автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки помехоустойчивости радиоэлектронных средств к воздействию импульсных электромагнитных полей

На правах рукописи

Ряполов Артём Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

Омск 2014

005556466

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Митрохин Валерий Евгеньевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», Разинкин Владимир Павлович

кандидат технических наук, начальник сектора,

ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения», Юрьев Александр Николаевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»), г. Новосибирск.

Защита состоится 19 декабря 2014 г. в 17.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8-421.

Тел./факс: (3812) 65-64-92, email: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Омского государственного технического университета по адресу: http://omgtu.ru/scientific_activities/djssertatsionnye_sovety/ obyavleniya_o_zashchite_dissertatsiy_i_dolcumenty_k_nim/ryapoIov-a-v/

Автореферат разослан 18 ноября 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. 0мск-50, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 доктор технических наук, профессор

В. Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение радиоэлектронной аппаратуры в неблагоприятной электромагнитной обстановке сопряжено с'риском сбоя или полного выхода из строя таких устройств. Это становится особенно важным, когда от помехоустойчивости используемых систем зависит какой-либо технологический процесс, а его остановка может привести к серьезным убыткам.

Основным методом защиты аппаратуры и кабельных соединений от внешних электромагнитных полей является.экранирование, но существующие расчетные методики определения экранного затухания корпусов и помехоустойчивости кабелей оказываются трудно адаптируемыми для практического использования или имеют определенные допущения, что сказывается на точности результата.

Прогресс в создании компонентов для нужд радиоэлектроники привел к тому, что напряжение питания полупроводниковых микросхем, произведенных по техпроцессу менее 90 нм, снизилось до 1,2 В. Это не могло не повлиять на помехоустойчивость современной цифровой аппаратуры. Там, где системы, произведенные в прошлом, работают удовлетворительно, новые устройства функционируют со сбоями. Поэтому прежде чем внедрять новую аппаратуру для решения ответственных задач, на этапе разработки или при вводе в эксплуатацию необходимо полноценно оценить помехоустойчивость функционирования при воздействии внешних электромагнитных полей.

Цель диссертационной работы: усовершенствовать расчетные методы оценки помехоустойчивости радиоэлектронных средств при воздействии импульсных электромагнитных полей и разработать методы имитационного моделирования импульсных помех, воздействующих на цепи радиоэлектронных устройств.

Задачи диссертационного исследования:

1. разработать математическую модель и алгоритм расчета эффективности экранирования радиоэлектронных средств к импульсным электромагнитным полям с учетом многослойной структуры материала экрана и неоднородностей в виде отверстий;

2. разработать метод и алгоритм вычисления уровней помех в информационных цепях экранированных кабелей конечной длины при влиянии импульсного электромагнитного поля;

3. провести расчетную и экспериментальную оценку уровней индуктированных напряжений в экранированных кабелях конечной длины при воздействии импульсного электромагнитного поля;

4. разработать методику программного моделирования цифровых и микропроцессорных устройств, выполненных по технологии КМОП, позволяющей оценивать устойчивость работы при возникновении импульсных помех в цепях устройства;

5. разработать имитаторы помех для испытания радиоэлектронной аппаратуры к воздействию импульсных электромагнитных полей, а также импульсных помех, индуктируемых в цепях аппаратуры.

Объектом исследования является электромагнитная совместимость (ЭМС) радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в сложной электромагнитной обстановке.

Предметом исследования являются радиоэлектронные устройства, построенные на базе цифровых и микропроцессорных элементов, межблочные соединения, экранирующие оболочки аппаратуры, кабели связи.

Методы исследования. В диссертационном исследовании применялись методы расчета на основе преобразований Фурье, численного решения уравнений Максвелла; методы имитационного моделирования с использованием языков программирования МАТЬ А В и У1ЮЬ, а также экспериментальное исследование реальных объектов.

Научная новизна работы:

1. предложена математическая модель проникновения импульсной электромагнитной волны внутрь экрана аппаратуры, отличающаяся тем, что учитывается его многослойность и наличие неоднородностей в виде отверстий;

2. предложен метод расчета напряжений и токов, наведенных импульсным электромагнитным полем в экранированном кабеле конечной длины, отличающийся тем, что в нем учитывается наличие или отсутствие заземления экрана по концам;

3. разработаны программные модели цифровых и микропроцессорных компонентов и внешний имитатор помех для имитационного метода испытания помехоустойчивости радиоэлектронных устройств.

Достоверность научных положений подтверждается тем, что теоретические исследования воздействия импульсных электромагнитных полей на экранирующие оболочки радиоэлектронной аппаратуры и кабели связи основаны на широко известных методах расчета; экспериментальные исследования влияния импульсных электромагнитных полей на кабели конечной длины в лабораторных условиях и на реальных объектах проведены с использованием поверенного оборудования; по результатам экспериментов воздействия импульсных электромагнитных полей на кабели конечной длины выяснено, что уровень помех, индуктируемых в информационных жилах симметричного кабеля, согласуется с результатами, полученными в ходе расчета с погрешностью не более 10 %.

Практическая значимость:

1. разработаны методика и алгоритм расчета проникновения электромагнитной волны внутрь экрана аппаратуры с учетом многослойности и неоднородности его структуры, которые могут быть использованы для проектирования защищенного радиоэлектронного оборудования;

2. разработаны методика и алгоритм расчета воздействия импульсного электромагнитного поля на экранированный кабель конечной длины;

3. разработана программная библиотека КМОП-компонентов и модель микропроцессорного устройства для оценки воздействия импульсных помех в цепях радиоэлектронных устройств, защищенная свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ;

4. разработан генератор импульсов тока с оптическим управлением, позволяющий проводить испытания радиоэлектронной аппаратуры на воздействие импульсных электромагнитных полей согласно ГОСТ Р 50649 - 94; данная разработка защищена патентом на полезную модель;

5. разработан имитатор импульсных помех наносекундной и микросекундной длительности, позволяющий проводить испытания цифровых и микропроцессорных устройств на помехоустойчивость.

