрополосковая, заглубленная микрополосковая линии. Для первого ТИЭ в данном перечислении (рис. 7) компоненты излучения в свободном пространстве определяются формулами / sin (arccos(sin(a) sin(|3)))

ЕМ =

4л

/е„ц„ di(t - т) i(i - т) г di г

/ sin(a)s¡n(P)

t),

ЕЛО

2лг~

1 sin(arccos(sin(a)sin(P)))/' 4rt I

(3)

■х)

dt

Рис. 7. Одиночный проводник на диэлектрике

Прохождение излучения через диэлектрик сопровождается потерями и преломлением в соответствии с действующими физическими законами. На основе граничных условий, принятых для перехода электромагнитных волн через плоскую границу двух разнородных диэлектриков, установлено, что компоненты такого излучения описываются уравнениями

НЛ1) =

ЛГ(е,)/ 5т(агссо5(5т(ос)5тф)/,уЁ7)|

4я

/е„Ц„ сПЦ-х) | /(?-т)

Vе»

Я, (О =

(РУч/о)

4я

Л

Л

Здесь 8Э — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, а функция К(е,) описывает усредненное ослабление по всему возможному диапазону углов р (от 0 до 90°). Использование усредненных значений позволяет снизить вычислительную сложность моделирования сертификационных испытаний с сохранением допустимой точности. Графический вид функции АГ(е,) приведен на рис. 8. Как следует из графика, при расчетах можно полагать вносимое ослабление равным 0,5 дБ.

А

\

\

1 \

\ ! ! 1

1

Рис. 8. Зависимость К(е^) Формулы, полученные для компонентов поля ТИЭ, были проверены экспериментально и получили подтверждение практической применимости.

Одним из способов снижения вычислительных затрат является уменьшение количества элементов декомпозиции. При сравнительно невысоких частотах анализа излучение многих криволинейных проводников может анализироваться без их сегментации. Показано, что для плоского проводника, описываемого однозначной функцией у(х), излучение в выбранной точке наблюдения будет характеризоваться компонентами

НЛ1) =

Еа(» =

/е„ц„ сН(1-Х) | ¡(1- т)

Л

ц„ Щ-х) | ц„ д7(/-т)

кг 2пг2

РУ('-х),

4я1«£„ г' г с/1 В уравнениях (4) коэффициенты к/ и к2 рассчитываются так:

кх = Г1 J\ + (dy(x)/ dx)1 sin (arceos (sm(a + arctg{dy(x) / dx)) sin(P))\it,

' ft ._ (6)

кг = Г ' yjl + (dy(x)/dx)2 (sm(a + arctg(dy(x)/dx))sin(ti))dx.

Аналогичные, но более сложные формулы были получены и для пространственных криволинейных проводников.

Учет влияния корпуса и пластины заземления измерительной площадки предложено осуществлять на базе следующих представлений. К физическим явлениям, вызывающим трансформации электромагнитного поля на пути от элемента декомпозиции до точки наблюдения, являются:

— отражение электромагнитных волн от проводящих элементов;

— преломление волн при прохождении через диэлектрические элементы конструкции;

— прохождение через стенки корпуса с ослаблением, соответствующим свойствам используемого материала.

При этом предложено использовать следующие упрощения.

1. Электромагнитные волны распространяются в соответствии с представлениями о лучевых трубках.

2. Для произвольного конструктивного элемента рассматривается только один процесс преломления, отражения или сквозного прохождения (для элементов корпуса).

3. При рассмотрении взаимодействия электромагнитных волн с элементами конструкции следует учитывать соотношение их размеров с длиной волны в свободном пространстве.

4. Ослабление электромагнитных волн стенками диэлектрического материала учитывается на основе подходов, аналогичных изложенным выше.

5. Ослабление электромагнитных волн в металлических элементах корпусов оценивается на основе теории экранирования.

Среди рассматривавшихся отдельным вопросом является взаимодействие электромагнитных волн с различными конструктивными элементами внутри корпуса РЭС. Известно, что если дифракция волн происходит на экране малого размера d, то при удалении точки наблюдения, лежащей на перпендикуляре к центру экрана, на расстояние L интенсивность излучения с длиной волны X в ней будет практически такой же, как при отсутствии экрана, если выполняется соотношение d < \¡2XL. Согласно оценочным расчетам влияние большинства конструктивных элементов можно полагать пренебрежимо малым.

Важно отметить, что расчет электромагнитных помех для наиболее сложных конструкций РЭС может давать значительную погрешность, особенно при наличии рельефных поверхностей. В этом случае следует использовать

более точные методы теории дифракции. Это является естественным ограничением геометрических методов волновой теории.

В работе рассмотрен вопрос определения пути распространения электромагнитных волн от элементов декомпозиции до точки наблюдения. Его предложено решать на основе следующей методики (рис. 9).

Рис. 9. Схема алгоритма расчета пути распространения электромагнитных волн от фазового центра элемента декомпозиции до точки наблюдения В четвертой главе выполняется разработка метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, являющегося основным результатом диссертационной работы. В начале главы прорабатываются вопросы, связанные с моделированием РЭС как излучающего объекта и предлагается соответствующий метод, рассматриваются результаты его практической апробации на примере тестового образца РЭС. Предлагается модель измерительной площадки для использования при моделировании сертификационных испытаний. Разрабатывается метод их моделирования и соответствующая ему методика на уровне, достаточном для последующей алгоритмизации и инженерного использования. Выполняет оценка неопределенности результатов виртуальной сертификации по эмиссии излучаемых радиопомех. Анализируются результаты экспериментальной апробации разработанного метода моделирования сертификационных испытаний, подтвердившие его практическую применимость.

Осуществить векторное суммирование компонентов электромагнитного поля, формируемого элементами декомпозиции отобранных проводников, возможно только в случае известности их направления. Как показано в диссертации, при отсутствии в конструкции РЭС анизотропных материалов вектор £„(0 перпендикулярен вектору £Д/) в точке наблюдения и он лежит в

плоскости, включающей элемент декомпозиции и точку наблюдения. Вектор Яф(0 перпендикулярен этим векторам. На основе положений аналитической геометрии в работе выведены соотношения, позволяющие рассчитать нормированные координаты векторов, характеризующих положительные направления Ев(0, £,(') и ЯФ(?) в декартовой системе координат, предполагаемой к использованию при численном анализе излучаемых радиопомех. Случаи использования материалов, способных поворачивать плоскость поляризации, должны рассматриваться и анализироваться отдельно.

