автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Совершенствование моделирования и обеспечения электромагнитной совместимости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

На правах рукописи

Салов Василий Константинович

Совершенствование моделирования и обеспечения электромагнитной совместимости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

Специальность 05.12.04 -радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 ОКТ 2014

Томск-2014

005552866

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

Научный руководитель - Заболоцкий Александр Михайлович

кандидат технических наук ТУСУР

Официальные оппоненты: Дмитренко Анатолий Григорьевич

доктор технических наук, профессор Национального исследовательского Томского государственного университета

Заревич Антон Иванович, кандидат технических наук, доцент Национального исследовательского Томского политехнического университета

Ведущая организация - Открытое акционерное общество

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

Защита состоится 25 ноября 2014 г. в 9:00 на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

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

Автореферат разослан {. 2» сентября 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу: Мандель А.Е., 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01

доктор физико-математических наук

Мандель А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время разработка сложной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) не обходится без предварительного компьютерного моделирования её работы. Для критичной бортовой РЭА космических аппаратов (КА) актуально моделирование и обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Однако, моделирование ЭМС отличается особой сложностью. Для быстрого моделирования необходимо выявлять ресурсы ускорения. Для точного и корректного моделирования необходимы соответствующие модели электронных компонентов и параметров материалов. Для моделирования сложной РЭА целесообразно отдельное моделирование её элементов. Рассмотрим эти задачи подробнее.

Моделирование задач ЭМС проводится различными видами анализа. В зависимости от вида задачи и исходных данных используют электродинамический, квазистатический или схемотехнический виды анализа. Одной из важных задач является вычисление методом моментов ёмкостной матрицы произвольных двумерных и трехмерных структур проводников и диэлектриков. Решение этой задачи сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). При изменении значений параметров в широком диапазоне требуется многократное решение СЛАУ, часто приводящее к ещё большим затратам времени. Однако существуют задачи, в которых изменение некоторого исходного параметра приводит не к полному изменению матрицы СЛАУ, а к изменению только определенных ее элементов, например, при изменении относительной диэлектрической проницаемости (ег) диэлектриков. И это можно использовать для уменьшения времени вычислений.

Частотные зависимости ег реальных диэлектриков отличаются у разных изготовителей материалов и редко приводятся ими для широкого диапазона частот. К тому же, печатные платы производят с использованием разнообразных диэлектрических материалов (основания, препреги, паяльные маски и лаки), точная частотная зависимость ег которых неизвестна. Поэтому актуально определение ег материалов печатных плат в диапазоне частот.

При проектировании высокочастотных цепей бортовой РЭА КА необходимо контролировать волновое сопротивление и задержку линий передачи в печатных платах. Кроме того, с ростом частоты увеличивается влияние на полезный сигнал неоднородностей, таких как переходные отверстия, контактные площадки и т.д. Эти аспекты важны для анализа целостности сигнала в реальных печатных платах, но не рассмотрены в полном объеме.

Цель работы- совершенствование моделирования и обеспечения ЭМС бортовой РЭА КА. Для её достижения целесообразно решить следующие задачи: 1) исследовать возможности уменьшения времени моделирования задач квазистатики за счёт уменьшения времени решения СЛАУ блочным и итерационным методами, использования аппаратных средств, корректной сегментации границ проводников и диэлектриков и разработки новых команд для геометрического моделирования; 2) для повышения точности моделирования реализовать точный учёт частотной зависимости ег материалов

печатных плат; 3) выполнить ряд исследований по совершенствованию ЭМС отдельных элементов РЭА.

Научная новизна

1. Исследованы новые подходы к уменьшению времени моделирования задач электромагнитной совместимости.

2. Впервые выполнено сквозное моделирование частотной зависимости ег (измерение коэффициента отражения, вычисление е„ полиномиальная аппроксимация) материалов печатных плат с демонстрацией важности её корректного учета при моделировании модального разложения в линиях передачи.

3. Предложены новые решения (методика, рекомендации, линия передачи, оценки, программы) для совершенствования электромагнитной совместимости.

Теоретическая значимость

1. Использование блочного И_Г-разложения и итерационного метода с предобусловливанием дополняет теоретический инструментарий уменьшения времени решения СЛАУ при вычислении емкостной матрицы методом моментов.

2. Впервые исследовано влияние вида предфильтрации на значение допуска обнуления, обеспечивающее минимальное время решения СЛАУ в задачах электростатики.

3. Предложенный алгоритм адаптивного итерационного выбора оптимальной сегментации границ проводников и диэлектриков может быть обобщен на решение более широкого круга задач.

4. Впервые показано противоположное влияние боковых заземленных проводников верхнего и нижних слоев микрополосковой линии на её погонную задержку.

Практическая значимость

1. Использование блочного Ьи-разложения и итерационного метода с предобусловливанием позволило уменьшить время решения СЛАУ в 1,5-14 раз.

2. Показана целесообразность использования аппаратных средств и оптимизированных библиотек для уменьшения времени вычислений.

3. Предложенный алгоритм сегментации позволил сократить вычислительные затраты при моделировании (например, время вычисления уменьшилось в 133 раза, а требуемая память снизилась в 117 раз при порядке матрицы СЛАУ 7135).

4. Использование реализованных команд упрощает построение геометрической модели поперечного сечения многопроводных структур печатных плат.

5. Разработаны методика, алгоритм и его программная реализация для сквозного моделирования частотной зависимости ег материалов печатных плат.