Положения, выносимые на защиту:

¡.разработка методики оценки эффективности экрана радиоэлектронной аппаратуры и защищенности экранированных кабелей конечной длины;

2. разработка с использованием языка программирования УНБЬ библиотеки КМОП-устройств, позволяющей имитировать в качестве объекта испытания микропроцессорные элементы радиоэлектронных систем и моделировать работу встроенного программного обеспечения микропроцессорной системы;

3. разработка метода испытания, позволяющего оценить помехозащищенность узлов радиоэлектронных устройств на основе использования программных моделей микропроцессорных элементов и имитатора помех;

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования были использованы при выполнении научно-исследовательских работ совместно с ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения» в 2010 и 2013 годах. Практические наработки, полученные в ходе диссертационного исследования, внедрены в дисциплины «Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи», «Электромагнитная совместимость» и «Специальные измерения» кафедры «Инфокоммуникационные системы и информационная безопасность» Омского государственного университета путей сообщения.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на конференциях «Инновации для транспорта» (Омск, 2010 г.); «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса,

2012 г.); «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 2012 г.); II Международной научно-технической конференции ВТТВ РЭиС (Омск, 2013 г); IX семинаре Омского научно-исследовательского института приборостроения «Перспективы развития техники радиосвязи» (Омск,

2013 г.); XI Научно-техническом семинаре «Перспективы развития науки и техники радиосвязи» (Омск, 2014 г.).

Публикации; По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ, из них пять публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Получены патент на полезную модель и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Работа изложена на 173 листах печатного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационного исследования, представлена научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе рассмотрен вклад в решение задач электродинамики и ЭМС ученых: В. И. Лаврова, А. Зоммерфельда, Ю. В. Пименова, В. И. Кравченко, Л. У. Рикетса, Г. Кадена, С. М. Аполлонского, В. В. Васильева, И. И. Гроднева,

M. И. Михайлова, JI. Д. Разумова, М. В. Костенко, В. Е. Митрохина, Э. Ф. Вэнса, Э. Хабигера, Д. Уайта, А. Й. Шваба, JI. О. Мыровой, Дж. Ф. Уэйкерли, К. S. Yee, D. M. Sullivan, а также других отечественных и зарубежных исследователей.

Произведен анализ случаев сбоев и отказов радиоэлектронных устройств, входящих в состав железнодорожных систем радио- и проводной связи, а также используемых в управлении движением поездов. Причина, по которой радиоэлектронным системам железнодорожной инфраструктуры было выделено особое внимание, состоит в том, что электрифицированная железная дорога является одним из наиболее сложных объектов с точки зрения ЭМС. Одновременно присутствуют контактная сеть постоянного или переменного тока, рельсовые линии, по которым течет обратный тяговый ток, линии продольного электроснабжения, высоковольтные линии автоблокировки, волноводы радиосвязи.

Мощные импульсные электромагнитные воздействия, такие как грозовые разряды и коммутационные процессы в контактной сети, приводят к нарушению работы и повреждению напольных устройств сигнализации, централизации и блокировки. Наводимые токи и напряжения в антеннах и кабелях связи приводят к ухудшению качества связи, сбоям и выходу из строя радиостанций поездной радиосвязи, аппаратуры передачи данных и технологической связи.

Была собрана и проанализирована статистика сбоев и отказов аппаратуры связи на Омской дистанции связи Западно-сибирской ж. д. и Красноярской ж. д., произошедших за период с 2008 по 2012 год. Также детальному изучению подверглись отдельные случаи отказов и аварий, связанных с выходом из строя радиоэлектронных устройств железнодорожной автоматики, которые произошли в период 2008-2013 г.

Выяснено, что количество сбоев в работе превышает число необратимых отказов и составляет более четверти всех регистрируемых аварий. Поскольку аппаратура связи и автоматики установлена в непосредственной близости к сильноточным цепям, а среди причин были явно замечены грозовые и коммутационные процессы, был сделан вывод, что, несмотря на использование различных методов защиты от индуктированных и кондуктивных воздействий, проблема повышения помехозащищенности чувствительных радиоэлектронных устройств является актуальной задачей.

Далее представлены характеристики импульсных электромагнитных воздействий. Рассмотрены источники мощных электромагнитных помех естественного и искусственного происхождения. Кратко упомянуты источники преднамеренного и непреднамеренного излучения. Приведены временные параметры мощных электромагнитных импульсов, наиболее вероятные значения напряженностей электрического и магнитного полей.

Проанализированы методы защиты радиоэлектронных устройств от воздействия внешних электромагнитных полей: конструкционные, схемотехнические и структурно-функциональные. Рассмотрены экраны из проводящих материалов, защитное заземление, фильтрующие и суппрессорные устройства в местах подключения кабелей питания и связи, разработка печатных плат с учетом ЭМС и т.д. Определено, что экранирование является основным методом защиты от внешних электромагнитных полей, но существующие методы расчета эффективности экраниро-

вания, особенно при рассмотрении импульсных полей, обладают ограниченной точностью и требуют совершенствования

Кратко сделан обзор существующих на данный момент стандартов и методов испытания радиоэлектронных устройств к импульсным электромагнитным воздействиям. Замечено, что растущая озабоченность проблемами информационной безопасности привела к введению стандарта ГОСТ Р 52863-2007, в котором преднамеренное электромагнитное воздействие рассматривается как одна из угроз. Сделан вывод, что разработка имитаторов помех для испытания чувствительных радиоэлектронных устройств является актуальной задачей.