При разработке теории виртуальной сертификации измерительные антенны рассматривались как необходимый, но второстепенный элемент, служащий для трансформации функции суммарной напряженности поля во входное напряжение ИП. На практике измерительные антенны обладают поляризационной и пространственной избирательностью, которые обусловлены расхождением поляризации излучения и вектора А, характеризующего направление электрической оси антенны. Если известна суммарная напряженность электрического поля ££(/) в точке наблюдения, то при коэффициенте поляризационной избирательности Кпр напряжение на выходе измерительной антенны составит

На основе выполненных исследований сформирована методика моделирования РЭС как излучающих объектов (рис. 10). Ее содержание было пояснено в приведенном выше описании. Упомянутые в алгоритме частотно-ограничивающие фильтры вводятся дополнительно на этапе схемного моделирования для принудительного ограничения спектров токов, что необходимо для увеличения шага моделирования во временной области и снижения вычислительных затрат. Для этой цели предложено использовать фильтр Баттерворта шестого порядка.

В ходе практической апробации было выполнено сопоставление расчетного и измеренного уровня помехоэмиссии для специального тестового РЭС (пассивный пиковый детектор), которое подтвердило практическую применимость предложенной методики.

Модель измерительной площадки строилась на основе представления о лучевом распространении радиоволн. Применимость данного приближения проверялась на основе требования ГОСТ 51320-99, согласно которому расхождение интенсивности излучений в точке наблюдения в свободном пространстве и при наличии пластины заземления с учетом геометрического

(7)

сложения прямого и отраженного излучений не должно превышать ±4 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц. Расчетный график такого отклонения Л(0 для измерительного расстояния 10 м приведен на рис. 11. Оговоренное условие выполняется с несколько большей частоты (порядка 60 МГц). Это справедливо и для других измерительных расстояний.

Рис. 10. Схема алгоритма методики моделирования РЭС как излучающего объекта Безусловно, что модель измерительной площадки, основанная на лучевом распространении радиоволн, является приближенной, особенно в диапазоне длинных волн, и в дальнейшем должна быть уточнена. Однако ее использование позволяет значительной упростить расчетную часть численного анализа помехоэмиссии, хотя и несколько снижает его точность.

МО1 127»10* 224.10* 32Ы0* 418.10* 3«1М0* 709-10* 806>Ю* 901МО* 1-10*

Рис. 11. Расчетная зависимость Л (/) для используемой модели измерительной площадки с измерительным расстоянием 10 м Метод моделирования сертификационных испытаний предусматривает использование теоретических положений, выработанных в диссертации. Существо метода отражает представленная на рис. 12 схема. Определение пространственного положения точки наблюдения, соответствующей максимальному регистрируемому уровню радиопомех, предполагается выполнять путем упрощенного расчета характеризующих показания ИП значений для точек на цилиндрической поверхности, описываемой измерительной антенной при ее мыленном движении вокруг неподвижного РЭС. Это позволяет исключить выполнение полного расчета для каждого возможного сочетания угла поворота РЭС и высоты подъема измерительной антенны. Методика такого расчета подробно изложена в диссертации.

Ограничения предложенного метода моделирования вытекают из содержания использованных приближений. Применимость метода ограничивается для РЭС, имеющих анизотропные и существенно неоднородные материалы, антенны (они должны рассчитываться методами, принятыми в электродинамике), включающих волноводные тракты и другие СВЧ-узлы, которые не могут быть описаны в выбранных приближениях. Предложенный метод пригоден для моделирования сертификационных испытаний РЭС информационных технологий, устройств звукового вещания, автоматики, контроля, управления и РЭС аналогичных классов, не соотносимых с перечисленными выше ограничениями.

Далее в работе была выполнена оценка неопределенности результатов моделирования сертификационных испытаний на основе анализа составляющих погрешности. Показано, что неопределенность результатов составляет до 4,5 дБ, что вполне меньше порогового значения 5,2 дБ, после которого нормы помехоэмиссии пересматриваются в сторону увеличения.

Постановка задач выполнения моделирования - Анализ задач выполнения моделирования Анализ достаточности исходных данных

1

Определение режима функционирования РЭС и задействованных блоков - Формирование задания на моделирование - Определение частот анализа помехоэмисии - Определение характера спектрального распределения помех РЭС

Отбор проводников РЭС для анализа излучений на основе формального анализа - Выбор структуры и расчет характеристик частотно-ограничивающих фильтров - Расчет максимальной частоты спектров токов с учетом фильтрации - Классификация проводников как типовых излучающих элементов

Дополнение схемы РЭС частотно-ограничивающими фильтрами - Разбиение проводников на элементы декомпозиции с учетом их классификации - Расчет максимально допустимой длины элементов декомпозиции - Расчет коэффициентов распространения

Построение схемной (комплексной) модели РЭС. используемой для расчета токов в элементах декомпозиции - Определение конечного времени моделирования схемы РЭС - Моделирование схемы РЭС. Расчет токов в элементах декомпозиции —^ Дополнение конструкционной модели РЭС пластиной , заземления

1

Определение пространственного положения точек наблюдения для случаев горизонтальной и вертикальной поляризации - Расчет координат фазовых центров элементов декомопзиции - Введение системы координат - Определение положения оси вращения РЭС

1

Расчет зависимостей суммарной воспринимаемой напряженности поля в точках наблюдения от времени Формальный переход к временным функциям напряжений, подаваемых на вход измерительного приемника - Выбор структуры и характеристик модели измерительного приемника - Моделирование ИП для рассчитанных входных напряжений

Оценка неопределенности результатов моделирования

Сопоставление результатов

расчета с нормами помехоэмиссии

Выбор максимального показания ИП по модели

РЭС соответствует

нормам помехоэмиссии

РЭС

не соответствует

нормам

помехоэмиссии

Рис. 12. Схема алгоритма методики моделирования сертификагщопных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех При выполнении оценки практической применимости метода моделирования сертификационных испытаний была выполнена его апробация с развертыванием измерительной площадки вне города и проведением

необходимых экспериментов с применение измерительной антенны и анализатора спектра. В качестве объекта исследований был выбран формирователь сигналов специальной формы, физически реализованный как печатный узел, размещенный в пластиковом корпусе. Форма токов в проводниках определялась осциллографическим методом, все сигналы были периодическими. Для упрощения расчетов выполнялось преобразование Фурье с определением амплитуд и фаз гармонических составляющих токов, вызывающих излучение.

