автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Методы и устройства контроля, диагностики и обеспечения электромагнитной совместимости электрических соединений аппаратуры космического применения

На правах рукописи

Орлов Павел Евгеньевич

Методы и устройства контроля, диагностики и обеспечения электромагнитной совместимости электрических соединений аппаратуры космического применения

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005542920

5 ДЕК 2013

Томск-2013

005542920

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель - Газизов Тальгат Рашитович,

доктор технических наук, старший научный сотрудник (ТУСУР)

Официальные оппоненты: Беличенко Виктор Петрович

доктор физ.-мат. наук, профессор Национального исследовательского Томского государственного университета

Заревич Антон Иванович, кандидат технических наук, доцент Национального исследовательского Томского политехнического университета

Ведущая организация — Открытое акционерное общество

«Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 9:00 на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан УЬ^ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу: Филатову A.B., 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01 доктор технических наук

Филатов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Непрерывный рост влияния космической техники на различные аспекты жизни общества предъявляет к ней все более высокие требования. Современный космический аппарат (КА) - высокотехнологичное устройство, состоящее из множества приборов, устройств и измерительной аппаратуры, связанных между собой высокочастотными и низкочастотными линиями передачи. Поэтому их надежности, контролю и диагностике необходимо уделять особое внимание. Поскольку традиционные подходы, успешно применяемые в гражданской технике, не всегда соответствуют требованиям, предъявляемым к ним космонавтикой, необходимы новые подходы, в том числе основанные на эффектах, возникающих при распространении электромагнитных волн по линиям передачи.

Задача увеличения срока активного существования КА на орбите до 15 лет требует повышения надежности и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Сложная электромагнитная обстановка (ЭМО) орбиты, переход на негерметичный корпус, наряду с высокой плотностью монтажа и увеличивающейся шириной спектра полезных сигналов, приводят к необходимости жесткого ограничения излучаемых эмиссий. К сожалению, обычные методы (например, экранирование) часто неприемлемы для КА, поскольку ведут к ухудшению массогабаритных показателей.

Для КА важен мониторинг кондуктивных эмиссий в электрических цепях. Даже в процессе наземных испытаний в аварийных режимах работы КА возникают ситуации ухудшения ЭМО, приводящие к аномалиям в логике функционирования. Для придания результатам испытаний большей объективности применяются приборы наземного контроля и регистрации помех, позволяющие регистрировать стохастические кондуктивные помехи в электрических цепях. Однако измерения с их помощью имеют свои недостатки — возможны внешние наводки на длинные измерительные цепи и потери (затухание) кондуктивных помех в измерительных цепях от точек контроля до самого измерителя. Это может приводить к снижению достоверности измерения. Очевидно, что для повышения достоверности результатов измерения параметров помех необходимо приблизить измеритель к точкам контроля, т.е. поместить его внутри КА. При летной эксплуатации это позволит выполнять мониторинг ЭМО и прогноз возникновения аномальных ситуаций.

Особенностью схемотехники и трассировки печатных плат КА является резервирование трасс: параллельное электрическое соединение от одной точки к другой двумя трассами, проведенными разными путями. При этом могут образовываться большие контуры протекания токов со значительными излучаемыми эмиссиями.

Данные тенденции требуют новых подходов, обеспечивающих ЭМС, контроль и диагностику функционирования электрических соединений аппаратуры космического применения. Разработка и исследование этих подходов невозможны без тщательного моделирования. В этой связи актуальным становится применение систем электродинамического и квазистатического моделирования. Однако, оценке точности и корректности результатов моделирования необхо-

димо уделять особое внимание, поскольку использование систем моделирования требует высокой компетентности в смежных областях: физика волновых процессов, высшая математика, вычислительная техника.

Цель работы - разработка методов и устройств контроля, диагностики и обеспечения электромагнитной совместимости электрических соединений аппаратуры космического применения.

Для её достижения необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать применение модального разложения сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.

2. Разработать новые подходы к обеспечению ЭМС КА.

3. Разработать комплекс программ для моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях.

В работе применены: экспериментальное и компьютерное моделирование, электродинамический и квазистатический анализ, численные методы (метод моментов, метод конечных интегралов, модифицированный узловой метод).

Достоверность результатов подтверждена сравнением результатов моделирования с результатами, полученными с помощью других программных продуктов, и с экспериментальными результатами.

Научная новизна

1. Разработан и обоснован новый бесконтактный метод обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений, отличающийся применением модального разложения импульсного сигнала.

2. Выявлена зависимость длины наибольшего отрезка трехпроводной структуры от частоты первого минимума спектра гауссова импульса, распространяющегося по этой структуре, и разности погонных задержек синфазной и дифференциальной мод.

3. Получены формулы для определения числа субимпульсов при неполном модальном разложении.

4. Предложена новая концепция создания датчиков для контроля электромагнитной обстановки, отличающихся интегрированностью в печатные платы и использованием перекрестных наводок.

5. Предложено проведение трасс с резервированием, отличающееся учетом излучения от образованных контуров протекания прямого и обратного токов.

Теоретическая значимость

1. Теоретически доказана возможность применения модального разложения импульсного сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.

2. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс численных методов (метод моментов, метод конечных интегралов, модифицированный узловой метод).

3. Изложена концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в бортовой аппаратуре космических аппаратов.

4. Изучена связь частоты минимума в спектре гауссова импульса на дальнем конце активной линии с разностью полных задержек синфазной и дифференциальной мод в связанных линиях.

Практическая значимость

1. Предложены и защищены патентами на изобретение устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи и устройство обнаружения импульсов в многопроводных линиях передачи.

2. Представлены рекомендации по уменьшению электромагнитного поля цепей с резервированием трасс, только за счет изменения их трассировки, для пяти модулей комплекса энергопреобразования космического аппарата «Экс-пресс-АМ5».

3. Создан комплекс программ для квазистатического моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях.

Использование результатов

1. Результаты имитационного моделирования распространения импульса в структурах с модальным разложением сигнала использованы при выполнении проекта по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор КР 04/08 от 1.01.2008).

2. Принцип применения модального искажения сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных соединений использован в ходе выполнения составной части ОКР «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008 с ОАО «ИСС», г. Железногорск).

