автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости

На правах рукописи

РОМАЩЕНКО Михаил Александрович

МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 5 МАП 2014

Воронеж - 2014

005547768

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Макаров Олег Юрьевич

Официальные оппоненты: Кечиев Леонид Николаевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации», ФГАОУ ВПО «Московский институт электроники и математики НИУ «Высшая школа экономики», г. Москва;

Павлов Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов;

Ачкасов Владимир Николаевич, доктор технических наук,

генеральный директор ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж

Ведущая организация: ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж

Защита состоится « 5 » июня 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 в конференц-зале ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» wvvw.vorstu.ru.

Автореферат разослан « 22 » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, .

д.т.н., профессор Питолин Владимир Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. ГОСТ Р 50397-2011 определяет электромагнитную совместимость (ЭМС) технических средств как способность технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. При этом под техническим средством данный ГОСТ подразумевает любое электротехническое, электронное и радиоэлектронное изделие, а также любое изделие, содержащее электрические и/ил и электронные составные части. Таким образом, радиоэлектронные средства (РЭС) являются одним из видов технических средств и должны разрабатываться с учетом соответствующих требований. Этот же ГОСТ дает определение помехоустойчивости (ПУ) технического средства как его способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров.

Разработка новой компонентной базы и физических принципов ее работы, появление новых материалов и технологий производства, широкое распространение ЭВМ и специализированных САПР, активное внедрение новых подходов и методов проектирования - все это, с одной стороны, позволяет разработчику существенно повысить эффективность своей работы и получить принципиально новый функциональный уровень разработок, но, с другой стороны, предъявляет повышенные требования к квалификации и применяемым техническим решениями. В части вопросов обеспечения требований ЭМС и ПУ данная проблема стоит особенно остро, учитывая их прямую зависимость от быстродействия и сложности разрабатываемых РЭС, увеличения плотности компоновки и степени интеграции ИМС, применения «систем в корпусе» и «систем на кристалле».

Принято выделять следующие уровни ЭМС: межсистемный, внутрисистемный и внугриаппаратурный. И если по первым двум уровням имеется достаточно большое количество научных и прикладных работ, позволяющих эффективно решать возникающие задачи, то обеспечение внутрнаппаратурной ЭМС и ПУ эта та область деятельности, которой до настоящего времени практически не уделялось внимания. Как следствие, в сложившихся производственных процессах вопросам обеспечения требований ЭМС и ПУ при разработке РЭС отводилась второстепенная роль. Отчасти это обусловливалось сложностью математического аппарата, описывающего электромагнитные процессы в многоуровневой иерархической структуре, а отчасти - трудно формализуемыми задачами и способами их решения. Кроме того, перед разработчиками на первый план выходили другие, более острые вопросы — обеспечение механической стойкости и нормальных тепловых режимов, защита от внешних дестабилизирующих факторов, увеличение надежности и т.п. Однако в настоящий момент достигнута та черта, когда дальнейшее повышение эффективности разработки РЭС возможно только с учетом принятия во внимание требований ЭМС и ПУ и решением задач по их обеспечению.

Данная тенденция приводит к расширению круга профессиональных задач разработчика на всех этапах жизненного цикла изделия. Однако до сих пор нет четких и хорошо формализованных методов сквозного решения подобных задач, учитывающих многокритериальный и многопараметрический характер возникающей проблемы. В то же время существующая практика решения задач ЭМС на основе интуиции, субъективной оценки и имеющегося опыта разработчика не может удовлетворять высоким требованиям к скорости, прогнозируемости и эффективности разработки РЭС. Ситуация усугубляется недостаточно ясным распределением сфер деятельности специалистов, участвующих на схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах разработки изделия.

Таким образом, актуальность темы заключается в необходимости совершенствования существующих и разработки новых научных методов и технических основ оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом обеспечения требований электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, на основе сквозного подхода к проектированию, включающего проведение организационно-технических мероприятий, анализ электромагнитных характеристик и синтез оптимальных технических решений на схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах разработки.

Степень разработанности темы можно проследить по научным публикациям в соответствующей области. Так, наибольший вклад в теорию и практику обеспечения внутриаппаратурной ЭМС внесли отечественные исследователи и специалисты: Болотов Е.А., Вишшков В.В., Волин М.Л., Кармашев B.C., Кечиев JI.H., Князев А.Д., Кравченко В.И., Летунова Н.И., Петров Б.В., Рогинский В.Ю., Седельников Ю.Е., Чермошенцев С.Ф., Шапиро Д.Н; среди зарубежных ученых мировую известность получили работы Colin Tong, Henry W. Ott, Karl-Heinz Gonschorek, David A. Weston, Mark I. Montrose, Edward M. Nakauchi, Tim Williams, Ralph Morrison, Clayton R, Paul, Donald R. J. White, Emst Habiger, Adolf J. Schwab, John R. Barnes. Благодаря фундаментальному значению работ данных авторов многие предложенные идеи и решения продолжают применяться в настоящее время. Однако учитывая серьезный технический и технологический прорыв в области радиоэлектроники и микроэлектроники, для обеспечения требуемой эффективности проектирования конструкций РЭС с учетом критериев ЭМС и ПУ необходимы новые подходы и методы, учитывающие данную специфику.

Анализируя научные и технические литературные источники по проблемам внутриаппаратуриой ЭМС и ПУ, опубликованные в последние годы, можно отметить решение узконаправленных задач на определенных иерархических уровнях, отсутствие сведений о возможности их интеграции в полный жизненный цикл РЭС, ориентированность на прикладные вопросы и недостаточную проработку новых теоретических положений. Как наиболее актуальную можно отметить работу Кечиева Л.Н. «Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры», написанную в 2007 году, но рассматривающую вопросы, касающиеся в основном ЭМС печатных плат

2

(ПП) цифровых устройств

В связи с вышеизложенным степень разработанности темы представляется недостаточной, что побуждает к дальнейшему развитию научных основ внутриаппаратурной ЭМС, разработке методологии оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ, теоретическому обоснованию структуры, состава и содержания соответствующих методов обеспечения ЭМС, а также принципов их практической реализации.

Работа выполнялась в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ В ПО «Воронежский государственный технический университет» - «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка научных и технических основ проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом обеспечения требований электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, реализующих концепцию сквозного проектирования, на основе комплексного анализа электромагнитных процессов и синтеза оптимальных технических решений на организационно-техническом, схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах, что позволяет решать теоретические и прикладные задачи повышения качества и расширения функциональных возможностей при создании высокоэффективных радиоэлектронных средств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

анализ современного состояния проблемы обеспечения ЭМС и ПУ при проектировании конструкции РЭС, существующих подходов к решению возникающих задач и дальнейших тенденций при разработке перспективных высокоэффективных РЭС;

поиск путей повышения эффективности разработки конструкций РЭС на основе комплексных методов оптимального проектирования с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ;

разработка комплексной структуры интеграции методов обеспечения требований ЭхМС и ПУ в ключевые этапы сквозного процесса разработки и жизненного цикла РЭС;

классификация основных сложностей, возникающих при обеспечении требований внутриаппаратурной ЭМС и мероприятий но их решению, а также формирование структуры, состава и содержания соответствующих методов решения;

развитие концепции электромагнитной топологии и способов ее представления для упрощения комплексной проблемы ЭМС путем сведения к частным задачам с минимальным взаимовлиянием и последующим анализом наиболее эффективным методом;

разработка метода оценки обеспечения требований ЭМС и ПУ на иерархическом уровне печатной платы и соответствующего математического аппарата для анализа электромагнитных процессов между структурными

3

элементами печатной платы;

развитие методов проектирования электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС, учитывающих наиболее распространенные конструктивные неоднородности и их адаптация в сквозной процесс разработки конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ;

совершенствование методик оптимизации внутренней компоновки модулей и блоков в конструкциях РЭС с учетом критериев обеспечения требований ЭМС и ПУ, а также формирование комплекса соответствующих математических моделей;

практическое применение разработанных структур, методов и моделей при решении проектных и производственных задач.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

концепция внугрикомпонентного уровня обеспечения ЭМС, рассматриваемая как новая научная проблема и являющаяся логическим продолжением существующей классификации - межсистемного, внутрисистемного и внутриаппаратурного уровней;

структура и состав организационно-технических, схемотехнических, топологических, конструкторско-технологических методов обеспечения требований ЭМС и ПУ при проектировании конструкций РЭС, отличающихся объединением в единую комплексную структуру, позволяющую системно решать поставленные задачи и выбирать наиболее эффективные технические решения;

комплексная структура интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы сквозного процесса разработки и жизненного цикла РЭС, позволяющая проводить своевременный анализ выполнения требований НТД и синтез оптимальных технических решений;

концепция электромагнитной топологии, основанная на разделении сложной системы на связанные подсистемы, отличающаяся универсальностью применения, наглядным представлением связей между подсистемами посредством топологической схемы и графов взаимодействия, а также использованием принципов гибридизации, базы данных и параметризации;

комплекс математических моделей оценки электромагнитных процессов между проводниками и компонентами на печатной плате, отличающийся простой аналитической формой, адаптацией под бысгродействующие многослойные печатные платы, учитывающий наличие или отсутствие экранирующего корпуса;

метод топологической верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ на печатной плате, отличающийся простотой интеграции в существующий процесс сквозного проектирования РЭС на основе распространенных САПР печатных плат;

комплекс математических моделей параметрической оптимизации конструкций электромагнитных экранов, отличающийся бнкритериальной дискретной постановкой задачи оптимизации и возможностью ее решения методом прямого перебора;

метод оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС, отличающийся наличием процедур синтеза, учитывающих влияние различных конструктивных я технологических факторов;

методика оптимальной компоновки конструкций РЭС с учетом ЭМС и ПУ па завершающем этане проектирования, отличающаяся применением метода планирования эксперимента совместно с постановкой отсеивающего эксперимента позволяющим уменьшить размерность решаемой задачи, а также определением экстремума методом крутого восхождения, позволяющим ускорить нахождение оптимального решения.