Таблица 1. Экспериментальные и расчетные значения напряженности

электромагнитного поля, формируемого ТРЭС в точке наблюдения

Частота, МГц Поляризация1 Значение напряженности поля, дБмкВ/м Модуль погрешности, дБ

экспериментальное расчетное

1 Г 59,5 56,7 2,8

В 65,7 64,1 1,6

2 Г 33,7' 8,2 —

в 42,2' -6,6 —

3 г 42,7 48,4 5,7

в 48,9 54,5 5,6

4 г 31,7' 14,5 —

в 31,9' 0,4 —

5 г 37,5 44,6 7,1

в 39,2 48,6 9,4

6 г 28,1' 10,0 —

в 36,7' -0,4 —

7 г 33,83 42,1 8,3

в 39,13 46,0 6,9

8 г 26,1' 19,1 —

в 28,7' 5,0 —■

9 г 39,7' 40,6 0,9

в 43,43 42,9 0,5

1 Обозначения ориентации измерительной антенны: Г — горизонтальная, В — вертикальная. 2 Значение, полученное при измерениях, было близко к среднему уровню радиошума. Измеренный уровень радиопомех был выше уровня радиошума менее чем на 10 дБ.

Окончательные результаты измерений и расчета приведены в таблице 1. Результаты сопоставления погрешности с ее характерным значением, равны 5,2 дБ, приводят к выводу о том, что предложенный метод моделирования сертификационных испытаний в некоторых случаях дает несколько большую

погрешность, чем это значение. Стандарты в области ЭМС предусматривают, что в этом случае на разность погрешностей снижаются допустимые уровни помехоэмиссии; в этом случае результаты сертификационных испытаний считаются достоверными. Таким образом, метод моделирования сертификационных испытаний и сформированная методология в целом прошли экспериментальную проверку и получили подтверждение практической применимости.

Пятая глава диссертационной работы посвящена разработке основ построения программного комплекса с функцией моделирования сертификационных испытаний (ПК ВС). На основе назначения и особенностей современных средств автоматизации вырабатываются общие требования к комплексу. Предлагаются его структурные схемы. Вырабатывается методика использования указанного ПК ВС и теории виртуальной сертификации в целом при проектировании радиоэлектронных средств. Предлагаются методы тестирования, необходимые для функциональной отладки ПК ВС. Рассматриваются и анализируются дополнительные аспекты промышленного внедрения ПК ВС.

Предлагаемая структурная схема ПК ВС имеет следующий вид (рис. 13). Взаимодействие пользователя с ПК ВС осуществляется через модуль универсальных пользовательских интерфейсов, которые определяются типом используемого системного программного обеспечения и характеристиками аппаратной платформы. Он обеспечивает визуализацию информации, выводимой ПК ВС, а также ввод текстовой и графической информации при просмотре и редактировании проекта РЭС и баз данных.

Согласованность функционирования программных модулей обеспечивается управляющей программой, взаимодействующей с каждым из них. Её основной функцией являются коммутация информационных потоков, формирование управляющей информации для программных модулей и получение контрольных данных, а также информирование пользователя о текущем состоянии и действиях программного комплекса.

Модели электрических, тепловых и электродинамических процессов строятся при помощи модулей синтеза, осуществляющих препроцессорную обработку информации и приводящих разнородные данные о проекте к пригодному для использования виду. При этом используется не только информация базы данных проектирования, но и дополнительны сведения об используемых стандартных материалах, конструкциях и их физических свойствах. Построение электрических моделей выполняется с использованием банка компонентных моделей. При построении электродинамических моделей РЭС и моделей средств измерений используется информация из базы данных

продуктовых стандартов по ЭМС, определяющих условия проведения сертификационных испытаний.

Использование в составе ПК ВС экспертной системы может значительно упростить отбор проводников для выполнения анализа помехоэмиссии, а также выбор моделируемых средств измерений. Она может выполнять многие дополнительные функции, поэтому на текущем уровне проработки перечень дополнительных баз знаний следует оставить открытым.

Рис. 13. Структурная схема ПК ВС Сформированные в ходе препроцессорной обработки модели используются для моделирования свойств РЭС в вычислительном ядре ПК ВС, которое имеет соответствующие программные модули. Их взаимосвязь, отмеченная на рис. 13, заключается в том, что результаты, полученные в предыдущем модуле, служат исходными данными для последующего.

После выполнения моделирования полученная информация поступает в программный модуль постпроцессорной обработки. Сохранять и выводить второстепенную информацию предполагается только по запросу пользователя при проведении углубленного анализа. В модуль постпроцессорной обработки результатов моделирования поступают данные из базы данных продуктовых стандартов, необходимые для оценки соответствия РЭС требованиям стандартов и для расчета неопределенности результатов моделирования.

Постпроцессорная обработка включает в себя представление данных, необходимое для информативного отображения полученной путем моделирования информации об объекте разработки. Эти данные в последствии визуализируются. Вместе с тем, они сохраняются в базе данных проектирования, которая должна содержать архив проектов. Многопользовательский режим работы ПК ВС предполагает использование соответствующего модуля при работе системы в локальной либо всемирной компьютерной сети. Все базы данных ПК ВС, кроме базы данных проектирования, а также экспертная система должны иметь возможность обновляться через Интернет либо через локальную сеть.

Помимо рассмотренной, в работе предложена структурная схема клиентской и серверной части ПК ВС с распределенной структурой, построенной на аналогичных принципах.

Отдельно следует отметить роль ПК ВС и теории виртуальной сертификации в проектировании РЭС. При использовании ПК ВС и теории виртуальной сертификации алгоритм проектирования РЭС приобретает форму, представленную на рис. 14. Моделирование сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех предполагается использовать как завершающий этап стадии технического проектирования. Перед её осуществлением выполняется полная проработка схемотехнических, конструкторских и технологических решений, моделирование необходимых физических процессов, оптимизация проекта, а также разработка электронной конструкторской документации.

В ходе виртуальной сертификации определяется соответствие проекта требованиям по помехоэмиссии, установленным для данного класса оборудования. В случае несоответствия принимается решение о корректировке проекта, однако она распространяется только на результаты, полученные при техническом проектировании. Наличие виртуальной сертификации и цикла по доработке проекта РЭС в составе стадии технического проектирования является главным отличием данного алгоритма проектирования от принятого на большинстве предприятий радиотехнической отрасли.

После завершения стадии технического проектирования, включая проведение виртуальной сертификации, изготавливается опытный образец, который проходит функциональное тестирование на соответствие требованиям технического задания и приемочные испытания. Затем проводят сертификационные испытания по ЭМС в лабораторных условиях, которые должны подтвердить соответствие РЭС нормам помехоэмиссии, в противном случае выполняется корректировка результатов технического проектирования.