3. Исследования модальной фильтрации в полосковых структурах использованы для изготовления и поставки 12 макетов модальных фильтров для защиты сети Fast Ethernet от сверхкоротких импульсов (хоздоговор НИИЦ/НИР/10-01 от 15.01.2010 с ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург).

4. Результаты вычислительного и натурного экспериментов по распространению импульса в структурах с модальным разложением сигнала использованы в ходе ОКР «Разработка комплекса программных и технических средств для контроля информационных магистралей, обеспечения электромагнитной совместимости и исследования надежности унифицированного ряда электронных модулей на основе технологии "система-на-кристалле" для систем управления и электропитания космических аппаратов связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования» (тема «УЭМ-ТУСУР», хоздоговор 95/10 от 24.11.2010 в рамках реализации постановления 218 Правительства РФ).

5. Предложенное применение трасс печатных плат БА КА для создания датчиков контроля ЭМО в БА КА использовано в ходе разработки аванпроекга ОКР «Разработка принципов построения и элементов системы автономной навигации с применением отечественной специализированной элементной базы на основе наногетерострукгурной технологии для космических аппаратов всех типов орбит» (тема «САН», хоздоговор 96/12 от 16.11.2012 с ОАО «ИСС» в рамках реализации постановления 218 Правительства РФ).

6. Результаты электродинамического модедирования семикаскадных модальных фильтров различной конфигурации использованы в ходе НИОКР «Разработка эскизных проектов модальных фильтров защиты различной аппаратуры

от импульсов высокого напряжения» в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор 8569р/13904 от 17.12.2010).

7. Разработанный комплекс программ, анализ спектра сигнала на выходе двух- и трехпроводной структур многослойной печатной платы использованы в ходе ОКР «Создание устройства обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных структур на основе модального зондирования» в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор 10466р/18719 от 08.06.2012).

8. Разработанный комплекс программ использован в учебном процессе Томского государственного университета: целевая подготовка магистрантов физико-технического факультета по программе «Космические промышленные системы» для предприятия «Газпром космические системы», г. Королев.

9. Программы для вычисления в системе ТАЬОАТ матриц первичных параметров, частотного и временного откликов в структурах плоских кабелей и печатных плат внедрены в учебный процесс ТУСУРа: использованы в практических и лабораторных работах, а также в ходе выполнения выпускной квалификационной работы.

Апробация результатов. Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в конкурсах:

1. «УМНИК» Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2007.

2. «СТАРТ» Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2012.

3. Соискание стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, 2013.

5. Научные достижения молодых ученых Томской области, 2013.

6. Грант РФФИ 13-07-98017 р_сибирь_а, 2013.

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Всерос. научно-практ. конф. «Проблемы инф. безопасности государства, общества и личности», г. Томск, 2007; Межд. молодежная научная конф. «Туполевские чтения», г. Казань, 2007; Межд. научно-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2008, 2010; Всерос. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2007, 2010, 2011, 2012; Научно-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск, 2008, 2010; Межд. симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2011; Межд. конф. по защите от молний 1СЬР, г.Вена, Австрия, 2012; Межд. конф. Е1ЖОЕМ, г. Тулуза, Франция, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ (7 работ без соавторов), в т.ч. 1 монография, 8 статей в журналах из перечня ВАК, 3 работы в трудах зарубежных конференций, 3 патента на полезную модель, 4 патента на изобретение, 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 4 главы, заключение, список литературы из 119 наим., приложение 15 с. Объём

диссертации без приложения - 192 е., в т.ч. 141 рис. и 39 табл. Во Введении представлена краткая характеристика работы. В гл. 1 выполнен обзор исследований по модальному разложению сигнала, совершенствованию ЭМС, контроля и диагностики электрических соединений, а также резервированию. В гл. 2 обоснована возможность применения модального разложения для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений. В гл. 3 приведены новые подходы к обеспечению ЭМС КА. В га. 4 представлено описание комплекса программ для квазистатического моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях. В Заключении подведены итоги работы. Далее приведён список литературы. В Приложении представлены копии документов, подтверждающих использование результатов работы.

Личный вклад. Все результаты работы получены автором лично или при непосредственном его участии. Эксперимент выполнен совместно с Заболоцким А.М. Обработка и интерпретация результатов выполнена лично автором. Подготовка основных публикаций выполнена автором совместно с Газизо-вым Т.Р.

Положения, выдвигаемые для публичной защиты

1. Модальное разложение импульсного сигнала применимо для бесконтактного обнаружения и диагностики электрических соединений.

2. Длина наибольшего отрезка при разрыве в пассивном проводнике трехпроводной структуры обратно пропорциональна произведению частоты первого минимума спектра гауссова импульса, распространяющегося по этой структуре, на разность погонных задержек синфазной и дифференциальной мод, если она не равна нулю.

3. Предложенное проведение трасс в цепях с резервированием (создающее противоположные направления токов в контурах, так что поле контура, образованного резервируемой трассой прямого тока и трассой обратного тока, компенсируется полем контура, образованного резервной трассой прямого тока и трассой обратного тока) позволяет уменьшить до 14 раз уровень напряженности поля за счет изменений топологии печатных проводников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО МОДАЛЬНОМУ РАЗЛОЖЕНИЮ СИГНАЛА,

КОНТРОЛЮ, ДИАГНОСТИКЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

В разделе 1.1 приведен обзор исследований модального разложения сигнала в электрических соединениях. Продемонстрированы возможности модального разложения и последующего восстановления сигнала за счет различия задержек распространения его синфазной и дифференциальной мод в трехпро-водных электрических соединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением. В работах приведены необходимые условия как только для разложения, так и для разложения с последующим восстановлением. Примечательно, что анализ исследований указывает на возможность практического применения модального разложения для защиты от сверхкоротких импульсов и определения возможной причины низкой эффективности уже существующих защитных при-

боров. Однако в приведенных исследованиях не рассматривается возможность использования модального разложения для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.

В разд. 1.2 приведен краткий обзор существующих методов обнаружения и диагностики электрических соединений. По мнению автора, существующие методы, при всех их достоинствах, не могут полностью удовлетворить требованиям, предъявляемым к ним, и имеют свои недостатки. Поэтому актуальна разработка новых методов, основанных на ранее неиспользованных физических явлениях, в том числе и на модальном разложении импульсных сигналов.

В разделе 1.3 приведен краткий обзор развития стандартов по испытаниям на ЭМС КА. Отмечено, что пристальное внимание в современных стандартах уделяется контролю кондукгивных и излучаемых эмиссий.

