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

На правах рукописи

СУДАРИКОВ Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 МАР 2013

Воронеж - 2013

005050806

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Муратов Александр Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Толстых Николай Николаевич, ОАО «Концерн «Созвездие»» (г. Воронеж), начальник службы координации программ и проектов ОАО «Концерн «Созвездие»»;

кандидат технических наук, доцент Зибров Александр Александрович, Воронежский институт МВД РФ, доцент кафедры инфокоммуникационных систем и технологий

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный

технический университет»

Защита состоится 21 марта 2013 г. в 14 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан «20» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

С развитием технического прогресса электромагнитная обстановка окружающего пространства постоянно усложняется. Проникновение электротехнических, компьютерных и телекоммуникационных систем в различные сферы деятельности человека и постоянное расширение спектра эксплуатируемых радиоэлектронных средств (РЭС) приводит к необходимости обеспечения нормального совместного функционирования данных средств, а именно, к обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС).

При конструкторском проектировании РЭС основным методом обеспечения ЭМС является электромагнитное экранирование. Величиной оценки электромагнитного экрана является эффективность экранирования (ЭЭ), которая определяется как отношение напряженности поля без экрана к напряженности поля с экраном и выражается в относительных единицах, наиболее часто в децибелах [дБ]. При разработке конструкций экранов и экранирующих корпусов в подавляющем большинстве случаев неизбежно создание более или менее значительных отверстий, швов, соединений элементов конструкции, т.е. неодно-родностей экрана. Любая неоднородность в экране будет нарушать пути прохождения токов, что, в свою очередь, влияет на эффективность электромагнитного экрана. Неоднородности можно разделить на несколько классов: большие открытые области, к которым можно отнести окна, дверцы, индикаторы, дисплеи, малые открытые области, вентиляционные отверстия, отверстия под вводы проводников и разъемы, контрольные окна, соединения между элементами конструкции, швы и щели.

Реальный корпус радиоэлектронного средства всегда содержит как минимум одну из этих неоднородностей. Таким образом, оценка эффективности экранирования с учетом неоднородностей является актуальной задачей и требует разработанной методики решения.

Для поддержания конкурентоспособности изделия необходимо сокращать время, затрачиваемое на его разработку. Интегрирование методов обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки конструкции РЭС позволит избежать многих ошибок и недочетов еще до создания опытного образца, тем самым значительно сократит время и затраты на создание нового изделия. Этому в значительной мере будет способствовать выбор оптимальных методик и мер по обеспечению ЭМС, а также использование специализированных средств автоматизированного проектирования на определенных этапах проектирования. На данный момент существует достаточно обширное множество автоматизированных средств, способных моделировать электромагнитные (ЭМ) поля, излучаемые РЭС, все они входят в состав более крупных программных комплексов и, как следствие, имеют высокую стоимость, что делает их недоступными многим малым и средним предприятиям. Но даже при наличии таких автоматизированных средств проведение верного анализа ЭМС в большинстве случаев достаточно затруднено, это обусловлено порой излишними требованиями к заданию граничных условий и глубокого

понимания физики моделируемого процесса, а также отсутствием методик: как, что и на каких этапах проектирования наиболее целесообразно моделировать.

Актуальность темы диссертационного исследования определяется необходимостью разработки методик, математических моделей и алгоритмов оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости. Разработанные методики позволят осуществить оптимизацию конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов по форме, материалу, технологии изготовления экрана, размерам и расположению отверстий с учетом множества конст-рукторско-технологических критериев и ограничений, требований технического задания и регламентирующих документов. Интегрирование методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы создания РЭС позволит повысить качество и скорость выхода нового изделия, что, как следствие, снизит себестоимость производимой продукции и увеличит конкурентоспособность.

Диссертационная работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2010.17 «Исследования и разработка перспективных методов проектирования и технологии изготовления радиоэлектронных средств».

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка комплекса математических моделей, алгоритмов и методик выбора оптимального конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов при проектировании конструкций модулей, узлов и блоков радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: проанализировать этапы проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости, выявить взаимосвязи и особенности на каждом из этапов;

провести анализ задач соответствия радиоэлектронных средств требованиям ЭМС, структурировать способы и методы достижения требуемых результатов;

предложить и структурировать комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемых электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей в экране;

выполнить разработку алгоритмов, позволяющих ускорить процесс измерения напряженности и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, с последующей обработкой результатов в современных автоматизированных средствах для процедур сертификации;

разработать методики оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, удовлетворяющих и другим требованиям технического задания;

осуществить анализ методов и автоматизированных средств, позволяю-

щих моделировать электромагнитные поля, выявить их основные достоинства и недостатки для проектирования РЭС с учетом моделирования параметров электромагнитной совместимости;

создать автоматизированные средства реализации методик и алгоритмов оптимального проектирования конструкции электромагнитных экранов и экранирующих корпусов радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, с возможностью взаимодействия с современными пакетами средств автоматизированного проектирования и анализа.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и элементы теории электростатики и электродинамики, теории электромагнитных полей, теории распространения электромагнитных волн, математического моделирования и оптимизации, теории алгоритмов, теории автоматизированного проектирования и методы вычислительной математики.