Теоретическая значимость работы заключается в постановке новой научной проблемы внутрикомпонентного уровня обеспечения ЭМС, введении новых научных понятий и теоретических подходов, разработке комплекса математических моделей и алгоритмов. Теоретическая значимость подтверждается использованием результатов диссертации при выполнении следующих научных работ: ГБ НИР 2010.17 «Разработка и совершенствование методов автоматизированного конструкторского и технологического проектирования современных радиоэлектронных средств», ГБ НИР 2013.17 «Исследование и разработка методов оптимального проектирования устройств и комплексов радиоэлектронных средств». Теоретические основы проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ положены в основу курсов, читаемых в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при обучении студентов направлений подготовки 2) 1000 «Конструирование и технология электронных средств» и 200100 «Приборостроение».

Практическая значимость работы заключается в повышении надежности и качества разрабатываемых РЭС, расширении их функциональных и эксплуатационных возможностей при сокращении себестоимости и сроков разработки. Практическая значимость подтверждается внедрением результатов работы при решении проектных и производственных задач на ведущих предприятиях радиоэлектронной отрасли: ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), ОАО «ВЦКБ «Полюс» (г. Воронеж), ОАО «НВП «ПРОТЕК» (г. Воронеж), ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж). На предложенный в работе способ и устройство сканирования ближнего электромагнитного поля с варьируемым шагом датчика подана заявка №2012124407/20 (037349) на выдачу патента на изобретение.

Методология и методы исследования основываются на принципах системного подхода и электродинамики, теории электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, теории цепей, методах математической физики, вычислительной математики, математического программирования и оптимизации, математического моделирования и экспериментального исследования, теории автоматизированного проектирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Ослабление электромагнитного излучения от изделия и повышение его помехоустойчивости следует начинать с внутрикомпонентного уровня

5

обеспечения ЭМС, имеющего характерные особенности в соотношении длин волн сигналов к геометрическим размерам конструкции, а также в части применяемых технических решений и потому требующего разработки соответствующей концепции в виде подходов, методов и способов.

2. Обеспечение требований ЭМС и ПУ должно целенаправленно достигаться на каждом этапе жизненного цикла изделия путем представления конечного результата каждым из разработчиков, выбора оптимальных технических решений и прогнозирования возможных альтернативных путей. Подобная комплексная структура интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы разработки РЭС позволяет минимизировать вероятность непредвиденных временных задержек и стоимостных отклонений.

3. Для синтеза оптимального технического решения, обеспечивающего выполнение требований ЭМС и ПУ на определенном этапе разработки РЭС, необходима формализация возникающих задач, принципов их решения и возможных способов технической реализации. Соответствующая структура и состав методов обеспечения требований ЭМС и ПУ позволяет реализовывать методики сквозного автоматизированного проектирования конструкций РЭС на различных иерархических уровнях.

4. Проведение электромагнитного анализа в конструкциях РЭС целесообразно осуществлять путем последовательной декомпозиции сложной системы на простейшие объемы, характеризующиеся однородной электромагнитной обстановкой, с последующей оценкой ее величины наиболее эффективным способом и учетом взаимовлияния между такими объемами. Описание подобной структуры выполняется посредством электромагнитной топологии, графически представляемой в виде топологической схемы и графов взаимодействия.

5. Печатная плата является ключевым объектом в задачах обеспечения внутриаппаратурной ЭМС, однако не все существующие САПР ПП предлагают специализированные инструменты анализа и синтеза в части обеспечения ЭМС и ПУ. Метод топологической верификации обеспечения ЭМС и ПУ позволяет оценить степень соответствия разработанной ПП требованиям ТЗ и при необходимости сформировать рекомендации по устранению выявленных отклонений на этапе топологического проектирования.

6. Метод оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС позволяет провести синтез технического решения с учетом неоднородностей, возникающих в реальных конструкциях, технологии их изготовления и дополнительных элементов.

7. Применение методики оптимальной компоновки конструкций РЭС с учетом критериев ЭМС и ПУ на завершающем этапе проектирования позволяет без дополнительных материальных затрат (в некоторых случаях с незначительными затратами) улучшить параметры ЭМС и ПУ за счет взаимной ориентации плат и их центрирования внутри конструкции; изменения местоположения отверстий и центра группы отверстий; варьирования толщины стенок корпуса и учета развязывающих фильтров на интерфейсных разъемах.

Степень достоверности результатов подтверждается применением

6

современных методов исследования, стандартных методик измерения электромагнитных параметров и испытаний РЭС, поверенных приборов и измерительных установок, статистической обработкой результатов исследований, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами других авторов, а также внедрением в производственную деятельность.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, конкурсах и семинарах: Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационно -телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2010-2013); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2011-2013); XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь (RLNC*2012)» (Воронеж, 2012); Международной научно-практической конференции «Техника и безопасность объектов УИС» (Воронеж, 2010, 2011, 2013); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010-2013); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС» (Воронеж, 2011); Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ магистров, аспирантов и молодых ученых «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса» (Санкт-Петербург, 2011); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «ВГТУ» (2009-2013); научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ФГБОУ ВПО «ВГТУ» (2009-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе монография «Методы обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств» (ISBN 978-5-7731-0345-5) и заявка №2012124407/20 (037349) на выдачу патента на изобретение. Основное содержание диссертации отражено в 20 публикациях в изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. Общий объем публикаций - 34,6 пл., из которых 27,1 п.л. принадлежат соискателю.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 267 страницах, 8 приложений, содержит 64 рисунка, 8 таблиц. Список литературных источников включает 281 наименование. Общий объем работы 392 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана ее краткая характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, изложены

7

основные научные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены пути повышения эффективности разработки конструкций РЭС на основе комплексных методов оптимального проектирования с учетом ЭМС и ПУ.

Проведен анализ современного состояния проблемы обеспечения ЭМС и ПУ при разработке РЭС, на основании которого выявлены тенденции постоянного ужесточения требований и нормативов как следствие стремительного развития техники на макро- и микроуровнях, увеличения быстродействия и расширения диапазона рабочих частот.

Показана необходимость выделения проблемы обеспечения внутриаппаратурной ЭМС и ПУ конструкций РЭС в отдельный класс задач, требующих комплексной формализации и системной методологии решения. Одновременно отмечено, что в настоящее время подобным задачам уделяется недостаточное внимание, что подтверждается малым количеством отечественных научных публикаций и учебной литературы по вопросам обеспечения внутриаппаратурной ЭМС и ПУ.

Рассмотрена классификация имеющихся в настоящее время уровней решения задач ЭМС и ПУ и сделан вывод, что при существующих тенденциях развития компонентной базы и промышленных технологий требуется введение нового уровня обеспечения ЭМС и ПУ - внутрикомпонентного. Данный иерархический уровень имеет характерные особенности в соотношении длин волн сигналов к геометрическим размерам конструкции, а также в части применяемых технических решений и потому требует разработки соответствующей концепции в виде подходов, методов и способов.

Систематизируя результаты проведенного анапиза, была сформирована комплексная структура интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы жизненного цикла изделия (ЖЦИ) РЭС (рис. 1). Для облегчения поиска оптимальных путей обеспечения требований ЭМС и ПУ в конструкциях РЭС, произведена формализация основных видов задач, возникающих в практике разработчика, проанализированы пути проникновения электромагнитных помех (ЭМП), систематизированы способы устранения данных помех и даны практические рекомендации по их применению. На основе полученных результатов представлена карта принятия решений.

Сформулирована суть комплексного подхода к сквозному электромагнитному проектированию как решение проблемы оптимального обеспечения требований ЭМС и ПУ в конструкциях РЭС, заключающегося в учете всех ограничений и критериев оптимальности на каждом этапе проектирования и целостного представления готового изделия каждым специалистом принимающим участие в создании и эксплуатации РЭС.

Рассмотрены основные принципы применения численных методов и реализуемых на их основе программных средств в задачах обеспечения ЭМС и ПУ конструкций РЭС. Даны практические рекомендации по выбору наиболее подходящего численного метода и дальнейшему его использованию, созданию моделей анализируемых структур, проверки адекватности и точности полученных результатов моделирования.

8

Анализ стандартов ЭМС, оценка ЭМО

Разработка концепт генерация ТЗ

Организационно-технические методы

Моделирование цепи, целостность сигналов, тайминг

Схемотехническое

проектирование

Анализ соответствия критериям ЭМС и Г1У

Выбор элементной

оа зы

Моделирование ПП, верификация обеспечения ЭМС и ПУ

Промежуточные испытания, доводка, экранирование

Экранирование, конструктивные элементы, материалы

Оптимальная компоновка

-*i Проектирование ПП

С'борка ПП

/

Проектирование конструкции РЭС

Сборка опытного образца

Схемотехнические и программные методы

Организационно-технические методы

Топологические методы

Конструкторско-технологические методы

Требования 13, ГОСТ, регламентов i Сертифи! испь <ацнонные 1 тания J

--------------------- -

ГОСТ, сервисно-эксплуатационная ПТД

Эксплуатация изделия

Требования директив Rol IS 2002/95 Г.С и WEEE Directive 2002/96/ЕС

Утилизация изделия

Организационно-технические методы, методы испытаний

Оргаинзаинонно-техннческне методы

Рис. 1. Комплексная структура интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы ЖЦИ РЭС

Во второй главе рассмотрены структура, состав и содержание методов обеспечения внутриаппаратурной ЭМС и ПУ.