В разделе 1.4 приведен обзор исследований, посвященных методу моментов, особенностям использования систем моделирования для практических задач вычисления поля.

2. ПРИМЕНЕНИЕ МОДАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ СИГНАЛА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ, ИДЕНТИФИКАЦИИ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

2.1 Анализ трёхпроводной структуры с одной диэлектрической границей

Представлены результаты первых исследований по реализации модального зондирования: вычислена разность погонных задержек мод в трёхпроводной структуре с одной диэлектрической границей в диапазоне изменения различных параметров. Показано, что разность погонных задержек синфазной и дифференциальной мод составляет примерно 1 нс/м.

2.2 Устройство активного модального зондирования

Приводится краткое описание применения модального разложения импульсного сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений, а также устройства на этой основе, защищенного патентом на изобретение.

Задачи обнаружения, идентификации и диагностики решаются за счет того, что при распространении импульса в многопроводной структуре (из N проводников, не считая опорного) с неоднородным диэлектрическим заполнением он может подвергаться модальным искажениям в виде разложения на N импульсов меньшей амплитуды из-за различия погонных задержек мод в линии. Таким образом, если зондируемые проводники (их наличие, количество, положение, диэлектрическое окружение) приводят к различию задержек мод, то информацию о зондируемых проводниках можно получить по форме сигнала в зондирующей линии (это называется активным модальным зондированием).

Структурная схема устройства, реализующего активное модальное зондирование, приведена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема устройства активного модального зондирования

2.3 Устройство пассивного модального зондирования

Показано применение модального разложения сигнала для обнаружения распространения сверхкороткого импульса в линии. Устройство на этой основе защищено патентом на изобретение.

2.4 Анализ искажений формы гауссова импульса при модальном зондировании

Продемонстрирована возможность определения разрешения импульсов во временной области помощью производных первого и второго порядков. Получены формулы для определения числа субимпульсов при неполном модальном разложении импульсного сигнала с помощью дифференцирования.

2.5 Анализ спектра сигнала на выходе двух- и трехпроводной структур многослойной печатной платы при воздействии гауссова импульса

Приведены частотные отклики структур многослойной печатной платы. Получена формула (2.1), устанавливающая зависимость длины наибольшего отрезка трехпроводной структуры, при разрыве пассивного проводника, от частоты первого минимума спектра гауссова импульса, распространяющегося по этой структуре, и разности погонных задержек мод

1

(2.1)

/ = -

2/оК~то|

где I - длина проводника; /0 - частота минимума; те и т„ - погонные задержки синфазной и дифференциальной мод. Формула проверена на результатах натурного и вычислительного экспериментов. В качестве объекта вычислительного эксперимента выбрана фрагмент реальной многослойной печатной платы, применяемой в ОАО «ИСС».

2.6 Экспериментальное подтверждение модального зондирования

Для экспериментального подтверждения возможностей обнаружения и диагностики электрических соединений измерены параметры импульсного сигнала в начале и конце зондирующей пары проводников плоского трехпроводного кабеля. Таким образом, на примере кабеля исследовалась возможность зондирования пассивного проводника (без контакта с ним) по сигналу между активным и опорным проводниками.

Для структур без разрыва и с разрывом рассматривались различные граничные условия на концах зондируемого проводника: холостой ход (XX), ко-

роткое замыкание (КЗ), резистор 100 Ом между пассивным и опорным проводниками (рис. 2.26). Воздействие подавалось между опорным и активным проводниками через формирователь импульса (внутреннее сопротивление Я 1=50 Ом и максимальная амплитуда 10 В).

шш

Рисунок 2.2 - Поперечное сечение кабеля ПУГНП 3x1,5, проводники: А- активный; О -опорный; П - пассивный (о), принципиальная схема структуры без разрыва (б) и с разрывом (в) пассивного (зондируемого) проводника

Входное сопротивление преобразователя ПС-18 Л3=50 Ом, а Ю. и Л4 изменялись: XX, КЗ, 100 Ом. Параметры импульса, измеренные на выходе формирователя на нагрузке 50 Ом, приведены в табл. 2.1. Измерения исходного импульса выполнялись с использованием аттенюатора 20 дБ, а остальные - без аттенюатора. Измеренное время задержки самой быстрой моды (с учетом предела допускаемой погрешности 7,5 % для осциллографа С9-11) составляет 72±5,4нс, что соответствует вычисленной погонной задержке Т! (табл. 2.2), умноженной на длину структуры (4,68 нс/м х15 м=70,2 не).

Форма импульса Треугольная

Амплитуда 225 мВ

Фронт (0,1-0,9) 280 пс

Спад (0,1-0,9) 280 пс

Длительность (0,5) 200 пс

Матрицы Погонные задержки и их разность

Ь, нГн/м С, пФ/м Ъ, Ом Т|, нс/м 12, нс/м Дт, нс/м

447,3 106,57 106,57 447,3 55 -9,4 -9,4 55 93,4 58,6 58,6 93,4 4,68 5,02 0,34

Форма сигналов на дальнем конце зондирующего проводника приведена на рис. 2.3. Исходный сигнал при распространении в структуре без разрыва раскладывается на два импульса (рис. 2.3сг). Это связано с тем, что в структуре возбуждаются синфазная и дифференциальная моды, а разность их задержек больше, чем длительность импульса. По существу, появление второго импульса на дальнем конце зондирующей линии обусловлено присутствием пассивного зондируемого проводника. Эти результаты подтверждают возможность обнаружения пассивного проводника. При разрыве в зондируемом проводнике количество импульсов увеличивается до 4-х, но из-за влияния потерь и дисперсии они сливаются. Разность задержек прямого и отраженного сигналов, около 48 не, соответствует погонной задержке Т1 (см. табл. 2.2), умноженной на двойную

длину первого отрезка (4,68 нс/м х2*5 м=46,8 не). Это подтверждает возможность диагностики пассивного проводника без контакта с ним.

Рисунок 2.3 - Форма сигнала в конце зондирующего проводника структуры без разрыва (а) и с разрывом (<5)

2.7 Основные результаты главы

1. Разработано и обосновано применение модального разложения импульсного сигнала для бесконтактного обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.

