автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Полосковые модальные фильтры для обеспечения электромагнитной совместимости приборов бортового комплекса управления космических аппаратов

На правах рукописи

Долганов Евгений Сергеевич

Полосковые модальные фильтры для обеспечения электромагнитной совместимости приборов бортового комплекса управления космических аппаратов

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

005543991

Томск-2013

005543991

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

Научный руководитель — доктор технических наук,

старший научный сотрудник Газизов Тальгат Рашитович (ТУСУР)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Малютин Николай Дмитриевич (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники)

кандидат технических наук, доцент Заревич Антон Иванович (Национальный исследовательский Томский политехнический университет)

Ведущая организация — Открытое акционерное общество

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

Защита состоится 30 декабря 2013 г. в 9:00 на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина,

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

Автореферат разослан 29 ноября 2013 г.

40.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01 доктор технических наук

Филатов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На современном этапе развития спутниковых систем возникла необходимость в разработке космических аппаратов (КА) нового поколения в негерметичном исполнении, срок активного существования (САС) которых должен составлять не менее 15 лет. Одним из требований к таким КА является обеспечение высокой надежности функционирования в течение всего САС. Следовательно, возрастают и требования к качеству бортовой аппаратуры (БА), как полезной нагрузки, так и служебных систем, одной из которых является бортовой комплекс управления (БКУ). Его аппаратура разрабатывается по магистрально-модульному принципу с учетом последних достижений в области миниатюризации и унификации. При решении задач проектирования всё более острой становится проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) электронных узлов такой БА. Особое внимание в решении этой проблемы уделяется излучаемым помехоэмиссиям, растущим вследствие постоянного расширения диапазона рабочих частот, что, в свою очередь, приводит к возрастанию требований к наземным испытаниям. В соответствии со стандартами в области ЭМС, такими как М1Ь-8ТО-461Р, МЭК 61000-2-13, А1АА 8-121-2009, испытания БА рекомендуется проводить в диапазонах частот до 1, 18,40 и даже 100 ГГц.

Не меньшее внимание уделяется восприимчивости к воздействию мощных электромагнитных импульсов наносекундного и субнаносекундного диапазонов, поскольку они способны проникать в различную радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), минуя экраны приборов. Типовыми формами таких сверхкоротких импульсов (СКИ) являются затухающая синусоида и гауссов импульс. Традиционными схемотехническими средствами защиты от таких воздействий являются фильтры, устройства развязки, ограничители помех, разрядные устройства, а конструктивными — экранирование и методы повышения однородности экранов, заземление и методы уменьшения импедансов цепей питания и заземления. Такая защита применяется и для уменьшения негативного влияния электростатических разрядов (ЭСР), образующихся на поверхности КА вследствие его электризации. Оно в большей степени сказывается на приборах, расположенных на поверхности КА. Их соединительные кабели служат одним из наиболее простых путей проникновения внутрь БА кондуктивных импульсных помех схожих по форме с СКИ.

Таким образом, рассмотренный метод защиты имеет уязвимые места в области высоких частот, поэтому поиск новых перспективных методов защиты от негативного воздействия ЭСР на БА КА, а следовательно, и СКИ, остается, по-прежнему, актуальным.

В последнее время специалистами ТУСУРа в области ЭМС активно ведется исследование разложения СКИ в отрезках связанных линий в виде плоских кабелей и различных структур с неоднородным диэлектрическим заполнением. Результатом проведенных исследований стали модальные

фильтры (МФ), способные защищать различные электронные приборы от СКИ, путем их разложения на импульсы меньшей амплитуды за счет разной скорости распространения мод сигнала в связанной линии с неоднородным диэлектрическим заполнением. Существенными достоинствами таких устройств защиты являются небольшая масса, высокая надежность, радиационная стойкость, что делает перспективным их применение в БА КА. Для изготовления такого фильтра можно использовать фольгированный стеклотекстолит или полиимид, широко применяемые в БА КА. В ряде случаев для изготовления МФ не требуется наличия компонентов. Однако в проведенных исследованиях не учитывалась специфика БА КА. Поэтому необходимо исследовать существующие структуры МФ на предмет их использования в качестве элементов БА и разработать новые адаптированные к такой специфике структуры.

