автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств к импульсным электромагнитным воздействиям

Министерство транспорта Российской федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное, государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи --УДК 621.396

\кбГ<

00500551»

Бондаренко Константин Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ К ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Митрохин В. Е.

Омск-2011

- 8 ДЕК 2011

005005518

Работа выполнена на кафедре «Системы передачи информации» Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Митрохин Валерий Евгеньевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Майстренко Василий Андреевич

кандидат технических наук, доцент Титов Дмитрий Анатольевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Защита диссертации состоится «А±» 2011 г. в «^»ча-

сов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном образовательном бюджетном учреждением высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.

Тел./факс: (3812) 65-64-92. e-mail: dissov omgtu@omgtu.ru

С диссертацией можно ознакомится в в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «^V » Н 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить в адрес диссертационного совета

Д 212.178.01

Ученый секретарь диссертационного' советг Доктор технических наук, доцент

Хазан В. Л.

Актуальность темы

Опыт эксплуатации радиотехнических устройств (РТУ) в различных областях промышленности показывает, что обеспечение устойчивой и надежной работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является одной из наиболее сложных и важных задач в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Возникновение таких помех, в основном, связано с активной грозовой деятельностью или коммутационными процессами в промышленных силовых цепях, например, в контактной сети железных дорог постоянного и переменного тока.

Эксплуатация РТУ в подобных условиях неизбежно приводит к определенным нарушениям в работе этой аппаратуры, вплоть до частичного или полного отказа отдельных ее элементов, блоков, узлов. Описанные ситуации являются следствием либо непосредственного попадания токов молнии в элементы конструкций РЭА, либо возникновения наведенных напряжений и токов в отдельных ее частях. В некоторых случаях уровни возникающих напряжений и токов превышают предельно допустимые и приводят к локальному импульсному выделению большого количества тепла на отдельных элементах РТУ, что в итоге может привести к их полному или частичному разрушению.

Основными путями проникновения импульсных перенапряжений на РЭА являются антенно-фидерные тракта, цепи питания, проводные подземные и воздушные линии связи. Существующие методы защиты РТУ от перенапряжений не обеспечивают полноценную защиту радиоэлектронной аппаратуры. Это связано с одной стороны с большой проникающей способностью импульсного электромагнитного поля, а с другой — с особенностями работы устройств защиты в условиях воздействия импульсов малой длительности. Кроме того, активное внедрение цифровой радиосвязи и использование в аналоговых системах высокочувствительных элементов электроники (интегральных микросхем, микропроцессоров и т.п.) наряду с увеличением их быстродействия и уменьшением потребляемой мощности повышает требования к электромагнитной совместимости и устойчивости существующей электронной аппаратуры к импульсным электромагнитным воздействиям.

Наряду с влиянием импульсных электромагнитных полей на внешние цепи, будь то антенно-фидерный тракт или проводная линия связи, существует проблема влияния электромагнитных импульсов непосредственно на аппаратуру связи. Например, влияние канала электромагнитного поля мол-

нии возникающего в непосредственной близости от сооружения связи, может вызывать сбои в работе программного обеспечения или привести к электрическому пробою микросхем с частичным или полным выходом из строя электронной платы в составе радиоаппаратуры. Основными путями таких воздействий выступают межблочные короткие линии связи, корпуса-экраны РЭА, проводники электронных плат.

Реализация эффективных мер повышения помехозащищенности и стойкости РТУ к импульсным электромагнитным воздействиям требует достоверной оценки уровней, возникающих на РЭА напряжений и токов, выделения на основании этих сведений, критичных к неблагоприятным воздействиям электромагнитных полей элементов и определения эффективных методов защиты РЭА от импульсных электромагнитных воздействий.

Цели и задачи исследования

В диссертационной работе было поставлены две взаимоувязанные

цели:

1. Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств и их элементов к импульсным электромагнитным воздействиям

малой длительности

2. Повышение надежности и эффективности функционирования радиотехнических устройств, за счет совершенствования методов диагностики и конструирования существующих средств защиты и элементов монтажа.

Для достижения первой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ повреждаемости радиотехнических устройств с целью выявления критичных к воздействиям нестационарных электромагнитных процессов элементов, блоков и узлов РТУ на примере радиостанций технологической радиосвязи;

2. Разработать математическую модель определения уровней наведенных напряжений и токов от импульсного электромагнитного воздействия на элементы электронных плат радиотехнических устройств.

3. Экспериментально подтвердить результаты математического моделирования по определению уровней наведенных напряжений на элементах и дорожках электронных плат радиотехнических устройств.

Для достижения второй цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Усовершенствовать методику расчета номиналов элементов формирующих цепей для создания испытательных электромагнитных импульсов с требуемыми амплитудно-временными характеристиками для проверки помехозащищенности электронных плат и надежности функционирования устройств защиты.

2. Усовершенствовать методику оценки устойчивости средств защиты и элементов монтажа радиоэлектронных устройств к тепловому пробою при воздействии импульсных токов.

Методы исследования. В работе использованы методы статистического анализа, методы расчета электрических цепей с комплексными переменными при прямом и обратном преобразовании Фурье, метод запаздывающих нестационарных векторных потенциалов, численные методы решения дифференциальных уравнений, а также метод имитационного моделирование динамических характеристик и схем включения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Научная новизна

1. Разработана математическая модель расчета значений тока и напряжения, наводимых на микрополосковых проводниках электронных плат в зависимости от собственных параметров трехслойной структуры электронной платы.

2. Предложена методика расчета формирующих звеньев для создания испытательных импульсов различной формы с заданными амплитудно-временными характеристиками для оценки степени помехозащищенности электронных плат.

3. Разработана методика оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к термическому разрушению при воздействии импульсного тока.

Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе положения теоретически обоснованы, подтверждены сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными в результате имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Погрешность между экспериментальными и расчетными данными составила не более 11%.

Практическая значимость

1. Представлены расчеты номиналов формирующих элементов, необходимые для получения испытательных импульсов с заданными амплитудно-временными характеристиками. Полученные результаты были использованы для проверки интегральных микросхем в составе электронных плат радиотехнических устройств на стойкость к импульсным электромагнитным воздействиям.

2. На основании численного метода конечных разностей создана программа для ЭВМ, позволяющая определять значения максимальных наведенных напряжений на элементах, входящих в состав электронных плат радиоэлектронной аппаратуры, на основании значения электрической составляющей электромагнитного импульса, воздействующего на электронную плату.

3. Получены характерные зависимости наведенных напряжений на микрополосковых проводниках электронных плат от уровня напряженности импульсного электромагнитного поля и крутизны нарастания фронта импульса.

4. Усовершенствована методика испытаний и выбора элементов защиты радиотехнических устройств от максимальных импульсных напряжений в соответствии с вольт-секундными характеристиками радиоэлектронного оборудования.

Апробация работы

1. Научно-технический семинар ОмГУПС, г. Омск, 2007 г.

2. Юбилейная научно-техническая конференция в ОНИИП, г. Омск, 2008 г.

3. Международная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах, г. Омск, 2009 г.

4. IV Всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора ПО «Полет» A.C. Клинышкова, г. Омск, 2009 г.,

5. Научно-техническая конференция в ЦКБА, г. Омск, 2010 г.

6. Международная научная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», Секция 4Ь, г. Плоцк [Польша], 2010 г.

7. Научно-техническая конференция «УМНИК», г. Омск, 2011 г.

Публикации результатов

По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе три статьи - в изданиях ВАК Минобрнауки России (в журнале «Вестник Академии Военных Наук, №3 (28)», в материалах 1П научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания широкополосных РЭС. СВЧ-2010» и «Автоматика, связь, информатика», №4, 2011 г.), три статьи в других изданиях («Математика и информатика Наука и Образование», сборник работ международной конференции «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», г. Плоцк [Польша], сборник работ конференции «УМНИК»), три материала докладов на Международных научно-технических конференциях и научно-практических конференциях. Получен патент на полезную модель № 105786.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 14 таблиц.

Внедрение результатов работы

Результаты проделанной работы были использованы при проведении испытаний исполнительного прибора ПД740.3 в Омском научно-исследовательском институте приборостроения на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей, на основании которых было представлено экспертное заключение о готовности исследуемой аппаратуры к работе в условиях мощных электромагнитных полей.

Основные результаты, выносимые па защиту:

1. Математическая модель расчета значений напряжения и тока, наводимых на элементы и микрополосковые проводники электронных плат радиотехнических устройств, отличающаяся тем, что на основании параметров сред, в которых распространяется электромагнитная волна и первичных параметров микрополосковых проводников, определяются зависимости между крутизной нарастания фронта воздействующего импульса и уровнями наведенных напряжений.

2. Методика расчета номиналов элементов формирующих цепей, необходимая для создания испытательных электромагнитных импульсов с требуемыми амплитудно-временными характеристиками для проверки помехозащищенности электронных плат и элементов защиты.

3. Совершенствование критерия выбора элементов защиты радиотехнических устройств от опасных импульсных напряжений посредством использования многокаскадных схем защиты, учитывая вольт-секундные характеристики входных цепей интегральных микросхем радиоэлектронного оборудования

4. Методика оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к термическому разрушению при воздействии импульсных токов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой в работе темы, ставятся основные цели и задачи исследования, обосновывается научная новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов.

В первой главе описываются основные пути проникновения опасных импульсных напряжений в блоки радиотехнических устройств. Наиболее вероятными путями проникновения являются антенно-согласующие устройства (АНСУ) и цепи электропитания (ЭП). Проникновение опасных напряжений через АНСУ и ЭП на блоки и узлы радиостанций связано с воздействием токов молний на внутренние и внешние элементы конструкций РЭА, а также с воздействием токов, возникающих при коммутационных процессах в промышленных высоковольтных сетях. Кроме того, рекомендуется рассматривать в качестве одного из путей проникновения электромагнитное влияние грозового или коммутационного импульса непосредственно на элементную

базу электронных плат РТУ.

Приводится анализ статистических данных по повреждаемости РТУ от воздействия импульсных электромагнитных полей на примере технологической радиосвязи Красноярской железной дороги, работающей на тяге переменного тока и Западно-Сибирской, работающей на тяге постоянного тока. Статистические данные представлены в виде графиков, построенных на основании таблиц, в которых выделены причины, приведшие к повреждениям элементов в составе радиотехнических устройств.

Гистограмма отказов по причинам Гистограмма отказов, произошедших в появления разных узлах радиотехнических устройств

Гистограмма отказов по месяцам в течении года

Гистограмма отказов по месяцам в течении года

Рисунок 1 Гистограммы инцидентов по технологической радиосвязи железной дороги, работающей на тяге постоянного тока

Гистограмма отказов по причинам Гистограмма отказов, произошедших в появления разных узлах радиотехнических устройств

Рисунок 2. Гистограммы инцидентов по технологической радиосвязи железной дороги, работающей на тяге переменного тока В построенных гистограммах под инцидентом следует понимать событие, приведшее к отказу оборудования и занимающее определенное время.

Данные статистики показывают, что основные повреждения РЭА происходят в летний период с мая по октябрь - в период повышенной грозовой активности. Другой причиной импульсных электромагнитных воздействий являются аварийные режимы работы проишшленных сетей высокого напря-

жения: контактных сетей постоянного и переменного тока, которые могут создавать значительные напряжения на направляющих системах, антенно-фидерных трактах и цепях питания радиостанций. Данные подтверждаются гистограммами по цепям, причинам отказов и месяцам.