6. Разработанная методика предварительного анализа позволила усовершенствовать ЭМС бортовой РЭА быстро: за счет качественного анализа, без моделирования.

7. Показано, что за счёт одновременного уменьшения зазоров на верхнем и нижних слоях микрополосковой линии с боковыми заземленными

проводниками можно получить заданное уменьшение значения волнового сопротивления при неизмененной погонной задержке.

8. Показано, что учёт формы проводников, наличия покрывающих слоев и частотной зависимости ег может давать значительные отклонения результатов от полученных без такого учёта.

9. Выполненные оценки и разработанные программы позволили облегчить решение ряда задач обеспечения ЭМС отдельных элементов бортовой РЭА.

10. Выполнена оценка перекрестных наводок для крайних значений диапазонов параметров 8 основных стеков печатных плат.

Использование результатов исследований

1. Методика предварительного анализа ЭМС унифицированного электронного модуля (УЭМ) бортовой РЭА КА и рекомендации по улучшению ЭМС, а также результаты оценки электрофизических параметров элементов печатных плат бортовой РЭА КА, использованы в ходе ОКР по теме «УЭМ-ТУСУР», хоздоговор 95/10 от 24.11.2010 в рамках реализации постановления 218 Правительства РФ.

2. Приложение-калькулятор для вычисления ширины линии передачи при заданных параметрах стека и значении волнового сопротивления, результаты моделирования микрополосковой линии с боковыми заземлёнными проводниками, оценки электрофизических параметров трасс печатной платы, результаты моделирования интерфейсных соединителей бортовой РЭА КА использованы в ходе выполнения ОКР по теме «САН», хоздоговор 96/12 от 16.11.2012 с ОАО «ИСС» в рамках реализации постановления №218 Правительства РФ.

3. Оценки перекрестных наводок, адаптивный итерационный выбор оптимальной сегментации использованы в НИР по теме «Змейки», хоз. договор № Р-20130122 от 18.01.2013.

4. Методика и алгоритм определения гг фольгированного диэлектрика резонаторным методом использованы во втором этапе проекта по базовой части государственного задания Минобрнауки России, №2014/225, проект 769.

5. Сквозное моделирование частотной зависимости ег фольгированного диэлектрика использовано в ходе реализации в ТУСУРе проекта по Постановлению № 219 Правительства РФ.

6. Разработанные программы и выполненные оценки использованы в рамках реализации программы стратегического развития ТУСУРа 2012-2016 гг.

7. Выполненный анализ параметров одиночных и связанных полосковых линий печатных плат бортовой РЭА КА и возможности моделирования в ТАЬвАТ использованы в учебном процессе Томского государственного университета: целевая подготовка магистрантов физико-технического факультета по программе «Космические промышленные системы» для предприятия «Газпром космические системы», г. Королев.

8. Исследования возможности ускорения решения СЛАУ и новые команды для ввода поперечного сечения структур для системы компьютерного моделирования ЭМС использованы в учебном процессе ТУСУРа.

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 4 главы, заключение, список литературы из 63 наименований, приложение из 12 с. Объём диссертации с приложением составляет 150 страниц, в том числе 70 рисунков и 23 таблицы.

Личный вклад. Все результаты работы получены автором лично или при непосредственном его участии. Обработка и интерпретация результатов выполнена лично автором. Часть результатов получена совместно с соавторами публикаций. Постановка задач выполнена научным руководителем Заболоцким A.M.

Методология и методы исследования. В работе применены экспериментальное и компьютерное моделирования, квазистатический анализ, численные методы (метод моментов, метод наименьших квадратов, метод блочного LU-разложения, итерационный метод бисопряженных градиентов).

Положения, выносимые на защиту

1.При вычислении емкостной матрицы методом моментов можно уменьшить время решения СЛАУ: в 1,5—11 раз, используя блочное LU-разложение; в 2,1-14,2 раза, используя итерационный метод с предобусловливанием.

2. Адаптивный алгоритм выбора сегментации границ проводников и диэлектриков позволяет получить минимальное число сегментов для заданной точности решения, уменьшающее затраты времени и оперативной памяти до 100 раз.

3. Сквозное моделирование частотной зависимости гг позволяет простое определение частотной зависимости ег материалов печатных плат в диапазоне до нескольких гигагерц.

4. Добавление боковых заземленных проводников на верхний слой микрополосковой линии уменьшает погонную задержку, а на средний и нижний слои - увеличивает, что позволяет взаимную компенсацию их влияния.

Достоверность результатов подтверждена использованием проверенных алгоритмов и численных методов, а также использованием результатов на практике.

Апробация результатов

Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в конкурсах: соискание стипендии Правительства РФ студентам и аспирантам 2012-2013 гг.; грант РФФИ 13-07-98017; грант РФФИ 14-07-31267; грант РНФ 14-19-01232; проектная часть государственного задания Минобрнауки России №8.1802.2014/К.

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись в материалах конференций: Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», г.Томск, 2011, 2012, 2013, 2014; Межд. Симп. по ЭМС и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2011; Межд. IEEE сиб. конф. по управлению и связи SIBCON, г.Красноярск, 2011; Межд. молодёжная научная школа «Актуальные проблемы радиофизики», г. Томск, 2012; Межд. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2012; Общерос. молодежная науч.-техн. конф.