Цель работы - обеспечение ЭМС приборов БКУ КА. Для её достижения необходимы: анализ общих вопросов ЭМС на примере конкретных приборов БКУ; исследование эффекта разложения импульса в новых (адаптированных к БА) структурах связанных линий с неоднородным диэлектрическим заполнением; разработка и исследование характеристик многокаскадных МФ с последующим анализом возможности применения таких структур в БА.

В работе применены: квазистатический анализ, параметрическая оптимизация генетическими алгоритмами, экспериментальное и компьютерное моделирование, теория линий передачи, метод моментов, модифицированный узловой метод.

Достоверность результатов основана на корректном использовании численных методов и теории, согласованности результатов эксперимента и моделирования, использовании результатов на практике.

Научная новизна

1. Выполнен комплексный анализ электромагнитной совместимости приборов из состава бортового комплекса управления космического аппарата.

2. Впервые экспериментально подтверждено разложение сверхкороткого импульса в модальных фильтрах: с лицевой связью; на основе гибкого печатного кабеля; семикаскадных.

3. Впервые рассмотрена специфика воздействия электростатического разряда и затухающего высокочастотного воздействия на модальный фильтр в виде гибкого печатного кабеля.

4. Впервые показана целесообразность и возможность использования модальной фильтрации в приборах бортового комплекса управления.

5. Выявлены новые закономерности поведения характеристик модальных фильтров на подложке из стеклотекстолита.

Теоретическая значимость

1. Доказана возможность подавления сверхкоротких импульсов в модальном фильтре с лицевой связью.

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

3. Изложена идея использования модальной фильтрации для подавления помех от воздействия электростатического разряда.

4. Раскрыта специфика распространения электростатического разряда и затухающего высокочастотного воздействия через модальный фильтр.

5. Установлено наличие ярко выраженного максимума разности погонных задержек мод модального фильтра на тонкой подложке из стеклотекстолита.

Практическая значимость

1. С учетом комплексного анализа электромагнитной совместимости разработаны модули управления электрообогревателями участка выведения космического аппарата и модуль контроля температур.

2. Разработаны и апробированы программы для автоматизированного проектирования модальных фильтров с лицевой связью.

3. Предложены варианты использования модальной фильтрации в приборах бортового комплекса управления.

4. Показано, что влияние покрывающих слоев лака на ослабление помеховых сигналов в модальном фильтре с лицевой связью незначительно, а наличие металлического основания под модальным фильтром не позволяет использовать его по назначению.

Использование результатов исследований

1. ОКР «Разработка унифицированного ряда электронных модулей на основе технологии "система-на-кристале" для систем управления и электропитания космических аппаратов связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования» для ОАО "ИСС" (госконтракт 4216 от 24.10.2010).

2. Учебный процесс Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по целевой подготовке магистрантов физико-технического факультета по программе «Космические промышленные системы» для предприятия «Газпром космические системы» (г. Королев).

3. Обеспечение электромагнитной совместимости приборов бортового комплекса управления космических аппаратов ОАО "ИСС".

Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Всеросс. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г.Томск, 2008, 2011 г.; научно-техн. конф. молодых специалистов ОАО "ИСС" "Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем", г. Железногорск, 2011 г.; Межд. 1ЕЕЕ-сибирская конф. по управлению и связи (81ВСОЫ-2011), г.Красноярск, 2011г.; Межд. научная конф. "Решетневские чтения". г.Красноярск, 2009, 2010 г.; Научно-техн. конф. "Электронные и электромеханические устройства",

НПЦ "Полюс", Томск, 2011 г.; Всеросс. конф. "Актуальные проблемы авиации и космонавтики", посвященная Дню космонавтики, г.Красноярск, 2011 г.; Межд. Симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2011 г.; Межд. конф. по защите от молнии, г. Вена, Австрия, 2012 г., Межд. конф. Е1ЖОЕМ, г. Тулуза, Франция, 2012.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 работ, в т.ч.

3 статьи в журналах из перечня ВАК, 3 работы в трудах зарубежных конференций.

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят: введение,

4 главы, заключение, список литературы из 67 наим., приложение. Объём диссертации составляет с приложением 161 е., в т.ч. 93 рис. и 12 табл.