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

структурная схема интегрирования методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки радиоэлектронных средств, отличающаяся указанием определенных этапов разработки радиоэлектронных средств, в которые данные меры могут быть включены на основании целесообразности и своевременности;

алгоритмы и основанные на них методики оптимального проектирования конструкций электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, отличающиеся возможностью оптимизации по критерию эффективности экранирования для конкретных групп неоднородностей, обобщенных по функциональному назначению или конструктивному исполнению, возможностью прохождения по различным сценариям в зависимости от имеющихся исходных данных и внешних ограничений, а также возможностью интегрирования в комплексный подход решения задач электромагнитной совместимости, выполняемых на различных этапах создания радиоэлектронных средств;

алгоритм сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля, отличающийся возможностью получить значительный выигрыш времени при незначительных потерях в точности по сравнению с классическим сетчатым шагом при проведении экспресс-измерений напряженности и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, реализуемый в сканерах электромагнитного поля;

комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемого электромагнитного экрана с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей экрана, отличающийся возможностью оценки различных видов неоднородностей электромагнитных экранов.

Практическая значимость работы. На основе предложенного комплекса математических моделей разработаны алгоритмы, методики и автоматизированные средства реализации методик оптимального проектирования конструкции радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости, с помощью которых осуществляется оптимизация конструкции электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС с приведением их к

требуемой эффективности ослабления электромагнитных полей, излучаемых модулями, узлами и блоками радиоэлектронных средств. В результате чего возможно сокращение сроков выхода изделий на рынок, снижение их себестоимости и, как следствие, повышение конкурентоспособности разработанных изделий.

Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и автоматизированных средств реализации методик оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие»», что позволило на отдельных этапах проектирования радиоэлектронных средств оптимизировать выбор конструктивного исполнения и материала электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, снизить затраты на изготовление выпускаемой продукции при требуемом уровне качества. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Моделирование и анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств» для магистров направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010 -2012); Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2010 -2012); научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета в 2010 - 2012 гг.; Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ магистров, аспирантов и молодых ученых «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса» (Санкт-Петербург, 2009 - 2011); научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ВГТУ (2009 - 2011); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2010-2012); XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь (ЯЬНС*2012)» (Воронеж, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В ходе решения поставленных задач автором было получено оригинальное техническое решение, в результате чего была составлена и подана заявка №2012124407/20(037349) на выдачу патента на изобретение.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: обзор систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, рекомендации по их выбору [1,6]; алгоритм и методика измерения ЭМ полей с варьируемым шагом перемещения датчика [2,13]; определение итоговой границы ЭМС [3]; методика оптимизации экранов и неоднородностей экрана [4,18]; выбор этапа проектирования для реализации требований ЭМС на основе технико-экономического анализа [5,8]; анализ и структура решений проблем ЭМС [7,8,10]; модели ЭРЭ в комплексах

инженерного анализа [9,11]; обзор алгоритмов и технических средств измерения ЭМП [12,14]; методика совместного решения задач ЭМС и обеспечения тепловых режимов [15]; моделирование экрана в системе автоматизированных инженерных расчетов [16]; структурная схема интегрирования решений ЭМС в этапы проектирования [17].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 88 наименований, и 14 приложений. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 37 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана ее краткая характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе работы рассмотрены причины возникновения помех, основные задачи электромагнитной совместимости, представлена классификация уровней рассмотрения задач ЭМС и аналитических подходов оценки электромагнитной обстановки (ЭМО). Проанализированы пути проникновения электромагнитных помех (ЭМП), представлены типовые решения снижения помех, а также систематизированы практические способы устранения данных помех.

Произведена классификация и предложена структурная схема комплекса задач в области обеспечения ЭМС, их решений и практических способов реализации данных решений. Приведены экспертные рекомендации и решения по устранению ЭМП на этапах проектирования, указаны наиболее целесообразные методы уменьшения их влияния. Выявлены этапы разработки радиоэлектронных средств, на которых наиболее целесообразным методом обеспечения ЭМС является экранирование источников и приемников помех. Проанализированы этапы и особенности проектирования радиоэлектронных средств с учетом ЭМС, выявлены взаимосвязи требований ЭМС с другими требованиями к конструкции устройств.

Проведен обзор возможных мер обеспечения ЭМС и определены этапы разработки радиоэлектронных средств, в которые данные меры могут быть включены на основании целесообразности и своевременности. Сформирована структурная схема интегрирования методов сквозного обеспечения ЭМС в ключевые этапы разработки радиоэлектронных средств (рис. 1).

Проведен анализ основных современных автоматизированных средств, позволяющих моделировать электромагнитные поля РЭС, рассмотрены математическое обеспечение и методы, реализуемые в данных средствах. Даны рекомендации по целесообразному использованию программных комплексов и модулей в зависимости от этапа проектирования. Отмечены достоинства и недостатки представленных на рынке автоматизированных средств моделирования ЭМ полей, а также отражены ограничения на возможность их применения при проектировании РЭС с учетом моделирования параметров ЭМС.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи, решаемые в рамках данного исследования, и поставлена цель работы.