«Молодежь. Техника. Космос», г. Санкт-Петербург, 2014; II Всерос. форум школьников, студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием «Космическое приборостроение», г. Томск, 2014; IEEE Int. Conf. on Numerical Electromagnetic Modeling and Optimization for RF, Microwave, and Terahertz Applications, Pavia, Italy, 2014.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 35 работ (7 работ без соавторов): 1 монография, 3 статьи в зарубежных журналах, 12 статей в журналах из перечня ВАК, 5 свидетельств о регистрации программы для ЭВМ, 2 доклада в зарубежных конференциях, 10 докладов в отечественных конференциях, 2 тезисов доклада в отечественных конференциях.

Краткое содержание работы. Во введении представлена краткая характеристика работы. В гл. 1 выполнен обзор актуальных задач. В гл. 2 представлены исследования по уменьшению времени моделирования задач ЭМС. В гл. 3 приведено моделирование частотной зависимости ег материалов печатных плат. В гл. 4 описано совершенствование ЭМС элементов РЭА. В заключении подведены итоги работы. Далее приведён список литературы. В приложении представлены копии документов (дипломов и грамот, свидетельств о регистрации программ для ЭВМ, актов использования результатов работы).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы.

1. ОБЗОР АКТУАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ЭМС

Представлен обзор актуальных задач ЭМС. Описаны особенности решаемой задачи, за счёт которых возможно уменьшение времени моделирования. Описаны алгоритмы блочного LU-разложения матриц и решения СЛАУ итерационным методом с предобусловливанием. Обосновано использование алгоритма адаптивного итерационного выбора оптимальной сегментации проводников и диэлектриков. Обоснована актуальность разработки алгоритма для построения поперечного сечения структуры из исходных данных для любого количества слоёв и проводников. Обоснована необходимость измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости материалов печатных плат и приведен обзор методов измерения. Обоснована необходимость совершенствования ЭМС элементов РЭА. Сформулированы цель и задачи работы.

2. УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕМЕНИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАДАЧ ЭМС 2.1 Уменьшение времени решения СЛАУ

Приведены результаты исследования работы блочного LU-разложения (далее- блочный алгоритм) и показано уменьшение времени многократного вычисления ёмкостной матрицы для рассмотренных задач до 11 раз по сравнению с алгоритмом, в котором используется полное LU-разложение (исходный алгоритм).

Для вычислительного эксперимента получены три матрицы с Nc/N=0,l; 0,5; 0,9 при неизменном N=1650 (где Nc- число проводниковых

подынтервалов, М— общее число подынтервалов), на которых выполнена оценка ускорения для М= 10, 20, ..., 2048 вычислений емкостной матрицы. Показано, что при многократном вычислении для N(-/N=0,1 ускорение практически не зависит от количества вычислений и составляет приблизительно 1,6раза. Для N^N=0,5 максимальное ускорение равно 6,1, а для N(/N=0,9 — 11. Также выявлено, что в зависимости от М (при значениях 210 до 213) Тц/Тб изменяется незначительно.

Приведены результаты аналогичных вычислений с учетом потерь в диэлектриках. Описано уменьшение времени вычисления отклика сигнала за счёт использования блочного метода, проведено моделирование отклика с учётом частотной зависимости гг диэлектрика. Выполнено два варианта моделирования- с использованием исходного и блочного алгоритмов, и в каждом учитывалась частотная зависимость ег подложки. Проведено несколько вычислений отклика с изменением длины сегмента I для диэлектрических границ, в ходе которых с каждым вычислением отклика значение I увеличивалось в 2 раза по сравнению с предыдущим значением (от 5 мкм до 640 мкм). При /=640 мкм границы уже не делятся на подынтервалы. С загрублением сегментации время вычислений значительно уменьшилось: примерно в 6раз для исходного алгоритма, и в 4 раза - для блочного, а их отношение уменьшилось с 2-х до 1,5 раза. Увеличение I более 40 мкм для данной структуры нецелесообразно, так как уменьшение времени возрастает незначительно, а ошибка — существенно. Например, при 1=40 мкм ускорение составляет 1,6-1,9 раза, а ошибка- около 2%. Таким образом, можно получить ускорение вычисления отклика блочным Ш-разложением, сохранив при этом приемлемую точность вычислений.

Далее рассмотрено решение СЛАУ 8ст=у итерационным методом В]'СС81аЬ. Приведены результаты вычислительных экспериментов по исследованию сходимости многократного решения СЛАУ с однократно вычисленным предобусловливателем. Описано исследование зависимости времени решения СЛАУ методом В1СС51аЬ с предобусловливанием и предфильтрацией от допуска обнуления т для матриц, полученных методом моментов для задачи электростатического анализа двумерных конфигураций проводников и диэлектриков.

Из тестовой конфигурации (за счёт изменения числа сегментов на границах проводников и диэлектриков) вычислены матрицы Б разных размеров: N=2420, 4848 и 6400. Использовалось два вида предфильтрации - по максимальному элементу строки и по евклидовой норме строки. Порог обнуления для текущей строки - произведение допуска обнуления т и найденного значения, которое в первом виде предфильтрации - тах|8у|, а во втором - ЦвуЦг (/- номер строки). Итерации продолжались, пока относительная норма вектора невязки ||г||/||го||>7о/, где ТоНМГ6. Затраты времени на решение СЛАУ при хор„ а также методом Гаусса, сведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты итерационного решения СЛАУ для конфигурации без ДИЭЛСКТрИКа При Торг для двух видов предфильтраций

N По максимальному элементу По норме строки

Тор, Тор1 ТсЕ ТСЕ! Тор, Тор, тор1 ТсЕ Тсе! ТОР,

2420 0,145 1,17 11,25 9,6 0,025 1,17 11,25 9,6

4848 0,145 7,05 92,6 13,1 0,019 7,19 92,6 12,9

6400 0,145 15,52 212,2 13,7 0,016 14,96 212,2 14,2

Для предфильтрации по максимальному элементу значения допуска обнуления \оР1 для разных размеров матрицы совпали, составив 0,145. Ускорение с ростом N увеличилось от 9,6 до 13,7 раза. Для предфильтрации по норме строки т0Р1 с ростом N уменьшилось от 0,025 до 0,016, а ускорение увеличилось от 9,6 до 14,2 раза.