Рис. 14. Схема алгоритма проектирования РЭС с использованием ПК ВС

На каждой стадии проектирования имеется риск получения варианта проекта, не соответствующего требованиям ТЗ. Это может приводить к затягиванию разработки и к прямому экономическому ущербу. Введение виртуальной сертификации позволяет локализовать изменения, связанные с несоответствием РЭС требованиям по ЭМС в границах только технического проектирования, не выполняя итераций по изготовлению ряда опытных образцов. Таким образом, разработанная теория позволяет повысить шансы на успешное прохождение лабораторных испытаний на завершающих этапах проектирования, снижая риск финансовых и временных потерь, вызванных многократным прохождением цикла, включающего изготовление опытного образца, лабораторные испытания по ЭМС и доработку проекта.

Концепция обеспечения соответствия РЭС требованиям по помехоэмиссии с использованием ПК ВС может быть сформулирована на основе вьивленного места и роли виртуальной сертификации в процессе проектирования. После завершения всех этапов, свойственных техническому проектированию в классическом понимании, и оформления конструкторской документации разработчик тестирует проект РЭС на соответствие требованиям ЭМС с использованием ПК ВС. Данное тестирование проводится без применения опытных образцов, только путем моделирования, что позволяет снизить совокупные затраты на разработку.

Далее в работе предложены методы тестирования ПК ВС, предназначенные для его будущей отладки. Рассмотрены типы тестирования, потенциальные причины снижения достоверности результатов моделирования, общие принципы проверки модулей ПК ВС.

В завершение главы рассмотрены аспекты промышленного внедрения ПК ВС. Отмечается, что он будет связан с системами управления технологическими процессами, поскольку моделирование сертификационных испытаний способно дать информацию, обосновывающую требования к точности изготовления компонентов и РЭС в целом. Во многих случаях оказывается возможным выполнение оптимизации РЭС с устранением избыточности и снижением стоимости производства.

В работе показано, что развитая методология моделирования сертификационных испытаний и ПК ВС применимы в научных исследованиях. В частности, они могут быть использованы для набора статистики по помехоэмиссии для различных классов оборудования, которая необходима для разработки норм на эмиссию радиопомех. В этом смысле моделирование сертификационных испытаний следует рассматривать как экономичное и рациональное средство исследований. Кроме того, может быть оценена

эффективность решений по ЭМС для перспективных конструкций РЭС, для которых необходимо получение особых характеристик.

Согласно проведенной оценке экономической эффективности ПК ВС, при ее ориентировочной стоимости в 100 тыс. долл. и затратах на сертификацию сложных РЭС в объеме до 25 тыс. долл., система моделирования может окупиться при успешном выполнении 4...6 крупных проектов с экономией времени до 6 месяцев на выполнении каждого из них. Это подтверждает рациональность внедрения создания и внедрения ПК ВС на предприятиях радиоэлектронной отрасли, а также значимость решения рассмотренной научной проблемы в целом.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе в целом.

В приложении к диссертационной работе приведены протоколы экспериментальных исследований и другая вспомогательная информация.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, достигнуты следующие основные результаты.

1. На основе анализа современного состояния проблемы электромагнитной совместимости, методов и средств ее обеспечения выявлено направление их дальнейшего совершенствования. Показана потенциальная возможность осуществления виртуальной сертификации как этапа в разработке РЭС, также ее преимущества, намечены пути проработки тематики работы как научно-практического направления радиоэлектроники. Это позволило сформулировать цель и задачи работы, обозначить направления дальнейших исследований.

2. На основе обобщения методов моделирования радиоэлектронных средств и радиотехнических систем разработана концепция параметрических и функционально-интерфейсных моделей, допускающих, в противоположность моделям с жесткой структурой, изменение параметров и конфигурирование непосредственно в процессе моделирования. Практическое использование предложенных моделей позволяет моделировать устройства, в т.ч. средства измерений, имеющие внутренние неэлектрические связи, а также предполагающие внешние воздействия на органы управления. Таким образом, значительно расширен спектр устройств, которые могут быть промоделированы на основе электрических моделей.

3. Разработаны модели измерительных приемников с детекторами пикового, квазипикового, среднего, среднеквадратичного значений,

анализаторов кратковременных радиопомех, анализаторов с определением функции распределения амплитуд радиопомех, используемых при выполнении сертификационных испытаний по эмиссии излучаемых радиопомех. Подтверждено соблюдение стандартных калибровочных условий для моделей измерительных приемников, что позволяет непосредственно использовать их при решении задач в области ЭМС, в т.ч. при моделировании сертификационных испытаний. Разработана методика практического использования предложенных моделей измерительных средств, предназначенная для непосредственного инженерного применения при решении задач в области ЭМС.

4. Развиты упрощенные подходы к моделированию проводников РЭС, в т.ч. криволинейных, как источников радиопомех, основанные на приближении электрически коротких проводников и лучевых трубок, позволяющие рассчитать характеристики компонентов формируемых ими электромагнитных полей в свободном пространстве. Полученные расчетные соотношения могут быть использованы при решении ряда инженерных задач, включая относящиеся к области ЭМС. Их практическая применимость была проверена и подтверждена в ходе проведения ряда экспериментальных исследований. На основе представления о взаимодействии электромагнитных волн с веществами, обладающими разными электрофизическими свойствами, разработаны методы учета влияния конструкционных элементов РЭС на распространение формируемых ими радиопомех. Они позволяют значительно повысить точность расчета характеристик излучений в точке наблюдения за счет учета явлений преломления и ослабления электромагнитных волн. Их практическая применимость получила экспериментальное подтверждение.

5. Разработан метод и соответствующая ему методика моделирования РЭС как излучающих объектов, позволяющая рассчитать в выбранных приближениях функцию напряженности электромагнитного поля в выбранной точке свободного пространства. Отмеченная методика проработана на уровне, достаточном для инженерного применения. Она позволяет решать задачи, связанные с межсистемной ЭМС, в частности, оптимизировать конструкцию и взаимное расположение радиоэлектронных блоков в условиях ограниченного пространства. Предложенная методика прошла экспериментальную апробацию, результаты которой подтвердили ее практическую применимость.

6. Разработан метод моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех, являющийся основным результатом диссертационной работы. Он позволяет на стадии проектирования РЭС, т.е. без проведения натурных испытаний оценить результаты лабораторных исследований помехоэмиссии на измерительной площадке, отвечающей

требованиям действующих стандартов. Это позволяет на практике значительно повысить вероятность успешного прохождения сертификационных испытаний и — при необходимости — выполнить доработку проекта до выпуска опытных образцов РЭС. Данный метод прошел экспериментальную апробацию путем сопоставления полученных для тестового РЭС на измерительной площадке результатов с расчетными, подтвердившую его применимость в качестве методологической базы осуществления виртуальной сертификации.