2. Получена и проверена аналитическая формула, определяющая связь между частотой первого минимума и разностью погонных задержек мод, позволяющая рассчитать расстояние до разрыва в зондируемой линии. Апробация формулы проведена на результатах моделирования и эксперимента.

3. Вычислительный и натурный эксперименты по распространению импульсного сигнала в кабеле марки ПУГНП 3x1,5 подтвердили возможность практической реализации модального зондирования.

4. Получены формулы для определения числа субимпульсов при неполном разложении импульсного сигнала, подвергшегося модальным искажениям. Они расширяют возможности модального зондирования, поскольку позволяют использовать неполное разложение зондирующего сигнала в структурах, где из-за различных ограничений (длина структуры, значения разностей задержек мод и т.д.) нельзя получить полное разложение. Апробация формул проведена на оцифрованной осциллограмме импульсного сигнала, подвергшегося неполному модальному разложению.

5. Анализ частотного отклика для двух- и трехпроводных структур печатной платы БА КА, состоящих из одного и двух отрезков, показал изменения в частотном отклике при разрыве одного из пассивных проводников. Выявлено, что наличие разрыва изменяет значение частоты первого минимума в спектре сигнала на дальнем конце структуры.

6. На основании результатов натурного и вычислительного экспериментов доказана возможность определения граничных условий на концах зондируемых проводников.

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

3.1 Новая концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в бортовой аппаратуре космических аппаратов

Предложена новая концепция создания интегрированных датчиков на основе трасс в слоях печатных плат с металлическим основанием, применяемых в БА КА. Концепция основана на следующем положении. Если контролируемый (активный) проводник имеет достаточно сильные электрические и магнитные связи с пассивными проводниками, выполняющими функцию датчика, то информацию о сигналах в активном проводнике можно получать по форме перекрестных наводок на ближнем и дальнем концах пассивных проводников. Показано, что уровень перекрестной наводки в датчике контроля ЭМО БА КА может составлять до 34 % от уровня сигнала в контролируемых линиях.

3.2 Уменьшение электромагнитного поля цепей с резервированием трасс Рассмотрены варианты трассировки цепей с резервированием трассы прямого тока. Их схематичное изображение приведено на рис. 3.1. Исследование проводилось в системе электродинамического моделирования. В результате получилось 2268 графиков формы импульса (2 модели х 3 расстояния х 3 структуры х 21 монитор поля х 2 поля х 3 составляющих поля). Предложенный подход (рис. 3.1 в) позволяет уменьшить до 14 раз уровень напряженности поля только за счет изменений топологии печатных проводников.

1 Резервная трасса 4 % прямого тока

Нагрузка

Плохой

Трасса прямого тока

Источник

^ Трасса обратного токя

Нагрузка

Г>1

Лучший

Резервная трасса прямого тока

| Трасса прямого ток.и

Источник ч

, Трасса обратного тока-,

К

Нагрузка

Л\

Наилучший

Трасса прямого тока

Трасса обратного тока

Резервная трасса прямого тока

Рисунок 3.1 - Варианты резервирования трасс прямого тока: а) плохой - большая площадь контура, образованного трассой обратного тока и резервной трассой прямого тока; б) лучший - уменьшенная площадь контура, образованного трассой обратного тока и резервной трассой прямого тока; в) наилучший (трассы прямого тока проходят симметрично и по разные стороны относительно трассы обратного тока) - поле контура трасс прямого тока и обратного тока компенсируется полем контура, образованного резервной трассой прямого тока

и трассой обратного тока

3.3 Основные результаты главы

1. Предложена новая концепция создания интегрированных датчиков для контроля ЭМО в БА КА. Приведены результаты квазистатического моделирования, подтверждающие возможность её практической реализации.

2. Выполнено электродинамическое моделирование цепей с резервированием трасс БА КА.

3. Представлен и обоснован новый метод трассировки цепей с резервированием трасс, позволяющий улучшить ЭМС БА КА за счет уменьшения эмиссии ЭМ поля контуров протекания прямого и обратного токов.

4. Показано, что значение полей ассиметричной структуры во всех рассмотренных случаях (в вакууме, с пластиной, в корпусе) всегда больше, чем у симметричной. Это позволяет утверждать, что при резервировании, трассу обратного тока лучше симметрично расположить между трассами протекания прямого тока.

4. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ ДЛЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МОДАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ СИГНАЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ 4.1 Разработка комплекса программ

Разработанный комплекс программ состоит из файлов скриптов в системе ТАЬОАТ, позволяющей вычислять матрицы погонных параметров Ь, С, К, в многопроводных линий передачи методом моментов и модифицированным узловым методом. Комплекс позволяет получать временные и частотные характеристики, проводить учет различных граничных условий на концах проводников для анализа конфигураций из множества отрезков произвольной длины.

Задачи, решаемые с использованием комплекса:

1. Вычисление матриц погонных параметров для структур:

1) кабельной трехпроводной, в однородной диэлектрической среде;

2) кабельной трехпроводной, с одной диэлектрической границей;

3) кабельной трехпроводной, в однородной диэлектрической среде с дополнительной изоляцией вокруг проводников;

4) кабельной трехпроводной, с одной диэлектрической границей с дополнительной изоляцией вокруг проводников;

5) кабеля ПУГНП 3x1,5;

6) кабеля ВВГ 3x1,5;

7) кабеля ВВГ 3x2,5;

8) кабеля ВВГ 3x4;

9) из двух печатных проводников на одной стороне диэлектрической подложки;

10) связанной линии из двух проводников на одной стороне диэлектрической подложки и опорного проводника на другой;

11) из шести печатных проводников на разных сторонах диэлектрической подложки;

12) трехслойной печатной платы с числом трасс от 1 до 9.

2. Вычисление частотного и временного откликов для структур из одного и двух отрезков с резисторами на концах отрезков.

3. Многовариантный анализ в диапазоне изменения геометрических (длина, толщина, расстояния между проводниками и границами, наличие/отсутствие некоторых элементов структуры и т.д.) и физических

(относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, проводимость) параметров моделируемых структур.

4.2 Апробация комплекса программ

В данном разделе приведены результаты квазистатического и электродинамического моделирования как для тестовых структур, так и для структур, имеющих практический интерес. Проведено сравнение результатов, полученных с помощью разработанного комплекса и широко применяемой на практике системы электродинамического моделирования.

4.3 Основные результаты главы

1. Контроль промежуточных данных моделирования позволяет убедиться в точности полученных результатов.