Личный вклад. Научные результаты, представленные в диссертации, получены автором. Ряд работ выполнен совместно с коллегами из ОАО «ИСС». Постановка цели работы и задач исследования выполнена совместно с Т. Р. Газизовым. Программная реализация файлов анализа МФ выполнена совместно с А. М. Заболоцким и А. О. Мелкозеровым. Макеты МФ с лицевой связью спроектированы автором. Экспериментальные исследования, анализ результатов моделирования и эксперимента, а также формулировка основных результатов и выводов, выполнены совместно с Т. Р. Газизовым, А. М. Заболоцким, П. Е. Орловым. Некоторые результаты исследований получены совместно с соавторами опубликованных работ. Положения, выносимые на защиту

1. На основе модальных фильтров на подложке из стеклотекстолита возможно создание устройств защиты приборов бортового комплекса управления космических аппаратов от сверхкоротких импульсов.

2. Модальный фильтр с лицевой связью на подложке из стеклотекстолита, имеющий длину 0,2 м, способен уменьшить в 5 раз амплитуду импульса длительностью 1 не и подавить на 40 дБ гармонический сигнал частотой 800 МГц.

3. Гибкий печатный кабель, используемый в приборах бортового комплекса управления, обладает свойствами модального фильтра.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПУТЕЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРИБОРОВ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Актуальность обеспечения электромагнитной совместимости бортовой аппаратуры космических аппаратов

В разделе подробно описана актуальность обеспечения электромагнитной совместимости приборов бортового комплекса управления. Рассмотрены методы защиты от деструктивного воздействия ЭСР.

1.2 Разработка интерфейсных узлов и блоков управления бортовой аппаратуры перспективных космических аппаратов

Представлена общая характеристика блока интерфейсного (БИ) БКУ, входящего в состав современных КА разработки и производства ОАО «ИСС». Описан магистрально-модульный принцип построения прибора. Основной

акцент сделан на воздействие факторов электризации, результатом которых может являться проникновение в БА СКИ, способного повлиять на ее функционирование или вывести из строя. Кратко описана методология и порядок подтверждения стойкости БА к воздействию таких факторов.

1.3 Обзор исследований по модальному разложению импульса в электрических соединениях

Выполнен обзор исследований модального разложения СКИ. Описан новый способ защиты от СКИ, основанный на модальной фильтрации, приведены результаты исследования модального разложения СКИ в различных структурах, рассмотрены общие подходы к созданию МФ, проведен обзор известных структур МФ.

2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРИБОРОВ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

2.1 Анализ требований технических заданий в части электромагнитной совместимости

Представлены требования ТЗ и спецификаций по ЭМС семи приборов БИ БКУ и БУН перспективных КА навигации и связи, таких как «Глонасс-К», «Амос-5», недавно выведенных в космос, и разрабатываемых— «Экспресс-АМ5», «Экспресс-АМб. Выявлено, что требования в части СКИ не предъявляются.

2.2 Анализ возможных путей проникновения и распространения сверхкороткого импульса в бортовой аппаратуре

Проанализированы пути проникновения и распространения СКИ в БА БКУ, кратко описаны впервые проведенные и документированные автором анализы ЭМС и худшего случая вновь разрабатываемых приборов БИ БКУ и БУН для ряда перспективных изделий, входящие в перечень отчетной документации для представления заказчику.

Кратко описаны разработанные модули управления обогревателями участка выведения КА и контроля температур, которые, на данный момент, используются по целевому назначению на борту ряда КА.

2.3 Анализ конструкции приборов бортового комплекса управления на предмет расположения модального фильтра и оценка эффективности его использования

Описаны достоинства и недостатки каждого из пяти вариантов расположения МФ: в виде отдельного унифицированного электронного модуля (УЭМ), располагаемого в требуемых местах блока; занимающего часть УЭМ (сторону; слой трассировки; участок на слое); МФ в неиспользуемом пространстве корпуса прибора (в свободном пространстве между УЭМ); на внутренней стороне крышек блока; на стенке перпендикулярной платам металлической рамки; в конструкции соединителя; МФ на основе ГПК.

3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОДАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ

Все результаты моделирования получены, используя метод моментов, для вычисления матриц погонных параметров отрезков многопроводных линий передачи с произвольным поперечным сечением, и модифицированный

узловой метод, для вычисления временного отклика произвольной схемы из отрезков линий передачи с произвольными нагрузками на заданное воздействие. Использовалась программная реализация этих методов в системе компьютерного моделирования электромагнитной совместимости ТАЬОАТ.