Приведен анализ численного метода решения уравнений Максвелла посредством конечных разностей во временной области (Finite Difference Time Domain, FDTD). Сделан вывод о возможности использования данного метода для расчета электромагнитных экранов. Рассмотрены существующие методы расчета наведенных напряжений и токов в кабельных линиях при воздействии внешних электромагнитных полей.

В конце первой главы представлены выводы по проведенному анализу и определены цели и задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований помехоустойчивости радиоэлектронных средств к воздействию импульсных электромагнитных полей. На рисунке 1 показана обобщенная схема радиоэлектронной системы, в состав которой входят экранированные блоки аппаратуры и соединяющие их кабели конечной длины.

Рисунок 1 - Схема исследуемой радиоэлектронной системы

Проблема была разбита на две части: определение защищенности экранированных блоков и изучение влияния на кабельные соединения.

Чтобы исследовать проникновение электромагнитной волны через экран аппаратуры был использован метод ГОТО, который позволяет наглядно моделировать распространение электромагнитного поля в заданном объёме, учитывая явления дифракции и интерференции волн. Но он имеет ограниченные возможности при исследовании материалов с большой электрической проводимостью. Для обхода этого ограничения была применена аналогия, связывающая аналитическое решение уравнений Максвелла для случая распространения электромагнитной волны в проводящей среде с распространением тока и напряжения в длинной линии.

В данной аналогии экранирующая оболочка разбивается на элементарные ячейки, каждая из которых представляется плоским экраном, на который падает волна. Таким образом, стандартный метод ГОТО дополняется математическим ап-

паратом теории цепей и появляется возможность исследования многослойных экранов, которые обладают лучшими экранирующими свойствами. На рисунке 2 приведен пример двухслойной оболочки.

=Н,г

.4

Н.1

Рисунок 2 - Элемент двухслойной экранирующей оболочки (а) и модель расчета параметров экрана (б) Электромагнитные свойства экрана задаются при помощи частотных зависимостей 2-параметров: 2и{со), Х22(а>) - поверхностные сопротивления экрана, 2п(е>), - сопротивления, определяющие ослабление электромагнитного поля

в толще проводящей оболочки. Для многослойного экрана задаются 2-параметры каждого слоя, из которых определяются параметры всей структуры.

Метод РБТБ ведет расчет во временной области, поэтому после выполнения обратного преобразования Фурье для г-параметров экрана связь между напряжен-ностями электрического и магнитного полей на внешней и внутренней границах экранирующей оболочки будет определяться следующими известными выражениями:

Ео (') = £„«

д( дЯ00) д1

■са( о* -с22(0*

дн,( О а '

Ы

(1)

где = Р 1 {2(а>)1 ]со) - результат обратного преобразования Фурье каждого из соответствующих г-параметров; £0(г),#0(0, £,(0, #/(0 - напряженности электрического и магнитного полей на внешней и внутренней поверхностях экрана, «* » - операция свертки.

Выполнение свертки в выражении (1) требует сохранения всех прошлых значений параметров и производных что значительно увеличивает потребность в вычислительных ресурсах и делает процесс расчета практически невозможным. Поэтому для параметров были найдены аналитические выражения

посредством аппроксимации методом Прони с использованием базиса экспоненциальных функций:

№-1

, (2)

м>

где N - это номер временного шага, /У - временной шаг, ЫР - количество аппроксимирующих экспонент, - коэффициент при экспоненте, определяемый методом наименьших квадратов, ^ - комплексная частота.

Обычная свертка заменена процедурой рекуррентной свертки, в которой требуется, помимо текущего значения напряженности магнитного поля, только значение в предыдущий момент времени: дНЦ)'-^

С(0 * ■

дг

МР-1Г 1

Ы-У2_Н»-У2

(3)

где

последнее и предпоследнее рассчитанные значения напряженно-

У, I

- значение

сти магнитного поля на поверхности экрана соответственно,

свертки (3) в предыдущий момент времени.

На рисунке 3 представлен алгоритм расчета проникновения электромагнитного поля в область, ограниченную экраном радиоэлектронной аппаратуры. Алгоритм реализован на языке МАТЬАВ.

(^ Начало у

/Задание исходных/ данных экрана/-

объекта

Расчет параметров экрана Х\\((й)Г)(й,

Увеличить число аппроксимирующих экспонент_

'Кол-во слоёв экрана (1...5); толщина слоя

провод-ть материала слоя о/...о;; магн. прониц-ть материала (¿¡...(Ц

1

/ Задание /шахВ^ге, тахТ^те,/ 1Е, ТЕ, КБ /

/Задание Н(1) и Е(1) влияющего э/м поля /

X

Расчет Н"у г, Е"у г е каждой точке счетного объема

Г

/ Вывод ' результатов

расчета /

X

Конец^

Задание граничных условий РМЬ

/ Задание /геометрии экрана /

Размер счетного объема;

конечное расчетное время, размеры элементарной ячейки пространства

Форма, габаритные размеры, ширина и количество отверстий

Расчет Ет на границах экрана методом рекурсивной свертки, используя результаты аппроксимации и стандартным методом в остальных точках

Рисунок 3 - Алгоритм моделирования экрана радиоэлектронной аппаратуры на основе метода БОТБ

По разработанному алгоритму произведен расчет эффективности экранирования для оболочек без отверстий с количеством слоёв от одного до трех, выполненных из стали, алюминия и меди и имеющих общую толщину 0,5 мм. На рисунке 4

приведены результаты расчета параметров и £11г определяющих значение напряженности электрического поля на границе раздела сред «воздух-экран» и степень ослабления электромагнитного поля на внутренней границе по сравнению с внешней соответственно.