7. Проработаны теоретические основы построения САПР с функцией виртуальной сертификации, включая структурные схемы программных средств и алгоритм проектирования с ее использованием, предусматривающий её проведение на стадии технического проектирования РЭС. Внедрение такой системы автоматизации дает возможность значительно снизить временные и финансовые риски, связанные с тестированием РЭС на предмет эмиссии излучаемых радиопомех в лабораторных условиях, устранить недостаточность либо избыточность мер по обеспечению электромагнитной совместимости, что приводит к повышению эффективности используемых проектных решений и процесса проектирования РЭС в целом.

8. Проведен ряд экспериментальных исследований, подтвердивших основные теоретические положения, расчетные соотношения, сформулированные в работе выводы, и показавших практическую применимость и эффективность теории виртуальной сертификации в приложении к решению практических задач в области ЭМС.

9. Разработана методология моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех, практическое использование которой позволяет повысить эффективность проектных решений в части обеспечения ЭМС.

10. В диссертации решена научная проблема расчетной оценки уровня излучаемых радиопомех для радиоэлектронных средств на стадии их проектирования, в т.ч. в условиях, соответствующих сертификационным испытаниям по помехоэмиссии, рассмотренная в качестве составной части ЭМС как научно-практического направления радиотехники.

11. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику разработки перспективных радиоэлектронных средств в ОАО «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт», в ОАО «Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», в ФГУП «Ростовский-на-дону научно-исследовательский институт радиосвязи», в ЗАО «Компания «Радиокомсистема», а также в учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ на кафедре

«Радиоэлектроника и телекоммуникации», в учебный процесс Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные автором в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ (29)

1. Лемешко Н.В. Виртуальная сертификация радиоэлектронных средств по уровню помехоэмиссии как средство подготовки к лабораторным испытаниям по электромагнитной совместимости // Труды НИИР, 2010. — №1. — с.57-70. — 1,05 п.л. (в соавт. с Кечиевым Л.Н.; авт. вклад 0,70 п.л.)

2. Лемешко Н.В. Виртуальная сертификация радиоэлектронных средств по уровню помехоэмиссии. Постановка проблемы // Технологии ЭМС, 2010. — №2 (33). — с.3-15. — 1,0 п.л. (в соавт. с Кечиевым Л.Н.; авт. вклад 0,65 п.л.)

3. Лемешко Н.В. Расширение функциональности предикативно-логических надстроек для комплексных моделей радиоэлектронных средств // Труды НИИР, 2010. — №1. — с.85-95. — 0,78 п.л.

4. Лемешко Н.В. Использование ячеек памяти и обратных связей в качестве вспомогательных элементов в моделях электронных компонентов // Труды НИИР, 2010. — № 1. — с.96-101 — 0,44 п.л.

5. Лемешко Н.В. Функционально-интерфейсные модели радиоэлектронных средств // Труды НИИР, 2010. — №2. — с.65-72. — 0,65 п.л.

6. Лемешко Н.В. Анализ требований, предъявляемых к измерительным приемникам для оценки уровня радиопомех, и выявление путей их моделирования // Труды НИИР, 2010. — №2. — с.73-81. — 0,75 п.л.

7. Лемешко Н.В. Разработка динамического эквивалента для стрелочных индикаторных приборов // Труды НИИР, 2010. — №3. — с.64-72. — 0,61 п.л.

8. Лемешко Н.В. Параметрические модели радиоэлектронных средств и узлов // Труды НИИР, 2010. — №3. — с.73-79. — 0,44 п.л.

9. Лемешко Н.В. Разработка параметрической модели частотно-избирательных цепей измерительных приемников для исследования индустриальных радиопомех // Труды НИИР, 2010,— №4. — с.27-35. — 0,56 п.л.

10. Лемешко Н.В. Формализация неэлектрических связей и концепция единого пространства фазовых переменных для комплексных моделей РЭС // Труды НИИР, 2010. — №4. — с.36-40. — 0,33 п.л.

11. Лемешко Н.В. Использование феноменологической теории в моделировании радиоэлектронных средств // Труды НИИР, 2010. — №4. — с.41-46. — 0,48 п.л.

12. Лемешко Н.В. Моделирование и идентификация параметров моделей детекторов измерительных приемников // Труды НИИР, 2010. — №4. — с.47-62. — 0,90 п.л.

13. Лемешко Н.В. Критерий и методики определения параметров выходных цепей в моделях детекторов среднего и среднеквадратичного значений // Труды НИИР, 2011. — №1— с.74-80. — 0,42 п.л.

14. Лемешко H.B. Разработка параметрической модели преселектора для измерительных приемников, используемых при исследованиях индустриальных радиопомех // Труды НИИР, 2011. — №1. — с.81-88. — 0,57 п.л.

15. Лемешко Н.В. Разработка моделей измерительных приемников с детекторами различных типов, используемых при исследованиях в области ЭМС // Труды НИИР, 2011. — №1. — с.89-98. — 0,76 п.л.

16. Лемешко Н.В. Особенности и результаты проведения калибровки моделей измерительных приемников с квазипиковым детектором // Труды НИИР, 2011. — №1. — с.99-106. — 0,49 п.л.

17. Лемешко Н.В. Виртуальная калибровка моделей измерительных приемников с детекторами пикового, среднего и среднеквадратичного значений // Труды НИИР, 2011. — №2. — с.70-80. — 0,79 п.л.

18. Лемешко Н.В. Современные методы моделирования радиоэлектронных средств и перспективы их развития // Труды НИИР, 2011. — №2. — с.77-89. — 1,10 п.л.

19. Лемешко Н.В. Методы обеспечения ЭМС и анализ возможности использования систем электродинамического моделирования для оценки уровня излучаемых радиопомех // Труды НИИР, 2011. — №3. — с.53-62. — 0,85 п.л.

20. Лемешко Н.В. Методы сокращения длительности моделирования измерительных приемников при виртуальных исследованиях в области ЭМС // Труды НИИР, 2011. — №3. — с.63-77. — 0,95 п.л.

21. Лемешко Н.В. Оценка характерных погрешностей моделей измерительных приемников для виртуальных исследований в области ЭМС // Труды НИИР, 2012. — №3. — с.34-45. — 0,84 п.л.

22. Лемешко Н.В. Методика использования моделей измерительных приемников для решения практических задач в области ЭМС // Труды НИИР,

2012. — №4. — с.43-47. — 0,32 п.л. (в соавт. с Захаровой С.С.; авт. вклад 0,25 п.л.)