Предложено дополнить существующие методы обеспечения требований ЭМС и ПУ новой группой, включающей в себя методы ЭМС-планирования и ЭМС-менеджмента, решающие задачи целенаправленного планирования работ, разработки норм, координации и контроля, сбора и обобщения опыта работ по обеспечению требований ЭМС и ПУ на всех этапах ЖЦИ РЭС, а также рассматривающие вопросы назначения ответственных лиц и формулировки нх должностных обязанностей. Такую группу предлагается назвать «Методы организационно-технического планирования обеспечения ЭМС и ПУ». В результате применения данных методов формируется основополагающий документ - программа мероприятий по обеспечению требований ЭМС и ПУ, структура и состав которого представлены на рис. 2.

Рис. 2. Структура и состав основных процедур при создании программы мероприятий по обеспечению требований ЭМС и ПУ

Показана необходимость выделения в отдельную группу «Топологические методы обеспечения ЭМС и ПУ» соответствующих методов, что обосновывается важностью иерархического уровня ПП в общей структуре

10

РЭС, большим количеством подобных методов и их специфическим применением. На рис. 3 приведены структура и состав данных методов.

Многослойные печатные платы

Выбор элементной базы

Топологические методы

Технология поверхностного монтажа

Сортировка ЭРЭ по рабочим частотам

Корректное заземление

Группировка быстродействующих компонентов

Применение дифференциальных пар

Минимизация излучающих петель

Резервирование места под экраны и фильтры

Размещение

внешних соединений

Развязка цепей питания

Разделение аналоговых и цифровых цепей

Рис. 3. Структура и состав топологических методов обеспечения требований

ЭМСиПУнаППРЭС

На основании вышеизложенного предложена классификация методов обеспечения внутрианнаратурной ЭМС, включающая следующие основные группы методов: организационно-технические, схемотехнические, топологические, конструкторско-технологические, программные и испытаний. Структура и состав схемотехнических методов представлены на рис. 4, а конструкторско-технологических - на рис. 5.

Рис. 4. Структура и состав основных внутриаппаратурных схемотехнических методов обеспечения требований ЭМС и ПУ

С учетом сформированных структур, их состава и содержания представлены практические рекомендации, позволяющие повысить характеристики ЭМС и ПУ разрабатываемых конструкций РЭС.

В третьей главе рассматривается математическое обеспечение анализа электромагнитных процессов в конструкциях РЭС. Предложена концепция

Рис. 5. Структура и состав конструкторско-технологических методов обеспечения ЭМС и ПУ конструкций РЭС

электромагнитной топологии (ЭМТ), основанная на разделении сложной системы на связанные подсистемы. Такое разделение базируется на иерархическом и/или электромагнитном разбиении, например, экранировании, выполненном при помощи корпуса. Взаимодействие между подсистемами графически представляется посредством графов взаимодействия и топологической схемы (рис. 6).

Рис. 6. Пример топологической схемы и графов взаимодействия для описания электромагнитной топологии РЭС

На этой схеме корпус РЭС :1разделен на внутренний объем РЭС Уи !1 окружающий его объем У0!. Первый индекс к в представлении Ук/-, обозначает уровень экранирования, а второй индекс /' используется для последовательной нумерации объема на определенном уровне экранирования. Реальные геометрические формы границ не моделируются и схематически представляются в виде эллипса. Далее декомпозиция продолжается вглубь внутренней структуры. Поверхности корпуса центрального устройства управления (С) Бим разделяют внутренний объем РЭС Уи и объем Г?,, содержащий приборы устройства управления. Процесс продолжается до тех пор, пока вся система не будет разделена на достаточно малые подобъемы. Данный пример содержит два графа взаимодействия, где один представляет кондуктивную связь через кабели, а второй взаимосвязь через электромагнитное иоле. Например, взаимосвязь через электромагнитное поле в виде ветви на соответствующем графе проходит из внешнего объема Ущ во внутренний объем Уи. Эта ветвь соответствует взаимосвязи через отверстия. Кроме того, взаимосвязь через электромагнитное поле происходит и посредством коммуникационной антенны. На графе взаимодействия это представлено как сосредоточенный источник в объеме V,Глядя на граф взаимодействия можно увидеть, что устройство управления (объем ¥:,) взаимодействует через кабель (объем Уц) с исполняющим устройством А (объем У23).

Применение концепции ЭМТ приводит к трем ключевым принципам, представляющим новые возможности в процессе разработки и последующем анализе проектируемой системы: гибридизация - практическое применение различных методов анализа для каждой подсистемы, включая натурные измерения; база данных - создание базы данных электромагнитных топологий для наиболее часто используемых компонентов; параметризация - анализ изменения параметров системы в процессе изменения параметров подсистем.

Для проведения верификации обеспечения требований ЭМС п ПУ на ГШ предложен комплекс математических моделей. При оценке помех, возникающих в шинах питания высокоскоростных цифровых устройств, необходимо определить параметры , /2, 1а, 1с: - время нарастания/спада броска тока и амплитуды тока при переключении ключа из одного логического состояния в другое. Данные величины определяются типом логики применяемой элементной базы, в случае ТТЬ-логики находятся по выражениям

где N - количество ключей; Усс - напряжение питания ИМС; А У, At, R -параметры, определяемые серией компонента; Сн - емкость нагрузки, принимаемая равной 10пФ.

Для CMOS элементов токи шины питания определяются суммой сквозного и выходного токов. Амплитуда сквозного тока может быть

(D (2)

= Д//2; t2 = 2RC,

вычислена или через емкостное рассеяние мощности Срп (нФ), или динамический ток от источника питания /а:[) (мкА/МГц). Переходной ток в шине питания определяется по выражениям

(Ст + МС„уУсс Л/

/сг

-, когда известно Сг

Л • С„ Усс + 1СС[) ^ когда известно /с

1С2

Л/ С ■V

—^——, когда известно С;,

Аг

М

м-с„

с

Рй

N■6

когда известно 1ст г, = Аг/2; • I,, когда известно С,

н ' ^сс

(3)

(4)

(5)

(6)

^ссо

■ когда известно 1СС0

Данные токи создают падение напряжения в шине питания, уровень которого зависит не только от величины емкости развязывающего конденсатор;!, но и от индуктивности его соединений. Это необходимо учитывать при определении эффективной емкости, являющейся времязависимой.

А Г

*с\

где

с(О=с0+Е

С,

'а-*.__

2-С(0Т2.С(/2)'

;с(/г) = св + 1

С,

Х + 2-Ц- С.] К )

(7)

(8)

где т - количество развязывающих конденсаторов; С0 - межслойная емкость ПП; С, и - емкость и последовательная индуктивность ¡-го развязывающего конденсатора.

При анализе перекрестных помех на ПП в случае аналогового сигнала предполагается, что взаимосвязь между двумя цепями линейно увеличивается с частотой и достигает максимального значения при длине печатного проводника Ь равной четверти длины волны сигнала. Амплитуда помех, найденная в частотной области, определяется следующими выражениями:

• при Ь<

3-108

Л

4 4-/-,

или /<

3-10*

2• л- • / • УИСТ ■ С„ • 100 • 1ЖВ, для емкостной связи

V =

ГЩ }'> тг Г 7 I 1

Л ■./ • I пст I жв

для индуктивной связи

, i 310s

•при L> — =-f=

4 4 •/

' РЩ

4,71 • 1 ()"' • Vt

3-108

F= ИЛИ j >-j=

A-L'Je,

ИСТ ' (- U ' 10Q ' fjKB

для емкостной связи

4 71-10s-7 -L ■I

* ' ' illC.T Я ЭКВ

l-ф

для индуктивной связи

В случае цифрового сигнала максимальное наведенное напряжение вычисляется во временной области по выражению

V =

' гщ

{у,

, для емкостной связи

I ист ' Аи " ^экв

(11)

для индуктивном связи

В приведенных выше моделях 1ЖВ и - соответственно эквивалентная

длина проводников и расстояние между ними, определяемые по выражению

, _ с1; ■ I ■со$(6'1)_ (2

''la'

I

/эо=/•

(12)

С,( и LM- соответственно взаимная емкость и индуктивность между ценыо-

(13)

(14)

источником и цепью-рецептором, определяемые по выражению

СЛ^\[Сит{е)-СЧЕТ{е)\-

_ A)g0

1

1

=1) СнЕЧ(£ = О

где СНЕЧ и СЧЕТ - соответственно емкость для нечетной и четной моды.

Для оценки эмиссии печатными проводниками ЭМИ при прохождении тока дифференциального режима используем выражение, предложенное С. Paul

F

'-ДНФМЛХ

:2,6-10

-14 f 1дИФ 'I 'S

(15)

где 1ДИФ - ток в дифференциальном режиме, А; / - анализируемая частота, Гц;

/ - длина печатного проводника, м; з - расстояние между прямым и возвратным проводником, м; сЛ - расстояние до точки оценки ЭМИ, м.

Учитывая, что метод анализа предусматривает разделение исходной цени на множество элементарных сегментов, результирующая напряженность поля от ¡-го печатного проводника определяется но выражению

(16)

ДНФ.ШХ '

а общая напряженность поля от ПП на данной частоте

Е-ОБЩ ~ V^MEiN '

(17)

В случае ПП, помещенной в экранированный корпус с небольшими щелями, используется следующее выражение:

15

Е = 1,8 • 1 (Г" • N■ 1тФ ■ гисТ ■ и ■ /и • 4о!У , (18)

где Л; - количество щелей; 1Д1!Ф - дифференциальный ток источника помехи; г11СТ - импеданс источника помехи; I - ширина щели; / - анализируемая частота; Q - фактор экранирования; V - объем корпуса.

Для синфазных токзависимых помех можно выделить три основных вида возникающих паразитных антенн: кабель-кабель, кабель-ПП, кабель-конструктив. Создаваемое синфазное напряжение определяется по выражению

^ ваш = 0>' ^п ' ^вспвр ■ С)

Парциальная индуктивность возвратного пути 1и определяется по выражению

¿Л=Д.А±Л (20)

" 71- <Л + с/2

где / - длина возвратного пути; /г - удаление печатного проводника от возвратного слоя; с/1 и с/2 - кратчайшие расстояния от центра возвратного пути до краев ПП, что наглядно продемонстрировано на рис. 7.