Схемотехническое (моделирование цепи

Целостность сигналов. Тайминг

П редтопологическое и лосттолологическое моделирование

Целостность сигналов, Тайминг

£

Рассмотрение стандартов ЭМС для данного типа изделий, оценка ЭМ обстановки

3

3

Схемотехническое: проектирование нового изделия

Выбор [\ элементной базы * нового изделия

Проектирование

топологии печатной платы

а

3

ж

Включение в схему защитных, фильтрующих и шунтирующих элементов

Выбор элементов

и проводников с учетом критерия ЭМС

Определение потенциальных и сигнальных слоев МПП, размещение элементов с учетом ЭМС, согласование и симметрирование цепей

Испытания на помехоустойчивость и помехпэмиссию

Моделирование ЭМП платы с экраном и без экрана

Измерение ЭМП платы

2 Сборка платы

£

Проектирование .. конструкции нового изделия

Разработка корпусе

3

3

Установка Определение требований к Определение и

экранов на узлы дополнительным средствам оптимизация

печатной платы обеспечения ЭМС экранирующих

Учет требований ЭМС свойств корпуса

Выбор совместно с требованиями Определение

оптимального к обеспечению тепловых оптимального

размера и режимов, механических. положения и

количества впаго- и пылезащитных размера

эфа нов свойств отверстий

Определение эффективности экранирования

3

Сборка опытного-образца изделия

3

о

Испытания предсертификационные и на соответствие ТЗ

Ж ъ

Прокладка кабелей с учетом требований ЭМС

3

Сертификационные испытания

Производство изделия

Рис.1. Структурная схема интегрирования методов сквозного обеспечения ЭМС в ключевые этапы

разработки РЭС

Во второй главе сформированы состав и структура комплекса математических моделей (ММ) решения задач экранирования с учетом различного конструктивного исполнения, материала и неоднородностей электромагнитных экранов и экранирующих корпусов (рис. 2).

Рис. 2. Структура комплекса математических моделей решения задач проектирования конструкций РЭС с учетом требований ЭМС

В общем виде задача оптимизации формулируется так: при внешних параметрах О и заданных условиях работоспособности на выходные параметры У требуется найти оптимальные значения варьируемых параметров X.

Для задачи оптимизации конструкции при проектировании радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости внешними параметрами (2 являются: Г - частота поля; Ъ - вид поля (электромагнитное, электрическое, магнитное).

Выходными параметрами У являются: Э - эффективность экранирования электромагнитных экранов и экранирующих корпусов; ш - масса электромагнитного экрана или экранирующего корпуса; с - стоимость материала электромагнитного экрана или экранирующего корпуса; 8вотв - площадь вентиляционных отверстий.

Варьируемыми параметрами X являются:

размеры отверстий в электромагнитном экране или экранирующем корпусе: (1 - диаметр отверстия; V/ — ширина отверстия; Ь - высота отверстия, 1 - глубина отверстия;

габаритные размеры электромагнитного экрана или экранирующего корпуса: 1э - толщина экрана; Ьэ — высота экрана; - ширина экрана; Ь - длина экрана;

свойства материала электромагнитного экрана или экранирующего корпуса: р - удельное сопротивление; ц - магнитная проницаемость;

Я3 - сопротивление шва, соединения конструктивных частей электромагнитного экрана или экранирующего корпуса.

Исходя из параметров объекта проектирования задача оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом требований обеспечения ЭМС должна быть направлена на реализацию целевой функции вида (1) и формулируется следующим образом:

шах Э(Х) = Э(Х*) = Э*, (1)

Хвй

где X* - оптимальный набор значений варьируемых параметров;

Э(Х*)=Э* - наибольшее, т.е. оптимальное значение эффективности экранирования Э(Х);

О - область допустимых значений, определяется ограничениями:

_ О = Щд^Х) > О, I = Щ (2)

где ^¡(Х), 1 = 1,/- ограничивающие функции; / - количество ограничений.

Габаритные размеры 1з, Ьэ, \Уэ, Ь ограничены массой электромагнитного экрана или экранирующего корпуса. Масса определяется выражением

т = Р • V — Р ■ 50ТВ • Сэ , ^ (3)

где Р - плотность [кг/м3]; 80ТВ-площадь отверстий в экране [м2]; I, - толщина экрана [м]; V - объем материала экрана [м3]. Размеры отверстий с1, V/, И электромагнитного экрана или экранирующего корпуса в случае вентиляционных отверстий ограничены площадью вентиляции 8„с.гг, для иных отверстий конструктивными размерами элементов, под которые отверстия предназначены.

Свойства материала электромагнитного экрана или экранирующего корпуса ограничены физическими свойствами конструкционных материалов и сплавов и могут быть описаны выражением Г0Д6- Ю_7Ом-м < р < 7,8 • Ю_7Ом • м, при ц = 1; 1о,69 • Ю"7Ом • м < р < 12,5 ■ Ю~7Ом • м, при 50 < ц < 1,1 • 106, где р - удельное сопротивление [Ом-м];

ц - относительная магнитная проницаемость. При заданных условиях работоспособности и критерии оптимальности задача оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом требований обеспечения ЭМС может быть рассмотрена как многопараметрическая задача локальной оптимизации с ограничениями типа неравенств. Данная задача решается поисковыми методами оптимизации. Так как произвести дифференцирование не представляется возможным, используется прямой метод поисковой оптимизации или метод нулевого порядка. Процедура поиска оптимального решения X* основана на пошаговом изменении варьируемых параметров (5) при г = 0. 1, 2,..., п-1:

Хг+1 = ХГ + ДХГ, (5)

где Хг - набор значений варьируемых параметров на г-м шаге;

АХГ - приращение варьируемых параметров.