На основании обработки статистических данных были проведены расчеты надежности работы радиостанций на основании такого нормированного показателя как коэффициент готовности. Приводится коэффициент готовности для радиостанции как единицы радиоэлектронной системы, полученный на основании расчетных формул для оценки надежности РЭА, и коэффициент готовности радиостанций в составе сети технологической радиосвязи, где на их надежность влияют внешние воздействия, определяемый согласно статистическим данным для технологической радиосвязи в указанных подразделениях. Значения полученных коэффициентов оказались ниже нормы как с точки зрения надежности РЭА, так и с точки зрения готовности радиостанции к устойчивому функционированию в условиях внешних электромагнитных воздействий

Представлен обобщенный анализ источников импульсных электромагнитных воздействий, описаны их параметры, временные и вероятностные характеристики.

Приводятся основные положения метода нестационарных векторных потенциалов для решения задач электродинамики во временной области.

Предложено сравнительное описание существующих численных методов для решения задач технической электродинамики, связанной, в частности, с распространением электромагнитных волн и их падением на границу раздела двух сред.

Проведен анализ существующих средств защиты антенно-фидерных трактов и цепей, защиты радиоэлектронной аппаратуры технологической радиосвязи, применяемых на сети железных дорог Российской Федерации и описаны их главные особенности.

В конце первой главы представлены основные выводы по проведенному анализу, определены направления научно-исследовательской деятельности и определены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе предложена разработанная автором расчетная модель по определению наведенных токов и напряжений на микрополосковых проводниках трехслойных электронных плат от внешнего источника электромагнитного поля.

Рисунок 3 Расчетная модель влияния импульсного электромагнитного поля на электронные платы. Источником импульсного электромагнитного поля является элементарный электрический диполь, создающий в окружающем излучатель пространстве плоскую электромагнитную волну, которая, распространяясь в однородной среде - воздухе, воздействует на электронную плату

Особенностью расчетной модели является учет собственных параметров сред, в которых распространяется электромагнитная волна: проводимости а, электрической е, и магнитной проницаемости ц,. При расчете значений напряжений и токов учитываются параметры следующих сред: медные мик-рополосковые проводники ои ем окись алюминия, которым покрыта плата 0О 80 Цо и стеклотекстолит или гетинакс - диэлектрик, выступающий в качестве подложки Од ед цд

На границах раздела каждой из сред выполняются граничные условия, позволяющие наиболее полно учесть характер изменения электромагнитного поля при переходе из одной среды в другую

На основании расчетной модели была составлена математическая модель определения наведенных напряжений и токов на микрополосковых проводниках электронных плат с учетом допущения, что микрополосковые проводники рассматриваются как двухпроводные длинные линии, подверженные влиянию. Это позволяет использовать для нахождения наведенных токов и напряжений телеграфные уравнения с источником внешней электродви-

жущей силы Е(г), энергия которого определяется плоской электромагнитной волной, падающей на плату.

Алгоритм предложенной математической модели сводится к следующим этапам:

1. определение собственных параметров сред, через которые проходит электромагнитная волна: а, е, ц;

2. определение первичных (Я, I, С, С) я волновых параметров (Д]со), у (/си)) микрополосковых линий;

3. определение граничных условий при переходе из одной среды в другую;

4. определение коэффициентов для частного решения неоднородных телеграфных уравнений, учитывающих влияние внешней электромагнитной волны;

5. определение напряжений и токов с использованием обратного преобразования Фурье для найденного решения телеграфных уравнений.

Значения внешней электродвижущей силы определяются для плоской волны согласно допущениям расчетной модели методом нестационарных векторных потенциалов. Таким образом, решив систему телеграфных уравнений, получим следующие значения для напряжений и токов в линии:

л х

2 "г Д0=-|/Не

•со?{аЛ)с1а> (1)

гвЬ'а>)

+[ " 2 . +- ~2 )

¡О'®)'

■МахУо) (2),

где коэффициенты частного решения неоднородной системы телеграфных уравнений, учитывающие электрическую напряженность плоской электромагнитной волны, будут представлены в следующем виде:

уЦа>у{(Е(а>)-епи">>'а*в) +Е,г ^.е'^^Л-е'^'^Л ЫЦа) =-^-5----+

(к (;'<»)) -(К»)

(лОсо))2-(уисо))2

((3(й>) + ]аС)■ ((Е(о)■ е*^^ + Е., (й.)• )• ) МЦт) =-^-2--5-'--+

(пО)) -00'®))

, где

(4)

0,5. 11+- а

+0,5 -

ФУ?2)

коэффициент распространения для свободного пространства, воздуха, 1/м; /(¿а)=л/(Л(га)+_/'гэ1(о))(С!(й))+ /й)С) - коэффициент распространения электромагнитной волны для цепи, подверженной влиянию, 1/м;

комплексная диэлектрическая проницаемость.

Обе эти величины зависят от частоты, поэтому при воздействии импульсного электромагнитного поля будут меняться в широком диапазоне, но, поскольку исследование велось для импульсов микросекундной длительности, то верхняя граница частоты будет лежать в области единиц мегагерц. .

Результаты расчета полученных напряжений и токов при воздействии единичного электромагнитного поля приведены на рисунке 4. Значение напряженности единичного поля Е = 1 В/м

д

/ у. Г\

0 \ г Ч— 1С?5 61

¡мЗЗзз [31

[О15 6.666

«иЛззазна!5 шс?4 (с

Рисунок 4 Графики зависимостей наведенных напряжения и тока на микропо-лосковом проводнике от амплитудно-временных характеристик воздействующего электромагнитного импульса и собственных параметров электронной платы при воздействующем поле Е = 1 В/м На основании математической модели был разработан алгоритм программы для расчета влияния электромагнитного импульса на элементы электронной платы с использованием численного метода - метода конечных разностей во временной области. Программа позволяет оценить напряжения, наводимые на микрополосоковых проводниках электронных плат и элементах телекоммуникационной аппаратуры. На основании этого алгоритма была создана программа, позволяющая оценивать уровни наведенных напряжений при работе электронных плат в разных, по степени жесткости электромагнитных условия. Разработанная блок-схема, представлена в приложении 1 к диссертационной работе.

Представлены предварительные расчеты наведенных напряжений и токов на антенно-фидерных трактах и направляющих системах поездной радиосвязи на основании решения неоднородных телеграфных уравнений. При условии, что удельная проводимость земли была взята усредненной - о = 0,01 Сим/м, а частотный спектр, при котором производился расчет, был в пределах от 50 до 1000 Гц, что соответствует частотам, на которых сосредоточена основная энергия переходного процесса тока короткого замыкания в промышленных сетях. Расчет показал, что полученные уровни наведенных напряжений и токов опасны для чувствительных элементов электронных плат поездной радиосвязи.

Была решена задача о тепловом пробое электронных плат и устройств защиты при прохождении через них импульсного тока большой величины.

Импульсный ток описывается биэкспоненциальной функцией с коэффициентами в показателе экспоненты, определяющими форму импульса. Были найдены значения этих коэффициентов для разных форм импульса

Импульсный ток, протекая через элементы защиты и устройства, входящие в состав радиостанций, выделяет на них большое количество энергии за счет наличия контактных переходов в конструкции элементов защиты. Эта энергия зависит от формы импульсного тока и сопротивления перехода конструкции элемента защиты..

Для определения температуры нагрева устройства защиты на основе расчета была выведена формула:

Г(/) =

г(Тг)

с^гщ + с2т2

—е2р1' 2 {2р1 р1+р1

„(й+й)'

+-е

2 р2

ЛРг1

где piv.pi- корни характеристического уравнения; г(Тг) - функция определяющая изменение сопротивления контактного перехода в зависимости от степени его нагрева; I-амплитуда воздействующего импульса; сь с2, тп\, т2 -теплопроводность и масса исследуемых материалов. Эта формула дает возможность оценить, до какой температуры будут кратковременно нагреты устройства защиты или элементы электронных плат РТУ в зависимости от амплитудно-временных характеристик воздействующего импульса.

Расчетная модель для оценки термического разрушения элемента защиты представлена на рисунке 5

Пк-н Ян-пр Лпр-р Р-600 Лр-пр

Ин-к

Г^ужина

Пружина

а)

б)

Рисунок 5 Расчетная модель (а) и элементы монтажа (б) устройства защиты РКН-600, с указанием сопротивлений переходов предложенной конструкции

Построены графики зависимости температуры на переходных сопротивлениях в зависимости от амплитудно-временных характеристик воздействующего тока (Рисунок б)

Рисунок 6 Графическое представление изменения температуры переходного сопротивления устройства защиты РКН-600 с течением времени, в зависимости от амплитудно-временных характеристик воздействующего импульса: а) импульсный ток 2000 А; б) импульсный ток 10000 А; (прямыми линиями обозначены температуры плавления меди и бронзы) Оценив величины воздействующих напряжений и токов, можно судить и об энергии, рассеиваемой на элементе защиты и электронных платах радиостанции. В таблице 1 представлены для сравнения энергия, которая учитывает форму воздействующего импульса, и энергия, в которой, помимо формы импульса, учитывается изменяющееся во времени сопротивление перехода. Расчеты приведены для разрядника Р-97.

Таблица 1

Энергия, выделяемая на элементе защиты при воздействии импульсов с различными амплитудно-временными характеристиками

Длительность фронта и спада импульса Без учета сопротивления перехода, <3ь Дж С учетом сопротивления перехода <32, Дж I, кА

6,4/16 мкс 107,86 ■ 462,3 10.

1/50 мкс 329,9 1414 10

2/50 мкс 346,57 1485 10

1,5/40 мкс 303,96 1303 10

8/20 мкс 137,41 588,96 10

10/350 мкс 99,66 427,14 2

1 2 3 4

4/300 мкс 88,38 378,81 2

6,5/700 мкс 174,63 748,47 2

Данные представленные в таблице указывают на то, что энергия, выделяемая импульсным током на элементах защиты, связана не только с формой и амплитудой импульса, но и существенно меняется с ростом сопротивления перехода. В связи с этим важно учитывать характер изменения этого сопротивления с ростом температуры для различных материалов. На рисунке 6 приведены графики зависимости энергии от времени для импульса 1,5/40 мкс с учетом и без учета изменения сопротивления перехода

а. дж.

О 5хЮ~5 1х!0"4 15кЮ~4 2x10"* ЭхКГ4 с

Рисунок 7 График изменения энергии с течением времени на переходном сопротивлении Р-97 при воздействующем импульсе 1,5/40 мкс и амплитудой/ = 10 кА: 1 - энергия, которая рассеивается на переходе с учетом только формы воздействующего импульса; 2 - энергия, которая рассеивается на переходе с учетом формы воздействующего импульса и изменения сопротивления перехода с ростом температуры Математический расчет позволил оценить уровни наведенных напряжений на проводниках электронных плат, зависящие от материала подложки платы, длины микрополосковых проводников и их нагрузки. Была оценена пропускная способность устройств защиты по отношению к импульсному току большой энергии. Таким образом, была подготовлена теоретическая база для проверки соответствия данных полученных в результате расчета и практических результатов полученных в физических экспериментах.