сигнаъныи _

пробоаник I

4г

Сигнальная сторона ПП

Слой зазетвт /Ъозбратт1

Рис. 7. Графическое представление нахождения парциальной индуктивности

В случае паразитной антенны типа кабель-кабель величина создаваемого электромагнитного поля определяется как

Е = / . ^втвр (21)

V Я<пл '

Полагая Ятч = 100 Ом, что соответствует наихудшему случаю, г = 3 м, и вводя поправочный коэффициент 2, учитывающий эффект от измерения в полу-безэховой камере, получаем окончательно выражение

Е* 0,365 -УттР. (22)

В случае паразитной антенны типа кабель-ПП в отличие от предыдущего случая к ПП подключен только один кабель. Синфазный ток ограничивается емкостью С,К_ПП между кабелем и ПП и определяется выражением

v

г__у возвр__от.}

+ !/(«• с К..пп)

В таком случае излучаемая эмиссия находится по выражению

Е = 0,365 • . . (24)

4тг+ ]/{,»-с^у 16

Величина СА._1Ш приблизительно равна абсолютной емкости ПП и определяется как

Скчт*£йМУ (25)

где А - плошадь ПП; сй - диэлектрическая проницаемость воздуха.

В случае паразитной антенны типа кабель-конструктив синфазные токи в кабеле создают поле излучения относительно крупного металлического конструктива, например, радиатора. Емкость паразитной антенны приблизительно равна абсолютной емкости конструктива и определяется по выражению

Ск-к ж 4 • я" ■ ,?0 ■ у/У , (26)

где У - объем конструктива.

Как и в предыдущем случае синфазные токи ограничиваются импедансом излучения, а также емкостью излучающей структуры и определяются как

Е ~ 0,365- , (27)

л/ЮО г + \/{со-Ск)-

Для синфазных вольтзависимых помех, рассматривая наихудший случай, принимаем сопротивление излучения /?„17 = 100 Ом, тогда электрическое поле на удалении г = 3 м от источника равно

Е = \\ 5- /■ Сгс ■ Удиф ■ (28)

В случае анализа конструктива необходимо определить эффективное напряжение источника помех по выражению

''Я1Ф.ЭФФ ~ ^ДНФ.ИЛХ ' ^шх/с,\'в > (-'-*)

где Удифшх - максимальное напряжение в сигнальных цепях; Nшх -количество цепей, достигающих данную величину напряжения; Л'0л,0 -количество заземленных выводов конструктива.

В случае ПП, помещенной в экранированный корпус, для анализа эмиссии от печатных проводников применяется выражение

Ет:т =1,8-10-» • N • УД1!Ф • I5 • гл ■ 4о/г~у, (30)

где N - количество щелей; Удиф - напряжение источника помехи; £ - ширина щели; / - анализируемая частота; - фактор экранирования; 2пст - импеданс источника помехи; V - объем корпуса.

Вследствие паразитной связи между сигнальными и интерфейсными цепями наводимые синфазные токи, протекая по подключенным кабелям, вызывают эмиссию помех, определяемую выражением

Ерл,1 = 40 ■ (I пом ¡'¿лцт ) > (31)

где 2шт определяется конфигурацией и положением соединителя, к которому подключается кабель и сос тавляет от 80 до 800 Ом.

Интенсивность эмиссии помех от шин питания в виде питающих слоев можно проанализировать на основе модели объемного резонатора

£-г-гп1п(а,о) г

где 1 - ток протекающих в питающих слоях ПП; а, Ь - эквивалентная длина и ширина питающих слоев; А - расстояние между парой слоев; г - расстояние между ГШ и точкой измерения; 0(/) - фактор качества резонанса в питающей структуре, определяемый диэлектрическими потерями, кондуктивными потерями и потерями в компонентах и равный

Q(fY-

. Xc-Rc

V1

tffS Н—— Н--г

h o}-C0-(Rl + co2 + L2c)j

(33)

где tgS - тангенс диэлектрических потерь; Ss - толщина скин-слоя проводящего покрытия; Nc - количество компонентов, соединенных со слоем; Rc - среднее сопротивление компонентов (300 Ом); С0 - межслойная емкость; Lc - средняя индуктивность соединений компонентов (5 нГн).

Для постановки задачи параметрической оптимизации конструкций электромагнитных экранов (ЭЭ) предлагается два частных критерия оптимальности: масса ЭЭ т и себестоимость ЭЭ с. В качестве варьируемых параметров принимаются: толщина стенки ЭЭ t; удельное сопротивление материала ЭЭ г\ магнитная проницаемость материала ЭЭ плотность материала ЭЭ р\ стоимость материала ЭЭ ц. В качестве неуправляемых параметров принимаются: площадь поверхности экрана, определяемая его конфигурацией и геометрическими размерами площадь вентиляционных отверстий SorBB; площадь отверстий под внешние разъемы S0IBP. Внешними ограничениями являются: итоговая эффективность экранирования конструкции ЭЭ SE; частота воздействующего ЭМИ /. Т.о., задача параметрической оптимизации конструкции ЭЭ формулируется как бикритериальная многопараметрическая задача условной дискретной оптимизации

Для нахождения целевой функции будем исходить из того, что оба частных критерия оптимальности - масса т и себестоимость с равнозначны и конструируемый ЭЭ должен стремиться к минимуму этих значений.

&(*') = min(m(.v)), m = p-(S3K-SOTBB-Somp)-t

уеГ) v '

Q:(x') = mm(ф)). c=p-(S.)K~SmBB -S0TBP)■/■

(34)

Вектор управляемых переменных можно представить как

х={1,г,р,рл(), (35) при этом должны выполняться следующие прямые ограничения

ОДш/ </ < 2мм, (36) а также условия работоспособности

Ж(х') > т(х') < тп с(х')<сп. (37) Разнородные частные критерии оптимальности О, (г) и 02(х')

необходимо подвергнуть нормализации, то есть привести к безразмерному виду, общему началу отсчета и единичному интервалу измерения [0,1]. Для этого выполним линейное положительное преобразование

ViKUi) Q^^of" max (ni (x)) - min (ш (x))

V V ' V . (38)

(c) &" - c(x)""

' QT-Qt m^(c(A-)j-rain(c(x))

Учитывая, что максимальные значения массы и стоимости, как правило, определены в ТЗ и представлены как (37), а минимальные значения можно приравнять к нулю, то окончательный вид будет

>//,(0,) = 'ФЖ: Мй) = Ф)ЛЬ- (39)

Обобщенный критерий оптимальности

Ф(х') = min[max(y/, (Q'),y/: (£?:))]. (40)

Учитывая, что параметры г,ц,р,ц являются характеристиками конструкционного материала, вектор управляемых переменных (35) можно преобразовать как

л=(/,М). (41)

При этом вводится дополнительное прямое ограничение, связанное с конечной номенклатурой конструкционных материалов

М е сортамент. (42)

Учитывая ограниченное количество номенклатуры конструкционных материалов и его сортамента, задача оптимизации решается методом прямого перебора в соответствии с алгоритмом, схема которого представлена на рис. 8.

В четвертой главе рассматривается метод топологической верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ на печатной плате. Показано, что не все современные САПР ПП при выполнении топологического проектирования предлагают специализированные инструменты моделирования и анализа в части обеспечения ЭМС и ПУ, ограничиваясь набором стандартных правил трассировки, лишь косвенно учитывающих требования ЭМС и ПУ. В связи с этим для решения задачи обеспечения требований ЭМС и ПУ на ПП предлагается метод топологической ЭМС-верификашш, представленных на рис. 9.

Рассмотрим наиболее важные этапы проведения ЭМС-верификации. На рис. 10 представлена методика сетевой классификации соединений на ПП, предназначенная для определения электрических характеристик соединений и сигналов. На рис. 11 представлена методика оценки помех в шинах питания ПП, характерных для быстродействующей цифровых узлов, базирующаяся на математических моделях (ММ) (1)-(8). На рис. 12 представлена методика анализа помехоустойчивости ПП, базирующаяся на ММ (9)-(14). На рис. 13 представлена методика анализ эмиссии ЭМИ от ПП, базирующаяся на ММ (15) -(33).

| Начало 1 В пятой главе рассматриваются

методы оптимизации

электромагнитных процессов в конструкциях РЭС на этапах конструкторского и технологического проектирования. Предложен метод оптимального проектирования

сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС.

Описаны основные процедуры, входящие в состав методик -определения целесообразности

применения электромагнитных

экранов для обеспечения требований ЭМС и ПУ; синтеза оптимального конструктивного исполнения,

технологии изготовления и материала экрана; синтеза и оптимизации вентиляционных отверстий; синтеза и оптимизации отверстий для дисплеев и индикаторов; синтеза и оптимизации отверстий для разъемов и вводов проводников; оптимизации

электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом швов, щелей и соединений; синтеза и оптимизации разъемных и открывающихся соединений.

Структурная схема данного метода представлена на рис. 14.

Разработана методика

оптимальной компоновки конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ на завершающем этапе проектирования, отличающаяся применением метода планирования эксперимента и постановкой отсеивающего эксперимента, что позволяет уменьшить размерность решаемой задачи. Использование для нахождения оптимума метода крутого восхождения позволяет ускорить нахождение оптимального решения (рис. 15). Частными критериями оптимальности предлагается считать отношение текущей напряженности ЭМП в критических областях конструкции к максимально допустимому значению

0/(л') = п,т(Е;/£„шч), (43)

хеВ

где, Е. - действующая напряженность ЭМП в данной критической области конструкции, а ЕШт - максимально допустимая напряженность ЭМП в данной критической области конструкции.