2.5 Ом ,1.5 1

4*0.5 0

-0.5 10*

0.14 Ом 0.1 0.08! 0.06 0.04 0.02

\

\

\

/-алюм! НИЙ^Ч.

' И

С 1

0.5 0

>-сталь/ Ь 21 У

1 с люминий !1 .

^ медь

10 10 .-4

1 >-алю V-— Ьп лиинй-сталь

\\

\\ /"ме \\ ^п аь-сталь

х 10

¿алюмн 21 нй-сталь

>-иедь ■с гать

/ /- /

/ /

/ У

10-'

0.18

Ом

0.14

'0.12'

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0 10"

>~апю \-Ъп миний-сталь-а люминий

1 \ /-мед >-сталь-медь

\Ч

чЧ.

-0.2 10"

4>21 ль-алюмин \ 1Й-стальу

ь-медь-стал -—-

1/

I/ / // / / .»-медь Ь21 сталь-медь

'(/у* иний-сталь

г &21

1 0°

Рисунок 4 - Временные зависимости параметров С21 и результаты аппроксимации (х) экранов толщиной 0,5 мм: а) сталь, алюминий и медь; б) алюминий-сталь и медь-сталь; в) алюминий-сталь-алюминий, медь-сталь-медь, сталь-алюминий-сталь,

сталь-медь-сталь

Точками на рисунке 4 обозначены значения, полученные в результате аппроксимации параметров методом Прони. Расхождение между значениями, вычисленными при помощи выражения (2) и исходными значениями параметров со-

ставляет не более 1%. Параметр Си (0 показывает, как влияет структура экранирующей оболочки и частотный состав спектра воздействующего электромагнитного поля на значение электрического поля на внешней границе «воздух-экран». Чем меньше длительность фронта импульсного поля, тем больше будет индуктированная ЭДС на поверхности экрана. Параметр £2,(0 показывает, что с увеличением времени, соответствующим переходу в низкочастотную область спектра импульса, проникновение электромагнитного поля за экран увеличивается.

Далее предложенный алгоритм позволяет получить картины распределения компонент электромагнитного поля в заданной области пространства. На рисунке 5 показаны картины распределения электрической компоненты Ег в разные моменты времени вокруг экрана радиоэлектронной аппаратуры, изображенного прямоугольником без отверстий. Габариты экрана составляют 40x40x20 см. На рисунке 5 показано сечение трехмерного пространства плоскостью, походящей через середину экрана. В условиях проведения расчета была воссозданы условия, при которых экранирующая оболочка размещается на поверхности земли, для которой заданы параметры грунта: проводимость <тг/3 = 0,01 См/м и диэлектрическая проницаемость

£^=5. Воздействующим электромагнитным полем является импульсная волна микросекундной длительности 6,4/16 мкс (ГОСТ Р 50649-94), падающая под углом к поверхности земли. Электромагнитное поле задавалось через электрическую компоненту как плоская волна, амплитуда которой составила 100 В/м. Амплитуда магнитного поля составила 0,265 А/м.

300 см 200 150 10^

■ : тт.

В/м

а б

Рисунок 5 - Распределение электрической компоненты (Ег) при воздействии импульсной электромагнитной волны 6,4/16 мкс в момент времени: а - 1,3 мкс; б - 10 мкс

Исследование проникновения электромагнитной волны в область, ограниченную экраном аппаратуры, проводилось в двух точках, где фиксировалось изменение электрических и магнитных полей во времени. Рисунок 6 показывает изменение электрического поля на внешней и внутренней границе для одно-, двух- и трехслойных экранирующих оболочек. По амплитудным значениям компонент электромагнитного поля было вычислено экранное затухание для исследованных экранов. К примеру, затухание электрическому полю для экранов, рассмотренных на рисунке 6, равно: А^5™" =72,3 дБ, А^'^ =80,5 дБ, А^^"0, =94,5 дБ. Также был сделан вывод, что помимо ослабления импульсного поля происходит растягивание длительности фронта импульса.

0.02 ЕИи 0.01 0.005

£о О -0.005 -0.01

п

1 \

\

ч

10 20 30 40 50 /

0.01 В/и 0.006 0.004

Ео 0.002

70 мкс 90

-

n. \

/ \

/

/ /

10 20 30 40 50 60 70 мкс 80 Г -►

0.05 В/и I 0.03 [ 0.02 I 0.01

■■О

о -0.01 -0.02

2 В/и

Рисунок 6 - Временные зависимости электрического поля на внешней границе экрана (слева) и за экраном (справа) при воздействии электромагнитной волны с параметрами фронта и спада 6,4/16 мкс на экран толщиной 0,5 мм: а - сталь; б - алюминий-сталь; в - медь-сталь-медь

Достоинством разработанного алгоритма является возможность оценивать эффективность экранов с неоднородностями в виде отверстий. Было исследовано влияние размеров отверстий в экране на эффективность ослабления импульсного электромагнитного поля. В расчетах использовался экран с габаритами 20x40x40 см, толщина стенки которого составила 5 мм. В этом случае можно пренебречь электромагнитным полем, проникшим через металл, и рассматривать только поле, прошедшее через отверстие. Отверстие располагалось в середине стенки экрана с размерами 40x40 см. Были исследованы экраны с отверстиями диаметром от 5 мм до 15 см.