Для оценки эффективности экранирования с учетом неоднородностей экрана предложена обобщенная математическая модель эффективности экранирования с учетом отверстий и неоднородностей экранов, представленная выражением (6). Оценка эффективности экранирования электромагнитным экраном с неоднородностями может быть представлена в виде разности величины эффективности экранирования сплошным однородным экраном и показателя вклада, вносимого неоднородностями в общую эффективность экранирования К„. Эффективность экранирования сплошного однородного экрана, зависящая от свойств материала и его толщины, определяется как сумма потерь сплошного экрана Котр, К|югя, Кмотр, для вычисления которых наиболее подходящими представляются выражения (7) - (12).

Э = КОТр + К„ога + Км отр — Кн, (6)

где Кшр - потери на начальное отражение для сплошного экрана;

Кпогл - потери на поглощение сплошным экраном;

К», отр - потери на многократные отражения в сплошном экране;

К„ - показатель вклада неоднородностей экрана в ослабление эффективности экранирования;

КПогл = -201де~'т [дБ]; (8)

Кмотр = +20^(1-(ЦЩ)2-е-^) [дБ], (9)

где 2.$ - характеристическое сопротивление экрана;

ш = [0м]> (10)

Ъ^ - характеристическое сопротивление поперечной волны;

2*г= [Ом], (11)

£а

Гэ - толщина экрана [м]; еа - диэлектрическая проницаемость [Ф/м];

На - абсолютная магнитная проницаемость [Гн/м];

5- поверхностный слой [м];

5=Ш1м- <12>

Показатель вклада неоднородностей экрана в ослабление эффективности экранирования Кн представляет собой сумму показателей (13), каждый из которых характеризует определенный вид неоднородности:

п т Р I к

К,

= £ + X + Е+ X+ Е• (13) ¡=1 ¡=1 ¡=1 ¿=1 ¡=1 где Км ... К5]- показатели вклада, вносимого неоднородностями в снижение общей эффективности экранирования: Кп - вентиляционными отверстиями; К2| - вводами проводников и разъемами; - дисплеями и индикаторами; Кц - соединениями частей конструкции, швами и щелями; К5| — крышками и дверцами; п, ш, р, 1, к - числа, характеризующие количество неоднородностей одного вида.

Показатель вклада К„ для экранирующего корпуса с двумя видами вентиляционных отверстий, с перфорацией отверстиями прямоугольной формы и

перфорацией отверстиями круглой формы описывается выражением

л

= + (14)

1=1

где Кп - показатель вклада, вносимого вентиляционными отверстиями прямоугольной формы в снижение общей ЭЭ;

К]2 - показатель вклада, вносимого вентиляционными отверстиями круглой формы в снижение общей ЭЭ.

При вычислении показателя вклада Кп наиболее целесообразно использовать выражения (15), (16) для экрана с перфорацией матрицей прямоугольных отверстий:

«и - -2019 С-^) " КП ^ ^ [1+5^=1- °5)

к =

пг

для магнитных полей;

'-^у-, для плоских волн; (16)

—47ПУГ

——— , для электрических полей,

где 5 - расстояние между отверстиями [м]; и; - высота отверстия [м]; А - ширина отверстия [м]; г - расстояние до источника ЭМП [м]. При вычислении показателя вклада К12 наиболее целесообразно использовать выражения (17), (18) для экрана с перфорацией матрицей круглых отверстий:

к» = I1 - + " 2ог* I1 + (17)

где ¿/-диаметр отверстия [м];

- й

для магнитных полей;

к =

3,682г'

;2ггсі для плоских волн; (18)

3.682Я'

' Я11* электрических полей.

Для описания других видов неоднородностей используются модели, аналогичные моделям, представленным выше.

В третьей главе приводятся разработанные алгоритмы. Предложен алгоритм определения целесообразности экранирования элементов, узлов печатной платы и всего устройства, основанный на результатах моделирования или реальных испытаниях на помехоэмиссию и помехоустойчивость. В алгоритм определения целесообразности экранирования входит алгоритм выбора оптимального конструктивного исполнения, материала и технологии изготовления электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, представленный на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм выбора оптимального конструктивного исполнения, материала и технологии изготовления электромагнитных экранов и экранирующих корпусов

Разработанный алгоритм (рис. 3) позволяет проводить оптимизацию эффективности экрана для разных конструктивных исполнений, по материалу, толщине стенок экрана, размеру и расположению конструктивных отверстий. Для оптимизации по каждому виду отверстий и неоднородностей, в частности, вентиляционных отверстий, отверстий под вводы проводников и разъемы, отверстий для дисплеев и индикаторов, регулировочных и сервисных отверстий, а также щелей и швов, образуемых соединением частей экрана, разработаны отдельные алгоритмы.