3.1 Компьютерное моделирование распространения сверхкороткого импульса в модальном фильтре на печатной плате

Проанализированы возможности использования МФ в печатных платах бортовой РЭА. Рассмотрены связанные полосковые линии: обращенные (ОПЛ), подвешенные (ППЛ), подвешенная и обращенная (ПОПЛ) (рис. З.1.). Выявлено преимущество ПОПЛ: максимальный модуль погонных разностей задержек четной и нечетной мод (1,4 нс/м при и,=0,5 мм).

Рисунок 3.1. Поперечные сечения связанных: ОПЛ (а), ППЛ (б), ПОПЛ (в)

Проведена параметрическая оптимизация (генетическим алгоритмом по критерию максимального |Дг|) МФ с лицевой связью (рис. 3.2) для тракта 50 Ом. Получено, что |Дг[=3 нс/м при -п>=3,35 мм, 5=3 мм м>\=\,62 мм.

М>\

О м>1

МФ

(Ь, С, Я, в, /)

ЙЗ

Д4

Рисунок 3.2. Поперечное сечение (а), О — общий, А - активный, П — пассивный и схема включения (б) МФ с лицевой связью Спроектирована новая структура МФ с лицевой связью (рис. 3.3), отличающаяся отсутствием П-образного общего проводника.

О

С

г п

Рисунок 3.3. Поперечное сечение новой структуры МФ, где проводники: А - активный, П -

пассивный, О - опорный

На рис. 3.4 представлен временной отклик на воздействие длительностью 1 не при длине МФ всего в 0,2 м на нагрузке 50 Ом. Наблюдается ослабление входного воздействия в 5 раз.

Г

1е-09

2е-09

Зе-09

4е-09 1:,с

5е-09

6е-09

7&!09

8е-09

Рисунок 3.4. Временной отклик на воздействие длительностью 1 не при длине МФ 0,2 м

3.2 Компьютерное моделирование распространения сверхкороткого импульса в модальных фильтрах в виде отдельных устройств

Детально исследованы характеристики МФ из рис. 3.5 в диапазоне параметров проводников и подложки, выявлено, что [Ат] с увеличением толщины подложки имеет все более ярко выраженный максимум (рис. 3.6).

I I

I I

Т

Рисунок 3.5. Поперечное сечение исследуемой структуры

Рисунок 3.6. Графики зависимостей |Дт| МФ (при ¿=105 мкм) от ширины проводников

3.3 Компьютерное моделирование распространения сверхкороткого импульса в модальном фильтре в виде гибкого печатного кабеля

Представлено моделирование распространения СКИ в МФ в виде ГПК. Рассмотрены случаи симметричной и несимметричной структур. Схема включения отрезка ГПК такая же, как на рис. 3.2. На рис. 3.7 представлена

точная геометрическая модель поперечного сечения ГПК. Размеры структуры соответствуют реальным: >с=0,65 мм; в=0,6 мм; ¿=0,05 мм; ¡£=0,5 мм; И=0,75 мм; ег=4; 1§6=0,003.

Рисунок 3.7. Геометрическая модель поперечного сечения трёх крайних проводников ГПК

Моделирование (рис. 3.8) показало, что при длине 1 м наблюдается частичное разложение исходного импульса на два импульса меньшей амплитуды только для симметричной структуры.

пл

о

VI

УА

Ъзтш.

т

Ш Ш

о

VI

' ' 2Й>9 ' Зе-'09 а Й ?е09 Зе-С9 4&09

Рисунок 3.8. Временной отклик (В, с) симметричной (а) и несимметричной (б) структур длиной 1 м на воздействие общей длительностью 0,3 не Максимальная погонная разность задержек мод в ГПК мала (0,21 нс/м), поэтому рассмотрен двухслойный ГПК с лицевой связью (рис. 3.9). И

1 2 3

- =

VI

Гь нс/м Т2, НС/М Тз, нс/м Т4, НС/М т5, нс/м

3.94977 4,27353 6.57317 6,53119 6,54759

и

VI

Г\Г\

1е-08

' 2е^08

Зе-08

4е-08

5е-0Е

Рисунок 3.9. Геометрическая модель поперечного сечения, погонные задержки мод и временной отклик двухслойного ГПК на воздействие длительностью 3 не