Предварительно эффективность экранов с отверстиями была оценена в условиях воздействия гармонического электромагнитного поля в диапазоне частот от 1 МГц до 2 ГГц со значениями напряженностей электрического и магнитного полей 100 В/м и 0,265 А/и. На рисунке 7 показаны частотные зависимости экранных затуханий по электрическому и магнитному полям для экранов с отверстиями диаметром 5 мм, 1 см и 2 см.

Рисунок 7 - Частотные зависимости экранного затухания для электрического и магнитного полей экранирующих оболочек с отверстием диаметром 5 мм, 1 см, 2 см

По результатам исследований был сделан вывод: снижение защищенности экранирующих оболочек к магнитному полю в низкочастотной области увеличивает уязвимость радиоэлектронной аппаратуры к влиянию импульсных электромагнитных полей, у которых основная энергия расположена в низкочастотной области. Резкие провалы в гигагерцовой области частот появились вследствие резонансных явлений внутри экрана, при которых размеры оболочки совпадают с длиной волны действующего поля.

Далее эффективность работы экранов с отверстием была исследована при воздействии импульса электромагнитного поля длительностью 100 не (ГОСТ Р 528632007). Амплитудные значения напряженности электрического и магнитного полей были приняты 100 В/м и 0,265 А/м. На рисунке 8 приведены графики зависимостей амплитудных значений напряженностей электрического и магнитного полей в центре экрана и соответствующих экранных затуханий от диаметра отверстия.

Рисунок 8 - Воздействие импульсного электромагнитного поля на экран с отверстием; зависимости от диаметра отверстия в экране: а - амплитудные значения электрического и магнитного полей; б - экранные затухания для электрического и магнитного полей

Из рисунка 8 видно, что с ростом диаметра отверстия проникновение электромагнитного поля внутрь экрана резко увеличивается. По сравнению с электриче-

ским полем, защищенность от магнитной компоненты импульсного электромагнитного поля у экранов с отверстиями меньше. Для экранов с одиночным отверстием затухание электрического поля держится вблизи значения 30 дБ при диаметре отверстия 15 см; защищенность от магнитного поля снижается до нуля.

В дальнейшем рассмотрена помехоустойчивость кабелей конечной длины, посредством которых выполняются межблочные соединения. Методика расчета наводимых токов и напряжений построена на основе известных решений системы неоднородных дифференциальных уравнений для однопроводной цепи, роль которой выполняет экран, а электромагнитное воздействие распределено по всей длине кабеля:

сЪ(1пск{у„р(а>)• (/, -х)- 1п—»

ÄРО) • ^О) • 4 -1п л/лл)

и,^со,х) = Ё(со)

= -

Е{со)

1 сЬ (1п ЛГН) ■ зИ [у„р

(4)

(5)

где Д/у) - продольное электрическое поле, В/м; у^- коэффициент распространения экрана кабеля; Znpoд - продольное сопротивление экрана кабеля; / - длина кабеля; р„ ,рк - коэффициенты отражения, с помощью которых задается режим работы защитного экрана: изоляция или заземление по концам; х - координата вдоль длины кабеля.

Помимо учета наличия или отсутствия заземления экрана по концам кабеля в выражениях (4) и (5) учитывается продольная электрическая компонента внешнего электромагнитного поля, численно равная наведенной продольной ЭДС в экране. Этот параметр рассчитывается на основе данных о геофизических условиях (удельное сопротивление земли), в которых должна использоваться радиоэлектронная аппаратура и соединительные кабели.

По полученным значениям напряжения и тока в экране кабеля с использованием параметров сопротивление, проводимость связи между сердечником и экраном кабеля и коэффициент чувствительности были рассчитаны уровни индуктированных помех в информационных цепях «жила-оболочка» и «жила-жила».

На основе предложенной математической модели составлен алгоритм определения временных форм наведенных напряжений и тока в кабеле с оплеточным экраном. Алгоритм реализован на языке МАТЬАВ. На рисунке 9 представлены примеры временных зависимостей тока и напряжений, полученных при исследовании воздействия импульсного электромагнитного поля с параметрами фронта и спада 6,4/16 мкс и амплитудным значением электрической компоненты поля 100 В/м на кабель с незазем-ленным экраном длиной 30 м. Приведенные графики получены для середины кабеля.

в Г

Рисунок 9 - Результаты расчета воздействия импульса электромагнитного поля 6,4/16 мкс на симметричный экранированный кабель длиной 30 м: а - напряжение экрана относительно земли; б - ток в экране кабеля; в - напряжение «жила-оболочка»;

г - напряжение «жила-жила»

Математические расчеты, выполненные во второй главе с использованием разработанных алгоритмов, позволили оценить эффективность экранирующих оболочек неоднородной структуры и определить уровни помех, индуктируемых импульсным электромагнитным в цепях кабелей конечной длины. Сделан вывод, что требуются экспериментальные исследования, включающие определение наведенных помех от импульсных электромагнитных полей в кабелях конечной длины для сравнения с результатами расчета.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований воздействия импульсных электромагнитных полей на элементы радиоэлектронных систем.

Во всех видах экспериментов объект испытаний располагался рядом с сильноточной цепью, поэтому воздействие оказывалось преимущественно магнитным полем. Чтобы иметь возможность фиксировать импульсные поля, был разработан и сконструирован датчик магнитного поля. Полоса регистрируемых частот датчика лежит в диапазоне 0-5 МГц. Датчик был откалиброван и проверен на соответствие по амплитудно-временным характеристикам внешнему импульсному полю. В результате был сделан вывод, что датчик полностью пригоден для регистрации импульсных магнитных полей в микросекундном диапазоне времени.