Исследовано использование в качестве предобусловливателя Ьи-факторизованной матрицы в, полученной при начальных параметрах структуры, для многократного решения итерационным методом СЛАУ с матрицами, вычисленными при других параметрах. Конфигурация для получения тестовых матриц- одиночная линия передачи над идеально проводящей плоскостью. Относительная норма невязки после у'-й итерации при толщине проводника /=15, 20,..., 60 мкм представлена на рис. 2.1.

Видно, что при увеличении / до 25 мкм количество итераций увеличивается. При /=30 мкм /}- на последней итерации достигло значения 1,77-10~16. При больших значениях { решение не сходится. Таким образом, решение сходится при изменении исходного параметра до 2-х раз, однако количество итераций при этом возрастает.

В заключительной части раздела показана целесообразность использования аппаратных средств и оптимизированных библиотек для уменьшения времени вычислений.

/=15, 20,..., 60 мкм

2.2 Адаптивный итерационный выбор оптимальной сегментации границ проводников и диэлектриков в задачах электростатики

Предложен алгоритм адаптивного итерационного выбора оптимальной сегментации (АИВОС) границ проводников и диэлектриков, апробированный на решении задач электростатики, позволяющий получать требуемую характеристику с контролируемой точностью, не делая избыточно частой сегментации, тем самым, значительно экономя время и память. В нем

11 16 21 26 31 36 41 46

-15 ---20

......25 ----30

----35 --40

---45 ......50

----55 ----60

Рисунок 2.1 - Зависимость относительной нормы невязки от количества итераций при

использован тот факт, что возможность получения приемлемых результатов даже при самой грубой сегментации делает целесообразным начало моделирования именно с неё, поскольку это моделирование требует минимальных затрат.

Для двумерной задачи в ТЛЬвАТ проведен вычислительный эксперимент, показывающий эффективность АИВОС. Выбрана структура, поперечное сечение и геометрические параметры которой взяты из фрагмента реальной печатной платы. В табл. приведены время Т1, затраченное на вычисление погонной ёмкости С/, значение С, и порядок матрицы СЛАУ /V, для каждой итерации выбора длины сегмента /. Количество итераций для /о/=0,01 составило 4, однако итерации были продолжены для наглядного представления зависимости 7} от /. Для равномерной сегментации /=10 мкм, заданной вручную (выбиралась с условием разбиения границ проводников на торцах на 3 сегмента), время вычислений составило 1798,02 с, порядок матрицы СЛАУ

N=7135, С=129,7 пФ/м.

Общее время работы алгоритма (сумма Г/ в строках 1-4 табл. 2.2) составило 13,47 с, что в 3 раза меньше времени следующей итерации и в 133 раза меньше времени,

затраченного на вычисления с сегментаг^ей, заданной вручную. Требуемая память снизилась с 388 Мбайт до 3,3 Мбайт, т. е. в 117 раз.

2.3 Геометрическое моделирование поперечного сечения многопроводных структур печатных плат с помощью макрокоманд

Описаны реализованные в ТАЬОАТ команды, упрощающие пользователю ввод поперечного сечения структур, а, следовательно, уменьшающие время, требуемое для проведения анализа сложных многопроводных структур.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 3.1 Важность корректного учёта частотной зависимости диэлектрической проницаемости материалов при моделировании задач ЭМС

Рассмотрены различные варианты моделирования, в которых исследуется влияние учёта частотной зависимости ег и на форму отклика.

Продемонстрированы нефизичные явления в форме импульсов синфазной и дифференциальной мод в конце активного проводника при моделировании без учёта этой зависимости. Отмечена важность такого учёта для моделирования устройств на основе модальных явлений.

Таблица 2.2 - Результаты вычислительного эксперимента для С

1 П с /, мкм я, С/, пФ/м

1 0,47 890 105 121,4

2 0,96 445 182 124,4

3 2,70 222,5 340 125,7

4 9,34 111,25 659 125,8

5 38,31 55,625 1297 127,5

6 174,84 27,8125 2568 128,6

В качестве входного воздействия выбран трапецеидальный импульс амплитудой 1 В с длительностью фронта и спада по 100 пс, а плоской вершины- 10 пс. Форма импульса, близкая к треугольной, обеспечивает максимальное влияние исследуемых факторов на амплитуду импульса. Длина линии 1 м. Ко всем концам проводников подключены одинаковые резисторы на землю. Значение сопротивления каждого резистора, для уменьшения отражений каждой моды, взято равным среднему геометрическому сопротивлений синфазной и дифференциальной мод. Выполнено 4 варианта моделирования: 1) £г не зависит от частоты (ег=4,54), потери в диэлектрике не учтены ^5=0); 2) £г зависит от частоты, а 1§5=0; 3) £г не зависит от частоты (ег=4,54), но учтены потери в диэлектрике как частотно-независимые (^5=0,0153); 4) гг и зависят от частоты. Результаты моделирования приведены на рис. 3.1. В варианте 1 амплитуда первого импульса 0,25 В, второго - 0,24 В. Для первого импульса время задержки (по уровню 0) равно 5,38 нс, для второго- 5,88 нс. Т.к. не учитывается частотная зависимость ег диэлектрика, весь спектр сигнала, для соответствующей моды, задерживается на одно и то же время, и импульс по форме и длительности повторяет исходный.