В третьей главе описана методика проведения физического эксперимента по определению уровней наведенных напряжений на микрополоско-вые проводники электронных плат импульсным электромагнитным полем.

Для этих целей был использован генератор импульсных токов с оптическим управлением, где в качестве нагрузки выступала магнитная антенна, представляющая собой квадратную рамку, в центре которой создавалось импульсное электромагнитное поле. Электронные платы помещались в центр или по краям рамки, в корпусе-экране радиостанции или без него, в зависимости от условий эксперимента. Структурно-монтажная схема установки для проведения этого эксперимента представлена на рисунке 7

Г 1 гин |

1 1 1 1 1 1 1 1 1 НИ ! СУ

Н—НЕЬ0!

Т 1М

й "Ч

Рисунок 8 Структурная схема проведения эксперимента по определению уровней наведенных напряжений на дорожки электронных плат

радиотехнических устройств На основании данных математического и имитационного моделирования были получены соотношения между номиналами формирующих элементов, Я, Ь, С и формами импульсов. Для проведения испытаний рассчитаны импульсы с временными характеристиками 6,4/16 и 2/50 мкс:

Рисунок 9 Испытательный импульс с параметрами а) 6,4/16 мкс, /= 30,7 А; б)

2/50 мкс 7=45,6 А

Таблица 2

Номиналы элементов 7?, X, С для формирования импульсов с разными амплитудно-временными характеристиками:

11, Ом Ь, мкГн С, мкФ

Импульс 6,4/16 мкс 3,6 10,21 4,6

Импульс 2/50 мкс 10 5 6

При помощи этих испытательных импульсов создавалось электромагнитное поле, воздействовавшее на дорожки электронных плат, помещенных в центр индукционной катушки. Дорожки электронных плат не имели нагрузки в виде микросхем или других элементов. Результаты полученных испытаний были сравнены с результатами расчета математической модели:

Рисунок 10 Графическое представление напряжения на микрополосковой до-

рожке длиной 337 мм при воздействующем импульсе с параметрами: а) 6,4/16 мкс, 1= 80 А: 1 - форма импульсного тока; 2 - экспериментально полученное напряжение; 3 - расчетное напряжение; б) 2/50 мкс, /= 80 А: 1 -экспериментально полученное напряжение; 2 - расчетное напряжение.

При этом погрешность полученных значений составляет не более 11 %, Дальнейшие исследования проводились на микрополосковых проводниках радиоэлектронной аппаратуры, нагруженных на интегральные микросхемы. Результаты этих испытаний приведены на осциллограммах (рисунок

П)

л --';-,•-

i ■ ..........-.......... - ; -

Н ■

¥

Рисунок 11. а) Осциллограмма импульса в цепи рамки 2,2/16 мкс при токе I= 82 А и наведенная ЭДС на дорожке длиной 277 мм электронной плате, U= 190 мВ; б) импульс в цепи рамки 6,4/16 мкс при токе /= 72 А и наведенная ЭДС на дорожке электронной платы длиной 277 мм U- 110 мВ Как видно из осциллограмм, электромагнитный импульс, имеющий большую крутизну нарастания фронта, создает большую величину импульсного электромагнитного поля, а значит, и наводит большую ЭДС на электронной плате. Длина проводников платы и их нагрузка также влияют на величину наведенного напряжения. На осциллограммах виден пробой входа микросхемы, с которой была связана исследуемая микрополосковая линия.

Оценена чувствительность электронных плат, шин и цепей питания радиостанции РС-46М в экранирующем корпусе на восприимчивость к импульсным электромагнитным воздействиям. Данные этих испытаний сведены в таблицу 2. Испытания проводились в закрытом стальном корпусе радиостанции, который является экраном, ослабляющим внешнее электромагнитное поле

Таблица 2

Уровни наведенных напряжений на радиостанции поездной радиосвязи

I, А (6,4/16 мкс) Положение 1 Положение 2 Положение 3 Е, В/м

Напряжения в цепях питания, В

60 А од од од 8,7

140 А 0,12 0,15 0,12 20,2

640 А 0,23 0,2 0,18 90,3

Напряжения на шине адреса, В Е, В/м

60 А 0,3 0,3 0,35 8,7

140 А 1,5 1,5 2 20,2

640 А 3 3 3,2 90,3

Напряжения на шине адреса, В

60 А 1 0,9 0,9 8,7

140 А 1 1 1 20,2

640 А - - - 90,3

Таким образом, экспериментальным путем был определен минимальный уровень напряженности электрического поля, при котором происходит сбой в работе радиоэлектронных устройств, он составил Е = 8,6 В/м при форме тока 6,4/16 мкс. Дальнейшее увеличение уровня напряженности в центре индукционной катушки привело к устойчивым сбоям в работе радиостанции. При напряженности электрического поля более 90,3 В/м наблюдались постоянные сбои в передачи данных.

В четвертой главе предложены рекомендации по диагностике помехозащищенности электронных плат РТУ от влияния импульсных электромагнитных полей и рекомендации по использованию средств защиты от электромагнитного влияния грозового разряда, которое приводит к возникновению опасных напряжений как непосредственно на элементах электронных плат, так и на антенно-согласующих устройствах, кабельных линиях связи и цепях питания, по которым опасные напряжения и токи проникают на электронные платы РТУ.

Были проведены физические эксперименты по определению влияния импульсного тока на направляющих проводах, связанных с антенно-фидерными трактами. Результаты этих экспериментов совпали с результатами расчета.

Также был проведен анализ устройств защиты первой ступени по цепям питания, кабельным линиям связи и антенно-фидерным устройствам на

их динамические характеристики. На основании ампер-секундных характеристик было установлена зависимость между крутизной нарастания тока, проходящего через разрядник и энергетическими характеристиками устройства. Данные, представленные на рисунке 12, позволяют судить о том, что чем выше крутизна нарастания тока, тем существует больший риск теплового пробоя устройства защиты

Рисунок 12 а) Ампер-секундные характеристики элементов защиты радиотехнических устройств; б) количество теплоты, выделяемое на элементе защиты при соответствующих ампер-секундных характеристиках. 1 -А1Ш = 1,3 кА/мкс; 2 - АНАг = 3,1 кА/мкс; 3 - А1Ш = 6,75 кА/мкс; 4 - А1Ш = 1,5 кА/мкс; 5 - АНАг - 4,5 кА/мкс; 6 - количество теплоты при котором разрушается устройство защиты.

Все, представленные на рисунке зависимости, являются найденными экспериментально и перенесенными в область высоких токов по средством линейной экстраполяции.

Были проведены испытания варисторов, используемых в защите цепей питания РТУ, которые показали, что их классификационное напряжение уменьшается после многократного срабатывания, что приводит к старению элемента и ухудшению его пропускной способности.

Вольт-секундные характеристики устройств защиты (рисунок 12) указывают на то, что в ряде случаев время запаздывания может составлять несколько микросекунд, что резко снижает эффективность элемента защиты, так как в этом случае в течение времени запаздывания все напряжение будет приложено к защищаемой аппаратуре, что неминуемо приведет к выходу из строя элементов входных цепей электронных плат.

Рисунок 13 Вольт-секундная характеристика пробоя разрядника Р-107 (кривые 1, 2, 3), вольт-секундная характеристика пробоя микросхемы XE02AR (TP305WM combo) - 4 и вольт-секундная характеристика срабатывания TVS-диода Р4КЕ100А- 5.

Уровни пробоя интегральных микросхем (рисунок 12, кривая 4) указывают на необходимость использования гибридных систем защиты высокочувствительного оборудования. В первом каскаде возможно использование разрядника с известными динамическими характеристиками, так как от быстродействия этого элемента зависит скорость отведения большей части энергии опасного импульсного процесса в землю. Во втором каскаде возможно использование промежуточных низковольтных разрядников, типа Р-106 или варисторов, а в третьем - быстродействующих TVS-диодов, которые не шунтируют защищаемые входы радиотехнических устройств и обладают высоким скоростью срабатывания. Использование TVS-диодов может значительно снизить уровни остаточных напряжений и предотвратить разрушение защищаемых микросхем или чувствительных полупроводниковых элементов (рисунок 12, кривая 5).

Были оценены защитные свойства корпусов-экранов радиостанций от электромагнитного воздействия на элементы и узлы РТУ. При изготовлении корпуса радиостанции используют промышленную сталь толщиной от 0,8 мм до 2 мм. Однако, корпус имеет множество щелей и отверстий, что снижает коэффициент экранирования до 28 дБ. Такое затухание электромагнитной волны является недостаточным для того, чтобы снизить уровни напряженно-

стей электромагнитного поля внутри корпуса-экрана до безопасного уровня, что подтверждается экспериментальными данными.

В заключении сформулированы основные результаты научно-исследовательской работы:

• Разработана методика расчета и получены номиналы формирующих элементов, необходимые для формирования импульсов тока с заданными амплитудно-временными характеристиками, приведенных в существующих стандартах;

• Создан алгоритм и программа для ЭВМ, позволяющая определять значения наведенного напряжения на элементах, входящих в состав электронных плат радиоэлектронной аппаратуры на основании значения электрической составляющей электромагнитного импульса, воздействующего на электронную плату;

• Разработана математическая модель, позволяющая установить взаимосвязь между наведенными напряжениями на микрополосковых проводниках электронной платы и собственными параметрами материалов электронной платы при воздействии импульсного электромагнитного поля с разными значениями электрической напряженности;

• Усовершенствована методика выбора элементов защиты от опасных импульсных напряжений посредством использования многокаскадных схем защиты, учитывающая вольт-секундные характеристики входных цепей интегральных микросхем радиоэлектронного оборудования;

Усовершенствована методика оценки устойчивости устройств защиты и элементов электронных плат радиотехнических систем к термическому разрушению на основании выбора точек с большим переходным сопротивлением при воздействии импульса тока большой энергии.

Публикации научных статей по теме диссертации.

1. Митрохин В. Е., Бондаренко К. А. Конструкция устройств подключения приборов защиты от импульсных перенапряжений электронных плат. / Вестник Академии Военных Наук №3 (28) 2009 г., стр 125 -127

2. Митрохин В. Е., Бондаренко К. А. Сверхширокополосные системы имитации импульсных полей для испытания РЭО. / Материалы Ш научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания широкополосных РЭС. СВЧ-2010». Г. Омск, 2010, стр 125 - 132.

3. Митрохин В. Е,. Бондаренко К. А, Гаранин А. Е. Критерий выбора устройства защиты от перенапряжений. Автоматика, Связь, Информатика №4,2011 г., стр 14-18.

4. Бондаренко К. А. Использование информационных технологий в исследовании электромагнитных влияний на средства автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. / Математика и информатика Наука и Образование, Межвузовский сборник научных трудов ОмГПУ №7, 2008 г., стр. 45-49

5. Митрохин В. Е., Доросинский JI. Р., Бондаренко К. А., и др. Разработка испытательных комплексов устройств грозозащиты системы радиосвязи и радиоуправления. / Юбилейная научно-техническая конференция, Сб. докладов/Омский Научный Исследовательский Институт Приборостроения, г. Омск, 2008 г, стр. 71

6. Митрохин В. Е., Доросинский JI. Р., Бондаренко К. А., Федотов Д. А. Испытание бортовых информационных устройств космических аппаратов на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей. IV всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора ПО «Полет» A.C. Клинышкова, / Сб. докладов, г. Омск, Издательство ОмГТУ, 2009 г., стр. 90 - 94

7. Бондаренко К. А. Методика расчета термической устойчивости различных конструкций устройств защиты от импульсных перенапряжений. Международная научная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», Секция 4Ь. г. Плоцк [Польша], 2010 г., стр. 487 - 492.