23. Лемешко Н.В. Разработка модели фликерметра для виртуальных исследований кондуктивных помех в электросетях // Труды НИИР, 2012. — №4. — с.48-54. — 0,86 п.л. (в соавт. с Захаровой С.С.; авт. вклад 0,55 п.л.)

24. Лемешко Н.В. Декомпозиция проводников при численном анализе эмиссии излучаемых радиопомех // Технологии ЭМС, 2013. — №1 (44) — с.3-16. — 0,49 п.л. (в соавт. с Захаровой С.С.; авт. вклад 0,30 п.л.)

25. Лемешко Н.В. Макромодель анализатора кратковременных радиопомех для виртуальных исследований в области ЭМС // Труды НИИР,

2013. — №1. — с.33-39. — 0,64 п.л.

26. Лемешко Н.В., Альтернативные подходы к построению измерительных приемников для виртуальных исследований в области ЭМС // Труды НИИР, 2013. — №1. — с.33-39. — 0,55 п.л. (в соавт. с Захаровой С.С.; авт. вклад 0,30 п.л.)

27. Лемешко Н.В. Оценка неопределенности результатов моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех // Труды НИИР, 2013. — №2. — с.20-25. — 0,43 п.л.

28. Лемешко Н.В., Программный комплекс для моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех // Труды НИИР, 2013. — №2. — с.26-29. — 0,26 пл. (в соавт. с Захаровой С.С.; авт. вклад 0,15 п.л.)

29. Лемешко Н.В. Расчет излучения пространственных криволинейных проводников при оценке помехоэмиссии. — Труды НИИР, 2013. — №3 — с.63-68, —0,32 п.л. (в соавт. с Захаровой С.С.; авт. вклад 0,20 п.л.)

Другие работы, опубликованные автором по теме докторской диссертации

30. Лемешко Н.В. Перспективы использования параметрических моделей радиоэлектронных средств // Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств, сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2010. — с.52-58. — 0,45 п.л.

31. Лемешко Н.В. Предикативно-логические надстройки расширенной функциональности для комплексных моделей радиоэлектронных средств // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2010. — с.65-76. — 0,77 п.л.

32. Лемешко Н.В. Функционально-интерфейсные модели как средство моделирования радиоэлектронных устройств // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2010. — с.77-84. — 0,63 п.л.

33. Лемешко Н.В. Разработка моделей измерительных приемников для исследования радиопомех // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы четырнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2011. — с.192-204. — 0,53 п.л.

34. Лемешко Н.В. Виртуальная калибровка моделей измерительных приемников с квазипиковым детектором // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы четырнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2011. — с.205-216. — 0,46 п.л.

35. Лемешко Н.В. Виртуальная сертификация РЭС по показателям помехоэмиссии как перспективное направление в ЭМС // Труды РНТО РЭС им. A.C. Попова, научная сессия, посвященная дню радио, выпуск LXVI. — М.: РНТО РЭС им. A.C. Попова, 2011. — с.334-337. — 0,29 п.л.

36. Лемешко Н.В. Разработка универсальной схемы замещения инерционного индикаторного стрелочного прибора // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2011. — с.47-57. — 0,61 п.л.

37. Лемешко Н.В. Схемы замещения детекторов измерительных приемников для исследования радиопомех // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов, —М.: МИЭМ, 2011, —с.57-66. —0,71 п.л.

38. Лемешко Н.В. Разработка моделей измерительных приемников для исследований в области ЭМС // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2011. — с.67-75. — 0,65 п.л.

39. Лемешко Н.В. Виртуальная калибровка моделей измерительных приемников для исследований в области ЭМС // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2011. — с.75-83. — 0,49 п.л.

40. Лемешко Н.В. Результаты калибровки моделей измерительных приемников с детекторами, отличными от квазипикового // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2011. — с.83-94. — 0,78 п.л.

41. Лемешко Н.В. Разработка и калибровка моделей измерительных приемников с квазипиковым детектором для виртуальных исследований в области ЭМС // Труды IX международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. — С.-Пб.: ЛЭТИ, 2011. — с.445-448. — 0,38 п.л.

42. Лемешко Н.В. Моделирование функций фликерметра при виртуальных исследованиях кондуктивных помех в электросетях // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы пятнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2012. — с.130-138.-0,55 п.л.

43. Лемешко Н.В. Моделирование функций анализатора кратковременных радиопомех для виртуальных исследований в области ЭМС // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы пятнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2012.

— с.139-146, —0,53 п.л.

44. Лемешко Н.В. Модели измерительных приемников в формах, отличных от схемной: основы построения и перспективы использования // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы пятнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2012,

— с.147-153. — 0,55 п.л.

45. Лемешко Н.В. Теоретические основы моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех // М.: МИЭМ, 2012. — 196 с. — 13,8 п.л.

46. Лемешко Н.В. Перспективы использования моделей измерительных приемников в формах, отличных от схемной // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2012,— с.88-93. —0,56 п.л.

47. Лемешко Н.В. Методика и результаты оценки характерных погрешностей моделей измерительных приемников для виртуальных исследований в области ЭМС // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2012. — с.94-100. — 0,59 п.л.

48. Лемешко Н.В. Моделирование функций анализатора кратковременных радиопомех // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2012 —с.100-107,—0,59 п.л.

49. Лемешко Н.В. Анализ методов рения электродинамических задач и перспективы их использования при виртуальной сертификации радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех // «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. — М.: МИЭМ, 2012 — с.107-114. — 0,72 п.л.

50. Лемешко Н.В. Неопределенность результатов виртуальной сертификации РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы шестнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2013. — с.175-180.-0,42 п.л.

51. Лемешко Н.В. Структура виртуального проекта в системе автоматизации проектирования радиоэлектронных средств с функцией виртуальной сертификации по эмиссии излучаемых радиопомех // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы шестнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2013. — с.181-185.-0,33 п.л.

52. Лемешко Н.В. Разработка структуры программных средств системы автоматизации проектирования с функцией виртуальной сертификации радиоэлектронных устройств по эмиссии излучаемых радиопомех // «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», материалы шестнадцатого научно-практического семинара. — М.: МИЭМ, 2013. — с. 186190. 0,33 п.л. (в соавт. с Захаровой С.С.; авт. вклад 0,20 п.л.)

Лицензия ЛР № 020832 от «15» октября 1993 г. Подписано в печать «28» марта 2014 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2.

Тираж 150 экз. Заказ № 10 Типография издательства НИУ ВШЭ, 125319, г. Москва, Кочновский пр-д., д. 3.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"

05201451125' На правах рукописи

Лемешко Николай Васильевич

МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕРТИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ПО ЭМИССИИ ИЗЛУЧАЕМЫХ РАДИОПОМЕХ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в т.ч. системы и устройства

телевидения

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д.т.н., проф. Кечиев Л.Н.