Рисунок 3.1 - Сигнал в конце активного проводника связанной линии для четырех вариантов моделирования

В варианте 2 (когда учитывается только частотная зависимость ег, а tgS=0) амплитуда импульсов несколько меньше, чем в варианте 1. Импульсы пришли раньше (первый - через 5,36 не, второй - через 5,86 не), т. к. задержка для разных составляющих спектра разная. Наблюдаются нефизичные явления на промежутке 5,15-5,35 не и 5,67-5,86 не (импульсы отрицательной полярности,

пришедшие гораздо раньше каждого из двух основных импульсов), из чего следует, что недостаточно учёта частотной зависимости только гг. В варианте 3 (с независящими от частоты значениями ег и гёб) амплитуды первого и второго импульсов значительно уменьшились, составив 0,15 и 0,13 В, соответственно. Они почти в 2 раза меньше, чем в варианте 1, т.к. значительная часть энергии исходного сигнала потерялась в диэлектрике. Нефизичность в виде импульсов отрицательной полярности (как в варианте 2) исчезла. Но для первого импульса видно очень раннее и плавное нарастание фронта, что не соответствует действительности, т.к. для трапецеидального входного сигнала импульс должен нарастать более резко. Наконец, в варианте 4 амплитуда первого и второго импульсов ещё меньше и составляет 0,13 и 0,12 В, соответственно. Время задержки для первого импульса 5,30 не, для второго - около 5,79 не. Нет раннего и плавного нарастания сигнала, как в варианте 3, что больше соответствует реальному отклику.

3.2 Определение значений диэлектрической проницаемости подложки печатной платы резонаторным методом

Приведено описание методики, основанной на определении значений частот собственных колебаний /тпр прямоугольного объёмного резонатора, полость которого заполнена исследуемым образцом диэлектрика. Разработан алгоритм вычисления ег из коэффициента отражения резонатора, который

позволяет получить значения £г в широком диапазоне частот.

По описанной методике скалярным анализатором цепей Р2-40М измерены |Г(/)[ для резонаторов, выполненных из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, запаянного по периметру, а по разработанному алгоритму вычислены значения ег.

На рис. 3.2 приведены значения ег для всех трёх резонаторов и кривая аппроксимирующего полинома е,{/)=5,298-1,724/ +1,28б/-0,474/+0,871е-3/-6,379е-3/ (/- частота в ГГц), коэффициенты которого вычислены с помощью метода наименьших квадратов. Видно, что значения ег меняются в среднем от 4,85 до 4,4. Результаты измерений для трёх резонаторов на РК-4 показали хорошее совпадение в пересекающихся диапазонах частот (844-1975 МГц) и, в то же время, позволили выявить нефизичные выбросы. Частотная зависимость аппроксимирована полиномом пятой степени. Полученные зависимости позволят более точно и просто моделировать задачи ЭМС в широком диапазоне частот.

/, ГГц

—1-1-1-"ч-1-1—

0,41 1,00 1,37 1,69 2,02 2,50 3,17

Рисунок 3.2 - Измеренные значения ег для трёх резонаторов, изготовленных из

материала РЯ-4 (■) и кривая аппроксимирующего полинома (-)

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭМС ЭЛЕМЕНТОВ БОРТОВОЙ РЭА

4.1 Методика предварительного анализа ЭМС унифицированных электронных модулей

Разработана методика предварительного анализа ЭМС УЭМ. Методика основана на качественном анализе (без моделирования). На её основе разработаны конкретные рекомендации по улучшению ЭМС УЭМ, без знания специфики схемотехники УЭМ и только посредством изменений трассировки УЭМ. Методика апробирована разработкой рекомендаций для ряда различных УЭМ разработки ОАО «ИСС»: пяти УЭМ комплекса энергопреобразующего и УЭМ блока радиотехнического для аппаратуры радионавигации.

4.2 Исследование микрополосковой линии с боковыми заземлёнными проводниками

Вычислены параметры микрополосковой линии с боковыми заземлёнными проводниками и предложена микрополосковая линия со стабильной задержкой. Показано, что возможно обеспечение требуемого значения волнового сопротивления при стабильной, за счёт изменения зазоров, погонной задержке и неизменных значениях ширины и толщины сигнального проводника, толщины и диэлектрической проницаемости подложки. Неизменность погонной задержки обеспечивается тем, что её значение уменьшается с уменьшением зазора, находящегося на одном уровне с сигнальным проводником, и увеличивается с уменьшением зазора, находящегося на уровне ниже сигнального проводника.