Системная инициализация

Перебор элементов массива Ф[ш,с]

т, > 1 пли с, > 1 -

Нет

Да

н^Г

Вычисление ф = (+ с,) +1 т, -

......~........~т

Нет 6------------- —-----

-Ф<Фш

К

Сохранение оптимального варианта

~~......и::

1 Конец }

V___/

Рис. 8. Схема алгоритма нахождения оптимального варианта ЭЭ

( Начало }

10

/ Чтение файла

/ топологии ГШ

О т

Чтение файла

библиотеки

/ компонентов /

3 1

Чтение файла

/ особенностей ЭМС

..........4.................................. 1........

Чтение файла /

результатов

/ моделирования /

Сетевая классификация

...........................................I...........................................

Просмотр и правка информации о соединениях

7 .--------------------------------------- Да

-СГ^Йзменения вноештсь?^;;:--—

Нет Т

Создание списка частот для анализа

Оценка шумов питающих шин

Анализ помехоустойчивости ;

11

Анализ эмиссии ЭМИ

12

14

Формирование правил трассировки с учетом ЭМС

IIXIZ

Сообщение о проблемах помехоустойчивости

...................................Г...........ZI

Построение графика эмиссии ЭМИ

15-

Сообщение о нарушении правил трассировки

16

Определение критических параметров топологии

17_

Рекомендации по изменению

топологии J

( Конец )

Рис. 9. Структурная схема метода топологической ЭМС-верификации

Количество / таких критериев может быть произвольным, задается проектировщиком и зависит от сложности конструкции и предъявляемым к ней требованиям. В качестве обобщенного критерия оптимальности предлагается стремиться к получению минимального значения наихудшего критерия оптимальности. Причем учитывая одинаковую важность всех критериев оптимальности, весовые коэффициенты не вводятся. Это объясняется тем, что качество функционирования всего устройства будет определяться его самым «слабым звеном». Таким образом

Ф(л-°) = min|тах(0Дл-))]. (44)

Рис. 10. Структурная схема методики сетевой классификации

Представлена методика сканирования электромагнитного поля, отличающаяся применением варьируемого шага перемещения датчика ноля. На основании методики реализован запатентованный способ и устройство трехмерного сканирования ЭМИ в ближнем поле РЭС, которое может быть применено в качестве измерителя ближнего электромагнитного поля ПП или других модулей РЭС. Сканирующая установка позволяет создавать карты напряженности электромагнитных полей на различных частотах, а также трехмерные картины распределения напряженности электромагнитных нолей, которые могут быть использованы для ЭМС-анализа тестируемого устройства и облегчения определения излучающих компонентов.

Оценка помех в шинах питания

Развязывающие конденсаторы

Индуктивность выводов

Нахождение всех активных устройств

Опенка переходного тока

Вычисление паразитной иидукгивности ¡-го вывода I

Г....................................3..................................................!

6 ............................. Нет

_________"Проанализированы все

.....—....... выпады? -----'

ДаТ

Вычисление выбросов тока

Гармоники тока

Нет

т

—-----Проанализированы все""".....

----„.акгимше устройства?^-----'"'''"

дм

( Конец )

Рис. 11. Структурная схема методики оценки помех в шинах питания ПГТ

Анализ эмиссии ЭМИ ПП

I

Эмиссия дифференциальных помех от ПП

Эмиссия синфазных вольтзависимых помех

Эмиссия синфазных токэавлсиммх помех

Эмиссия от подключенных кабелей 1/0

Эмиссия от питающих шин

Конец

Рис. 12. Структурная схема методики анализа помехоустойчивости ПП

Рис. 13. Структурная схема методики анализ эмиссии ЭММ от ГТП

Рис. 14. Структурная схема метода оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС

X /• \ I 1 )

Выбор технологии изготовления зкратта

17

Определение 7 и поп неоднородностей и назначение коэффициента Кп

БД «Типовые проектные решения»

1*

Вентиляционные отверстия

19

В|ЧОЛЫ под проводники и разъемы

Дисплеи, индикаторы

Щели, швы, соединения

Крышки и дверцы

Вычисление ЭЭ с учатм | __ козффиписи га Кп ;

Нет

24

/ \ ( ' )

Да

-....."ТЬмепеине материала

- возможно? ^......

Пег "Г

-"'ТТ готовая ')') " удовлетворяет /феГчсмоп?..^

<г "

БД «Типовые проектные решения»

Да

26

Формирование рс ¡у.и.икк запись успешною решения в БД [

'2 V-

Г 1

29

Увеличение толшниы

экрана на 10% |

Да

Да

28

I

I и;

>ло

Нет I"

Коней

____-—"возможно ишснснпе

"".....— технологии?

"Возможно увеличение......

толщины? —

31

Определение наноолынего коэффициента Кп и его рапионалтания

Да

30

32

Нет ^

0(4 на

1

- Нме юте я неоОработа и и --•^..коэффшшечпы Кп?^——

Не

Решить задачу в автоматизированном режиме при данных условиях невозможно

Рис. 14. Структурная схема метода оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС (продолжение)

Рис. 15. Структурная схема методики оптимального проектирования конструкций РЭС на завершающем этапе компоновки

В шестой главе рассматривается практическое применение предложенных структур, методов и моделей оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом ЭМС и ПУ, реализованных в программных комплексах «ЕМС Wizard» (рис. 16), «ЕМС SE» (рис. 17) и «ЕМС Scan» (рис. 18). При решении производственных задач были получены следующие результаты:

ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) - в процессе разработки стационарных и мобильных станций радиоконтроля на базе цифровых панорамных радиоприемных устройств АРГАМАК, использующих модули цифровой обработки сигналов АРК-Ц02, АРК-Ц05, АРК-ЦОЮ, достигнуто сокращение времени на проектирование за счет упрощения проведения мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости блоков, входящих в состав станций радиоконтроля.

ОАО «ВЦКБ «Полюс» (г. Воронеж) - обеспечено сокращение общего времени модернизации изделия «Угол-1М» на 5% за счет внедрения комплекса организационно-технических мероприятий в части ЭМС-менеджмента и ЭМС-планирования.

ОАО «НВП «ПРОТЕК» (г. Воронеж) - в ходе проектирования и разработки изделия типа АПФАР-С1 ПРТК.464657.002 достигнут следующий

тъ —— ••• -........

LJ • Ь® « - Ч © ? te й П iL, \ 3 V х <#

^ППУТ»а«<;«о»тР5-1 1МКЙ | ^„д

;• ф Тояоявп»

■>• f Ос«гве»яостиЗМС Г /*

У; 8««t»«e« »оаеяяро&эние |3 «мет*»« грвюшт Й Ш-Х&й

U Сетевая кявсеиФтжю ^-С <6 >

£1 ЧяашшйтхяяшА жжт* ееоват*. R187-VT12 I Stes*«*« е мвздия ¡|| А««в«<з т^еаоугяавчш« i tews з> «исолг ЭМИ

Рис. 16. Фрагмент интерфейса программного комплекса топологической верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ «ЕМС Wizard»

Рис. 17. Фрагмент интерфейса программного комплекса оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов «ЕМС SE»

Рис. 18. Фрагмент интерфейса программного комплекса сканирования ближнего электромагнитного поля «ЕМС Scan»

полезный эффект:

- увеличение помехоустойчивости аппаратуры до 8% за счет оптимизации топологии ГШ по критериям электромагнитной совместимости и помехоустой чивости;

- уменьшение себестоимости аппаратуры до 2% за счет оптимизации компоновки и применения новых технических решений при сохранении устойчивости аппаратуры к внешним воздействиям по группе 1.4.1 ГОСТ РВ 20.39.304-98;

- повышение уровня квалификации инженеров-конструкторов в области решения задач внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости.

ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) - при производстве портативной радиостанции Р-168-0.5УЕ, входящей в состав семейства радиостанций Р-168Е, получено:

- обоснованное формирование требования ТЗ в части обеспечения ЭМС и ПУ при модернизации и расширении функциональных возможностей изделий;

- за счет применения новых технических решений в области требований ЭМС и ПУ обеспечены чувствительность приемника в режиме «прием» 0,6 мкВ, в режиме «поиск» 20 мкВ/м, а выходная мощность передатчика 3 Вт при сохранении себестоимости изделий;

- снижена масса и габаритные размеры несущей конструкции на 6% за счет оптимизации внутренней компоновки по критериям обеспечения ЭМС и

ПУ при сохранении себестоимости изделий.

ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж) - при модернизации платы приемопередатчика ППУ радиостанции «Транспорт РВ-1.1МК» ИТЯЦ5.000.021 получен следующий полезный эффект:

- проведение топологической верификации позволило оптимизировать трассировку ВЧ цепей и уменьшить уровень паразитного излучения на частоте 155 МГц с 43 дБмкВ/м до 36 дБмкВ/м;

- проведение топологической верификации позволило оптимизировать трассировку печатных проводников, соединяющих чувствительные компоненты, и снизить вероятность их повреждения от ЭСР на 9%;

- разработка новой конструкции электромагнитного экрана цепей гетеродина позволила применить цельнотянутую технологию изготовления экрана из листового материала, тем самым уменьшить себестоимость на 16% при сохранении требуемой эффективности экранирования.

Теоретические и практические основы оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ внедрены в учебный процесс Воронежского государственного технического университета при обучении студентов по направлениям подготовки 211000 «Конструирование и технология электронных средств» и 200100 «Приборостроение». Материалы диссертационного исследования используются при проведении лекционных, лабораторных и практических занятий, а также при выполнении курсового проектирования в рамках специализированных курсов «Электромагнитная совместимость приборов», «Электромагнитные процессы в электронных средствах», «Моделирование и анализ электромагнитной совместимости РЭС».

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современного состояния проблемы обеспечения ЭМС и ПУ при разработке РЭС, на основании которого выявлены тенденции постоянного ужесточения требований и нормативов: показана необходимость выделения проблемы обеспечения внутриаппаратурной ЭМС и ПУ конструкций РЭС в отдельный класс задач, требующих комплексную формализацию и системную методологию решения; определены основные пути повышения эффективности разработки конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ.