Алгоритм выбора оптимального конструктивного исполнения, материала и технологии изготовления электромагнитных экранов и экранирующих корпусов (рис. 3) по критерию (1) может использоваться как в комплексе с алгоритмом определения целесообразности экранирования, так и отдельно для оценки эффективности экранирования при принятии проектных решений относительно конструкции ЭМ экранов.

Разработан алгоритм сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля (рис. 4), позволяющий получить значительный выигрыш времени при незначительных потерях в точности по сравнению с классическим сетчатым шагом при проведении экспресс-измерений напряженности и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков электронных средств, реализуемый в сканерах электромагнитного поля. В ходе решения данной задачи получено оригинальное техническое решение в области измерения уровня помех, в результате чего была составлена и подана заявка №2012124407/20(037349) на выдачу патента на изобретение.

Суть данного алгоритма заключается в следующем: перед каждым перемещением датчика поля измеренная величина напряженности поля сравнивается со значениями напряженности в массиве А[п,ш] и выбирается шаг, соответствующий данному интервалу, алгоритм выбора шага представлен отдельно на рис. 4. Для построения массива А[п,ш] требуется задать номинальную напряженность Е„ом, до значения которой шаг будет максимальным Ртах, и значение максимальной напряженности Ешах, выше значения которой шаг будет минимальным Рт,п, и количество интервалов разбиения п. После прохождения алгоритма выбора шага датчик перемещается на заданный шаг. Следует заметить, что если предыдущий шаг был больше выбранного, то датчик перемещается на предыдущую точку сканирования XI и далее датчик перемещается с выбранным шагом, таким образом не происходит потери точности при измерениях. В том случае, если выбранный шаг меньше или равен предыдущему шагу, то перемещение датчика производится с выбранным шагом. После каждого выбора шага производится проверка «Р,ы6 = Ртах», если да, то цикл измерений с перемещением по оси X повторяется, в ином случае производится перемещение по оси У.

Четвертая глава посвящена разработке методик и описанию результатов применения разработанных методик и алгоритмов. На основе предложенных алгоритмов разработана методика выбора оптимального конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов по критериям ЭМС с учетом снижающих эффективность экранирования факторов и удовлетворяющая другим требованиям технического задания.

Рис. 4. Алгоритм сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля

Методика выбора оптимального конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов по критериям ЭМС была применена при разработке конструкции одного из блоков, входящих в состав автоматизированной станции помех авиационной УКВ-радиосвязи Р-934Б. По техническому заданию требовалось доработать конструкцию корпуса блока в области обеспечения электромагнитной совместимости. Необходимо обеспечить эффективность экранирования не менее 50 дБ в диапазоне частот от 100 МГц до 400 МГц. Результаты испытаний приведены на рис. 5, эффективность экранирования исходного неоптимизированного блока представлена кривой 1; ЭЭ, рассчитанная при применении методики выбора оптимального конструктивного исполнения с учетом требований ЭМС, - кривой 2; ЭЭ оптимизированного блока в результате применения разработанной методики - кривой 3.

Проанализировав полученные эффективности экранирования, можно сделать вывод, что разработанная методика позволила получить требуемые результаты, а соответственно методику оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом требований ЭМС можно считать адекватной.

Разработаны базы данных «Типовых проектных решений» и «Материалов», на основании которых формируется система оценки вклада неоднородно-стей экрана в уменьшение эффективности экранирования.

Результаты применения алгоритма сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля представлены в таблице. За счет изменения шага время, затрачиваемое на сканирование, может сократиться более чем в 5 раз по сравнению со временем, затрачиваемым на сканирование с постоянным шагом. Скорость перемещения датчика была принята 40 точек в минуту исходя из документации производителя Detectus АВ устройств сканирования ЭМ полей печатных плат.

Сравнение результатов сканирования электромагнитного поля для нескольких размеров шага сканирования___

Размер шага Количество точек Время Соотношение

варьируемый от 1 мм до 5 мм 2790 70 мин 100 %

Р = 5 мм 663 16,5 мин < на 76,4%

Р = 2,5 мм 2541 63,5 мин < на 9,3%

Р = 1,6 мм 6120 153 мин > в 2,2 раза

Р = 1 мм 15471 387 мин > в 5,5 раз

Рассмотрено применение разработанных автоматизированных средств реализации методик при моделировании и оптимизации экранов электромагнитных полей устройств, проведен анализ их эффективности по результатам использования.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы этапы проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости, выявлены взаимосвязи и особенности на каждом из этапов. Предложена структурная схема интегрирования методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки радиоэлектронных средств.

2. Проведен анализ задач соответствия радиоэлектронных средств требованиям электромагнитной совместимости, структурированы способы и методы достижения требуемых результатов.

3. Предложен и структурирован комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемых электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей.

4. Разработаны методики оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, удовлетворяющие и другим требованиям технического задания, с возможностью интегрирования в комплексный подход решений задач электромагнитной совместимости, выполняемых на различных этапах создания радиоэлектронного средства.

5. Выполнена разработка алгоритма сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля, позволяющего получить значительный выигрыш времени при незначительных потерях в точности по сравнению с классическим сетчатым шагом при проведении экспресс-измерений напряженности и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, реализуемый в сканерах электромагнитного поля для процедур сертификации.