8. Митрохин В. Е,. Бондаренко К. А., Гаранин А. Е. Методика и результаты определения параметров кабельных линий и рельсовых цепей в условиях электромагнитного влияния контактной сети. Трансвуз-2010. Инновации для транспорта: / Сб. науч. статей с международным участием в трех частях. Часть 2 / Омский государственный университет путей сообщения, стр. 242 - 248

9. Митрохин В. Е., Бондаренко К. А. Исследование устойчивости плат радиоэлектронных устройств к импульсам микросекундной длительности. / Сборник статей конференции «УМНИК», г. Омск. 2011 г., стр. 186 — 188

Типография ОмГУПСа, 2011. Тираж 100 экз. Заказ 809. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

Введение.

Глава 1. Анализ устойчивости электронных плат радиотехнических устройств к импульсным электромагнитным воздействиям.

1.1 Статистика повреждений радиоэлектронной аппаратуры. ^ ^

1.2 Анализ источников опасных электромагнитных воздействий для электронных плат радиотехнических устройств.

1.3 Анализ методик определения наводимых напряжений и токов на элементы в составе электронных плат радиотехнических устройств.

1.4 Исследование численных методов для расчета напряжен-ностей импульсного электромагнитного поля необходимых для определения наводимых напряжений на электронные платы радиотехнических устройств.

1.5 Анализ устройств защиты радиоэлектронных систем технологической радиосвязи от опасных напряжений и токов

Выводы по первой главе.

Глава 2 Разработка математической модели определения наведенных напряжений на блоках радиотехнических устройств при воздействии импульсных электромагнитных полей

2.1 Расчетная модель влияния источника импульсного электромагнитного поля на микрополосковую линию.

2.2 Решение задачи по определению составляющей электрической напряженности импульсного электромагнитного поля на дорожках электронных плат.

2.3 Определение напряжений и токов через решение телеграфных уравнений для микрополосковой двухпроводной линии.

2.4 Разработка алгоритма программы для ЭВМ для определения электромагнитного поля численным методом конечных разностей во временной области.

2.5 Расчет наведенных напряжений на волноводный провод со стороны контактной сети, работающей в аварийном режиме

2.6 Разработка математической модели для оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к тепловому пробою при воздействии импульсного тока большой энергии.

Выводы по второй главе.

Глава 3 Физическое моделирование воздействия импульсного электромагнитного поля на микрополосковые проводники и элементы в составе электронных плат радиотехнических устройств.

3.1 Разработка генераторной и измерительной базы для оценки устойчивости электронных плат к импульсным электромагнитным воздействиям.

3.2 Методика определения напряжений, возникающих на мик-рополосковых проводниках электронных плат при импульсном электромагнитном воздействии.

3.3 Определение уровней наведенных напряжений на элементах радиоэлектронной аппаратуры.

Выводы по второй главе

Глава 4 Диагностика помехозащищенности электронных плат радиотехнических устройств при воздействии импульсного электромагнитного воздействия.

4.1 Экспериментальное определение уровней наведенных напряжений на антенно-фидерных трактах поездной радиосвязи

4.2 Имитационное и физическое моделирование устройств защиты

4.3 Метод оценки динамических и энергетических характеристик устройства защиты от импульсных напряжений

4.4 Методика выбора элементов защиты от опасных напряжений и токов учитывающая динамические характеристики защищаемых элементов.

4.5 Рекомендации для повышения надежности радиотехнических устройств.

Опыт эксплуатации радиотехнических устройств (РТУ) в различных областях промышленности показывает, что обеспечение устойчивой и надежной работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является одной из наиболее сложных и важных задач в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Возникновение таких помех, в основном, связано с активной грозовой деятельностью или коммутационными процессами в промышленных силовых цепях, например, в контактной сети железных дорог постоянного и переменного тока.

Эксплуатация РТУ в подобных условиях неизбежно приводит к определенным нарушениям в работе этой аппаратуры, вплоть до частичного или полного отказа отдельных ее элементов, блоков, узлов. Подобные ситуации являются следствием либо непосредственного попадания токов молнии в элементы конструкций РЭА, либо возникновения наведенных напряжений и токов в отдельных ее частях. В некоторых случаях уровни возникающих напряжений и токов превышают предельно допустимые и приводят к локальному импульсному выделению большого количества тепла на отдельных элементах РТУ, что в итоге может привести к их полному или частичному разрушению.

Основными путями проникновения импульсных перенапряжений на РЭА являются антенно-фидерные тракты, цепи питания, проводные подземные и воздушные линии связи. Существующие методы защиты РТУ от перенапряжений не обеспечивают полноценную защиту радиоэлектронной аппаратуры. Это связано, с одной стороны, с большой проникающей способностью импульсного электромагнитного поля, а с другой - с особенностями работы устройств защиты в условиях воздействия импульсов малой длительности. Кроме того, активное внедрение цифровой радиосвязи и использование в аналоговых системах высокочувствительных элементов электроники (интегральных микросхем, микропроцессоров и т.п.) наряду с увеличением их быстродействия и уменьшением потребляемой мощности повышает требования к электромагнитной совместимости и устойчивости существующей электронной аппаратуры к импульсным электромагнитным воздействиям.

Наряду с влиянием импульсных электромагнитных полей на внешние цепи, будь то антенно-фидерный тракт или проводная линия связи, существует проблема влияния электромагнитных импульсов непосредственно на аппаратуру связи. Например, влияние канала электромагнитного поля молнии, возникающего в непосредственной близости от сооружения связи, может вызывать сбои в работе программного обеспечения или привести к электрическому пробою микросхем с частичным или полным выходом из строя электронной платы в составе радиоаппаратуры. Основными путями таких воздействий выступают межблочные короткие линии связи, корпуса-экраны РЭА, проводники электронных плат.

Реализация эффективных мер повышения помехозащищенности и стойкости РТУ к импульсным электромагнитным воздействиям требует достоверной оценки уровней, возникающих на РЭА напряжений и токов, выделения на основании этих сведений критичных к неблагоприятным воздействиям электромагнитных полей элементов и определения эффективных методов защиты РЭА от импульсных электромагнитных воздействий

Значительный вклад в развитие теории электромагнитных влияний связи внесли работы таких ученых как: П. А. Азбукин, Н. Н. Баженов, Г. А. Гринберг, В. И. Дмитриев, В. Ф. Калюжный, Б. И. Косарев, В. У. Костиков , М. В. Костенко, В. Е. Митрохин М. И. Михайлов, Ю. А. Парфенов Л. Г. Поздняков, Э. Л. Портнов, Л. Д. Разумов, И. В. Стрижевский, М. Г. Шалимов и др. [2, 6, 7, 8, 9, 18, 20, 40, 81, 82].

Большой вклад в развитие теории электромагнитных процессов, включая теорию распространения радиосигналов в направляющих системах, в цепях с распределенными параметрами, принадлежит отечественным и зарубежные исследователям: И. И. Гродневу, Э. Ф. Вэнсу, В. У. Костикову, М. И. Михайлову, В. Д. Радченко, Д. В. Разевигу, Л. Д. Разумову, С. А. Соколову и другим.

Развитием теории распространения электромагнитных волн при их прохождении через границу раздела двух сред с разными волновыми параметрами занимались: В. Р. Бурсиан, Н. Д. Гольдштейн, А. Зоомерфельд, Ю. В. Пименов, Ю. В. Якубовский [11, 32, 33, 36, 37, 38, 75, 76]

Теории антенн посвящены работы Г. 3. Айзенберга, М. В. Костенко, Г. Т. Маркова, К. Ротхаммеля и др [44, 45, 48, 64, 65, 66, 67, 92, 120, 122].

Развитием теории распространения электромагнитных волн при их падении на границу раздела двух сред с разными волновыми параметрами занимались: Н. Д. Гольдштейна, Н. Н. Горобца, и др. [11, 20, 32, 33, 36, 38, 58 -60, 76, 106- 110].

Развитию теории влияния грозовых разрядов на антенно-фидерные тракты железнодорожных радиосистем, цепями питания и кабельного резервирования занимались ученые: В. И. Кравченко, М. И. Михайлов, С. А. Соколов.

Общие принципы молниезащиты рассмотрены в работах: Э. М. Базеля-на, Б. Н. Горина, В. П. Ларионова, М. В. Костенко., Д. В. Разевига, Р. Рюден-берга и др.

Практическое использование теории численных методов отражено в работах отечественных и зарубежных авторов: Ю. М Григорьева, Д. И Кро-халева, А. Н Ольшевского, J.P.Berenger, \¥.Ш.Гк^ег, К. Б. Уее и др. [117 -135 ]

Описание принципов построения радиотехнических устройств представлено в исследованиях следующих ученых: С. И. Баскакова, И. С. Гоно-ровского, В. И. Тихонова и др. [90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 100].

Цели и задачи исследования

В диссертационной работе было поставлены две взаимоувязанные цели:

1. Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств и их элементов к импульсным электромагнитным воздействиям малой длительности

2. Повышение надежности и эффективности функционирования радиотехнических устройств за счет совершенствования методов диагностики и конструирования существующих средств защиты и элементов монтажа.

Для достижения первой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ повреждаемости радиотехнических устройств с целью выявления критичных к воздействиям нестационарных электромагнитных процессов элементов, блоков и узлов РТУ на примере радиостанций технологической радиосвязи;

2. Разработать математическую модель определения уровней наведенных напряжений и токов от импульсною электромагнитного воздействия на элементы электронных плат радиотехнических устройств.

3. Экспериментально подтвердить результаты математического моделирования по определению уровней наведенных напряжений на элементах и дорожках электронных плат радиотехнических устройств.

Для достижения второй цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Усовершенствовать методику расчета номиналов элементов формирующих цепей для создания испытательных электромагнитных импульсов с требуемыми амплитудно-временными характеристиками для проверки помехозащищенности электронных плат и надежности функционирования устройств защиты.

2. Усовершенствовать методику оценки устойчивости средств защиты и элементов монтажа радиоэлектронных устройств к тепловому пробою при воздействии импульсных токов.

Методы исследования. В работе использованы методы статистического анализа, методы расчета электрических цепей с комплексными переменными при прямом и обратном преобразовании Фурье, метод запаздывающих нестационарных векторных потенциалов, численные методы решения дифференциальных уравнений, а также метод имитационного моделирования динамических характеристик и схем включения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Научная новизна

1. Разработана математическая модель расчета значений тока и напряжения, наводимых на микрополосковых проводниках электронных плат в зависимости от собственных параметров трехслойной структуры электронной платы.

2. Предложена методика расчета формирующих звеньев для создания испытательных импульсов различной формы с заданными амплитудно-временными характеристиками для оценки степени помехозащищенности электронных плат.

3. Разработана методика оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к термическому разрушению при воздействии импульсного тока.

Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе положения теоретически обоснованы, подтверждены сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными в результате имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Погрешность между экспериментальными и расчетными данными составила не более 11 %.

Практическая значимость

1. Представлены расчеты номиналов формирующих элементов, необходимые для получения испытательных импульсов с заданными амплитудно-временными характеристиками. Полученные результаты были использованы для проверки интегральных микросхем в составе электронных плат радиотехнических устройств на стойкость к импульсным электромагнитным воздействиям.