2. Рассмотрена имеющаяся в настоящее время классификация уровней решения задач ЭМС и ПУ и сделан вывод, что при существующих тенденциях развития компонентной базы и промышленных технологий требуется введение нового уровня обеспечения ЭМС и ПУ - внутрикомпонентного.

3. Предложено дополнить существующие методы обеспечения требований ЭМС и ПУ новой группой «организационно-технической», направленной на решение задач ЭМС-планирования и ЭМС-менеджмента на всех этапах жизненного цикла изделия. Показана необходимость выделения в

29

отдельную группу «топологических методов» обеспечения ЭМС и ПУ, что обосновывается важностью иерархического уровня ПП в общей структуре РЭС, большим количеством подобных методов и их специфическим применением.

4. Предложена расширенная классификация методов обеспечения внутриаппаратурной ЭМС, включающая следующие основные группы методов: организацнонно-технические, схемотехнические, топологические, конструкторско-технологические, программные и испытаний.

5. Сформирована комплексная структура интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы жизненного цикла изделия. Для облегчения поиска оптимальных путей обеспечения требований ЭМС и ПУ в конструкциях РЭС произведена формализация основных видов задач, возникающих в практике разработчика, проанализированы пути возникновения и проникновения ЭМП, систематизированы способы их устранения, даны технические рекомендации по их применению.

6. Сформулирована суть комплексного подхода к сквозному-электромагнитному проектированию, как решение проблемы оптимального обеспечения требований ЭМС н ПУ в конструкциях РЭС, заключающегося в учете всех ограничений и критериев оптимальности на каждом этапе проектирования и целостного представления готового изделия каждым специалистом, участвующим в ЖЦИ.

7. Систематизирована структура, состав и содержание имеющихся в настоящее время схемотехнических, топологических и конструкторско-технологических методов обеспечения внутриаппаратурной ЭМС и ПУ, а также представлены практические рекомендации, позволяющие улучшить характеристики ЭМС и ПУ разрабатываемых конструкций РЭС.

8. Предложена концепция электромагнитной топологии, основанная на разделении сложной системы на связанные подсистемы, и выдвинуты ключевые принципы ее использования в процессе оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ: гибридизация, база данных, параметризация.

9. Разработан метод топологической верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ на ПП и соответствующий комплекс математических моделей, позволяющий проводить сетевую классификацию соединений, оценку помех в шинах питания, анализ помехоустойчивости н анализ эмиссии электромагнитных помех.

10. Представлен метод оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС, а также соответствующий комплекс математических моделей, позволяющий определить целесообразность применения электромагнитных экранов; проводить синтез оптимального конструктивного исполнения, выбор технологии изготовления и материала экрана; синтез и оптимизацию вентиляционных отверстий, отверстий для дисплеев и индикаторов, отверстий для разъемов и вводов проводников; оптимизацию с учетом швов, щелей, разъемных и открывающихся соединений.

11. Разработана методика оптимальной компоновки конструкций РЭС с

30

учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ на завершающем этапе проектирования. Для решения оптимизационной задачи применяется метод планирования эксперимента и постановка отсеивающего эксперимента, что позволяет уменьшить размерность решаемой задачи. Для определения экстремума поверхности отклика применяется метод крутого восхождения, позволяющий ускорить нахождение оптимального решения.

12. Представлена методика сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля. На основании методики реализован способ и устройство трехмерного сканирования ЭМИ в ближнем поле РЭС, при помощи которого может быть создана карта напряженности электромагнитных полей на различных частотах или трехмерная картина распределения напряженности электромагнитных полей. Сканирующая установка применяется при проведении предсертификационного ЭМС-тестирования РЭС и облегчения нахождения излучающих компонентов. На способ и устройство подана заявка №2012124407/20 (037349) на выдачу патента на изобретение.

13. Осуществлено практическое применение разработанных структур, методов и моделей при решении проектных и производственных задач на ведущих предприятиях радиоэлектронной отрасли. Основные теоретические положения использованы в научно-исследовательской деятельности кафедры и внедрены в учебный процесс при подготовке студентов профильных направлений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Ромащенко, М.А. Основные аспекты современного состояния проблемы обеспечения ЭМС РЭС [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 3.-С. 142-144.

2. Ромащенко, М.А. Измерение эмиссии излучаемых помех РЭС в задачах обеспечения ЭМС [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 7. - С. 20-22.

3. Муратов, A.B. Анализ электромагнитных воздействий РЭС с помощью систем автоматизированного проектирования категории CAD/CAE [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 8. - С. 135137'.

4. Ромащенко, М.А. Конструкторско-технологические аспекты обеспечения ЭМС при разработке РЭС [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 11.-С. 149-152.

5. Ромащенко, М.А. Основные задачи анализа обеспечения ЭМС в конструкциях РЭС и принципы его выполнения [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. -Т. 7,-№4. -С. 106-109.

6. Ромащенко, М.А. Практическое применение конструкторско-

технологических решений обеспечения ЭМС и ЭМУ в электронном приборостроении [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 9. - С. 130133.

7. Ромащенко, М.А. Топологическое проектирование ГШ со смешанными сигналами с учетом обеспечения электромагнитной совместимости и электромагнитной устойчивости [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 10.-С. 92-97.

8. Веревкнн, Д.А. Комплексные методы обеспечения электромагнитной совместимости и помехоустойчивости электронных систем при сквозном проектировании [Текст] / Д.А. Веревкин, О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2012. - № 2. - С. 22-27.

9. Ромащенко, М.А. Моделирование ближнего электромагнитного поля конструкций электронных систем с использованием численных методов [Текст] / М.А. Ромащенко, П.П. Чураков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 3. - С. 109-112.

10. Ромащенко, М.А. Методика выбора конструкционных материалов для задач экранирования электронных средств [Текст] / М.А. Ромащенко, Ю.Н. Самоквасова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 5. - С. 48-50.

И. Ромащенко, М.А. Распознавание кондуктнвных электромагнитных помех в электронных системах на основе независимого компонентного анализа и статистической обработки сигнала [Текст] / М.А. Ромащенко // Радиотехника. -2012,-№8.-С. 87-92.

12. Макаров, О.Ю. Синтезирующая система для анализа и подавления кондуктнвных электромагнитных помех электронных систем [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2012. - № 8. - С. 92-97.

13. Ромащенко, М.А. Модель прогнозирования электромагнитной совместимости, основанная на методе сечения плоскостью чувствительности [Текст] / М.А. Ромащенко, С.Ю. Сизов, A.B. Судариков // Радиотехника. - 2012. -K« 8.-С. 97-101.

14. Ромащенко, М.А. Основные процедуры и программа планирования обеспечения ЭМС при разработке электронной аппаратуры [Текст] / М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2013. - № 3. - С. 93-97.

15. Макаров, О.Ю. Основные принципы применения программных средств при решении задач обеспечения ЭМС и помехоустойчивости [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2013. - № 3. - С. 98-102.

16. Макаров, О.Ю. Методы проверки достоверности результатов моделирования в задачах обеспечения ЭМС [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2013. - № 3. - С. 103-106.

17. Макаров, О.Ю. Методы проверки достоверности численного моделирования электромагнитных полей в задачах обеспечения электромагнитной совместимости [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко, С.А. Слинчук // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. -№ 2. - С. 40-42.

18. Ромащенко, М.А. Методы топологической верификации обеспечения требований электромагнитной совместимости в конструкциях РЭС [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского института МВД России. - 2013. - № 4.-С. 248-253.

19. Ромащенко, М.А. Методика сетевой классификации в задачах верификации электромагнитной совместимости ПП РЭС [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. -№ 6-1. - С. 48-50.

20. Мальцев, А.Б. Применение алгоритма оптимального проектирования конструкций электронных средств на завершающем этапе компоновки [Текст] / А.Б. Мальцев, М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2013. - № 12. - С. 77-80.

Книги

21. Макаров, О.Ю. Методы обеспечения внутриаппаратурноп электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств [Текст]: монография / О.Ю. Макаров, A.B. Муратов, М.А. Ромащенко. - Воронеж : ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. - 234 с. - ISBN 978-5-7731 -0345-5.

Статьи и материалы конференций:

22. Башкиров, A.B. Экономический аспект задачи обеспечения электромагнитной совместимости РЭС [Текст] / A.B. Башкиров, М.А. Ромащенко // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. -Красноярск: ИПК СФУ, 2010. - С. 313-315.

23. Ромащенко, М.А. Анализ состояния проблемы обеспечения ЭМС РЭС в настоящее время [Текст] / М.А. Ромащенко // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2010): материалы Междуиар. копф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздаг, 2010. 4.2. - С.144-149. *

24. Ромащенко, М.А. Проведение измерений на эмиссию излучаемых помех в задачах обеспечения ЭМС РЭС [Текст] / М.А. Ромащенко // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2010): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. 4.2.-С. 149-153.'

25. Муратов, A.B. Программные средства моделирования электромагнитных полей при проектировании РЭС [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко. A.B. Судариков // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2010): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. 4.2. - С.203-209.

26. Ромащенко, М.А. Об эффективности схемотехнических методов обеспечения ЭМС при конструировании РЭС [Текст] / М.А. Ромащенко // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2010. - С. 151-155.

27. Ромащенко, М.А. Основные схемотехнические методы обеспечения электромагнитной совместимости при проектрированни РЭС [Текст] / М.А. Ромащенко // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2010. - С. 155-158.

28. Ромащенко, М.А. Основные методы обеспечения ЭМС при разработке технических средств охраны [Текст] / М.А. Ромащенко // Техника и безопасность объектов УИС - 2010: сб. материалов открытой Всероссийской науч.-практ. конф. - Воронеж: Научая книга, 2010. - С. 70-75.

29. Муратов, A.B. Сравнительный электромагнитный анализ катушек индуктивности в программном комплексе ANSYS [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2011. - С. 460-462.