6. Разработан алгоритм оптимизации конструктивного исполнения электромагнитных экранов по критерию эффективности экранирования с учетом имеющихся видов неоднородностей экрана.

7. Осуществлен анализ методов и автоматизированных средств, позволяющих моделировать электромагнитные поля, определены их основные достоинства и недостатки. Созданы автоматизированные средства реализации методик и алгоритмов оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, с возможностью взаимодействия с современными пакетами средств автоматизированного проектирования и анализа.

8. В ходе решения задачи в области измерения уровня помех получено оригинальное техническое решение, в результате чего была составлена и подана заявка № 2012124407/20(037349) на выдачу патента на изобретение.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Муратов A.B. Анализ электромагнитных воздействий радиоэлектронных средств с помощью систем автоматизированного проектирования категории CAD/CAE / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Вестник

15

Воронежского государственного технического университета. 2010. - Т. 6. -№8.-С. 135-137.

2. Судариков A.B. Алгоритм оптимизации времени измерения электромагнитных излучений радиоэлектронных устройств, реализуемый в системах измерения электромагнитной эмиссии печатных плат / A.B. Судариков // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. - Т. 8. -№ 1. - С. 100- 103.

3. Ромащенко М.А. Модель прогнозирования электромагнитной совместимости, основанная на методе сечения плоскостью чувствительности / М.А. Ромащенко, С.Ю. Сизов, A.B. Судариков // Радиотехника. - 2012. - № 8. - С. 97 - 100.

4. Судариков A.B. Методика оптимизации размеров и выбора типа вентиляционных отверстий при проектировании электромагнитных экранов электронных средств / A.B. Судариков // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. - Т. 8. - № 10.1. - С. 75 - 77.

Статьи и материалы конференций

5. Муратов A.B. Экономическая и маркетинговая составляющие проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости / A.B. Муратов, A.B. Судариков, И.А. Лозовой // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2010): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. - С.198-203.

6. Муратов A.B. Программные средства моделирования электромагнитных полей при проектировании РЭС / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2010): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат, 2010. Ч. 2. - С. 203-208.

7. Судариков A.B. Механизмы проникновения и возникновения помех в радиоэлектронных средствах / A.B. Судариков // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2010. - С. 73-78.

8. Судариков A.B. Анализ электромагнитных воздействий и обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств с помощью систем автоматизации инженерных расчетов / A.B. Судариков // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2010. - С. 102-108.

9. Муратов A.B. Сравнительный электромагнитный анализ катушек индуктивности в программном комплексе ANSYS / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. -Красноярск: ИПК СФУ, 2011. - С. 460-461.

10. Муратов A.B. Основные принципы разработки конструкций РЭС с учетом ЭМС и ЭМУ / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2011.-С. 462-463.

11. Ромащенко М.А. Моделирование электромагнитных полей радиоэлементов в среде ANSYS / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Надежность и качество: труды междунар. симпозиума - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1. -С. 331-333.

12. Ромащенко М.А. Обзор технических устройств для измерения характеристик электромагнитных полей / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Надежность и качество: труды междунар. Симпозиума. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 2. - С. 213-215.

13. Судариков A.B. Алгоритм сканирования излучения электромагнитных полей с варьируемым шагом перемещения датчика поля / A.B. Судариков // Сотрудничество вузов и предприятий радиоэлектронной отрасли: сб. конкурсных науч.-исслед. работ. СПб.: Санкт-Петербургская Ассоциация предприятий радиоэлектронной промышленности, 2011. С. 151-154.

14. Ромащенко М.А. Испытания радиоэлектронных средств на помехо-эмиссию / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2011): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. шк. - М.: Энергоатомиздат, 2011. Ч. 2. - С. 83-85.

15. Ромащенко М.А. Совместное решение задач обеспечения теплового режима работы и электромагнитной совместимости при проектировании электронных средств / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Надежность и качество: труды междунар. Симпозиума. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. Т. 2. С. 216-221.

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

17. Ромащенко М.А. Интегрирование методов сквозного обеспечения ЭМС в ключевые этапы разработки электронных средств / М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2012): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. -М.: Энергоатомиздат, 2012. Ч. 2. С. 51-52.

18. Муратов A.B. Методика оптимизации эффективности экранирования для экранов электромагнитных полей / A.B. Муратов, М.А. Ромащенко, A.B. Судариков // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2012): материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школы. - М.: Энергоатомиздат. 2012. Ч. 2. С. 52-54.

Подписано в печать 18.02.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №

Ж

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

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

На правах рукописи

Судариков Алексей Владимирович

ДИССЕРТАЦИЯ

СО 00

на соискание ученой степени кандидата технических наук

доктор технических наук, профессор

Муратов Александр Васильевич

Научный руководитель:

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ И ЭКРАНИРУЮЩИХ КОРПУСОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 17

1.1 Основные задачи и методы проектирования радиоэлектронных средств с учетом требований обеспечения электромагнитной совместимости 17

1.2 Анализ этапов проектирования конструкций радиоэлектронных средств и их особенностей с учетом требований электромагнитной совместимости 25

1.3 Средства моделирования электромагнитных полей при

проектировании радиоэлектронных средств 31

1.4 Цель и задачи исследования 40

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТОДИК ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ 44