Приведены результаты натурных экспериментов по определению помехоустойчивости симметричного экранированного кабеля связи при влиянии электрифицированной железной дороги. Эксперименты проведены на участке Западно-сибирской

ж.д. у ст. Густафьево в 2013 г. На рисунке 10а представлена схема измерения. Помехоустойчивость кабеля оценивалась в непосредственной близости к контактной сети, являющейся источником мощных импульсных полей (рисунок 10 в, г). Эффективность использования экрана кабеля рассмотрена при отсутствии и наличии заземления по концам. Одновременно с этим производилась регистрация напряженности магнитного шля посредством датчика магнитного поля (рисунок 106).

Контактная сеть постоянного тока

I

V „»А N

|м»4 23.4 ^ 53.4мх

\анал т: 1Ш мв/дел 10 мкс/дел

В Г

Рисунок 10 - Исследование действия контактной сети ж.д. на экранированный симметричный кабель длиной 30 м: а - схема эксперимента; б - осциллограммы показаний датчика магнитного поля (2), напряжения в экране кабеля (1); в - напряжение «жила-жила» при незаземленном экране; г - напряжение «жила-жила» при заземленном экране

Выяснено, что при наличии заземления экрана с обеих сторон в тех же условиях наведенные напряжения в информационных цепях уменьшаются почти в десять раз.

Исследования показали, что для кабеля с незаземленным экраном уровни наведенных напряжений между жилами и экраном согласуются с результатами расчета с погрешностью 10%. Различие вызвано ограниченной точностью в определении уровней электромагнитных полей при физическом эксперименте для последующего использования этих значений в расчетах.

Для проведения лабораторных исследований была собрана высоковольтная установка, основу которой составляет генератор импульсов тока с оптическим управлением, защищенный патентом на полезную модель, и квадратная рамочная антенна в качестве излучателя. Выведены математические выражения, по которым могут быть определены временные зависимости компонент электромагнитного поля, формируемого вблизи излучающей системы.

В качестве альтернативы рамочной антенне, с генераторной частью использовался протяженный провод, представляющий собой источник равномерно распределенного по длине электромагнитного поля. Такая цепь применялась в экспериментах по исследованию влияния импульсного поля на кабели конечной длины.

Приведены результаты экспериментов по определению уровней помех, создаваемых импульсным электромагнитным полем в симметричном и коаксиальном ка-

белях. Выяснено, что индуктированные напряжения обладают большей скоростью нарастания фронта, чем исходное электромагнитное воздействие. Следовательно, мощные импульсные поля могут создавать напряжения, которые будут достигать уязвимых узлов аппаратуры, прежде чем сработают ограничительные устройства.

Чтобы решить задачу по разработке имитатора импульсных помех были проведены эксперименты по исследованию индуктивного воздействия импульсных электромагнитных полей на радиоэлектронные платы и срабатыванию установленных на платах разрядников, которые создают помехи микросекундной и наносе-кундной длительности (рисунок 11). Регистрация импульсных токов проведена с

Рисунок 11 - Исследование импульсных воздействий на радиоэлектронные платы: а - осциллограммы тока в рамочной антенне (2) и наведенная помеха на дорожке платы; б - осциллограммы тока (1) при срабатывании разрядника на плате и показания датчика магнитного поля (2) вблизи платы

Экспериментальные исследования, при которых радиоэлектронные платы помещались внутрь рамочной антенны, позволили собрать сведения о возможных формах и длительностях помех, возникающих в дорожках плат при воздействии импульсного электромагнитного поля. При подключении электрических кабелей связи или электропитания к радиоэлектронным платам для защиты от возможных перенапряжений, приходящих с кабеля, на платах устанавливаются разрядники, которые сами по себе являются источниками мощных импульсных помех. В моменты зажигания и погасания разряда сопровождаются импульсными всплесками малой длительности и большой амплитуды.

Таким образом, в условиях снижения помехоустойчивости элементной базы радиоэлектронной аппаратуры необходимо разработать методы и средства, позволяющие проводить оценку помехозащищенности радиоэлектронных средств еще на этапах разработки и опытного конструирования.

В четвертой главе описана методика моделирования цифровых устройств, произведенных по технологии КМОП. Результатом работы явилась программная библиотека КМОП-элементов, написанная на языке УНБЬ, на которую получено свидетельство о регистрации в гос. реестре программ для ЭВМ.

В предложенной методике, помимо информационных линий, в учет берется уровень напряжений на линиях питания, для КМОП-устройств, именуемых Уёс! и Убб. В основу методики положены принципы работы р- и п-канальных полевых

транзисторов (таблица 1). Описание физических процессов прохождения сигналов реализовано с помощью УНОЬ-библиотеки 1ЕЕЕ.э1с1__^ю_1164, где определен 9-значный алфавит сигналов. Из библиотеки взяты уровни напряжений: 'О', 'Г - сильные сигналы логических нуля и единицы; Ъ', 'Н' - слабые сигналы нуля и единицы, отличающиеся от сильных уровней на 0,7 В в большую и меньшую стороны соответственно; '71 — высокоимпедансное состояние.