30. Муратов, A.B. Основные принципы разработки конструкций РЭС с учетом ЭМС и ЭМУ [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: ИПК СФУ,2011.-С. 462-464.

31. Муратов, A.B. Методы обеспечения ЭМС и ЭМУ конструкций усилителей низких и средних частот [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2011.-С. 464-466.

32. Ромащенко, М.А. Планирование и проведение работ по обеспечению электромагнитной совместимости при разработке электронных средств [Текст] / М.А. Ромащенко // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. -Пенза: ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 57-58.

33. Ромащенко, М.А. Обзор технических устройств для измерения характеристик электромагнитных полей [Текст] / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2011.-Т. 2. - С. 213-215.

34. Ромащенко, М.А. Моделирование электромагнитных полей радиоэлементов в среде ANS YS [Текст] / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2011. - Т. 1. -С. 331-333.

35. Ромащенко, М.А. Проведение электромагнитного анализа электронных устройств используемых в УИС [Текст] / М.А. Ромащенко // Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС: сб. материалов открытой Всероссийской науч.-практ. конф. - Воронеж: Полиграфия, 2011. - Т. 1.-С. 108-112.

36. Ромащенко, М.А. Испытания радиоэлектронных средств на помехоэмиссию [Текст] / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2011): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2011. 4.2. - С.83-85.

37. Ромащенко, М.А. Оптимальные решения при топологическом проектировании быстродействующих ПП с учетом критериев ЭМС и помехоустойчивости [Текст] / М.А. Ромащенко // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Йнноватика 2011): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2011. 4.2. - С.203-209.

38. Ромащенко, М.А. Оптимальная трассировка питающих и сигнальных цепей для обеспечения ЭМС и помехоустойчивости высокоскоростных ПП [Текст] / М.А. Ромащенко // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2011): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. -М.: Энергоатомиздат, 2011. 4.2. -С.209-216.

39. Ромащенко, М.А. Обеспечение электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в задачах комплексного проектирования электронных

34

средств [Текст] / М.А. Ромашенко // Сотрудничество вузов и предприятий радиоэлектронной отрасли: сб. конкурсных науч.-нсслед. работ. - а СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. - С. 95-105.

40. Ромащенко, М.А. Обзор материалов и средств электромагнитного экранирования средств технической охраны при решении задач электромагнитной совместимости и помехоустойчивости [Текст] / М.А. Ромащенко // Техника и безопасность объектов УИС - 2011: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж: Научая книга, 2011. - С, 579-584.

41. Ромащенко, М.А. Моделирование электромагнитных полей проводников на двухсторонней печатной штаге [Текст] / М.А. Ромашенко // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2011. - С. 40-43.

42. Ромащенко, М.А. Моделирование электромагнитных полей проводников на односторонней печатной плате [Текст] / М.А. Ромащенко // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2011. -С. 26-30.

43. Ромащенко, М.А. Моделирование и анализ воздействия внешних электромагнитных полей на экранированные корпуса электронных средств [Текст] / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Радиолокация, навигация, связь -RLNC*2012: сб. тр. XV11I Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 2012. - Т. 3.- С. 1936- 1943.

44. Ромашенко, М.А. Постановка задачи обеспечения электромагнитной совместимости и электромагнитной устойчивости РЭС при помощи экранирования [Текст] / М.А. Ромащенко, Ю.Н. Самоквасова // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2012. - Т. 2. - С. 213-213.

45. Ромашенко, М.А. Обзор материалов применяемых при экранировании РЭС для решения задач обеспечения ЭМС и ЭМУ [Текст] / М.А. Ромащенко, Ю.Н. Самоквасова // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. -Пенза: ПГУ, 2012. - Т. 2. - С. 214-215.

46. Ромащенко, М.А. Совместное решение задач обеспечения теплового режима работы и электромагнитной совместимости при проектировании электронных средств [Текст] / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2012. - Т. 2. - С. 216-216.

47. Ромащенко,' М.А. Выбор "оптимального конструктивного исполнения электромагнитных экранов для применения на печатных платах [Текст] / М.А. Ромашенко // Системные проблемы надёжности, качества, информационно -телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2012): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2012. - 4.2. - С. 47-49.

48. Ромащенко, М.А. Об оптимальном выборе материалов для задач электромагнитного экранирования печатных плат [Текст] / М.А. Ромащенко // Системные проблемы надёжности, качества, информационно телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2012): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2012. - 4.2. -С. 49-51.

49. Ромащенко, М.А. Интегрирование методов сквозного обеспечения ЭМС в ключевые этапы разработки электронных средств [Текст] / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2012): материалы Междунар. конф. и

35

Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомнздат, 2012. - 4.2. - С. 51-52.

50. Муратов, A.B. Методика оптимизации эффективности экранирования для экранов электромагнитных полей [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Системные проблемы надёжности, качества, информационно - телекоммуникационных и электроннцх технологий в инновационных проектах (Инноватика 2012): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. -М.: Энергоатомнздат, 2012. - 4.2. - С. 52-54.

51. Макаров, О.Ю. Применение метода планирования эксперимента в задачах обеспечения ЭМС электронных средств [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2013. - Т. 1. -№ 1-1.-С. 159-161.

52. Ромащенко, М.А. Алгоритм оптимальной компоновки конструкций ЭС на завершающем этапе с учетом требований ЭМС [Текст] / М.А. Ромащенко // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2013. - Т. 1. -№ 1-1. - С. 263-267.

53. Макаров, О.Ю. Основные принципы применения программных средств для задач обеспечения ЭМС и помехоустойчивости [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2013. - С. 376-379.

54. Муратов, A.B. Рекомендации по использованию численных методов для обеспечения требований ЭМС и ЭМУ электронных средств [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2013. - С. 379-381.

55. Макаров, О.Ю. Экологический аспект в задачах обеспечения ЭМС и помехоустойчивости электронной аппаратуры [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Системные проблемы надёжности, качества, компьютерного моделирования информационных и телекоммуникационных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2013): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомнздат, 2013. - 4.2. - С. 63-65.

56. Муратов, A.B. Коррозионная и гальваническая совместимость материалов в задачах обеспечения ЭМС [Текст] / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко // Системные проблемы надёжности, качества, компьютерного моделирования информационных и телекоммуникационных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2013): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. — М.: Энергоатомнздат, 2013. — 4.2. — С. 65-66.

Подписано в печать 28.02.2014. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 90 экз. Заказ № /£ .

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ромащенко Михаил Александрович

СО

Ю 5

^ Сч1

г-

« о

МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

0| ^г

° Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Макаров О.Ю.

Воронеж-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 7

1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНЫХ МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ ЭМС И ПУ............ 24

1.1 Планирование и развитие путей повышения эффективности обеспечения требований ЭМС и ПУ при проектировании конструкций РЭС........................................................................................ 24

1.2 Основные принципы построения процесса оптимального конструирования РЭС с учетом ЭМС и ПУ...................................... 27

1.3 Концепция комплексного подхода при сквозном проектировании конструкций РЭС с учетом требований ЭМС и ПУ............................ 32

1.4 Основные принципы применения программных средств в задачах обеспечения ЭМС и ПУ конструкций РЭС....................................... 43

1.5 Цели и задачи исследования.................................................... 56

2. СТРУКТУРА, СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВНУТРИАППАРАТУРНОЙ ЭМС И ПУ................................................ 59

2.1 Методы организационно-технического планирования обеспечения требований ЭМС и ПУ................................................................ 59

2.1.1 Задачи ЭМС-планирования и ЭМС-менеджмента.................. 60

2.1.2 Разработка программы мероприятий по обеспечению требований ЭМС и ПУ.......................................................... 62

2.1.3 Планирование проведения ЭМС-тестирования РЭС............... 67

2.2 Схемотехнические методы обеспечения ЭМС и ПУ....................... 68

2.3 Топологические методы обеспечения ЭМС и ПУ.......................... 73

2.4 Конструкторско-технологические методы обеспечения ЭМС и ПУ... 84

2.5 Основные выводы главы......................................................... 89

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В КОНСТРУКЦИЯХ РЭС............. 93

3.1 Комплексная модель электромагнитных процессов в конструкциях РЭС и понятие электромагнитной топологии.................................... 93

3.1.1 Топологическая сеть и уравнение BLT............................... 99

3.1.2 Описание ЭМТ через уравнение BLT1............................... 102

3.1.3 Описание ЭМТ через уравнение BLT2............................... 105

3.2 Моделирование электромагнитных процессов на печатных платах с учетом топологического размещения проводников и компонентов......... 108

3.2.1 Математические модели описания помех возникающих в шинах питания.................................................................. 108

3.2.2 Математические модели анализа помехоустойчивости печатных проводников......................................................... 114

3.2.3 Математические модели оценки эмиссии ЭМИ печатными проводниками.................................................................. 120

3.3 Моделирование конструкций электромагнитных экранов с учетом конструктивных неоднородностей................................................. 132

3.3.1 Математические модели идеальных электромагнитных экранов........................................................................... 133

3.3.2 Математические модели электромагнитных экранов с учетом конструктивных неоднородностей........................................... 136

3.3.3 Математическое обеспечение структурного синтеза и параметрической оптимизации конструкций электромагнитных экранов............................................................................. 139

3.4 Основные выводы главы......................................................... 144

4. МЕТОД ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ВЕРИФИКАЦИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЭМС И ПУ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ................................ 146

4.1 Методика сетевой классификации соединений на ПП..................... 152

4.1.1 Процедура идентификации питающих и сигнальных цепей..... 156

4.1.2 Процедура определения типа цепи I/0-non_I/0..................... 159

4.1.3 Процедура определения питающего напряжения цепи............ 160

4.1.4 Процедура определения степени использования цепи............ 161

4.1.5 Процедура определения частотного диапазона цепи............................162

4.1.6 Процедура определения запаса помехоустойчивости цепи............164

4.1.7 Процедура определения степени излучения и восприимчивости цепи..................................................................................................................165