.............>1< Л..*!..........1

и

Ж

£г2

Е Н

«2

Г

6,0 -|Т, нс/м 5,9 -5,8 5,7 5,6 5,5 5,4 5,3

45

-в— 40

-- 1,09 35

--- 1,49 30

5,, ММ

1 1 1 25

г, Ом

//

___—е—

____□.......

-0,89---1,09

1,29 ---- 1,49*ь мм

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45

Рисунок 4.1 - Поперечное сечение микрополосковой линии с боковыми заземлёнными проводниками (а), её задержка (б) и волновое сопротивление (в) при ^=0,89; 1,09; 1,29; 1,49 мм

На рис. 4.1, б приведены графики зависимости г от 5/ при 32=0,89; 1,09; 1,29; 1,49мм, из которых видно, что для одной и той же погонной задержки существуют сочетания значений 5/ и ^ при которых т одинакова (значения

около 5,8 нс отмечены маркерами). На рис. 4.1, в приведены аналогичные графики для волнового сопротивления 2 линии, откуда видно, что при сочетаниях, которые удовлетворяют условию неизменности т, значение 2 уменьшается.

4.3 Оценка электрофизических параметров трасс печатной платы

Выполнена оценка электрофизических параметров элементов печатной платы. Показано, что учёт формы проводников и наличия покрывающих слоев, а также корректность значений параметров материалов могут быть критичны для точности оценки волнового сопротивления линий передачи. Приведены оценки индуктивностей трасс, соединяющих элементы печатных плат, которые сопоставимы с паразитными индуктивностями выводов конденсатора и переходных отверстий. Анализ результатов моделирования дифференциальных пар УЭМ показывает существенный разброс волнового сопротивления, однако требуемое волновое сопротивление можно получить выбором ширины трасс и расстояния между проводниками пары. Приведена оценка индуктивности переходных отверстий. Показано, что близкое расположение переходных отверстий уменьшает их индуктивность.

4.4 Разработка программы для расчёта линий передачи с контролируемым импедансом

Описано разработанное приложение, которое позволяет из заданных параметров стека и значения волнового сопротивления рассчитывать ширину линии передачи.

4.5 Оценка перекрестных наводок в печатных платах через вычисление коэффициентов связи

Вычислены коэффициенты емкостной и индуктивной связей для всех комбинаций крайних значений параметров линий передачи, которые позволяют косвенно оценить уровень перекрёстных помех.

4.6 Моделирование соединителей

Выполнена оценка взаимовлияний между различными цепями интерфейсных соединителей, используемых в бортовой РЭА КА. Вычислены матрицы погонных параметров. Предложено оптимальное распределение по контактам питающих напряжений по критерию минимизации волнового сопротивления эквивалентной линии передачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие результаты: 1. Показано уменьшение времени вычисления матрицы ёмкостей блочным алгоритмом (при разном количестве значений диэлектрической проницаемости диэлектрика, разных соотношениях количеств диэлектрических и проводниковых подынтервалов и разных порядках матрицы СЛАУ) до И раз. 2. Проведено исследование зависимости времени решения СЛАУ итерационным методом В1СС81аЬ с предобусловливанием и предфильтрацией от допуска обнуления для матриц, полученных методом моментов для задачи электростатического анализа двумерных конфигураций проводников и

диэлектриков. Максимальное ускорение составило 14,2 раза. 3. Исследована сходимость многократного решения СЛАУ итерационным методом BiCGStab при изменении геометрических и электрофизических параметров струюуры, с предобусловливателем в виде LU-факгоризованной матрицы S, полученной при начальных параметрах структуры, и выполнена оценка эффективности такого подхода. В результате получено, «гго решение сходится при изменении исходного параметра до 2 раз, однако количество итераций при этом возрастает. 4. Выполнена оценка уменьшения времени вычислений за счёт использования аппаратных средств (графических процессоров, распараллеливания вычислений на центральном процессоре). 5. Разработан и реализован алгоритм адаптивного итерационного выбора оптимальной сегментации границ проводников и диэлектриков в задачах квазистатики. На примере емкостной матрицы показано, что до 100 раз меньше времени и памяти затрачивается на вычисления по сравнению с сегментацией, заданной в ручную. 6. Разработаны команды для упрощённого ввода информации о поперечном сечении структуры. 7. Разработаны методика, алгоритм и программная реализация получения диэлектрической проницаемости материалов бортовой РЭА КА. Проведены измерения диэлектрической проницаемости широко используемых материалов на разных частотах, аппроксимированы измеренные значения. В результате получена частотная зависимость, которая позволяет более точно и просто моделировать задачи ЭМС в широком диапазоне частот. 8. Разработана методика предварительного анализа ЭМС элементов РЭА. Под предварительным анализом понимается качественный, т.е. не количественный (без каких-либо оценок, имитационного моделирования или измерений) анализ. В данной методике указаны аспекты, которые необходимо учитывать в ходе разработки принципиальной схемы и платы унифицированного электронного модуля бортовой РЭА КА. В ходе выполнения НИОКР ТУСУРа для ОАО «ИСС» на основе методики были выданы рекомендации для ряда различных модулей бортовой РЭА КА. 9. Получена структура микрополосковой линии, обеспечивающая требуемое значение волнового сопротивления при стабильной, за счёт изменения зазоров, погонной задержке и неизменных значениях ширины и толщины сигнального проводника, толщины и Er подложки. 10. Проведена оценка электрофизических параметров трасс печатной платы бортовой РЭА КА. 11. На основе TALG AT создано приложение-калькулятор для расчета ширины линии передачи с заданным волновым сопротивлением для восьми вариантов поперечного сечения стека печатной платы. 12. Выполнена оценка перекрестных наводок для крайних значений диапазонов параметров 8 основных стеков печатных плат. 13. Выполнена оценка взаимовлияний между различными цепями интерфейсных соединителей, используемых в бортовой РЭА КА. Предложено оптимальное распределение по контактам питающих напряжений по критерию минимизации волнового сопротивления эквивалентной линии передачи.