Воздействие подавалось между проводниками 1 и 6 (опорный), проводники

2 и 6 соединены резистором 1 Ом. Результаты компьютерного моделирования такой структуры представлены на рис. 3.9. Сигналы VI, VI - в начале и конце проводника 1. Видно полное разложение входного воздействия длительностью

3 не. Следовательно, максимальная погонная разность задержки распространения импульсов разложения будет 0,33 нс/м, т.е. больше, чем в однослойной структуре. Вычисленные значения погонных задержек

распространения всех пяти мод многослойной структуры показывают, что максимальная разность задержек распространения мод составляет 2,6 нс/м.

3.4 Компьютерное моделирование распространения электростатического разряда в модальном фильтре в виде гибкого печатного кабеля

Рассмотрена специфика воздействия ЭСР с формой тока по стандарту 1ЕС 61000-4-2 на МФ в виде ГПК (рис. 3.10). Исходная форма напряжения в начале отрезка ГПК (У2) начинается в момент времени Г=0. Как видно, она состоит из двух импульсов: короткого (около 10 не) и длинного (около 200 не), причем амплитуда первого примерно в 2 раза превышает амплитуду второго, а на стыке импульсов имеется характерный провал. Формы напряжения на выходе отрезка ГПК (К4) длиной 10-60 м сдвинуты по времени относительно исходной на 37 не, время задержки в отрезке длиной 10 м. С ростом длины отрезка пиковое значение напряжения на его выходе уменьшается до 1180В при длине 20 м (т.е. на 30% от 1670 В в начале отрезка), а затем незначительно возрастает.

Рисунок 3.10. Формы напряжения на входе (У2) и выходе (К4) отрезка ГПК длиной 10, 20, 30, 40, 50, 60 м

3.5 Компьютерное моделирование затухающего высокочастотного воздействия в модальном фильтре в виде гибкого печатного кабеля

Рассмотрена специфика распространения высокочастотного сильно и слабо затухающих сигналов в МФ на основе ГПК (рис. 3.11).

Рисунок 3.11. Формы напряжения слабо затухающего сигнала на входе (У2) и выходе (Г4) отрезка ГПК без учета потерь в проводниках и диэлектрике

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОДАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ

4.1 Экспериментальное моделирование распространения сверхкороткого импульса в макетах модальных фильтров

Представлены результаты, экспериментально подтверждающие разложение СКИ в структуре с лицевой связью с помощью прибора С9-11. На рис. 4.1 а представлена осциллограмма входного воздействия, представляющего собой треугольный импульс амплитудой 229 мВ (с учетом аттенюатора 20 дБ) и длительностью около 800 пс, между активным и опорным проводниками по схеме из рис. 3.2. На рис. 4.1 б представлена осциллограмма сигнала на выходе МФ, измеренного без аттенюатора. Видно, что выходной сигнал представляет собой сумму двух импульсов, как и при компьютерном моделировании, что подтверждает возможность ослабления СКИ в МФ с лицевой связью. Временной интервал между вершинами (примерно равной разности задержек мод), как зафиксировано маркерами осциллографа, составляет 3 не, что на 0,7 не больше, чем при компьютерном моделировании.

Рисунок 4.1. Осциллограммы напряжения в начале (а) и конце (б) МФ с лицевой связью

Таким образом, результаты натурного и вычислительного экспериментов отличаются по форме, амплитуде и разности задержек мод выходных сигналов, однако, в обоих случаях уменьшение входного воздействия (около 5 раз) и эффект модального разложения в МФ с лицевой связью имеют место. Следовательно, результаты экспериментов подтверждают возможность ослабления помех в МФ с лицевой связью.

Представлены результаты экспериментального моделирования распространения СКИ в семи изготовленных макетах МФ. Схема включения макетов осталась прежней (рис. 3.2), геометрические параметры соответствуют параметрам, выбранным при компьютерном моделировании. Все семь макетов изготовлены из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита с толщиной диэлектрика 0,18 мм и толщиной фольги 35 мкм. К входам и выходам каждого из макетов для стыковки с измерительными устройствами припаяны БМА разъемы. Каждому макету присвоен порядковый номер:

1. Макет с параметрами м>=Ъ мм, 5=4 мм без пассивного проводника и без лака.