4.1.8 Процедура определения типа цепи A/D............................................................166

4.1.9 Процедура определения частоты синхронизации цепи........................167

4.1.10 Процедура определения параметров сигнала в цепи..........................169

4.1.11 Процедура определения характеристик переходных процессов в цепи..................................................................................................................................170

4.1.12 Процедура назначения цепи возвратного сигнала................................172

4.1.13 Процедура определения возвратного пути для сегментов цепи..................................................................................................................................................................173

4.2 Методика определения частот и частотных диапазонов присутствующих на 1111..............................................................................................................................175

4.3 Методика оценки помех в шинах питания ПП............................................................176

4.3.1 Процедура идентификации развязывающих конденсаторов..........177

4.3.2 Процедура определения индуктивности соединений............................178

4.3.3 Процедура оценки переходных процессов......................................................179

4.3.4 Процедура определения тока гармоник............................................................179

4.4 Методика анализа помехоустойчивости ПП..................................................................180

4.4.1 Процедура оценки устойчивости к перекрестным помехам............181

4.4.2 Процедура оценки устойчивости к шуму питающих цепей............182

4.4.3 Процедура оценки устойчивости к ЭСР............................................................183

4.4.4 Процедура оценки устойчивости к магнитному полю........................184

4.5 Методика анализа эмиссии ЭМИ от 1111............................................................................185

4.5.1 Процедура оценки эмиссии дифференциальных помех от ПЛ.. 186

4.5.2 Процедура оценки эмиссии вольтзависимых помех от экранированной ПП..........................................................................................................................187

4.5.3 Процедура оценки эмиссии вольтзависимых помех от неэкранированной ГШ....................................................................................................................188

4.5.4 Процедура оценки эмиссии синфазных токзависимых помех... 190

4.5.5 Процедура определения синфазного напряжения в аналитической сетке............................................................. 193

4.5.6 Процедура оценки эмиссии помех от подключенных кабелей

I/O.................................................................................... 194

4.5.7 Процедура оценки эмиссии от питающих шин..................... 196

4.6 Основные выводы главы......................................................... 197

5. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В РЭС НА ЭТАПАХ КОНСТРУКТОРСКОГО И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ........................................................................ 199

5.1 Метод оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов................................................ 199

5.1.1 Процедура определения целесообразности применения электромагнитных экранов для обеспечения требований ЭМС и ПУ 199

5.1.2 Процедура синтеза оптимального конструктивного исполнения, технологии изготовления и выбора материала......... 202

5.1.3 Процедура синтеза и оптимизации вентиляционных отверстий 208

5.1.4 Процедура синтеза и оптимизации отверстий для дисплеев и индикаторов....................................................................... 215

5.1.5 Процедура синтеза и оптимизации отверстий для разъемов и вводов проводников............................................................. 217

5.1.6 Процедура оптимизации электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом швов, щелей и соединений...... 219

5.1.7 Процедура синтеза и оптимизации разъемных и открывающихся соединений................................................... 221

5.2 Методика оптимальной компоновки конструкций РЭС на завершающем этапе проектирования............................................. 224

5.3 Методика сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля.................................................. 231

5.4 Основные выводы главы......................................................... 235

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ СТРУКТУР, МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РЭС С УЧЕТОМ ЭМС И ПУ....................................... 236

6.1 Применение метода топологической верификации обеспечения

требований ЭМС и помехоустойчивости на ПП................................. 236

6.2 Применение метода оптимального проектирования сложных

электромагнитных экранов........................................................... 240

6.3 Применение методики сканирования электромагнитного поля с

варьируемым шагом перемещения датчика поля............................... 249

6.4 Применение методики оптимальной компоновки конструкций РЭС

на завершающем этапе проектирования......................................... 253

6.5 Результаты, полученные при решении производственных задач...... 259

6.6 Основные выводы главы......................................................... 262

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................. 265

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..................... 268

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................. 270

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Структурные схемы методик и процедур топологической

верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ.................................... 299

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Структурные схемы методик и процедур

конструкторского и технологического ЭМС-проектирования РЭС............... 342

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Пример технического задания на проведение ЭМС-

тестирования РЭС............................................................................ 363

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Структура библиотеки компонентов используемой в

методе топологической ЭМС-верификации.......................................... 372

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Структура файла особых требований используемого в

методе топологической ЭМС-верификации.......................................... 374

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Набор правил трассировки и дополнительных параметров

используемых в методе топологической ЭМС-верификации..................... 376

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Ортогональная матрица Тагучи Ь16........................... 378

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения результатов диссертации..................... 379

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. ГОСТ Р 50397-2011 определяет электромагнитную совместимость (ЭМС) технических средств, как способность технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. При этом под техническим средством данный ГОСТ подразумевает любое электротехническое, электронное и радиоэлектронное изделие, а также любое изделие содержащее электрические и/или электронные составные части. Таким образом, радиоэлектронные средства (РЭС) являются одним из видов технических средств и должны разрабатываться с учетом соответствующих требований. Этот же ГОСТ дает определение помехоустойчивости (ПУ) технического средства, как его способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров.

Разработка новой компонентной базы и физических принципов ее работы, появление новых материалов и технологий производства, широкое распространение ЭВМ и специализированных САПР, активное внедрение новых подходов и методов проектирования - все это, с одной стороны, позволяет разработчику существенно повысить эффективность своей работы и получить принципиально новый функциональный уровень разработок, но с другой стороны предъявляет повышенные требования к квалификации и применяемым техническим решениями. В части вопросов обеспечения требований ЭМС и ПУ данная проблема стоит особенно остро, учитывая их прямую зависимость от быстродействия и сложности разрабатываемых РЭС, увеличения плотности компоновки и степени интеграции ИМС, применения «систем в корпусе» и «систем на кристалле».

Принято выделять следующие уровни ЭМС: межсистемный, внутрисистемный и внутриаппаратурный. И если по первым двум уровням имеется достаточно большое количество научных и прикладных работ,

позволяющих эффективно решать возникающие задачи, то обеспечение внутриаппаратурной ЭМС и ПУ эта та область деятельности, которой до настоящего времени практически не уделялось внимание. Как следствие, в сложившихся производственных процессах вопросам обеспечения требований ЭМС и ПУ при разработке РЭС уделялась второстепенная роль. Отчасти это обусловливалось сложностью математического аппарата, описывающего электромагнитные процессы в многоуровневой иерархической структуре, а отчасти трудно формализуемыми задачами и способами их решения. Кроме того, перед разработчиками на первый план выходили другие, более острые вопросы — обеспечение механической стойкости и нормальных тепловых режимов, защита от внешних дестабилизирующих факторов, увеличение надежности и т.п. Однако в настоящий момент достигнута та черта, когда дальнейшее повышение эффективности разработки РЭС возможно только с учетом принятия во внимание требований ЭМС и ПУ и решением задач по их обеспечению.

Данная тенденция приводит к расширению круга профессиональных задач разработчика на всех этапах жизненного цикла изделия. Однако до сих пор нет четких и хорошо формализованных методов сквозного решения подобных задач, учитывающих многокритериальный и многопараметрический характер возникающей проблемы. В то же время, существующая практика решения задач ЭМС на основе интуиции, субъективной оценки и имеющегося опыта разработчика не может удовлетворять высоким требованиям к скорости, прогнозируемости и эффективности разработки РЭС. Ситуация усугубляется недостаточно ясным распределением сфер деятельности специалистов, участвующих на схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах разработки изделия.

Таким образом, актуальность темы заключается в необходимости совершенствования существующих и разработки новых научных методов и технических основ оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом обеспечения требований электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, на основе сквозного подхода к

проектированию, включающего проведение организационно-технических мероприятий, анализ электромагнитных характеристик и синтез оптимальных технических решений на схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах разработки.

Степень разработанности темы можно проследить по научным публикациям в соответствующей области. Так наибольший вклад в теорию и практику обеспечения внутриаппаратурной ЭМС внесли отечественные исследователи и специалисты: Болотов Е.А., Винников В.В., Волин М.Л., Кармашев B.C., Кечиев Л.Н., Князев А.Д., Кравченко В.И., Летунова Н.И., Петров Б.В., Рогинский В.Ю., Седельников Ю.Е., Чермошенцев С.Ф., Шапиро Д.Н; среди зарубежных ученых мировую известность получили работы Colin Tong, Henry W. Ott, Karl-Heinz Gonschorek, David A. Weston, Mark I. Montrose, Edward M. Nakauchi, Tim Williams, Ralph Morrison, Clayton R. Paul, Donald R. J. White, Ernst Habiger, Adolf J. Schwab, John R. Barnes. Благодаря фундаментальному значению работ данных авторов, многие предложенные идеи и решения продолжают применяться в настоящее время. Однако, учитывая серьезный технический и технологический прорыв в области радиоэлектроники и микроэлектроники, для обеспечения требуемой эффективности проектирования конструкций РЭС с учетом критериев ЭМС и ПУ необходимы новые подходы и методы, учитывающие данную специфику.

Анализируя научные и технические литературные источники по проблемам внутриаппаратурной ЭМС и ПУ, опубликованные в последние годы [138-153], можно отметить решение узконаправленных задач на определенных иерархических уровнях, отсутствие сведений о возможности их интеграции в полный жизненный цикл РЭС, ориентированность на прикладные вопросы и недостаточной проработкой новых теоретических положений. Как наиболее актуальную можно отметить работу Кечиева Л.Н. «Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры» [137] написанную в 2007 году, но рассматривающую вопросы касающиеся, в основном, ЭМС печатных плат (1111) цифровых устройств

В связи с вышеизложенным степень разработанности темы представляется недостаточной, что побуждает к дальнейшему развитию научных основ внутриаппаратурной ЭМС, разработке методологии оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ, теоретическому обоснованию структуры, состава и содержания соответствующих методов обеспечения ЭМС, а также принципов их практической реализации.

Работа выполнялась в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» - «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования являе