Таким образом, цель работы достигнута, а полученные результаты совершенствования и обеспечения ЭМС бортовой РЭА КА имеют значение для технических наук в области исследования "Разработка научных и технических

основ проектирования, конструирования, техначогии производства, испытания и сертификации радиотехнических устройств" специальности 05.12.04-Радиотехника, в там числе системы и устройства телевидения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ Монография

1. Совершенствование моделирования и обеспечения электромагнитной

совместимости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов: моногр. / В.К. Салов, A.M. Заболоцкий, С.П. Куксенко, П.Е. Орлов, Р.С. Суровцев. - Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2014. - 131 с.

Статьи в зарубежных журналах

2. Sparse matrix storage formats and acceleration of iterative solution of linear

algebraic systems with dense matrices/ R.R.Akhunov, S.P.Kuksenko, V.K. Salov, T.R. Gazizov// Journal of Mathematical Sciences.- 2013,-T. 191, № l.-P. 10-18.

3. Optimization of the ILU(O) factorization algorithm with the use of compressed

sparse row format / R.R. Akhunov, S.P. Kuksenko, V.K. Salov, T.R. Gazizov // Journal of Mathematical Sciences. - 2013. - T. 191, № 1. - P. 19-27.

4. Multiple Iterative Solution of Linear Algebraic Systems With a Partially Varying

Matrix/ R.R. Akhunov, S.P. Kuksenko, V.K. Salov, and T.R. Gazizov// Journal of Mathematical Sciences. - 2014,- Vol. 199, № 4,- June 14,-P. 381-385.

Статьи в журналах из перечня ВАК

5. Салов В.К. Ускорение решения СЛАУ с плотной матрицей

стабилизированным методом бисопряжённых градиентов в задачах электростатики / В.К. Салов, Т.Р. Газизов // Электромагнитные волны и электронные системы.—2011.-№ 12.-С. 16-19.

6. Форматы хранения разреженных матриц и ускорение решения СЛАУ с

плотной матрицей итерационными методами / P.P. Ахунов, С.П. Куксенко, Т.Р. Газизов, В.К. Салов // Записки Научных Семинаров ПОМИ. - 2012. - Т. 405. - С. 24-39.

7. Совершенствование алгоритма 1Ш(0)-разложения матрицы, хранящейся в

разреженном строчном формате, при решении СЛАУ с плотной матрицей итерационным методом с предобусловливанием / P.P. Ахунов, С.П. Куксенко, Т.Р. Газизов, В.К. Салов // Записки Научных Семинаров ПОМИ. - 2012. -Т. 405. - С. 40-53.

8. Суровцев Р.С. Исследование ускорения многократного решения СЛАУ с

частично изменяющейся матрицей блочным методом / Р.С. Суровцев, В.К. Салов // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2012. -№ 10. - С. 22-24.

9. Салов В.К. Важность корректного учёта частотной зависимости

диэлектрической проницаемости материалов при моделировании задач ЭМС / В.К. Салов, Т.Р. Газизов, П.Е. Орлов // Известия высших учебных заведений. Физика. -2012. - Т. 55, №9/3. - С. 106-108.

10. Суровцев P.C. Использование блочного LU-разложения для ускорения

вычислений матрицы ёмкостей в диапазоне изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика: состояние дел, новые результаты и перспективы исследований / P.C. Суровцев, В.К. Салов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2012. -№ 2(26), ч. 2. - С. 47-50.

11. Многократное решение СЛАУ с частично изменяющейся матрицей

итерационным методом / P.P. Ахунов, С.П. Куксенко, В.К. Салов, Т.Р. Газизов // Численные методы и вопросы организации вычислений. XXV. Зап. научн. семин. ПОМИ. - 2013. - Т. 419. - С. 16-25.

12. Аширбакиев Р.И. Адаптивный итерационный выбор оптимальной

сегментации границ проводников и диэлектриков в задачах электростатики / Р.И. Аширбакиев, В.К. Салов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2013. -№ 3(29). - С. 159-161.

13. Салов В.К. Моделирование микрополосковой линии с полигонами /

В.К. Салов, Т.Р. Газизов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники,- 2013.-№3(29).-С. 162-164.

14. Суровцев P.C. Использование блочного LU-разложения для ускорения

вычисления временного отклика связанных линий передачи с учётом частотной зависимости диэлектрической проницаемости подложки / P.C. Суровцев, С.П. Куксенко, В.К. Салов // Инфокоммуникационные технологии. - 2013. - Т. 11, № 3. - С. 64-69.

15. Заболоцкий A.M. Методика предварительного анализа электромагнитной

совместимости унифицированного электронного модуля космического аппарата. A.M. Заболоцкий, В.К. Салов. Электромагнитные волны и электронные системы. - 2014. - Т. 19, № 6. - С. 41-46.

16. Салов В.К. Получение частотной зависимости диэлектрической

проницаемости диэлектрика резонаторным методом / В.К. Салов, A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57, № 6. - С. 134-136.