Москва-2014

Содержание

Перечень сокращений...................................................................................................................5

Введение.........................................................................................................................................7

Глава 1. Анализ методов и средств обеспечения электромагнитной совместимости и содержания сертификационных испытаний по помехоэмиссии............................................16

1.1. Анализ современного состояния проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.....................................................................................................16

1.2. Анализ современных методов обеспечения ЭМС.........................................................25

1.3. Анализ процедуры сертификационных испытаний, требований к условиям их проведения и задействованным измерительным средствам...............................................32

1.4. Оценка возможности использования современных САПР для решения задач ЭМС, а также для осуществления виртуальной сертификации РЭС по помехоэмиссии..............45

1.5. Анализ современных методов моделирования РЭС.....................................................51

1.6. Постановка задач диссертационной работы..................................................................58

Глава 2. Разработка моделей средств измерений, используемых при проведении сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех...........................60

2.1. Разработка параметрических и функционально-интерфейсных моделей радиоэлектронных средств.....................................................................................................60

2.2. Разработка моделей узлов измерительных приемников и методов идентификации их параметров................................................................................................................................67

2.3. Разработка моделей измерительных приемников.......................................................100

2.4. Повышение вычислительной эффективности моделей ИП и разработка их упрощенных вариантов.........................................................................................................107

2.5. Результаты виртуальной калибровки моделей измерительных приемников и экспериментальная оценка их точности..............................................................................122

2.6. Разработка моделей дополнительных средств измерений, используемых при исследованиях радиопомех..................................................................................................140

2.7. Разработка методики использования моделей измерительных приемников при решении практических задач................................................................................................151

2.8. Выводы............................................................................................................................154

Глава 3. Разработка теоретических основ метода расчета электромагнитных полей, формируемых РЭС....................................................................................................................155

3.1. Теоретические основы построения электромагнитной модели РЭС для виртуальной сертификации по эмиссии излучаемых помех....................................................................155

3.2. Разработка методики отбора проводников, определяющих помехоэмиссию на частоте анализа......................................................................................................................179

3.3. Расчет компонентов электромагнитного поля типовых излучающих элементов печатных плат........................................................................................................................190

3.4. Расчет компонентов электромагнитного поля электрически коротких проводников, не являющихся прямолинейными........................................................................................206

3.5. Учет влияния конструкции радиоэлектронных средств на формируемое ими электромагнитное поле.........................................................................................................212

3.6. Анализ результатов экспериментальных исследований.............................................230

3.7. Выводы............................................................................................................................236

Глава 4. Разработка метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех............................................................................................238

4.1. Разработка метода моделирования РЭС как излучающего объекта..........................238

4.2. Результаты практической апробации метода моделирования РЭС как излучающего объекта....................................................................................................................................251

4.3. Разработка модели измерительной площадки, используемой при виртуальной сертификации РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.................................................261

4.4. Разработка метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.......................................................................................................270

4.5. Оценка неопределенности результатов виртуальной сертификации РЭС по уровню излучаемых радиопомех.......................................................................................................288

4.6. Апробация метода моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.......................................................................................................293

4.7. Выводы............................................................................................................................316

Глава 5. Разработка основ построения программного комплекса с функцией моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.................................................................................................................................318

5.1. Разработка общих требований к программному комплексу с функцией моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех и принципов его построения................................................................................................318

5.2. Разработка структуры программного комплекса........................................................328

5.3. Использование ПК ВС при проектировании РЭС.......................................................343

5.4. Методы тестирования ПК ВС.......................................................................................347

5.5. Аспекты промышленного внедрения ПК ВС..............................................................352

5.6. Выводы............................................................................................................................357

Заключение.................................................................................................................................358

Литература.................................................................................................................................361

Приложение 1. Примеры описаний моделей на входном языке WinSPICE 1.03.02...........376

Приложение 2. Протоколы измерений....................................................................................392

Приложение 3. Калибровочные таблицы для измерительной антенны, использовавшейся при экспериментальных исследованиях.................................................................................474

Приложение 4. Спектрограммы радиоизлучения ТРЭС (к протоколу №8 приложения 2) .....................................................................................................................................................475

Перечень сокращений

АКРП — анализатор кратковременных радиопомех

ДМ — диапазонная модель

ДН — диаграмма направленности

ИИП — инерционный индикаторный прибор

ИЛИН — источник линейно изменяющегося напряжения

ИМС — интегральная микросхема

ИНС — идеальный низкочастотный сигнал

ИНУН — источник напряжения, управляемый напряжением

ИНУТ — источник напряжения, управляемый током

ИО — испытуемый объект

ИП — измерительный приемник

ИП КД — измерительный приемник с квазипиковым детектором

ИП СКЗ — измерительный приемник с детектором среднеквадратичных значений

ИП СЗ — измерительный приемник с детектором средних значений

ИП ПД — измерительный приемник с пиковым детектором

ИПС — идеальный полосовой сигнал

ИТУН — источник тока, управляемый напряжением

КД — квазипиковый детектор

КЛ — копланарная линия

КМОП — комплементарная логика на транзисторах «металл-оксид-полупроводник» КРП — кратковременная радиопомеха ЛЗ — линия задержки

НИНУН — нелинейный источник напряжения, управляемый напряжением

НИТУН — нелинейный источник тока, управляемый напряжением

ОИТ — оборудование информационных технологий

РЭС — радиоэлектронное средство

САПР — система автоматизированного проектирования

ПК ВС — программный комплекс с функцией моделирования сертификационных испытаний

ПКМ — полностью конфигурируемая модель ПМ — параметрическая модель ПЧ — промежуточная частота СВЧ — сверхвысокие частоты

СИСПР — специальный международный комитет по радиопомехам

ТЗ — техническое задание

ТИЭ — типовой излучающий элемент

УИТ — управляемый источник тока

УИН — управляемый источник напряжения

УМ — упрощенная модель

ТРЭС — тестовое радиоэлектронное средство

ФИМ — функционально-интерфейсная модель

ФНЧ — фильтр низкой частоты

ФПЧ — фильтр промежуточных частот

ФРА — функция распределения амплитуд

ФСС — формирователь специальных сигналов

ЦФУВ — цепь формирования управляющих воздействий

ЭМО — электромагнитная обстановка

ЭМС — электромагнитная совместимость

ЭС — экспертная система

Введение

Радиоэлектронные средства (РЭС) функционируют в условиях естественных и искусственных радиопомех, в совокупности определяющих электромагнитную обстановку в местах их эксплуатации. Наличие свободно распространяющихся электромагнитных волн, а также кондуктивных помех порождает проблему электромагнитной совместимости (ЭМС), являющуюся одной из основных в радиотехнике. Важной особенностью электромагнитной совместимости как научно-практического направления является ее тесная взаимосвязь с функциональной безопасностью техногенных объектов и медицинской безопасностью, значимость которых в настоящее время общепризнанна.