2. Результаты моделирования, полученные разными подходами, различаются незначительно.

3. Квазистатический подход может давать результаты, сопоставимые по точности с электродинамическим, экономя при этом вычислительные ресурсы. Для рассмотренных примеров затраченное время меньше в 14,5—143 раза.

4. Увеличение расстояния между витками меандрового модального фильтра приводит к уменьшению коэффициента ослабления и выравниванию амплитудно-частотной характеристики, а увеличение числа каскадов увеличивает его коэффициент ослабления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы получены следующие результаты:

1. Приведены результаты вычислительного и натурного экспериментов по распространению импульсного сигнала в кабеле марки ПУГНП 3x1,5, подтверждающие возможность практической реализации модального зондирования. На основании приведенных результатов также доказана возможность определения граничных условий на концах зондируемых проводников.

2. Проведен анализ частотного отклика для двух- и трехпроводных структур печатной платы БА КА, состоящих из одного и двух отрезков. Выявлены изменения в частотном отклике при разрыве одного из пассивных проводников. Показано, что наличие разрыва изменяет значение частоты первого минимума в спектре сигнала на дальнем конце активной линии.

3. Выявлена зависимость расстояния до разрыва в зондируемой линии от частоты первого минимума спектра сигнала на дальнем конце зондирующей линии.

4. На основе исследований модального разложения импульсного сигнала в многопроводных структурах получены патенты на изобретение для устройства модального зондирования и устройства бесконтактного обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.

5. Предложена новая концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в БА КА. Приведены результаты квазистатического моделирования, подтверждающие возможность её практической реализации.

6. Представлен и обоснован новый метод трассировки цепей с резервированием трасс, позволяющий улучшить ЭМС БА КА за счет уменьшения излучаемых эмиссий контуров протекания прямого и обратного токов.

7. На основании результатов электродинамического моделирования пяти- и семикаскадного вариантов модального фильтра доказано, что увеличение числа каскадов приводит к росту коэффициента ослабления модального фильтра.

8. Разработан комплекс программ для моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях.

По результатам исследований опубликовано 37 научных работ, в т.ч. 1 монография, 8 статей в журналах из перечня ВАК и 4 патента на изобретение. Результаты работы использованы в ОАО «ИСС», г. Железногорск, ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург, в учебном процессе ТУСУРа и НИ ТГУ

Таким образом, цель работы достигнута: разработаны методы и устройства контроля, диагностики и обеспечения электромагнитной совместимости электрических соединений аппаратуры космического применения, что вносит существенный вклад в развитие страны.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ Монография

1. Орлов П.Е. Новые подходы к совершенствованию электрических соединений бортовой аппаратуры космических аппаратов : моногр. / П.Е. Орлов, Т.Р. Газизов. - Томск : Изд-во Томск, гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2013. - 184 с.

Статьи в журналах из перечня ВАК

2. Газизов Т.Р. Квазистатическое и электродинамическое моделирование модальных явлений в многопроводных структурах / Т.Р. Газизов, Е.С. Долга-нов, П.Е. Орлов // Инфокоммуникационные технологии. - 2011. - Т. 9, № 4. -С. 96-100.

3. Орлов П.Е. Уменьшение электромагнитного поля цепей с резервированием трасс / П.Е. Орлов, Т.Р. Газизов // Авиакосмическое приборостроение. — 2011.-№ 11.-С. 3-6.

4. Орлов П.Е. Новая концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в бортовой аппаратуре космических аппаратов / П.Е. Орлов, Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий // Авиакосмическое приборостроение. - 2012. - № 5. - С. 20-23.

5. Орлов П.Е. Экспериментальное подтверждение возможности бесконтактного определения граничных условий многопроводных структур посредством модального зондирования / П.Е. Орлов // Известия вузов. Физика. - 2012. -Т. 55,№9/3.-С. 96-100.

6. Орлов П.Е. Экспериментальное подтверждение возможности бесконтактной диагностики многопроводных структур посредством модального зондирования / П.Е. Орлов, Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий // Известия вузов. Физика. - 2013. - Т. 56, № 6. - С. 44-47.

7. Салов В.К. Важность корректного учета частотной зависимости диэлектрической проницаемости материалов при моделировании задач ЭМС / В.К. Салов, П.Е. Орлов, Т.Р. Газизов // Известия вузов. Физика. - 2012. -Т. 55,№9/3.-С. 106-109.

8. Орлов П.Е. Частотный анализ модальных искажений и его применение в диагностике электрических соединений / П.Е. Орлов, Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий // Известия вузов. Физика. - 2013. - Т. 56, № 9. - С. 113-114.

9. Газизов Т.Р. Применение квазистатического моделирования для верификации результатов натурного эксперимента при изучении модальных явлений в многопроводных структурах / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов //Инфокоммуникационныетехнологии. -2013.-Т. 11, №4.-С. 83-89.

Тезисы и доклады в зарубежных конференциях

10. Gazizov T.R. Evaluations of Protection Methods Using TVS-array and Modal Filter / T.R. Gazizov, A.M. Zabolotsky, A.O. Melkozerov, P.E. Orlov, I.G. Bevzenko, E.S. Dolganov // Book of abstracts EUROEM, Toulouse, France, 2012.-P. 106.

11. Gazizov T.R. Analysis of power dissipation in resistive terminations of single-and multistage modal filters / T.R. Gazizov, A.M. Zabolotsky, A.O. Melkozerov, E.S. Dolganov, P.E. Orlov // Proc. of 31-th Int. conf. on lightning protection, Vienna, Austria, 2012.

12. Gazizov T.R. Improved design of modal filter for electronics protection / T.R. Gazizov, A.M. Zabolotsky, A.O. Melkozerov, E.S. Dolganov, P.E. Orlov. // Proc. of 31-th Int. conf. on lightning protection, Vienna, Austria, 2012.

Патенты и свидетельства

13. Пат. на полезную модель 79355 Российская Федерация. Модальный фильтр / Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Мелкозеров А.О., Бевзенко И.Г., Само-тин И.Е., Орлов П.Е., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. -№2008127527/ 22(033781). Приоритет полезной модели 07.07.2008; опубл. 27.12.2008, Бюл. №36.