2.1 Состав и структура комплекса математических моделей решения задач экранирования с учетом конструктивных неоднородностей экрана 44

2.2 Постановка задачи оптимизации конструкции при проектировании радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости 48

2.3 Основные механизмы экранирования и математические модели для сплошных электромагнитных экранов 53

2.4 Проектирование электромагнитных экранов с учетом резонансных явлений 60

2.5 Погрешность и оценка эффективности экранирования электромагнитного экрана с отверстиями и неоднородностями 66

2.6 Зависимость проникновения электромагнитного поля через отверстия

от толщины экрана. Математические модели запредельных волноводов. 68

2.7 Математические модели оценки эффективности экранирования электромагнитного экрана с отверстием прямоугольной формы и с перфорацией матрицей прямоугольных отверстий 73

2.8 Математические модели оценки эффективности экранирования электромагнитного экрана с отверстием круглой формы и с перфорацией матрицей круглых отверстий 77

2.9 Математические модели оценки эффективности экранирования электромагнитных экранов из сетчатых материалов 79

2.10 Основные выводы второй главы 82 3 АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 83

3.1 Алгоритмы и структура процесса оптимального проектирования электромагнитных экранов с неоднородностями и отверстиями 83

3.1.1 Определения целесообразности применения электромагнитных экранов на этапах проектирования 83

3.1.2 Выбор оптимального конструктивного исполнения, материала и технологии изготовления электромагнитных экранов и экранирующих корпусов 87

3.1.3 Проектирование электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом вентиляционных отверстий и их оптимизация 94

3.1.4 Оптимизация электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом отверстий для дисплеев и индикаторов 99

3.1.5 Проектирование электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом отверстий, предназначенных под вводы проводников и разъемы 102

3.1.6 Оптимизация электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом швов, щелей и соединений 105

3.1.7 Проектирование разъемных и открывающихся соединений частей электромагнитных экранов и экранирующих корпусов 107

3.2 Алгоритм сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля 110

3.3 Основные выводы третьей главы 116 4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИК ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ

СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ 117

4.1 Методика оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости 118

4.2 Результаты применения алгоритма сканирования электромагнитного

поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля 121

4.3 Результаты применения методики оптимального проектирования конструкций электромагнитных экранов и экранирующих корпусов 126

4.4 Основные выводы четвертой главы 137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 140 ПРИЛОЖЕНИЕ А Структурная схема комплекса задач, требующих

решений в области обеспечения ЭМС, их решений и практических способов реализации данных решений

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Алгоритм определения целесообразности применения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов

ПРИЛОЖЕНИЕ В Алгоритм выбора оптимального конструктивного исполнения, материала и технологии изготовления электромагнитных экранов и экранирующих корпусов

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Алгоритм оптимизации электромагнитных экранов и экранирующих корпусов «Вентиляционные отверстия» ПРИЛОЖЕНИЕ Д Алгоритм типовой процедуры оптимизации «Вентиляционные отверстия»

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Алгоритм оптимизации электромагнитных экранов и

экранирующих корпусов «Дисплеи и индикаторы»

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Алгоритм оптимизации электромагнитных экранов и

экранирующих корпусов «Вводы проводников и разъемы»

ПРИЛОЖЕНИЕ И Алгоритм оптимизации электромагнитных экранов и

экранирующих корпусов «Швы, щели и соединения»

ПРИЛОЖЕНИЕ К Алгоритм оптимизации электромагнитных экранов и

экранирующих корпусов «Крышки и дверцы»

ПРИЛОЖЕНИЕ Л База данных «Материалы»

ПРИЛОЖЕНИЕ М База данных «Типовых решений и экспертных

подсказок»

ПРИЛОЖЕНИЕ Н Графический интерфейс разработанных автоматизированных средств реализации методик

ПРИЛОЖЕНИЕ П Акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

ПРИЛОЖЕНИЕ Р Акт внедрения результатов диссертационной работы в ОАО «Концерн «Созвездие»»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. С развитием технического прогресса электромагнитная обстановка окружающего пространства постоянно усложняется, возникают провалы, выбросы электромагнитной энергии, импульсные и радиочастотные помехи, которые оказывают влияние на электронные устройства, а также биологические объекты. Проникновение электротехнических, компьютерных и телекоммуникационных систем в различные сферы деятельности человека и постоянное расширение спектра эксплуатируемых радиоэлектронных средств (РЭС) приводит к необходимости обеспечения нормального совместного функционирования данных средств, а именно к обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС).

В связи с этим происходит ужесточение требований к стойкости РЭС на воздействие различных электромагнитных излучений (ЭМИ), а также к минимизации ЭМИ от разрабатываемых радиоэлектронных средств в окружающую среду. При разработке конструкции экранов и экранирующих корпусов в подавляющем большинстве случаев неизбежно создание более или менее значительных отверстий, швов и наличие соединений элементов конструкции. Любая неоднородность в экране будет нарушать пути прохождения токов, что в свою очередь влияет на эффективность электромагнитного экрана. Неоднородности можно разделить на несколько классов:

- большие открытые области, к которым можно отнести окна, дверцы, индикаторы, дисплеи;

- малые открытые области, вентиляционные отверстия, отверстия под вводы проводников и разъемы, контрольные окна;

- соединения между элементами конструкции, швы и щели.