Таблица 1 - Зависимости сигналов на выводах для моделей полевых транзисторов

п-канальный транзистор

Открытое состояние Закрытое состояние

Затвор Исток Сток Затвор Исток Сток

1 0 0 0 не важно Ъ

Н 0 0 Ь не важно г

1 Ь Ь Н 1 г

н Ь Ь

1 Н Н

р-канальный транзистор

Открытое состояние Закрытое состояние

Затвор Исток Сток Затвор Исток Сток

0 1 1 1 не важно г

Ь 1 1 Н не важно г

0 Н Н Ь 0 г

Ь Н Н

0 ь ь

На основе двух моделей транзисторов реализована библиотека КМОП-компонентов, таких как логические элементы, ключи, дешифраторы, мультиплексоры, триггеры, регистры, ячейка памяти ОЗУ, арифметико-логическое устройство и т.д. У всех этих устройств присутствуют линии питания, задав появление импульсной помехи на которых, можно отследить как это влияет на выходные сигналы.

Были проведены исследования действия импульсных помех со стороны портов электропитания на работу логических ключей и элементы с памятью. Помехи по линии Уэв рассмотрены как импульсы положительной полярности. В линии УсИ импульсные помехи описаны как провалы до некоторого ненулевого уровня. Моделирование показало, что логические элементы восстанавливают нормальную работу после окончания действия помехи. В элементах с памятью помеха большой амплитуды приводит к потере данных. В этом случае на выходах элемента устанавливаются неправильные сигналы, которые могут дальше распространяться по системе.

На рисунке 12 приведена диаграмма работы сдвигового регистра при воздействии помехи в линии Уэв. Искажение содержимого триггеров сказывается на выходных сигналах в течении еще нескольких тактовых циклов после момента появления помехи в линии Убэ: чередование нулей и единиц прерывается неправильной последовательностью единиц.

ч * ; !]_!__

в я/ЕЫтедййг/рвгаипрй _;___-

иг

М}^ЩетшШ^М? :_____!-

в-- /+#г«!а«/ч.ол ^„алшрзгз;

' .^Гйад^г/'.'СС]

Рисунок 12 - Диаграмма работы сдвигового регистра при возникновении помехи в

линии Уээ

С использованием компонентов разработанной библиотеки был создан объект испытания, позволяющий исследовать воздействие импульсных помех на работу встроенного программного обеспечения. Это 8-битное микропроцессорное устройство, имеющее в своем составе программный счетчик, память программ (512x16 бит), регистр команд, блок управления, регистровый файл (4x8 бит), арифметико-логическое устройство, порт ввода/вывода, таймер/счетчик, ОЗУ (128x8 бит), сторожевой таймер и блок прерываний. Для блока памяти программ и блока микрокода создана модель транзистора с плавающим затвором, который применяется в энергонезависимой памяти ЕЕРЬЮМ. Скомпилированное устройство содержит порядка 83 тысяч транзисторов всех типов.

На рисунке 13 показана диаграмма выполнения тестовой программы микропроцессорного устройства при возникновении помехи в линии Ум. Помеха приводит к искажению содержимого важнейших регистров микропроцессорного устройства, что вызывает зависание всей системы. Только после подачи управляющего сигнала по линии рестарта возобновляется нормальный режим функционирования.

Рисунок 13

- Диаграмма работы микропроцессора при возникновении помехи в линии Убб и последующий рестарт

Также в четвертой главе предложена методика испытания радиоэлектронных устройств к импульсным электромагнитным воздействиям с использованием имитатора помех (рисунок 14). Поэтому там, где необходимо провести испытания аппаратуры на помехоустойчивость в неблагоприятной электромагнитной обстановке,

можно обойтись без высоковольтного испытательного оборудования с громоздкими излучающими системами, заменив индуктивное воздействие кондуктивным.

Рисунок 14 - Имитатор импульсных помех: а - структурная схема; б - осциллограмма импульсных помех длительностью 2 мкс и амплитудой 120 В; в - осциллограмма импульсных помех длительностью 3 мкс и амплитудой 20 В

Созданный имитатор импульсных помех имеет возможность генерировать помехи наносекундной и микросекундной длительности. По сравнению с существующими аналогами, предложенная схема имеет улучшенные характеристики благодаря наличию программного управления процессом генерации помех.

Программа управления имитатором помех позволяет выполнять следующие настройки: амплитуда, длительность, форма и полярность импульса; количество подряд следующих импульсов; сохранение изменений параметров импульсов в память прибора.

Две линии формирования помех предоставляют возможность использовать имитатор в качестве блока питания для исследуемой аппаратуры и одновременно генерировать импульсные помехи, провалы и перенапряжения в цепях питания. Напряжение питания можно выставить 3.3 В, 5 В, 12 В, 24 В и т.д.

Данный имитатор был использован для исследования стабильности работы простейшего микропроцессорного устройства, состоящего из микроконтроллера и минимального количества внешних компонентов. Правильность работы отслеживалась средствами встроенного программного обеспечения, в ходе исполнения которого был включен сторожевой таймер и на внешнюю индикацию выводилось содержимое программного счетчика. При подаче одиночных импульсных помех длительностью около 400 не и амплитудой три четверти от напряжения питания в общий провод стали наблюдаться редкие сбои в работе. Большинство сбоев выражалось в перезагрузке микроконтроллера, а часть завершалась зависанием, о чем свидетельствовала неизменяющаяся индикация содержимого программного счетчика. Дальнейшее увеличение длительности и амплитуды импульсов нарушало нормальную работу тестовой схемы во всех случаях.

В заключении сформулированы выводы по работе:

1. Разработана математическая модель воздействия импульсного электромагнитного поля на экранирующую оболочку радиоэлектронной аппаратуры, позволяющая учесть наличие нескольких проводящих слоёв с различными электрическими и магнитными параметрами, а также наличие технологических отверстий.