2. На основании численного метода конечных разностей создана программа для ЭВМ, позволяющая определять значения максимальных наведенных напряжений на элементах, входящих в состав электронных плат радиоэлектронной аппаратуры, на основании значения электрической составляющей электромагнитного импульса, воздействующего на электронную плату.

3. Получены характерные зависимости наведенных напряжений на микрополосковых проводниках электронных плат от уровня напряженности импульсного электромагнитного поля и крутизны нарастания фронта импульса.

4. Усовершенствована методика испытаний и выбора элементов защиты радиотехнических устройств от максимальных импульсных напряжений в соответствии с вольт-секундными характеристиками радиоэлектронного оборудования.

Апробация работы

1. Научно-технический семинар ОмГУПС, г. Омск, 2007 г.

2. Юбилейная научно-техническая конференция в ОНИИП, г. Омск, 2008 г.

3. Международная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах, г. Омск, 2009 г.

4. IV Всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора ПО «Полет» A.C. Клинышкова, г. Омск, 2009 г.

5. Научно-техническая конференция в ЦКБ А, г. Омск, 2010 г.

6. Международная научная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», Секция 4Ь, г. Плоцк [Польша], 2010 г.

7. Научно-техническая конференция «УМНИК», г. Омск, 2011 г.

Публикации результатов

По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе три статьи - в изданиях ВАК Минобрнауки России (в журнале «Вестник Академии Военных Наук, №3 (28)», в материалах III научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания широкополосных РЭС. СВЧ-2010» и «Автоматика, связь, информатика», №4, 2011 г.), три статьи в других изданиях (Межвузовский сборник научных работ [г. Омск, 2005], «Математика и информатика Наука и Образование», сборник работ международной конференции «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», [г. Плоцк Польша, 2010 г.], сборник работ конференции «УМНИК» [2011 г.]), три материала докладов на Международных научно-технических конференциях и научно-практических конференциях. Получен патент на полезную модель № 105786.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 14 таблиц.

Выводы по третьей главе

1. Определены номиналы формирующих элементов необходимых для создания импульса с заданными амплитудно-временными характеристиками для проверки электронных плат и устройств защиты к импульсным воздействиям.

2. Были получены характерные зависимости наведенных напряжений микрополосковых проводника трехслойных электронных плат радиотехнических устройств, в зависимости от скорости нарастания электрической напряженности импульсного электромагнитного поля. Расхождение с результатами расчета составило не более 11 %.

3. Получены значения для электрической напряженности электромагнитного поля, при которой происходят нарушения в работе блоков и узлов радиостанций, в состав которых входят интегральные микросхемы и полупроводниковые элементы, при наличии корпусов-экранов. Это значение много меньше электрической напряженности импульсного электромагнитного поля грозового разряда, что указывает на то, что энергии грозового электромагнитного импульса достаточно, чтобы привести к нарушению в работе чувствительных элементов электронных плат радиотехнических устройств.

Глава 4 Диагностика помехозащищенности электронных плат радиотехнических устройств при воздействии импульсного электромагнитного воздействия

4.1. Экспериментальное определение уровней наведенных напряжений на антенно-фидерных трактах поездной радиосвязи

Воздействие энергии импульсного электромагнитного поля на электронные платы радиотехнических устройств может происходить как череч инудцированное воздействие на направляющие системы с возникновением на концах протяженных линий опасных напряжений и токов, так и при электромагнитном влиянии на материалы, из которых состоит электронная плата, с возникновением на микрополосковых проводниках наведенных напряжений и токов. Как показывает статистика повреждений радиоэлектронной аппаратуры, антенно-фидерный тракт один из самых повреждаемых узлов РТУ. Он занимает второе место по причинам, приводящим к отказам радиотехнических устройств. Для определения наведенных напряжений на радиостанциях поездной железнодорожной радиосвязи РС-46М и РС-46МЦ были проведены эксперименты по воздействию импульсного электоромагнитного поля на направляющие системы поездной радиосвязи Для этого была разработана следующая структурная схема исследуемой системы:

Рисунок 4.1.1. Структурная схема системы направляющая линия - волновод-ный провод / Г-образная антенна поездной радиосвязи Схема имитирует направляющую систему поездной радиосвязи (от т. 1 до 2) и возбуждающий эту систему провод (провод ст. 3) - антенно-фидерный тракт. Расстояние между антенной и направляющей системой составляет 30 см, а обратный провод возбуждающей системы отнесен на максимально возможное расстояние, так что его влиянием можно пренебречь. Управление происходит от высоковольтного коммутатора (К) с оптическим управлением (СУ). ЗК - представляет собой железнодорожный £С-фильтр, заземленный на отдельный контур здания с сопротивлением не более 4 Ом.

Влияние, которое можно рассмотреть на примере этой схемы, может быть как со стороны контактной сети, так и со стороны близких атмосферных разрядов или прямом воздействии тока канала молнии на направляющую систему. Разница будет заключаться в амплитудно-временных характеристиках тока, который будет создавать имитатор импульсов (ГИН). Токи, создаваемые имитатором импульсов, представлены на рисунке 4.1.2 а) б)

Рисунок 4.1.2. Влияющий импульс при токе 45 А: а) 2,2/50 мкс; б) 6,4/16 мкс

После монтажа спроектированного стенда и подключения к влияющему проводнику (волноводный провод) генератора испытательных импульсов были проведены измерения наведенных напряжений на антенне и на входе радиостанции после линейных устройств.

Напряжение на волноводном проводе в т. 3 представлено на рис. 4.1.3 а) б)

Рисунок 4.1.3. Напряжение на волноводном проводе в т. 3: а) при импульсе 6,4/16 мкс ток 61 А; б) при импульсе 2,2/50 мкс ток 65 А

Наведенные напряжения на линейных входах радиостанции после согласующего устройства составляют от 5 до 20 В, размах наведенных напряжений может быть более 40 В. (рисунок 4.1.4 - 4.1.5) а) б)

Рисунок 4.1.4. Импульс детектируемый на РС при влияющем импульсе 6,4/16 мкс а) ток 45 А, напряжение на входе радиостанции 2,437 В; б) ток 77 А, напряжение на входе радиостанции 16,5 В а) б)

Рисунок 4.1.5. Импульс детектируемый на РС при влияющем импульсе: а)

2,2/50 мкс и токе 57 А, напряжение на входе радиостанции 15,6 В; б) 6,4/16 мкс и токе 86,5 А, напряжение на входе радиостанции 19,7 В

На основании полученных данных были выведены зависимости уровней наведенных напряжений от крутизны нарастания фронта воздействующего импульсного тока для разных форм импульсов.

Рисунок 4.1.6. Зависимость напряжения на проводнике, подверженном влиянию от тока влияющего проводника при импульсе 6,4/16 мкс

1 30 25 20 15 10 5 ' и„, в и 43,8 51,0 57 625 67,8 74,5 78,1 82,9 86,5 91,3 ^ д

Рисунок 4.1.7. Зависимость напряжения на проводнике, подверженном влиянию от тока влияющего проводника при импульсе 2,2/16

Для того, чтобы определить уровни наведенных напряжений на линейных входах радиостанции при воздействии токов канала молнии, необходим сделать экстраполяцию полученных данных. Зависимости на рисунках 4.1.10 и 4.1.11 имеют линейный характер и поэтому могут быть исследованы при помощи методов линейной аппроксимации. Для этого найдем коэффициенты этого уравнения у = ах + Ъ аиЬ, для чего экспериментальные данные сведем в таблицу 4.1.1.

Заключение и основные выводы:

На основании проведенного теоретического и экспериментального исследования по усовершенствованию методов оценки устойчивости радиотехнических устройств к импульсным электромагнитным воздействиям получены следующие выводы:

• Разработана методика расчета и получены номиналы формирующих элементов, необходимые для формирования импульсов тока с заданными амплитудно-временными характеристиками, приведенных в существующих стандартах

Создан алгоритм и программа для ЭВМ позволяющая определять значения наведенного напряжения на элементах, входящих в состав электронных плат радиоэлектронной аппаратуры на основании значения электрической составляющей электромагнитного импульса, воздействующего на электронную плату.

• Разработана математическая модель позволяющая установить взаимосвязь между наведенными напряжениями на микрополосковых проводниках электронной платы и собственными параметрами материалов электронной платы при воздействии импульсного электромагнитного поля с разными значениями электрической напряженности

• Усовершенствована методика выбора элементов защиты от опасных импульсных напряжений посредством использования многокаскадных схем защиты, учитывающая вольт-секундные характеристики входных цепей интегральных микросхем радиоэлектронного оборудования;

• Усовершенствована методика оценки устойчивости устройств защиты и элементов электронных плат радиотехнических систем к термическому разрушению на основании выбора точек с большим переходным сопротивлением при воздействии импульса тока большой энергии.

1. Техника высоких напряжений. Под ред. М.В. Костенко. Учебное пособие для вузов. М. «Высшая школа», 1973, 528 с, с ил.

2. Гроднев И.И., Курбатов Н.Д. Линии связи: учебник для вузов 4-е издание переаб. И доп. - М., Связь, 1980 - 440 с, с ил.

3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник / Л. А. Бессонов/. М.: Гардарики, 2000. - 638 е.: ил.

4. Левинштейн М. Л. Операционное исчисление в задачах электротехники: Учебник/ М. Л. Левинштейн/. Л.: Энергия, 1972. - 360 е.: ил

5. Виноградов В. В. Линии автоматики телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. М.: Издательство «Маршрут», 2002 г. - 416 с.

6. Михайлов М. И., Разумов Л. Д. Защита кабельных линий связи от влияния внешних электромагнитных полей. М.: Издательство «Связь», 1967.

7. Михайлов М. И. Защита сооружений связи от опасных и мешающих влияний.-М. 1978.

8. Евсеев И. Г. Защита устройств связи и СЦБ. М.: Транспорт, 1982. 176с.

9. Евсеев И. Г. Защита устройств СЦБ от опасных напряжений и токов. -М.: Транспорт. 1971. 144 с.

10. Железные дороги. Общий курс: учебник для вузов / М.М. Уздин, Ю.И. Ефименко, В.И. Ковалев, С.И. Логинов, Б.Ф. Шаульский. Под ред. М.М. Уз-дина. 5-е изд. переаб. И доп. - СПб.: Информационный цент «ВЫбор», 2002.-368 с.

11. Гольдштейн Н.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. Издание 2-е. М. Изд-во «Советское радио», 1971 г. 664 с.

12. Пискунов Н. С. «Дифференциальное и интегральное исчисления». Учебное пособие для втузов. М: Наука, 1985г., 560 стр.

13. Романовский П. И. «Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа». Учебное пособие для втузов. -М: Наука, 1983г., 336 стр.

14. Мырова Л.О.,Чепиженко А.Э. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. М.: Радио и связь, 1988.-324 с.

15. Петров Б. M. Электродинамика и распространение радиоволн. 2-е издание. М.: Горячая линия- Телеком, 2004 . 558 с. Ил.

16. Лавров Г. А., Князев А. С. Теория и практика антенн размещенных вблизи поверхности земли. М., «Советское радио» 1965 г.