14. Пат. на полезную модель 79213 Российская Федерация. Устройство воздействия на аппаратуру / Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Орлов П.Е., Самотин И.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. - № 2008127574/22(033831); заявл. 07.07.2008; опубл. 20.12.2008, Бюл. № 35.

15. Пат. на полезную модель 800100 Российская Федерация. Устройство модального зондирования / Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. -№2008127580/22(033837); заявл. 07.07.2008; опубл. 20.01.2009, Бюл. № 2.

16. Пат. на изобретение 2386964 Российская Федерация. Устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи / Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Орлов П.Е., Самотин И.Е., Бевзенко И.Г., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. -№ 2009108905/28(011919); заявл. 10.03.2009; опубл. 20.04.2010, Бюл. №11.

17. Пат. на изобретение 2431912. Российская Федерация. Устройство для нарушения работы аппаратуры за счет разложения и восстановления импульсов / Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. -№2010108518/07(012013); заявл. 9.03.2010; опубл. 20.10.2011, Бюл. №29.

18. Пат. на изобретение 2431897 Российская Федерация. Устройство для нарушения работы аппаратуры за счет разложения и восстановления импульсов / Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Орлов П.Е., Самотин И.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. -№2010108520/07(012016); заявл. 09.03.2010; опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29.

19. Пат. на изобретение 2456588 Российская Федерация. Устройство обнаружения импульсов в многопроводных линиях передачи / Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Орлов П.Е. -№ 2010152388/28; приоритет изобретения 21.12.2010; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 20.

20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012610712. TALGAT 2010 / Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Вершинин Е.А., Са-лов В.К., Лежнин Е.В., Орлов П.Е., Бевзенко И.Г., Калимулин И.Ф. - Заявка № 2011617178; дата поступления 26.09.2011; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 13.01.2012.

21. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660373. TALGAT 2011 / Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ег.В., Са-лов В.К., Лежнин Ев.В., Орлов П.Е., Калимулин И.Ф., Суровцев P.C., Комнатное М.Е. - Заявка №2012618426; дата поступления 05.10.2012; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 16.11.2012.

22. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013619615. TALGAT 2012 / Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ев.В., Са-лов В.К., Лежнин Ег.В., Орлов П.Е., Калимулин И.Ф., Суровцев P.C., Ком-натнов М.Е., Газизов P.P., Ахунов P.P. - Заявка №2013617773; дата поступления 29.08.2013; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 11.10.2013.

Тезисы и доклады в отечественных изданиях

23. Газизов Т.Р. Вычисление разности погонных задержек мод в трехпроводной структуре с одной диэлектрической границей для реализации технологии модального зондирования / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов // Материалы 9-й всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», г. Томск, 15 февраля 2007 г. - Томск, 2007. - С. 30-34.

24. Заболоцкий A.M. Моделирование временного отклика трехпроводной структуры с одной диэлектрической границей для реализации технологии модального зондирования / A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов // Материалы докл. всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2007», г. Томск, 3-7 мая 2007 г. - Томск, 2007. -С. 93-95.

25. Заболоцкий A.M. Модальное зондирование проводных структур в авионике / A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов // 15-е Туполевские чтения : междунар. молодежная науч. конф., Казань, 9-10 ноября 2007 г. - Казань, 2007. -С. 206-208.

26. Заболоцкий A.M. Модальное зондирование многопроводных структур / A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов // Материалы 4-й междунар. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», г. Томск, 31 октября-3 ноября 2007 г. - Томск : В-Спектр, 2007. -С. 266-268.

27. Заблоцкий A.M. Использование модальных эффектов для диагностики многопроводных соединений / A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов, И.Е. Самотин // Науч.-техн. конф. молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства», 10-11 апреля 2008 г. — С. 179—181.

28. Орлов П.Е. Опыт электродинамического моделирования корпуса бортовой аппаратуры / П.Е. Орлов // Тез. докл. XVIII науч.-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск, 23 апреля 2010 г. — Томск, 2010. - С. 247-250.

29. Орлов П.Е. Моделирование распространения импульса в печатных проводниках бортовой аппаратуры / П.Е. Орлов, Е.С. Долганов// Материалы XIV междунар. науч. конф., посвященной памяти ген. конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск, 10-12 ноября 2010 г. - Железногорск, 2010. - Ч. 1, С. 162-163.

30. Орлов П.Е. Применение модального зондирования для обнаружения распространения сверхкоротких импульсов в межсоединениях бортовой аппаратуры космических аппаратов / П.Е. Орлов // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем : сб. материалов науч.-техн. конф. молодых специалистов ОАО «ИСС им. акад. М.Ф. Решетнева». - Железногорск, 2011. - С. 138-140.

31. Орлов П.Е. Сравнение коэффициентов ослабления пяти- и семиотрезочных модальных фильтров равной длины / П.Е. Орлов // Материалы докл. VI междунар. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г.Томск, 13-16 октября 2010 г.-Томск, 2010.-Ч. 1.-С. 11-14.

32. Орлов П.Е. Алгоритм метода FSV для сравнения результатов электродинамического моделирования / П.Е. Орлов // Материалы докл. всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ-СУР-2009», г. Томск, 12-15 мая 2009 г. Ч. 1. - Томск, 2009. - С. 116-118.

33. Орлов П.Е. Электродинамическое и квазистатическое моделирование корпуса и кабеля бортовой аппаратуры / П.Е. Орлов, Е.С. Долганов, A.C. Дементьев // Сб. науч. тр. «Электронные и электромеханические системы и устройства». - Томск, 2011. - С. 493-500.

34. Орлов П.Е. Использование погонных параметров для проверки корректности работы системы квазистатического моделирования / П.Е. Орлов // Материалы докл. всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011», г. Томск, 4-6 мая 2011 г. - Томск, 2011.-С. 129-132.

35. Защита от кондуктивных помех на основе модальной фильтрации: состояние дел и перспективы/ Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, А.О. Мелкозеров, П.Е. Орлов, И.Г. Бевзенко, Е.С. Долганов, Р.И. Аширбакиев // Тр. 9-го межд. симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 13-16 сентября 2011 г. - СПб., 2007. - С. 261-264.

36. Орлов П.Е. Квазистатическое моделирование модального зондирования не-однородностей в многопроводных структурах / П.Е. Орлов // Материалы докл. VII междунар. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 10-11 октября 2011 г.-Томск, 2011.-С. 44-48.