2. Макет МФ с параметрами и'=3 мм, 5=4 мм без лака.

3. Макет МФ с параметрами м>=3 мм, 5=4 мм в лаке.

4. Макет МФ с параметрами w=3 мм, 5=4 мм на металлическом основании без лака.

5. Макет МФ с параметрами мм, 5=4 мм с закороченными между собой пассивным и общим проводниками без лака.

6. Макет МФ с параметрами ™=3 мм, 5=1 мм без лака.

7. Макет МФ с параметрами м>=2 мм, 5=1 мм без лака.

В качестве входного воздействия выбран треугольный импульс амплитудой 600 мВ (на нагрузке 50 Ом) длительностью 820 нс (по уровню 0,1). Для всех приведенных далее осциллограмм цена деления составляет 100 мВ и 1 не.

Макет 1 сделан намеренно для сравнения с результатами экспериментального моделирования макетов МФ. Отличием макета 1 от макетов МФ является отсутствие пассивного проводника во втором слое (т.е. этот макет состоит только из прямого и обратного проводников и поэтому не является МФ), что резко меняет его характеристики.

На рис. 4.2 представлен временной отклик макета МФ 2 отдельно и в сравнении с временным откликом макета 1. В результате влияния модального разложения амплитуды выходных импульсов составили: 113 мВ (первый импульс), 91 мВ (второй импульс), что примерно в 3 раза меньше амплитуды импульса на выходе макета 1 и в 6 раз меньше амплитуды входного воздействия. Разность задержек распространения этих импульсов составляет примерно 0,6 не, что совпадает с результатами компьютерного моделирования (3 нс/м*0,2 м=0,6 не). Третий импульс амплитудой 74 мВ и последующие импульсы являются отраженными, так как приходят к выходу макета МФ с двойной задержкой, что наглядно видно из рис. 4.3а.

На рис. 4.36 представлены отклики макетов МФ 2 и МФ 3, отличающиеся только наличием покрытия из лака. Видно, что влияние лака на распространение сигнала в таких МФ несущественно.

Рисунок 4.2. Временной отклик макета МФ 2 отдельно (а) и с откликом макета 1 (б)

Рисунок 4.3. Временные отклики макетов МФ 2 и МФ 1 с входным воздействием (а) и макетов МФ 2 и МФ 3 (б)

Представлено исследование частотных характеристик макета МФ 2 с помощью измерителя модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-40. Представлены, графики частотных зависимостей |521| и |5ц| макетов МФ 2 (рис. 4.4) и МФ 1 (рис. 4.5). Из рис. 4.4 видно, что полоса пропускания макета МФ 2 очень узка (около 40 МГц по уровню 3 дБ). На частоте 800 МГц значение |521| резко падает до минус 40 дБ (в 100 раз). Для сравнения результатов компьютерного и экспериментального моделирования воспользуемся формулой, связывающей частоту первого резонанса с разностью задержек мод МФ, а именно:/о=1/(2-/-|Дг[). Подставив в нее значения длины макета МФ /=0,2 м и разности погонных задержек Аг- 3 нс/м, получим 833 МГц, что с отклонением 4 % соответствует результату измерений. Как видно из рис. 4.5, график |521 макета 1 (только прямой и обратный проводники) имеет совершенно другую форму и на частоте 800 МГц резонанс отсутствует. Таким образом, экспериментально подтверждено наличие сильного затухания (40 дБ) на частоте первого резонанса МФ с лицевой связью.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рисунок 4.4. Частотные зависимости ^^ и |5ц| макета МФ 2

Рисунок 4.5. Частотные зависимости |521| и |5ц| макета 1

4.2 Экспериментальное моделирование распространения сверхкороткого импульса в модальных фильтрах в виде отдельных устройств

Представлены результаты натурного эксперимента для ряда макетов печатных последовательно включенных семи МФ с торцевой связью (рис. 3.5). Для примера, представлены (рис. 4.6, табл. 4.1) входные воздействия и отклики макетов 5, не являющегося МФ (отсутствует пассивный проводник) и макета бескомпонентного МФ 4.