Патенты и свидетельства

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

№2012610712. TALGAT 2010/ Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Вершинин Е.А., Лежнин Е.В., Орлов П.Е., Бевзенко И.Г., Калимулин И.Ф. - Заявка №2011617178. Дата поступления 26 сентября 2011 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 13 января 2012 г.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

№2012660373. TALGAT 2011/ Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ег.В., Салов В.К., Лежнин Ев.В., Орлов П.Е., Калимулин И.Ф., Суровцев P.C., Комнатнов М.Е. — Заявка №2012618426. Дата поступления

5 октября 2012 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 16 ноября 2012 г.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

№2013619615. TALGAT 2012/ ГазизовТ.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M., Аширбакиев Р.И., Лежнин Ев.В., ЛежнинЕг.В., Салов В.К., Орлов П.Е., Калимулин И.Ф., Суровцев P.C., Комнатное М.Е., Газизов P.P., Ахунов P.P. - Заявка №2013617773. Дата поступления 29 августа 2013 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 октября 2013 г.

20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

№2014618171. SingleLinelmpedanceWidth / Салов В.К., Суровцев P.C., Газизов Т.Р. - Заявка №2014615809. Дата поступления 17 июня 2014 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 12 августа 2014 г.

21. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

№2014618169. DifferentialLinelmpedanceWidth / Салов В.К.,

Суровцев P.C., ГазизовТ.Р,- Заявка №2014615807. Дата поступления 17 июня 2014 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 12 августа 2014 г.

Статьи в зарубежных конференциях и симпозиумах

22. Salov V.K. Convergence of multiple iterative solution of linear algebraic systems

with a fully varying matrix using a single calculated initial preconditioner / V.K. Salov, T.R. Gazizov, O.A. Nikitina// Innovative Information Technologies: Materials of the International scientific-practical conference. Czech, Prague, 21-25 April 2014. - 2014. - Part 2. - P. 452^57.

23. New results on EMC simulation for space projects of TUSUR/ T. Gazizov,

A. Melkozerov, A. Zabolotsky, P. Orlov, R. Ashirbakiev, R. Akhunov, S. Kuksenko, V. Salov, I. Kalimulin // University. Proc. of IEEE Int. Conf. on Numerical Electromagnetic Modeling and Optimization for RF, Microwave, and Terahertz Applications. May 14-16,2014. Pavia, Italy. - P. 1-4.

Статьи в отечественных конференциях и симпозиумах

24. Салов В.К. Ускорение вычислений за счёт использования графических

процессоров / В.К. Салов, С.П. Куксенко // Сборник тез. докл. конф. молодых специалистов ОАО «ИСС», Железногорск, 2-4 марта 2011.-С. 419-420.

25. Салов В.К. Ускорение итерационных методов решения СЛАУ за счёт

использования параллельных вычислений / В.К. Салов // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР», Томск, 4-6 мая 2011.-2011. С. 135138.

26. Ускорение вычислений в задачах моделирования ЭМС / С.П. Куксенко,

М.Е. Комнатное, P.P. Ахунов, А.О. Мелкозеров, Р.И. Аширбакиев, Т.Р. Газизов // Сб. науч. докл. IX Межд. симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 1316 сентября 2011. -2011. - С. 269-272.

27. Салов B.K. Исследование зависимости времени решения СЛАУ

итерационным методом от допуска обнуления при предфильтрации / В.К. Салов // Материалы докладов межд. IEEE сиб. конф. по управлению и связи SIBCON, Красноярск, 15-16 сентября 2011. -2011. - С. 323-325.

28. Салов В.К. Оценка электрофизических параметров трасс печатной платы

бортовой аппаратуры космического аппарата / В.К. Салов, О.М. Кузнецова-Таджибаева // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУ СУР», Томск, 25-26 мая 2012. - 2012. - С. 114-117.

29. Калимулин И.Ф. Учёт влияния паразитных параметров компонентов и

монтажа на частотные характеристики цепей бортовой аппаратуры космических аппаратов / И.Ф. Калимулин, В.К. Салов // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР». Томск, 25-26 мая 2012. -2012. - С. 9193.

30. Салов В.К. Обзор методов измерения комплексной диэлектрической

проницаемости подложек печатных плат в диапазоне до 40 ГТц /

B.К. Салов // Материалы международной молодёжной научной школы «Актуальные проблемы радиофизики-2012». - 2012. - С. 121-122.

31. Салов В.К. Состояние дел и перспективы исследований итерационных

методов решения систем линейных алгебраических уравнений в задачах моделирования электромагнитной совместимости/ В.К. Салов // VIII Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления». Томск, 8-10 ноября 2012.-2012. -

C. 167-170.

32. Салов В.К. Экстракция частотной зависимости диэлектрической

проницаемости подложки печатной платы резонаторным методом / В.К. Салов // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР». Томск, 1517 мая 2013. - 2013. - С. 135-138.

33. Салов В.К. Приложение для расчёта ширины линии с контролируемым

импедансом / В.К. Салов // Материалы докладов всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР», Томск, 14-16 мая 2014.-2014.-С. 135-138.

34. Салов В.К. Геометрическое моделирование поперечного сечения

многопроводных структур печатных плат бортовой аппаратуры космических аппаратов / В.К. Салов // Труды VI Общерос. молодежной науч.-техн. конф. "Молодежь. Техника. Космос", Санкт-Петербург, 1921 марта 2014.-2014.-С. 244-246.

35. Салов В.К. Методика распределения контактов соединителя бортовой

аппаратуры, обеспечивающая минимальный импеданс / В.К. Салов, P.C. Суровцев // Сб. науч. тр. II Всерос. форума школьников, студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием «Космическое приборостроение». - Томск. -2014. - С. 148-151.

Тираж 100 экз. Заказ 746. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.