37. Орлов П.Е. Анализ искажений форм импульсного сигнала при модальном зондировании / П.Е. Орлов, А.Е. Горяев // Материалы докл. всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию ТУСУРа, «Научная сессия ТУСУР-2012», г. Томск, 16-17 мая 2012 г. Ч. 1. - Томск, 2009. - С. 85-87.

Тираж 100 экз. Заказ 1123. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

На правах рукописи

04201454140

Орлов Павел Евгеньевич

Методы и устройства контроля, диагностики и обеспечения электромагнитной совместимости электрических соединений аппаратуры космического применения

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., с.н.с. Газизов Тальгат Рашитович

Томск - 2013

/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО МОДАЛЬНОМУ РАЗЛОЖЕНИЮ СИГНАЛА, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ, КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.......................................................................13

1.1 Обзор исследований модального разложения сигнала в электрических соединениях...........................................................................14

1.1.1 Разложение импульса в отрезках связанных линий..............................14

1.1.2 Разложение в кабельных структурах......................................................18

1.1.3 Разложение в печатных платах................................................................24

1.1.4 Разложение в специальных полосковых структурах............................25

1.1.5 Условия разложения и восстановления..................................................26

1.1.6 Разложение и восстановление в силовых кабелях................................28

1.2 Обзор методов обнаружения и диагностики

электрических соединений.............................................................................32

1.2.1 Импульсная рефлектометрия...................................................................32

1.2.2 Метод колебательного разряда................................................................34

1.2.3 Метод петли...............................................................................................37

1.2.4 Акустический метод.................................................................................37

1.2.5 Индукционный метод...............................................................................39

1.3 Обеспечение электромагнитной совместимости аппаратуры космического применения..............................................................................41

1.4 Обзор исследований по моделированию электрических соединений.......45

1.4.1 Общие подходы к моделированию.........................................................45

1.4.2 Теория метода моментов..........................................................................47

1.4.3 Вычисление матриц параметров.............................................................50

1.4.4 Специфика моделирования......................................................................54

1.5 Постановка задач исследования.....................................................................60

2. ПРИМЕНЕНИЕ МОДАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ СИГНАЛА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ, ИДЕНТИФИКАЦИИ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ................................................................64

2.1 Анализ трёхпроводной структуры с одной диэлектрической

границей............................................................................................................65

2.2 Устройство активного модального зондирования.......................................72

2.3 Устройство пассивного модального зондирования.....................................77

2.4 Анализ искажений формы гауссова импульса при модальном зондировании...................................................................................................ВО

2.4.1 Дифференцирование импульса, состоящего из двух субимпульсов.............................................................................................81

2.4.2 Дифференцирование импульса, состоящего из трех субимпульсов.............................................................................................87

2.4.3 Дифференцирование реального сигнала, подвергшегося модальным искажениям...........................................................................91

2.5 Анализ спектра сигнала на выходе двух- и трёхпроводной структур многослойной печатной платы при воздействии гауссова импульса........93

2.6 Экспериментальное подтверждение возможностей модального зондирования..................................................................................................102

2.6.1 Натурный эксперимент...........................................................................102

2.6.2 Вычислительный эксперимент..............................................................116

2.6.3 Сравнение результатов натурного и вычислительного экспериментов.........................................................................................122

2.7 Основные результаты главы.........................................................................128

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.....................................................................129

3.1 Новая концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в бортовой аппаратуре космических аппаратов.................................................................................130

3.2 Уменьшение электромагнитного поля цепей с резервированием

трасс................................................................................................................135

3.3 Основные результаты главы.........................................................................152

4. РАЗРАБОТКАМ АПРОБАЦИЯ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ

ДЛЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

МОДАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ СИГНАЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СОЕДИНЕНИЯХ...............................................................................................153

4.1 Разработка комплекса программ..................................................................154

4.2 Апробация комплекса программ..................................................................157

4.2.1 Квазистатическое моделирование электрофизических параметров и электродинамическое моделирование распространения импульсного сигнала в печатной плате..................157

4.2.2 Квазистатическое и электродинамическое моделирование модального разложения в многопроводных структурах....................159

4.2.3 Использование промежуточных результатов для проверки корректности работы системы квазистатического моделирования........................................................................................164

4.2.4 Сравнение коэффициентов ослабления пяти- и семикаскадного модальных фильтров равной длины.....................................................166

4.2.5 Анализ временных и частотных характеристик семикаскадного модального фильтра................................................................................168

4.3 Основные результаты главы.........................................................................181

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................182

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.....................................................................184

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................193

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Непрерывный рост влияния космической техники на различные аспекты жизни общества предъявляет к ней все более высокие требования. Современный космический аппарат (КА) - высокотехнологичное устройство, состоящее из множества приборов, устройств и измерительной аппаратуры, связанных между собой высокочастотными и низкочастотными линиями передачи. Поэтому их надежности, контролю и диагностике необходимо уделять особое внимание. Поскольку традиционные подходы, успешно применяемые в гражданской технике, не всегда соответствуют требованиям, предъявляемым к ним космонавтикой, необходимы новые подходы, в том числе основанные на эффектах, возникающих при распространении электромагнитных волн по линиям передачи.

Задача увеличения срока активного существования КА на орбите до 15 лет требует повышения надежности и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Сложная электромагнитная обстановка (ЭМО) орбиты, переход на негерметичный корпус, наряду с высокой плотностью монтажа и увеличивающейся шириной спектра полезных сигналов, приводят к необходимости жесткого ограничения излучаемых эмиссий. К сожалению, обычные методы (например, экранирование) часто неприемлемы для КА, поскольку ведут к ухудшению массогабаритных показателей.

Для КА важен мониторинг кондуктивных эмиссий в электрических цепях. Даже в процессе наземных испытаний в аварийных режимах работы КА возникают ситуации ухудшения ЭМО, приводящие к аномалиям в логике функционирования. Для придания результатам испытаний большей объективности применяются приборы наземного контроля и регистрации помех, позволяющие регистрировать стохастические кондуктивные помехи в электрических цепях. Однако измерения с их помощью имеют свои недостатки -возможны внешние наводки на длинные измерительные цепи и потери (затухание) кондуктивных помех в измерительных цепях от точек контроля до самого измерителя. Это может приводить к снижению достоверности измерения.