iilíif;: ШШШШШШШШ я шШ sil IIÜI SSIIj

а

6

Рисунок 4.6. Входное воздействие и отклик макета 5 (а), входное воздействие и отклик (без

аттенюатора) МФ 4 (б)

Таблица 4.1. Параметры сигналов макета 5 и МФ 4

Параметры сигнала Входной сигнал (с аттенюатором 20 дБ) Выходной сигнал макета 5 (без аттенюатора) Выходной сигнал МФ 4 (без аттенюатора)

Амплитуда 222 мВ 816 мВ 317 мВ

Фронт (0,1-0,9) 360 пс 520 пс 2 не

Спад (0,1-0,9) 280 пс 800 пс 1,5 не

Длит. (0,5) 240 пс 520 пс 2 не

Задержка - 5,4 не 7,8 не

Развертка гориз. 2 нс/дел. 2 нс/дел. 2 нс/дел.

Развертка верт. 50 мВ/дел. 200 мВ/дел. 100 мВ/дел.

Входной сигнал подавался поочередно, как на входы, так и на выходы изготовленных МФ, видно наложение двух почти одинаковых по форме сигналов (рис. 4.6.6).

4.3 Экспериментальное моделирование распространения сверхкороткого импульса в модальном фильтре в виде гибкого печатного кабеля

Представлены результаты, экспериментально подтверждающие разложение сверхкороткого импульса в МФ на основе ГПК. Поперечные сечения симметричной и несимметричной структур представлены на рис. 3.8. На рис. 4.7 представлены отклики симметричной и несимметричной структур отрезка ГПК, из которых видно, что только в симметричной структуре эффект модального разложения имеет место.

Рисунок 4.7. Входное воздействие и временные отклики отрезка ГПК для симметричной (а) и несимметричной (б) структур

Амплитуда выходного сигнала для симметричной структуры составляет 74 мВ, а для несимметричной - 225 мВ, т.е. различие составляет 3 раза. Входное воздействие при распространении по такому отрезку ГПК задерживается на 7 не.

4.4 Основные результаты главы

Представлены результаты создания экспериментальных макетов МФ различных видов, показавшие их работоспособность. Совершенствование параметров МФ (в частности, уменьшение их длины) для их практического применения в целях защиты БА КА осуществимо за счет следующих возможностей: увеличение разности погонных задержек мод до нескольких наносекунд на метр, увеличение ослабления в одном каскаде до 5 раз, рост числа каскадов МФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения диссертационной работы для обеспечения ЭМС приборов БКУ сделано следующее:

1. Проведен обзор состояния проблемы электромагнитной совместимости приборов БКУ и достижений в области модальной фильтрации.

2. Проанализированы ТЗ и спецификации разрабатываемых приборов в части ЭМС.

3. В результате анализа, проведенного на примере спроектированного автором модуля управления обогревателями на участке выведения КА, выявлен

путь проникновения СКИ в Б А БКУ. Изделия темы 712К и К A AMOS-5 в настоящий момент выведены на орбиту и успешно функционируют; приборы БИ БКУ и БУН изделия ЕАМ-5 находятся на этапе предстартовой подготовки.

4. Проведены анализы ЭМС приборов БКУ.

5. Проведен анализ конструкции приборов БКУ на предмет расположения МФ и выполнена оценка эффективности его использования. Выявлено, что наиболее целесообразно располагать МФ на печатной плате модулей и блоков или в гибких печатных кабелях.

6. Проведен эксперимент, подтверждающий разложение сверхкороткого импульса в семикаскадных модальных фильтрах.

7. Проведено компьютерное и экспериментальное моделирование МФ на основе линии с лицевой связью, подтверждено разложение сверхкороткого импульса в таком МФ.

8. Проведено компьютерное и экспериментальное моделирование разложения СКИ в ГПК, как элементе БА КА.

9. Проведено компьютерное моделирование распространения ЭСР в МФ на основе ГПК; показана возможность частичного подавления такого воздействия.

10. Проведено компьютерное моделирование распространения высокочастотного синусоидального сигнала, в том числе затухающего, в МФ на основе ГПК; показана возможность полного подавления такого воздействия.