2. Составлен алгоритм определения эффективности экранирующих оболочек, позволяющий исследовать экраны сложной формы и неоднородной структуры.

3. Разработан метод и алгоритм расчета влияния импульсного электромагнитного поля на кабель конечной длины, позволяющие учитывать наличие или отсутствие заземления экрана кабеля по концам, а также электрические параметры среды, в которой расположен кабель.

4. Проведены расчетные и экспериментальные исследования воздействия импульсных электромагнитных полей на кабели конечной длины и радиоэлектронные платы связи. Выяснено, что экспериментально полученные значения помех в информационных жилах симметричного кабеля согласуются с результатами расчета.

5. С использованием языка VHDL разработана методика моделирования КМОП-устройств, позволяющая оценивать помехоустойчивость цифровых и микропроцессорных устройств на этапе разработки.

6. Разработан имитатор импульсных помех, позволяющий проводить испытания радиоэлектронной аппаратуры на помехоустойчивость, при которых индуктированные помехи воспроизводятся кондуктивным способом.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК:

1.Ряполов, А. В. Имитатор импульсных помех наносекундной и микросекундной длительности / А. В. Ряполов, В. Е. Митрохин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2012. - № 1 (25), часть 2. - с. 185.

2. Ряполов, А. В. Методика расчета эффективности экранирования радиоэлектронной аппаратуры при воздействии импульсных электромагнитных полей / А. В. Ряполов, В. Е. Митрохин, А. Е. Гаранин // Известия Транссиба. - 2014. - № 1 (17).-с. 72.

3. Ряполов, А. В. Защищенность радиоэлектронных систем к дестабилизирующему воздействию электромагнитных полей / В. Е. Митрохин, А. В. Ряполов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.-2014.-№2(32).-с. 125.

4. Ряполов, А. В. Вероятность безотказного функционирования рельсовых цепей при грозовых перенапряжениях / В. Е. Митрохин, А. Е. Гаранин, А. В. Ряполов // Транспорт Урала. - 2013. - № 1(36) . - с. 43.

5. Ряполов, А. В. Функционирование рельсовых цепей при грозовых перенапряжениях / В. Е. Митрохин, А. Е. Гаранин, А. В. Ряполов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. -№ 2(38). - с. 246.

Патенты и свидетельства о регистрации:

1. Генератор импульсов тока с оптическим управлением: пат. на пол. мод. № 105786 Рос. Федерация: МПК Н03К 9/00 / В. Е. Митрохин, Л. Р. Доросинский, К. А. Бондаренко, А. Е. Гаранин, А. В. Ряполов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО

Омский гос. ун. путей сообщения. - №2011106855/08; заявл. 22.02.2011; опубл.

20.06.2011,Бюл.№ 17-6 с.

2. Программная библиотека КМОП-компонентов и модель микропроцессорного устройства для оценки воздействия импульсных помех в информационных и питающих линиях: свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2012614226 / В. Е. Митрохин, А. В. Ряполов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Омский гос. ун. путей сообщения. - №2012611739; заявл. 12.03.2012; опубл.

12.05.2012.

В других изданиях:

1. Ряполов, А. В. Моделирование помех в шинах питания КМОП-устройств /

A. В. Ряполов, В. Б. Митрохин // Инновационный транспорт. - 2011. - № 1. - с 27.

2. Ряполов, А. В. Моделирование сбоев микропроцессорного устройства вследствие воздействия импульсных помех / А. В. Ряполов, В. Е. Митрохин, А. С. Ромашкин // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы научно-практической конференции. - Омск: Омский гос. университет путей сообщения, 2012. — с. 313.

3. Ряполов, А. В. Моделирование работы встроенного программного обеспечения микропроцессорных устройств в неблагоприятной электромагнитной обстановке / А. В. Ряполов, В. Е. Митрохин, К. А. Бондаренко // Надежность функционирования и информационная безопасность телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб. науч. тр. — Омск: Омский гос. университет путей сообщения, 2013. — с. 61.

Апробация (доклады):

1. Митрохин, В. Е. Методика и результаты определения параметров кабельных линий и рельсовых цепей в условиях электромагнитного влияния контактной сети /

B. Е. Митрохин, К. А. Бондаренко, А. В. Ряполов, М. Г. Морозов, А. Е. Гаранин // Инновации для транспорта: сб. науч. статей с международным участием в трех частях. Часть 1. - Омск: Омский гос. университет путей сообщения, 2010. - с. 242.

2. Ряполов, А. В. Информационная безопасность программного обеспечения аппаратуры автоматики и связи железных дорог / А. В. Ряполов, В. Е. Митрохин // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2012». - 2012. - Выпуск 3, Том 11.- Одесса. - с. 46.

3. Митрохин В. Е. Влияние полимера в верхнем строении железнодорожного полотна на работу устройств защиты от перенапряжений / В. Е. Митрохин, JI. Р. Доросинский, А. Е. Гаранин, А. В. Ряполов // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: Труды Всероссийской молодежной научно-практической конференции. - Хабаровск: Издательство ДвГУПС, 2012. - с. 211.

4. Ряполов, А. В. Разработка методики расчета электромагнитного влияния на кабель конечной длины в широком диапазоне частот / А. В. Ряполов, В. Е. Митрохин // Радиотехника, электроника и связь: Сборник докладов II Международной научно-технической конференции ВТТВ РЭиС-2013, 2013. - с. 214.

Типография ОмГУПСа. 2014.Тираж 100 экз. Заказ 622. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35