17. Ватсон Г. Н. Теория Бесселевых функций. Часть первая: Пер с англ. / Г. Н. Ватсон. М. : Издательство иностранной литературы, 1949. - 799 с.

18. Вэнс Э. Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели: Пер с англ. / Под ред. JI. Д. Разумова. М.: Радио и связь. 1982. - 120 е., ил.

19. Каллер К. Я. Теория линейных электрической цепей.

20. Разевиг Д. В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. / Д. В. Разевиг. M., JI. : Государственное энергетическое издательство, 1959.-216 с.

21. D. M. Sullivan Electromagnetic simulation using the FDTD method: New York.: IEEE Press/ Electrical engineering Department University of Iduho 2000 166 p.

22. Руководящие указания по защите от перенапряжений устройств С ЦБ (РУ-90). М.: Транспорт, 1990. - 60 с.

23. Калантарев П. JI. Расчет индуктивностей. / П. JI. Калантарев, JI. А. Цейтлин.: Справочная книга. 3-е изд., перераб. и доп. - д JI.: Энергоатомиз-дат. Ленингр. отд-ние 1986. - 488с.: ил.

24. Матханов П. Н. Расчет импульсных трансформаторов / П. Н. Матханов, Л. 3. Гоголицын. Л.:Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 112 е., ил.

25. Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. - 208 с: ил.

26. Имшенецкий В. Г. Интегрирование дифференциальных уравнений с частными производными 1-го и 2-го порядков. / Под ред. К.А. Андреева. -М.: Типография Г. Лисснера и Д. Совко, 1916, 412 с.

27. Эйхенвальд А. А. Электричество. Издание восьмое. М., Л.: Государственное технико-теоретическое издательство. 1933. - 782 с.

28. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. / Утверждено: В.С Аркатов, Ю. Б. Зубарев. М.: Транспорт 1989. 135 с.

29. Правила защиты установок проводной связи энергосистем от опасных напряжений и токов. / Министерство энергетики и электрификации СССР. -М. БТИ Оргрэс. 1966.

30. Электромагнитные влияния высоковольтных линий на цепи связи. Методические указания к дипломному и курсовому проектированию. Е. Г. Тре-бина, В. У. Костиков. Омский ин-т инж. Ж.-д. триаспорта. Омск. 1980, с. 31

31. Бурсиан В. Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке. В. Р. Бурсиан. Изд. 2-е, испр. и доп. Л., Недра, 1972. 368с

32. Якубовский Ю. В. Электроразведка: Учебник для вузов. 2-е изд., пе-рераб. - М.: Недра, 1980. - 384 с.

33. Петров Б. М. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник для вузов. 2-е изд., испр. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 558 е.; ил.

34. Несис Е. И. Метода математической физики. Учебн.пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов. -М.: Просвещение, 1977. 199 е., с ил.

35. Заборовский А. И. Электроразведка. / А. И. Заборовский. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1963. - 429 е., ил.

36. Зоомерфельд А. Дифференциальные уравнения в частных производных физики. / Пер. с немецкого. Под ред. А. Н. Тихонова М.: Издательство иностранной литературы, 1950. - 457 с.

37. Зоомерфельд А. Электродинамика. / Пер. с немецкого. Под ред. A.A. Соколова. М.: Издательство иностранной литературы, 1958. 505 с.

38. Нейман Л. Р. Руководство к лаборатории электромагнитного поля. / Л. Р. Нейман, К.С. Демирчан. М.: Высшая школа, 1961. - 220 с.

39. Радченко В. Д. Перенапряжения и токи короткого замыкания в устройствах электрифицированных железных дорог постоянного тока. / В. Д. Радченко, С. Д. Соколов, Н. Д. Сухопрудский. М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство. 1959.

40. Стрижевский И. В. Теория и расчет дренажной и катодной защиты магнистральных трубопроводов от коррозии блуждающими токами. / И. В. Стрижевский. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. 1963. - 202 с.

41. Дейтл Х.М. Как программировать на С. / Х.-М. Дейтл, П.Дж. Бином-Пресс. 2006. 912 с.

42. Игнациус Г. И. Теория поля, (математический анализ функций нескольких переменных). / Г. И. Игнациус. М.: Знание. 1971. - 112 с.

43. Костенко М. В. Волновые процессы и электрические помехи в многопроходных линиях высокого напряжения. / М. В. Костенко, Л. С. Перельман, Ю. П. Шкарин. М.: Энергия, 1973. - 272 е., с ил.

44. Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. / Г. 3 Айзенберг, С. П. Белоусов, Э. М. Журбенко и др.; под ред. Г. 3. Айзенберга 2-е, перераб и доп- М.: Радио и связь, 1985 536с., с ил.

45. Алексеев А. И. Сборник задач по классической электродинамике. / А. И. Алексеев, учебное пособие. Главная редакция физико-математической литературы издательство Наука, 1977. 319 е., с ил.

46. Андреев В. С. Теория нелинейных электрических цепей. / В. С. Андреев: учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1982. - 280 е., с ил.

47. Марков Г. Т. Антенны. / Г. Т, Марков, Д. М. Сазонов. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Энергия, 1975. 528 е., с ил.

48. Болл Стюарт Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров .Пер. с англ. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. - 360 е.- с ил.

49. Детлаф А. А. Курс физики (в трех томах). Т. II. Электричество и магнетизм. Учеб. Пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. М.: Высшая школа, 1977.- 275 е., с ил.

50. Добротворский И. Н. Теория электрических цепей: Учебник для техникумов. М.: Радио и связь, 1989. - 472 е., с ил.

51. Харлов Н. Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Учебное пособие. Томск. Издательство ТПУ, 2007. - 207 с.

52. Юдин В. И. Электромагнитные поля и волны. Часть 1. Волны в безграничных и полубесконечных пространствах.- учебное пособие. / В. И. Юдин, А. В Останков; под общ ред В. И. Юдина Воронеж. Междунар. Ин-т ком-пьют. технологий, 2007. - 178 е., с ил.

53. Гринберг Г. А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. / Г. А. Гринберг. Изд-во Академии наук СССР. -М., Ленинград, 1948. 730 с.

54. Горелов Г. В. Радиосвязь с подвижными объектами железнодорожного транспорта. / Г. В. Горелов. Учебник. .Издательство «Маршрут». М. -2006 г.

55. Каценеленбаум Б. 3. Высокочастотная электродинамика (основы математического аппарата). / Б. 3. Каценеленбаум. М.: Издательство Наука. 1966.-240 е., сил.

56. Арбузов В. И. Теоретические основы электротехники. / конспект лекций по разделу «Цепи с распределенными параметрами». М.: МИЭЭ, 2008. 20 с.

57. Maxwell J. С. A treatise on electricity and magnetism. / London. Publish of the university of Oxford. Vol. I. 1873. 437 p.

58. Maxwell J. C. A treatise on electricity and magnetism. / London. Publish of the university of Oxford. Vol. II. 1873. 537 p.

59. Maxwell J. C. A treatise on electricity and magnetism. / London. Publish of the university of Oxford. Vol. III. 1873. 457 p.

60. Никольский B.B. Теория электромагнитного поля. / В, В, Никольский. М. Высшая школа. 1961. 372 с.

61. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. / В. В. Никольский. Учебное пособие. Главная редакция физико-математического литературы изд-вО Наука. М.: 1973. 608 с.

62. Калашников В. С. Электродинамика и распространение радиоволн (электрдинамика). / В. С. Калашников, Л. Я. Родос. Письменные лекции. СПб.: СЗТУ, 2001. 88 с.

63. Ротхаммель К. Антенны. Издание одиннадцатое, исправленное.Том 1. М.; Додека, 2005.-414 с.

64. Ротхаммель К. Антенны. Издание одиннадцатое, исправленное.Том 2. М.; Додека, 2005.-414 с.

65. Ротхаммель К. Антенны. / К. Ротхаммель. М.: Энергия. 1979. 320 с.

66. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.: Учеб. Для радиотехнич. Спец. Вузов. М.: Высшая школа., 1988. - 432 с, с ил.

67. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика. Том 2. М.: Наука., 1990. 591 с.

68. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Электричество. Том 3. . М.: Наука., 1977.-704 с.

69. Борисенко А. И. Векторный анализ и начало тензорного исчисления. / А. И. Борисенко, И. Е. Тарапов. Издание третье. М.: Высшая школа. 1966. -252 с.

70. Дональд. Р. Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1 Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи. Мериленд. Перевод с англ. По редацией А. И. Сап-гира. М.: Советское радио. 1977. - 352 с.

71. Дональд. Р. Ж. Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1 Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи. Мериленд. Перевод с англ. По редацией А. И. Сапгира. М.: Советское радио. 1977. - 352 с.

72. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. / Г. А. Месяц. М.: Советское радио. 1974. - 358 с.

73. Семенов Н. А. Техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. / Н. А. Семенов. М.: Связь. 1973. - 480 е., с ил.

74. Пименов Ю. В. Техническая электродинамика. / Ю. В, Пименов, В. И. Вольман, А. Д. Муравцев. Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь. 2000.-536 е., сил.

75. Тихонов А. Н. Уравнения математической физики. / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский. Пятое издание. — М.: Наука, 1977. — 735 с

76. Нейман Л. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. / Л. Р. Нейман. М., Ленинград.: Государственное энергитическое издательство. 1940.- 191 с.

77. Кравченко В.И., Болотова Е.А., Летунова Н.И., Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М. :Радио и связь, 1987 г.256 с.80. .Радченко В. Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги. М.: Транспорт, 1975. 359 с.

78. Михайлов М. И. Влияние внешних электромагнитных полей на цепи проводной связи и защитные мероприятия. М.: Связьиздат, 1959. 583 с.

79. Михайлов М. И. Разумов Л. Д., Соколов С. А.Электромагнитные влияния на сооружения связи. -М.: Связь, 1979. 264 с.

80. Кравченко В. И. Грозозащита радиоэлектронных средств: Справочник. / В. И. Кравченко. -М.: Радио и связь. 1991. 264 е., с ил.

81. Кравченко В. И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / В. И. Кравченко, Е. А, Болотов, Н. И. Летунова; под ред. В. И. Кравченко. М.: Радио и связь. 1987. - 256 е., с ил.

82. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. Пер. с английского. Под ред. В. Ю. Ломоносова. М.: Издательство иностранной литературы. 1955 г. - 716 с.

83. Коваленков В. И. Теория передачи по линиям связи. Т. 1. / В. И. Кова-ленков. М.:Связьтехиздат. 1937. - 305 е., с ил.

84. Коваленков В. И. Теория передачи по линиям связи. Т. 2. / В. И. Коваленков. М.:Связьтехиздат. 1937. - 331 е., с ил.

85. Шапиро Д. Н. Основы теории электромагнитного экранирования. / Д. н, Шапиро. Л.: Энергия. 1975. - 112 е., с ил.

86. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. -М.: Дрофа, 2006. 719 е., с ил.

87. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991. - 608 е., с ил.

88. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высш. шк., 1990.-335 е., сил.

89. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для вузов по направлению "Радиотехника". /Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев; Моск. гос. авиац. ин-т (техн. ун-т); Под ред. Воскресенского Д.И. -М.: МАИ, 1999,- 526 е.: ил.

90. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. М: «ИПРЖР», 2003.-335 е., с ил.

91. Радиотехнические системы передачи информации / Под ред. В.В. Калмыкова. М.: Радио и связь, 1990. - 304 е., с ил.

92. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория: Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: ЗАО«МАКВИС», 1998. - 512 е., с ил.

93. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2000. - 208 е., с ил.

94. Ратнер М. П. Индуктивное влияние электрофицированных железных дорог на электрические сети и трубопроводы. / М. П. Баскаков. М.: Транспорт. 1966. - 165 е., с ил.

95. Методические указания по проектированию устройств AT и С на железнодорожном транспорте И-247-97 «Защита от перенапряжений устройств автоблокировки и электрической централизации» ГТСС МПС РФ, 1999. 38 с.

96. ГОСТ 26656-85. Контролепригодность объектов диагностирования. -М.: Изд-во стандартов, 1985. 19 с.

97. В.И. Блаут-Блачева, А.П. Волоснов, Г.В. Смирнов "Технология производства радиоаппаратуры". -М., "Энергия", 1972

98. А.Т. Белевцев "Монтаж и регулировка радиоаппаратуры", М., "Высшая школа", 1966

99. Основы технической диагностики. Кн.1: Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза / Под ред. П. П. Пархоменко. М.: Энергия, 1976. - 464 с.

100. Дмитриев А. К., Мальцев П. А. Основы построения и контроля сложных систем. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,1988. - 192 с.

101. ГОСТ 27.002-89. НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ Основные понятия. Термины и определения . М.: Изд-во стандартов, 1990. - 29 с.

102. ВСН 94-77 ИНСТРУКЦИЯ ПО УСТРОЙСТВУ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ Минтрансстрой/ Утверждена Министерством транспортного строительства и Министерством путей сообщения 27 октября 1977 г. № М-1274/А-33619

103. Юб.Горобец H.H., Горобец Ю.Н., Цехмистро Р.И. Характеристики электромагнитных полей в ближней зоне коротких проволочных антенн // Вестник Харьковского национального университета, Радиофизика и электроника, №.467, 2000, с. 62-66.

104. Горобец H.H., Цехмистро Р.И. Эффекты ближней зоны резонансных проволочных антенн // Вестник Харьковского национального университета, Радиофизика и электроника, No.513, 2001, стр. 112-118.

105. Горобец H.H. Амплитудные, фазовые и поляризационные характеристики апертурных антенн в ближней, промежуточной и дальней зонах. Вестник Харьковского университета, №. 203, Радиофизика и электроника, 1980, стр. 26-34.

106. Горобец H.H. Особенности волновых процессов в ближней зоне датчиков электрического и магнитного поля // Труды III Республиканской конф. "Методы и средства измерения в области электромагнитной совместимости". Винница (Украина). 1991.-е. 95-100.

107. Горобец Н. Н., Тривайло А. В. Поля в ближней зоне рамочной антенны прямоугольной формы. Издательство Харьковского национального университета. 2008 г. (http://www-radiovestnik.univer.kharkov.ua/full/78.pdf)

108. Снарский А. А. Влияние контактной сети на линии связи и СЦБ/ «Автоматика, телемеханика и связь», №3. 1959, с. 11-16.

109. Снарский А, А. Способы снижения влияния контактной сети на линии связи. / «Автоматика, телемеханика и связь», №4. 1959, с. 13 20.

110. Родыгин Н. А. Поездная радиосвязь по волноводному проводу. / «Автоматика, телемеханика и связь», №1. 1959, с. 21 23.

111. Танцюра А. А. Индуктивный способ возбуждения волноводных проводов. / «Автоматика, телемеханика и связь», 1959, 10 13 с.

112. Контуры типов ЗК-4 и СК-6 для поездной радиосвязи. / «Автоматика, телемеханика и связь», 1959, 17 19 с.

113. Григорьев Ю.М., Орлова М.Н. Математические модели грозовых перенапряжений в линиях передач / VII Лаврентьевские чтения. Научная конференция. Секция «Математика, механика и физика». Сб. статей. Том I. 7-11 апреля 2003 г. Якутск, 2003 г. - С. 29-33.

114. Ильинский А .С., Перфилов О.Ю., Самохин А. Б Итерационный метод решения интегральных уравнений теории проволочных антенн. / Московский государственный университет им. Ломоносова. Математическое моделирование, т. 6, №3, 1994. с. 52 59.

115. Гончаренко И.В. Антенны KB и УКВ. Часть 1-я. Компьютерное моделирование. ММ ANA. Изд-во ред. журнала «Радио», 2004.

116. S.M.Rao, D.R.Wilton., A.W.Glisson. Electromagnetic Scattering by Surface of Arbitrary Shape. -IEEE Trans. Antennas Propagat., vol AP-30, No.3, May 1982.

117. Крохалев Д.И. Расчет широкополосных антенн методом моментов с использованием RWG базисных функций. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н.,2006,с. 67-74.

118. K.S.Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media. IEEE Trans, on Antennas Propagat., vol. 14, No.3, 1966, pp. 302-307.

119. J.P.Berenger. Three-Dimensional Perfectly Matched Layer for the Absorption of Electromagnetic Waves. -Journal of Сотр. Physics 127, 363-379 (1996).

120. M.Piket-May, A.Taflove, J.Baron. FD-TD Modeling of Digital Signal Propagation in 3D Circuits With Passive and Active Loads. IEEE Trans, on Mirowave Theory and Techiques, vol.42, No.8, 1994.

121. Y.Lee and C.Chen. Power Grid Transient Simulation in Linear Time Based on Transmission-Line-Modeling Alternating-Direction-Implicit Method. IEEE Trans, on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 21, No.l 1, Nov. 2002.

122. K.R.Umashankar and A.Taflove. A Novel Method to Analyze Electromagnetic Scattering of Complex Objects. IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol.24, pp. 397-405, Nov. 1982.

123. W.J.R.Hoefer. The Electromagnetic Wave Simulator: A Dynamic Visual Electromagnetic Laboratory Based on the Two-Dimensional TLM Method. John Wiley & Sons, West Sussex, England, 1991.

124. P.B.Johns. A Symmetrical Condensed Node for the TLM Method, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-35, pp. 370-377, Apr. 1987.

125. Крохалев Д.И., Ольшевский A.H. Оценка воздействия сверхширокополосных J импульсов электромагнитного поля на печатные платы. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева JI.H.,2007, с. с. 19-23.

126. Акбашев Б.Б., Туркин В.А., Семин В.В., Ольшевский А.Н Экспериментальные исследования воздействия СШП ЭМИ на СКД. Сборник научных трудов МИЭМ под ред. Кечиева Л.Н.,2006, с. 21-22.

127. Ольшевский А.Н. Требования к средствам измерений и генерации для обеспечения испытаний систем видеонаблюдения на стойкость к ЭМИ. 7 международный симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, ЭМС-2007. Санкт-Петербург, 2007, с.318-319.

128. Кечиев Jl. Н., Тумковский С. Р., Путилов С. Р., Алешин А. В., Гердлер И. И., Шевцов М. А., Шевчук А. А. Проектирование электронных средств в распределенной информационной среде. Сборник научных трудов сотрудников МИЭМ.-МИЭМ, 2002.-е. 114-121.

129. Курочкип В.Ф.Исследование воздействия сверхширокополоспых электромагнитных импульсов на кабельные коммуникации систем связи, кандидатская диссертация, МИЭМ. 2007

130. Балюк Н.В., Крохалев Д.И., Фарафонов O.A. Метод расчета воздействия импульсных электромагнитных полей на проволочные структуры. Технологии ЭМС, №2 (9), 2004.

131. ГОСТ 50649-94 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к импульсному магнитному полю. Технические требования и методы испытаний)4

132. Правила организации и расчета сетей поздней радиосвязи. / Утверждено X. Ш. Зябиров. М. Трансиздат. 2005г. - 112 с.

133. Гроднев И. И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. / И. И. Гроднев М. Связь. 1972. 111 с.

134. Жабина А. В. Разработка методов повышения эффективности функционирования телекоммуникационных систем при внешних импульсных электромагнитных воздействиях. Диссертация. Н-ск. СибГУПС. 2009 г.

135. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств /СИ. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др., Под ред. В.И. Вольмана. М. Радио и связь 1982.- 328 с , ил.

136. Митрохин В Е., Бондаренко К. А. Конструкция устройств подключения приборов защиты от импульсных перенапряжений электронных плат / «Вестник Академии Военных Наук», №3 (28), 2009 г., стр 125 127

137. Митрохин В. Е., Бондаренко К. А. Сверхширокополосные системы имитации импульсных полей для испытания РЭО. / Материалы III научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания широкополосных РЭС СВЧ-2010». Г. Омск, 2010, стр 125 132.

138. Митрохин В. Е,. Бондаренко К. А, Гаранин А. Е Критерий выбора устройства защиты от перенапряжений / «Автоматика, Связь, Информатика», №4, 2011 г., стр 14-18.

139. Митрохин В. Е., Бондаренко К. А. Исследование устойчивости плат радиоэлектронных устройств к импульсам микросекундной длительности. / материалы сборника статей конференции «УМНИК», г. Омск. 2011 г., стр. 186 -188

140. Патент на полезную модель №105786 «Генератор импульсных токов с оптическим управлением» от 22.02.2011 г. Авторы Митрохин В. Е. Доросинский JI. Р., Бондаренко К. А. и др.

141. ГОСТ Р 50571.19-2000 Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений. М., Госстандрат России. 01.01.2002.

142. ГОСТ Р 50649-94 (МЭК 1000-4-9-93) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к импульсному магнитному полю. Технические требования и методы испытаний. М., Госстандрат России. .01.01.1995.

143. ГОСТ Р 50656-2001 Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства железнодорожной автоматики и телемеханики. Требования и методы испытаний. М., Госстандрат России. 01.07.2002.

144. ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энегрии. Требования и методы испытаний. М., Госстандрат России. 01.01.2001.

145. ГОСТ Р 51317.4.4-2007 (МЭК 61000-4-4:2004) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний. М., Стандартинформ. 01.07.2008.

146. ГОСТ Р 51317.1.2-2007 (МЭК 61000-1-2:2001) Совместимость технических средств электромагнитная. Методология обеспечения функциональной безопасности технических средств в отношении электромагнитных помех. М., Стандартинформ. 01.07.2008.

147. ГОСТ 5238-81 Установки проводной связи. Схемы защиты от опасных напряжений и токов, возникающих на линиях. Технические требования. М., ИПК Издательство стандартов. 01.01.1983.

148. ГОСТ Р 50745-99 Устройства подавления сетевых импульсных помех. М., Госстандрат России. 01.09.2005.

149. ГОСТ Р 51318.16.4.2-2006 Совместимость технических средств электромагнитная. Неопределенность измерений в области электромагнитной совместимости. М., Стандартинформ. 27.12.2006.

150. ГОСТ Р 51318.24-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость оборудования информационных технологий к электромагнитным помехам. Требования и методы испытаний. М., Госстандрат России. 28.12.1999.

151. ГОСТ 1516.2-97 (МЭК 60-1-1989) ГОСТ 1516.2-97 Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кв и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. М., Госстандрат России01.01.1999.