Очевидно, что для повышения достоверности результатов измерения параметров помех необходимо приблизить измеритель к точкам контроля, т.е. поместить его внутри КА. При летной эксплуатации это позволит выполнять мониторинг ЭМО и прогноз возникновения аномальных ситуаций.

Особенностью схемотехники и трассировки печатных плат КА является резервирование трасс: параллельное электрическое соединение от одной точки к другой двумя трассами, проведенными разными путями. При этом могут образовываться большие контуры протекания токов со значительными излучаемыми эмиссиями.

Данные тенденции требуют новых подходов, обеспечивающих ЭМС, контроль и диагностику функционирования электрических соединений аппаратуры космического применения. Разработка и исследование этих подходов невозможны без тщательного моделирования. В этой связи актуальным становится применение систем электродинамического и квазистатического моделирования. Однако, оценке точности и корректности результатов моделирования необходимо уделять особое внимание, поскольку использование систем моделирования требует высокой компетентности в смежных областях: физика волновых процессов, высшая математика, вычислительная техника.

Цель работы - разработка методов и устройств контроля, диагностики и обеспечения электромагнитной совместимости электрических соединений аппаратуры космического применения. Для её достижения необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать применение модального разложения сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.

2. Разработать новые подходы к обеспечению ЭМС КА.

3. Разработать комплекс программ для моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях.

Достоверность результатов подтверждена сравнением результатов моделирования с результатами, полученными с помощью других программных продуктов, и с экспериментальными результатами.

Научная новизна

1. Разработан и обоснован новый бесконтактный метод обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений, отличающийся применением модального разложения импульсного сигнала.

2. Выявлена зависимость длины наибольшего отрезка трехпроводной структуры от частоты первого минимума спектра гауссова импульса, распространяющегося по этой структуре, и разности погонных задержек синфазной и дифференциальной мод.

3. Получены формулы для определения числа субимпульсов при неполном модальном разложении.

4. Предложена новая концепция создания датчиков для контроля электромагнитной обстановки, отличающихся интегрированностью в печатные платы и использованием перекрестных наводок.

5. Предложено проведение трасс с резервированием, отличающееся учетом излучения от образованных контуров протекания прямого и обратного токов.

Теоретическая значимость

¡.Теоретически доказана возможность применения модального разложения импульсного сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики электрических соединений.

2. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс численных методов (метод моментов, метод конечных интегралов, модифицированный узловой метод).

3. Изложена концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в бортовой аппаратуре космических аппаратов.

4. Изучена связь частоты минимума в спектре гауссова импульса на дальнем конце активной линии с разностью полных задержек синфазной и дифференциальной мод в связанных линиях.

Практическая значимость

1. Предложены и защищены патентами на изобретение устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи и устройство обнаружения импульсов в многопроводных линиях передачи.

2. Представлены рекомендации по уменьшению электромагнитного поля цепей с резервированием трасс, только за счет изменения их трассировки, для пяти модулей комплекса энергопреобразования космического аппарата «Экспресс-АМ5».

3. Создан комплекс программ для квазистатического моделирования модального разложения сигнала в электрических соединениях.

Использование результатов исследований

1. Результаты имитационного моделирования распространения импульса в структурах с модальным разложением сигнала использованы при выполнении проекта по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор КР 04/08 от 1.01.2008).

2. Принцип применения модального искажения сигнала для обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных соединений использован в ходе выполнения составной части ОКР «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008 с ОАО «ИСС», г. Железногорск).

3. Исследования модальной фильтрации в полосковых структурах использованы для изготовления и поставки 12 макетов модальных фильтров для защиты сети Fast Ethernet от сверхкоротких импульсов (хоздоговор НИИЦ/НИР/10-01 от 15.01.2010 с ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург).

4. Результаты вычислительного и натурного экспериментов по распространению импульса в структурах с модальным разложением сигнала использованы в ходе ОКР «Разработка комплекса программных и технических средств для контроля информационных магистралей, обеспечения электромагнитной совместимости и исследования надежности унифицированного

ряда электронных модулей на основе технологии "система-на-кристалле" для систем управления и электропитания космических аппаратов связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования» (тема «УЭМ-ТУСУР», хоздоговор 95/10 от 24.11.2010 в рамках реализации постановления 218 Правительства РФ).

5. Предложенное применение трасс печатных плат БА КА для создания датчиков контроля ЭМО в БА КА использовано в ходе разработки аванпроекта ОКР «Разработка принципов построения и элементов системы автономной навигации с применением отечественной специализированной элементной базы на основе наногетероструктурной технологии для космических аппаратов всех типов орбит» (тема «САН», хоздоговор 96/12 от 16.11.2012 с ОАО «ИСС» в рамках реализации постановления 218 Правительства РФ).

6. Результаты электродинамического моделирования семикаскадных модальных фильтров различной конфигурации использованы в ходе НИОКР «Разработка эскизных проектов модальных фильтров защиты различной аппаратуры от импульсов высокого напряжения» в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор 8569р/13904 от 17.12.2010).

7. Разработанный комплекс программ, анализ спектра сигнала на выходе двух- и трехпроводной структур многослойной печатной платы использованы в ходе ОКР «Создание устройства обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных структур на основе модального зондирования» в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор 10466р/18719 от 08.06.2012).

8. Разработанный комплекс программ использован в учебном процессе Томского государственного университета: целевая подготовка магистрантов физико-технического факультета по программе «Космические промышленные системы» для предприятия «Газпром космические системы», г. Королев.

9. Программы для вычисления в системе TALGAT матриц первичных параметров, частотного и временного откликов в структурах плоских кабелей и

печатных плат внедрены в учебный процесс ТУСУРа: использованы в практических и лабораторных работах, а также в ходе выполнения выпускной квалификационной работы.

Апробация результатов

Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в конкурсах:

1. «УМНИК» Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2007.

2. «СТАРТ» Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере, 2012.

3. Соискание стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, 2013.

5. Научные достижения молодых ученых Томской области, 2013.

6. Грант РФФИ 13-07-98017 р_сибирь_а, 2013.

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Всерос. научно-практ. конф. «Проблемы инф. безопасности государства, общества и личности», г. Томск, 2007; Межд. молодежная научная конф. «Туполевские чтения», г. Казань, 2007; Межд. научно-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2008, 2010; Всерос. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г.Томск, 2007, 2010, 2011, 2012; Научно-техн. конф. «Электр