Таким образом, в результате проделанной работы решен ряд задач по обеспечению ЭМС приборов БКУ, что имеет существенное значение для развития космической отрасли страны.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Заболоцкий A.M., Долганов Е.С. Моделирование гибкого печатного кабеля в системе TALGAT. Материалы Тринадцатой Всероссийской научно-технической конференции "Научная сессия ТУСУР". г. Томск, 2008 г. С. 57-60.

2. Долганов Е.С., Горностаев А.И. Моделирование экранированного гибкого печатного кабеля в системе TALGAT. Материалы Тринадцатой Международной научной конференции "Решетневские чтения", г. Красноярск, 2009 г. С. 23-25.

3. Вахрушева A.C., Долганов Е.С. Исследование характеристик печатного модального фильтра на подложке из стеклотекстолита. Материалы Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО "ИСС" "Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем", г. Железногорск, 2011 г. С. 85-87.

4. Долганов Е.С., Буткин И.В. Разработка модулей для управления обогревателями на участке выведения космического аппарата. Материалы Четырнадцатой Международной научной конференции "Решетневские чтения", г. Красноярск, 2010 г. С. 15-16.

5. Орлов П.Е., Долганов Е.С. Моделирование распространения импульса в печатных проводниках бортовой аппаратуры. Материалы Четырнадцатой

Международной научной конференции "Решетневские чтения", г. Красноярск, 2010 г. С. 162-163.

6. Долганов Е.С. Исследование параметров и характеристик макета модального фильтра на основе линии с лицевой связью. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2011". г.Томск, 2011 г. Том 1. С. 119-121.

7. Вахрушева A.C., Долганов Е.С. Оптимизация параметров печатного модального фильтра на подложке из стеклотекстолита по критерию максимальной разности погонных задержек мод. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2011". г.Томск, 2011 г. Том 1. С. 144-147.

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

9. Долганов Е.С., Дементьев A.C. Предварительное экспериментальное моделирование разложения сверхкороткого импульса в семикаскадных модальных фильтрах. Международная IEEE-сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2011), г. Красноярск, 2011. С. 391-394.

10. Аширбакиев Р.И., Долганов Е.С. Реализация быстрого преобразования Фурье одномерных сигналов на графическом процессоре в системе TALGAT. VII всероссийская конференция «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», посвященная Дню космонавтики, г.Красноярск, 11-15 апреля 2011 г. С. 14.

11. ГазизовТ.Р., Долганов Е.С., Орлов П.Е. Квазистатическое и электродинамическое моделирование модальных явлений в многопроводных структурах // Инфокоммуникационные технологии. №4, 2011. С. 96-100.

12. ГазизовТ.Р., Долганов Е.С., Заболоцкий A.M. Модальный фильтр как устройство защиты бортовых вычислителей и блоков управления космических аппаратов от электростатического разряда // Известия вузов. Физика. Том 55. - №3. - 2012. С. 39-43.

13. Долганов Е.С. Сравнительный анализ требований технических заданий на разработку приборов бортового комплекса управления перспективных космических аппаратов в части электромагнитной совместимости. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2012". г. Томск, 2012 г. Том 1. С. 82-85.

14. T.R. Gazizov, A.M. Zabolotsky, А.О. Melkozerov, P.E. Orlov, I.G. Bevzenko, E.S. Dolganov. Evaluations of Protection Methods Using TVS-array and Modal Filter. Book of abstracts EUROEM 2012. 2-6 July 2012, Toulouse, France. P. 106.

15. T.R. Gazizov, A.M. Zabolotsky, A.O. Melkozerov, E.S. Dolganov, P.E. Orlov. Improved design of modal filter for electronics protection. Book of abstracts 31 International Conference on Lightning Protection (ICLP), 2-7 September 2012, Vienna, Austria.

16. T.R. Gazizov, A.M. Zabolotsky, A.O. Melkozerov, E.S. Dolganov, P.E. Orlov. Analysis of power dissipation in resistive terminations of single- and multistage modal filters. Book of abstracts 31 International Conference on Lightning Protection (ICLP), 2-7 September 2012, Vienna, Austria.

17. Долганов E.C., Газизов T.P., Заболоцкий A.M. Использование гибкого печатного кабеля для защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от высокочастотных кондуктивных помех // Авиакосмическое приборостроение. № 7, 2012. С. 18-27.

Тираж 100 экз. Заказ 1171. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.