152. Алгоритм программы расчета иапряжеиностей импульсного электромагнитного поля, основанный на численной методе конечных разностей вовременной области1. Основной алгоритм1. Расчет основных константI

153. Задание вещества (массивы)Ф1. Расчет Коэфициентов РМ1.1. Конец1. Петля fdtd\ Цикл по ^временишаг повремен) '1. Расчет й->1. Помещаем источник в Р1. Расчет Ег1. Расчет Н

154. Расчет вектора £) на примере расчета для составляющей £)х1. Цикл ло) По всему объему1. Цикл по к По всему объему/ах1.3.[к] д:3[]]*дкЗ[к)»с)х[1] [])[к] + д;]2Ь)*дк2[к]* 5Г* (сиг! Ь + дл.1 (х) *1бх1 [ 1] [] ) [к] )

155. Цикл по i От конца счетного объёма а И ДО концэ(приграничнэя область) 1Е1.1. Цикл по/ По всему объему1. Цикл по к По всему объемусиг1Ь = гауМЬг1. .) [к]-Ь2(1] [к] )-гагМЬу[1] (з) (к] Ьу иПзПк-Щ

156. ЦхЬ) (з) к) = 1с1хЬ{1хЬ) [3. (к] + сиг1Ь ¿у{1] (з) (И=д:3(з)'дкЗ(к]Мх1. [3] [к] + д)2 [3} *дк2 (к] * 5ЕМсиг1Ь + дл.1 Ц] *1ахЬ(1хЬ] (3] [У])1. Расчет вектора Е

157. Расчет вектора Н на примере расчета для составляющей Нх

158. От конца счетного объёма а и до конца(лриграничная область) 1Е1. Ь 1 - 1Ь 11. Цикл по J По всему объёму11. Цикл по к По всему объёмусиг1е гаг'(еу1) [.] [к+1] еу[1) []1(к))- гау * (ег1. [] +1] [ У] - е г [ 1 ] [ ] ] I к1 > |(к) 1Ь 111,ЬПэПИ + сиг1 е |

159. Ь 1. .1 [к!-£:3[]]-£к3[>-]*ь иПзПН + Гз2(з1*£к2[Ц* 5Р* (сиг1е + тШЧЬ ЬИзПк]) !1. Расчет коэффициентов РМЬ

160. Ввод количества слоев РМЦячеек на границе)

161. Создание коэффициентов для ячеек по) Любого из массивов ОтОдопоследнего слоя Nргп! (С конца или с начала)

162. Вход в основную петлю РОТО

163. ГкЗКЕ-к-2. = (1 ОЕ-хп)/(1 ОР+хп)

164. Влияние ЭМП на аналоговую шину.

165. Влияние ЭМП на аналоговую шину (контрольное гнездо ГС 1).а) б)

166. Рисунок 2.3.1. Цена деления: 0,2 В/д, 50 мкс/д, а) сигналы на аналоговой шине данных; б) влияние ЭМП на шину данных ток / = 140А. ГС 1, Пол. №1•: iv:-V"' ■ : • • • •'.а) б).

167. Рисунок 2.3.2. Цена деления: 0,2 В/д, 20 мкс/д, а) сигналы на аналоговой шине данных; б) влияние ЭМП на шину данных ток 1= 140А. ГС 1, Пол. №2а) б)

168. Рисунок 2.3.3. Цена деления: 0,2 В/д, 50 мкс/д, а) сигналы на аналоговой шине данных; б) влияние ЭМП на шину данных ток / = 140А. ГС 1, Пол. №3

169. Влияние ЭМП на аналоговую шину( контрольное гнездо ГС2)а) б)

170. Рисунок 2.4.1. Цена деления: 50 мкс/д, а) сигналы на аналоговой шине данных, 0,1 В/д; б) влияние ЭМП на шину данных, 0,2 В/д, ток / = 140А. ГС 2, Пол. №1а) б)

171. Рисунок 2.4.2. Цена деления: 0,2 В/д, 20 мкс/д, а) сигналы на аналоговой шине данных; б) влияние ЭМП на шину данных ток /= 140А. ГС 2, Пол. №2

172. Влияние ЭМП на линию пульта управления .

173. Влияние ЭМП на линию пульта управления ПУС-461 состоит из трех комбинаций:провод ЛА, провод ЛБ, провод ЛА-земля, провод ЛБ-земля.а) б)

174. Рисунок 2.4.3. Цена деления: 0,2 В\д, 50 мкс\д, а) сигналы на аналоговой шине данных; б) влияние ЭМП на шину данных ток I- 140А. ГС 2, Пол. №3i:а) б)

175. Рисунок 2.5.1. Цена деления: 0,2 В/д, 20 мкс/д, а) сигналы на проводе ЛА-Лб;б) влияние ЭМП на провод ЛА-Лб, при токе I- 140А. Пол. №1а) б)

176. Рисунок 2.5.2. Цена деления: 0,5 В/д, 20 мкс/д, а) сигналы на проводе ЛА-Лб;б) влияние ЭМП на провод ЛА-Лб, при токе /= 140А. Пол. №2а) б)

177. Рисунок 2.5.3. Цена деления: 0,5 В/д, 10 мкс/д, а) сигналы на проводе ЛА-Лб; б) влияние ЭМП на провод ЛА-Лб, при токе I = 140А. Пол. №3а) б)

178. Рисунок 2.5.4. Цена деления: 0,2 В/д, 20 мкс/д, а) сигналы между проводами

179. ЛА-3; б) влияние ЭМП на провод ЛА-3, при токе /= 140А. Пол.1а) б)

180. Рисунок 2.5.5. Цена деления: 20 мкс/д, а) сигналы между проводами ЛА-3,0,2 В/д; б) влияние ЭМП на провод ЛА-3, 0,5 В/д, при токе1= 140А. Пол. №2а) б)

181. Рисунок 2.5.6. Цена деления: 20 мкс/д, а) сигналы между проводами ЛА-3,0,2 В/д; б) влияние ЭМП на провод ЛА-3, 1 В/д, при токе1= 140А. Пол. №3а) б)

182. Рисунок 2.5.7. Цена деления: 20 мкс/д, а) сигналы между проводами ЛБ-3, 0,2

183. В/д; б) влияние ЭМП на провод ЛБ-3, 1 В/д, при токе 1 = 140А.1. Пол. №1а) б)

184. Рисунок 2.5.8. а) сигналы между проводами ЛБ-3, 0,2 В/д, 50 мкс/д,; б) влияние ЭМП на провод ЛБ-3, 1 В/д, 20 мкс/д, при токе 1= 140А. Пол. №2а) б)

185. Рисунок 2.5.9. Цена деления: 0,5 В/д, 20 мкс/д, а) сигналы между проводами

186. ЛБ-3; б) влияние ЭМП на провод ЛБ-3, при токе /= 140А. Пол.

187. Результаты испытаний электронных плат радиоэлектронной аппаратуры Калибровка испытательной установки

188. А ■ АС 1:1 Т 228 тУ \ В ■ АС 1:1 Т 912 тУ50 тУ/У Ж 220 тУ = 200 тУ/У 1 881 гпУ

189. Рисунок ЗЛ. Импульс в цепи рамки 6,4/16 мкс (верхний луч) и наведенная ЭДС на датчике магнитного поля, при напряжении на накопительном конденсаторе 600 В (нижний луч)

190. А ■ АС 1:1 т 365 гг,У В ■ АС 1:1 1 1.828 V100 гпУД) I 350 тУ = 500 гпУ/с) I 1.750 У

191. Рисунок 3.2. Импульс в цепи рамки 6,4/16 мкс (верхний луч) и наведенная

192. ЭДС на датчике магнитного поля, при напряжении на накопительном конденсаторе 1200 В (нижний луч)

193. На частоте 455 кГц, получились следующие величины ЭДС, и магнитного поля:

194. А ■ АС 1:1 т 518тУ В ■ АС 1:1 Т 1.037У100 гпУ/У I 503 тУ Ш 200 тУЛ) I 1.006 V1.:!

195. Рисунок 3.3. Импульс в цепи рамки 2,2/16 мкс (верхний луч) и наведенная ЭДС на датчике магнитного поля, при напряжении на накопительном конденсаторе 600 В (нижний луч)

196. А ■ АС 1:1 т 843 гпУ В ■ АС 1:1 Т 2.1 ОЗУ200 гпУ/с! I 812тУ щ 500 тУЛ I 2.031 VА1. Г N. , . :.;. • ! . ; ; 1 ; ; 1 : : 1. Разве2и$/

197. Рисунок 3.4. Импульс в цепи рамки 2,2/16 мкс (верхний луч) и наведенная ЭДС на датчике магнитного поля, при напряжении на накопительном конденсаторе 600 В (нижний луч)

198. Испытание электронных плат

199. А ■ АС 1:1 Т 86.9 тУ В ■ АС 1:1 Т 868 тУ20 тУ/У ж 83.8 тУ = 200 тЧМ I 837 тУ

200. Рисунок 3.5. Импульс в цепи рамки 6,4/16 мкс и наведенная ЭДС на замкнутой дорожке электронной платы ПГС, при напряжении на накопительном конденсаторе 600 В

201. А ■ АС 1:1 Т 185 тУ I В ■ АС 1:1 Т 1.859 У50 тУ/У I 178 тУ | = 500 тУ/У I 1.781 У

202. Рисунок 3.6. Импульс в цепи рамки 6,4/16 мкс и наведенная ЭДС на замкнутой дорожке электронной платы ПГС, при напряжении на накопительном конденсаторе 1200 В

203. А ■ АС 1:1 т 104 тУ В ■ АС 1:1 Т 1.043У

204. ШМ I 101 гп''./ | = 200 гММ I 1.012 V

205. Рисунок 3.7. Импульс в цепи рамки 2,2/16 мкс и наведенная ЭДС на замкнутой дорожке электронной платы ПГС, при напряжении на накопительном конденсаторе 600 В

206. А ■ АС 1:1 Т 425 Ш В ■ АС 1:1 Т 2.125У100 гпУЙ I 409 гп'/ = 500 пЛШ I 2.046 V

207. Рисунок 3.8. Импульс в цепи рамки 2,2/16 мкс и наведенная ЭДС на замкнутой дорожке электронной платы ПГС, при напряжении на накопительном конденсаторе 1200 В

208. А ■ АС 1:1 J 1S1 mV ! В ■ AC 1:1 T 1.312V= 50 mV/d I 173 mV = 500 mV/d I 1.734 Vизямивдии Г ■ к.1. П|»ЩШ ¡яви

209. Рисунок 3.10. Импульс в цепи рамки 6,4/16 мкс и наведенная ЭДС на дорожке длиной 277 мм электронной платы ПГС, с заземлением общей шины платы на контур здания, при напряжении на накопительном конденсаторе 1200 В

210. А Я АС 1:1 Т 201 mV В Я АС 1:1 J 2015 V50 mWd I 193 rnV = 500 rnWd I 1.937 V

211. Рисунок 3.11. Импульс в цепи рамки 2,2/16 мкс и наведенная ЭДС на дорожке длиной 277 мм электронной платы ПГС, без заземления общей шины платы на контур здания, при напряжении на накопительном конденсаторе 1200 В

212. А ■ АС 1:1 Т 210 mV В ■ АС 1:1 т 2.109V50 mV/d I 203 mV Ш 500 mV/d 1 I 2.031 V

213. Рисунок 3.12. Импульс в цепи рамки 2,2/16 мкс и наведенная ЭДС на дорожке длиной 277 мм электронной платы ПГС, с заземлением общей шины платы на контур здания, при напряжении на накопительном конденсаторе 1200 В