Реальный корпус электронного средства всегда содержит как минимум одну из этих неоднородностей. Таким образом, оценка эффективности экранирования с учетом неоднородностей является актуальной задачей и требует разработанной методики решения.

Для поддержания конкурентоспособности изделия необходимо сокращать время, затрачиваемое на его разработку. Интегрирование методов обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки конструкции РЭС позволит избежать многих ошибок и недочетов еще до создания опытного образца, тем самым значительно сократит время и затраты на создание нового изделия. Этому в значительной мере будет способствовать выбор оптимальных методик и мер по обеспечению ЭМС, а также использование специализированных средств автоматизированного проектирования на определенных этапах проектирования. На данный момент существует достаточно обширное множество автоматизированных средств, способных моделировать электромагнитные (ЭМ) поля, излучаемые РЭС, все они входят в состав более крупных программных комплексов и, как следствие, имеют высокую стоимость, что делает их недоступными многим малым и средним предприятиям. Но даже при наличии таких автоматизированных средств проведение верного анализа ЭМС в большинстве случаев достаточно затруднено, это обусловлено порой излишними требованиями к заданию граничных условий и глубокого понимания физики моделируемого процесса, а также отсутствием методик: как, что и на каких этапах проектирования наиболее целесообразно моделировать.

Актуальность темы диссертационного исследования определяется необходимостью разработки методик, математических моделей и алгоритмов оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости. Разработанные методики позволят осуществить оптимизацию конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов по форме, материалу, технологии изготовления экрана, размерам и расположению отверстий с учетом множества конструкторско-технологических критериев и ограничений, требований технического задания и регламентирующих документов. Интегрирование методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы создания РЭС позволит повысить качество и скорость выхода нового изделия, что, как следствие, снизит

себестоимость производимой продукции и увеличит конкурентоспособность.

7

Диссертационная работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2010.17 «Исследования и разработка перспективных методов проектирования и технологии изготовления радиоэлектронных средств».

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математических моделей, алгоритмов и методик выбора оптимального конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, при проектировании конструкций модулей, узлов и блоков радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: проанализировать этапы проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости, выявить взаимосвязи и особенности на каждом из этапов;

провести анализ задач соответствия радиоэлектронных средств требованиям ЭМС, структурировать способы и методы достижения требуемых результатов;

предложить и структурировать комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемых электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей в экране;

выполнить разработку алгоритмов, позволяющих ускорить процесс измерения напряженности и ^компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, с последующей обработкой результатов в современных автоматизированных средствах для процедур сертификации;

разработать методики оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости,

удовлетворяющих и другим требованиям технического задания;

8

осуществить анализ методов и автоматизированных средств, позволяющих моделировать электромагнитные поля, выявить их основные достоинства и недостатки для проектирования РЭС с учетом моделирования параметров электромагнитной совместимости;

создать автоматизированные средства реализации методик и алгоритмов оптимального проектирования конструкции электромагнитных экранов и экранирующих корпусов радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, с возможностью взаимодействия с современными пакетами средств автоматизированного проектирования и анализа.

Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены

следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

структурная схема интегрирования методов сквозного обеспечения

электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки радиоэлектронных

средств, отличающаяся указанием определенных этапов разработки

радиоэлектронных средств, в которые данные меры могут быть включены на

основании целесообразности и своевременности;

алгоритмы и основанные на них методики оптимального проектирования

конструкций электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, отличающиеся

возможностью оптимизации по критерию эффективности экранирования для

конкретных групп неоднородностей, обобщенных по функциональному назначению

или конструктивному исполнению, возможностью прохождения по различным

сценариям в зависимости от имеющихся исходных данных и внешних ограничений,

а также возможностью интегрирования в комплексный подход решения задач

электромагнитной совместимости, выполняемых на различных этапах создания

радиоэлектронных средств;

алгоритм сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом

перемещения датчика поля, отличающийся возможностью получить значительный

выигрыш времени при незначительных потерях в точности по сравнению с

классическим сетчатым шагом при проведении экспресс-измерений напряженности

9

и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, реализуемый в сканерах электромагнитного поля;

комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемого электромагнитного экрана с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей экрана, отличающийся возможностью оценки различных видов неоднородностей электромагнитных экранов.

Практическая значимость работы. На основе предложенного комплекса математических моделей разработаны алгоритмы, методики и автоматизированные средства реализации методик оптимального проектирования конструкции радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости, с помощью которых осуществляется оптимизация конструкции электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС с приведением их к требуемой эффективности ослабления электромагнитных полей, излучаемых модулями, узлами и блоками радиоэлектронных средств. В результате чего возможно сокращение сроков выхода изделий на рынок, снижение их себестоимости и, как следствие, повышение конкурентоспособности разработанных изделий.

Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и автоматизированных средств реализации методик оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие»», что позволило на отдельных этапах проектирования радиоэлектронных средств оптимизировать выбор конструктивного исполнения и материала электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, снизить затраты на изготовление выпускаемой продукции при требуемом уровне качества. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Моделирование и

анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств» для магистров направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010 - 2012); Международной конференции «Системные про