Воздействие электромагнитных помех на РЭС может приводить к разным последствиям. Характер сбоев для конкретного образца в условиях совместного функционирования с другими РЭС определяется двумя основными аспектами — интенсивностью помехоэмиссии и помехоустойчивостью. Поэтому методы обеспечения ЭМС развиваются по двум основным путям, направленным в сторону снижения помехоэмиссии и повышения стойкости к кондуктивным и излучаемым радиопомехам.

В настоящее время разработаны общие принципы обеспечения ЭМС, учитывающие эти два направления и состоящие в использовании комплекса специальных конструкторских и схемотехнических методов. Повышение стойкости к радиопомехам, равно как и снижение помехоэимиссии, достигается путем экранирования, применением линий передачи специальных конструкций, использованием фильтров, снижением площади контуров проводников и рядом других мероприятий, закладываемых на разных этапах разработки РЭС.

В целях обеспечения единства используемых критериев соответствия РЭС требованиям по ЭМС для различных классов аппаратуры устанавливают нормы по помехоэмиссии и стойкости к радиопомехам при нормированнных условиях испытаний, определяемых стандартами. Подтверждение соответствия РЭС таким нормам выполняется в составе совокупности сертификационных испытаний.

При сертификационных испытаниях анализируются и кондуктивные, и излучаемые радиопомехи РЭС. На текущий момент методы защиты от кондуктивных помех, включающие в основном схемотехнические приемы, развиты в степени, достаточной для успешного использования в большинстве разработок, ориентированных на массовое производство, поэтому наиболее важной задачей является обеспечение соответствия РЭС нормам по эмиссии излучаемых радиопомех.

Сертификационные испытания по эмиссии излучаемых радиопомех на сегодняшний день являются основным и практически единственным методом подтверждения соответствия РЭС установленным нормам. Они предусматривают исследование радиопомех, формируемых РЭС, на открытых или альтернативных измерительных площадках с привлечением специального оборудования. Они проводятся в аккредитованных лабораториях, занимают до нескольких недель и имеют значительную стоимость. Бесспорным достоинством сертификационных испытаний в условиях специализированной лаборатории является их объективность и сравнительно небольшая погрешность, определяемая свойствами измерительной площадки и точностью используемого оборудования.

Вместе с тем, как следует из изложенного, на момент проведения сертификационных испытаний по помехоэмиссии разработчик не имеет гарантий их успешного завершения. Соответственно, неудача на сертификационных испытаниях приводит к явным временным и финансовым потерям, что недопустимо в условиях жесткой рыночной конкуренции.

Еще одним недостатком существующих принципов выполнения лабораторной оценки эмиссии излучаемых радиопомех является то, что при обнаружении превышения норм испытания обычно прекращают с формированием соответствующего заключения. Следовательно, разработчики, получив информацию о недопустимом уровне помехоэмиссии на некоторой частоте, не имеют представления о её уровне на других частотах. Поэтому последующая доработка РЭС может носить одноплановый характер и вместе с повторными испытаниями приобрести циклический характер.

Выполненные предварительные исследования показали, что на практике может быть применен усовершенствованный подход к обеспечению соответствия РЭС нормам помехоэмиссии, который снимает остроту указанных недостатков лабораторных испытаний. Для его реализации в состав стадии технического проектирования вводится новый этап, на котором на основе достаточной информации о схемотехнике и конструкции проектируемого РЭС выполняется схемотехническое и электродинамическое его моделирование, а также моделирование условий проведения сертификационных испытаний и средств измерений, предписанных к использованию при лабораторном анализе помехоэмиссии. Далее рассчитываются оценочные уровни помехоэмиссии на каждой интересующей разработчика частоте в выбранной точке наблюдения. Реализация такого подхода требует создания соответствующих методов и методик.

В России развитию методов моделирования РЭС как источников излучаемых и кондуктивных радиопомех, а также средств измерений, используемых при исследованиях

в области ЭМС, посвящены работы Князева А.Д., Воронина А.Я., Кечиева J1.I-L, Чермошенцева С.Ф., Юркевича Л.В. Из исследований в этой области в других странах следует выделить труды Poly К., Thihani L., Senior Т., Hristopulos Н., Braxton Т., Tasker S.

В работах этих авторов обоснована необходимость оценки помехоэмиссии на стадии проектирования технических средств, намечены первичные пути их численного исследования как излучающих объектов, изложен ряд концептуальных идей по моделированию средств измерений, используемых в лабораторных исследованиях помехоэмиссии.

Применяемые на сегодняшний день методы обеспечения электромагнитной совместимости характеризуются ориентированностью на экспериментальные оценки и опыт разработчиков. Вместе с тем, отечественные и зарубежные специалисты признают, что такой подход к решению связанных с ЭМС вопросов далеко не всегда состоятелен, поскольку обычно не оперирует с количественными оценками помехоэмиссии. Избыточность закладываемых мер по ЭМС также негативно сказывается на конечном изделии, т.к. ведет к увеличению стоимости производства РЭС. Таким образом, разработка методологии моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех позволит существенно расширить спектр средств, применяемых при обеспечении ЭМС, и качественно улучшить уже используемые методы.

Из изложенного следует, что решаемая в диссертации проблема расчетной оценки уровня излучаемых радиопомех для радиоэлектронных средств на стадии их проектирования, в т.ч. в условиях, соответствующих сертификационным испытаниям по помехоэмиссии, является актуальной и важной в научном и прикладном смысле.

Целью работы является повышение эффективности используемых проектных решений РЭС путем разработки и практического использования новых методов, предназначенных для оценки уровня излучаемых радиопомех на стадии проектирования в условиях, соответствующих сертификационным испытаниям по помехоэмиссии. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.

1. Проведен анализ современного состояния проблемы электромагнитной совместимости и методов ее обеспечения, проанализирована процедура лабораторных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех и оценена возможность их перевода в плоскость моделирования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

2. Разработана концепция новых типов схемных моделей радиоэлектронных средств, допускающих изменение параметров непосредственно в процессе моделирования и являющихся обобщением классических моделей с жесткой структурой.

3. На основе представления о параметрических и функционально-интерфейсных моделях РЭС разработаны модели средств измерений, используемых при выполнени