Разработка автоматизированной подсистемы анализа и обеспечения эффективности экранирования электронной аппаратуры на основе численного моделирования электромагнитных процессов

Одним из основных методов защиты электронной аппаратуры (ЭА) от воздействия внешнего электромагнитного поля и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) является экранирование. С необходимостью разработки эффективных конструкций (экранов) для защиты аппаратуры от внешних электромагнитных воздействий или для снижения уровня помех сталкивается практически любой инженер-конструктор. Теория электромагнитного экранирования начинает свою историю с середины двадцатого века, однако в большинстве случаев инженерные оценки эффективности экранирования той или иной конструкции основываются на приближенных соотношениях, а принимаемые проектные решения в основном базируются на опыте, чем на научно обоснованных расчетах.

В течении последних десятилетий внимание разработчиков ЭА к вопросам экранирования существенно возросло. Это вызвано следующими основными причинами:

• процессы глобализации приводят к расширению зон действия международных, региональных и национальных стандартов и требований в области ЭМС, ужесточение санкций за их нарушение заставляет компании-производители уделять больше внимания техникам обеспечения ЭМС своей продукции, среди которых на одной из ведущих позиций находится экранирование;

• существенно расширился диапазон частот внешних электромагнитных полей, воздействию которых подвергается электронная аппаратура. На стадии создания теории экранирования частоты, представлявшие интерес для инженеров, лежали в области низких частот, то сейчас этот диапазон занимает десятки гигагерц. Следовательно, традиционные методы расчета электромагнитных экранов требуют серьезного пересмотра;

• отказы, связанные с недостаточной эффективностью экранирования ЭА, выявляются лишь на завершающих этапах разработки и приводят к длительной оптимизации конструкции, что в конечном итоге сказывается на сроках и стоимости выполнения проектных работ, поэтому проектные подразделения стремятся изыскать способы сократить издержки, которые возникают при эмпирическом подходе к проектированию;

• специалистами по информационной безопасности уделяется большое внимание вопросам экранирования. С точки зрения информационной безопасности, экран должен предотвращать несанкционированный доступ к информации путем многократного снижения интенсивности излученного от аппаратуры электромагнитного поляс другой стороны, аппаратуру обработки информации необходимо защищать от преднамеренных мощных электромагнитных воздействий. Кроме информационной безопасности, экранирование электромагнитного поля востребовано в медицинской технике, а так же в научных исследованиях.

Таким образом, на сегодняшний день наблюдается большая потребность в методическом и программном обеспечении по расчету эффективности экранирования со стороны широкого круга специалистов. Такое обеспечение должно базироваться на компьютерном моделировании электромагнитных процессов.

Проектирование современной электронной аппаратуры в заданные сроки и в соответствии с требованиями нормативно-технической документации (НТД) по ЭМС, в общем случае, невозможно без использования информационных технологий. Применение компьютерного 6 моделирования электромагнитных процессов позволит сократить количество промежуточных вариантов конструкции ЭА, сроки и затраты на проектирование.

Компьютерное моделирование влияния электромагнитных воздействий на электронную аппаратуру, в общем случае, заключается в следующем:

1) нахождение напряженностей электрического и магнитного полей во множестве точек в счетной области, включающей в себя корпус блока ЭА и окружающее его пространство;

2) вычисление эффективности экранирования.

Существующие специализированные программы электромагнитного моделирования рассчитаны на широкий круг инженерных задач, например расчет СВЧ-устройств и антенн. Вследствие своей универсальности данные программы довольно сложны в освоении, требуют от пользователя глубоких теоретических познаний и имеют высокую стоимость.

Для моделирования электромагнитных воздействий применяются следующие универсальные CAE-системы (CAE — Computer Aided Engineering (англ.)): CST STUDIO SUITE, Ansoft HFSS, ANSYS, Remcom XFDTD и т. д.

В большинстве конструкций электронной аппаратуры экран является одновременно и корпусом, проектированием которого обычно занимаются инженеры, не имеющие нужной подготовки в области численного моделирования электромагнитных полей. Подготовка разработчика электронной аппаратуры, сочетающего в себе знания конструктора, аналитика-расчетчика и пользователя CAE-системы, требует значительных временных и финансовых затрат, что, учитывая динамику темпов производства и нестабильность кадров в современных условиях, неэффективно. Однако даже наличие высококвалифицированного разработчика не решает проблемы моделирования электромагнитных воздействий на конструкции ЭА. Использование компьютерного моделирования в существующих универсальных CAE-системах требует от 7 разработчика ЭА построить расчетную модель конструкции, провести сбор входных данных, осуществить ввод этих данных, создать макрос для передачи в решатель САЕ-системы, произвести расчет, обработать результаты и принять решение по полученным результатам. Таким образом время, потраченное на моделирование изделия, может превышать время, отводимое на проектирование.

Поэтому полноценное использование всех возможностей универсальных САЕ-систем электромагнитного моделирования в практике конструирования экранов на отечественных предприятиях представляется трудновыполнимым.

Решением задачи моделирования электродинамических процессов и разработки методик экранирования конструкций ЭА занимались такие специалисты как Князев А. Д. [5], Полонский Н. Б [39], Кечиев JI.H. [2, 5, 39], Шалумов A.C. [19], Свонсон Д. Г. (Swanson D.G.) [22], Гизатуллин З. М. [7−8], Вейланд Т. (Weiland Т.) [25−26], Гоншорек К. Х. (Gonschorek К.Н.) [29], Арчамбельт Б. (Archambeault В.) [40], Курушин A.A. [41,44,55] и др.

Однако в данных работах отсутствует методика моделирования электромагнитных процессов внутри корпуса ЭА, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами проводить расчет на электромагнитные воздействия и принимать решение об обеспечении эффективности экранирования. Кроме того, отсутствуют методы и алгоритмы расчёта эффективности экранирования конструкций ЭА произвольной геометрической конфигурации.

Таким образом, на основе вышеизложенного, можно сделать вывод о возрастающей актуальности задачи моделирования электромагнитных процессов в конструкциях ЭА для оценки эффективности экранирования.

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования электронной аппаратуры, отвечающей требованиям нормативно-технической документации по ЭМС, сокращение сроков и стоимости ее создания за счет применения средств автоматизации 8 моделирования электромагнитных процессов в конструкциях ЭА и оценки эффективности экранирования.

Для достижения цели, поставленной в диссертационной работе, согласно вышеизложенным предложениям, необходимо решить следующие задачи:

• исследование численных методов решения задач электродинамики с целью определения наиболее подходящего для моделирования электромагнитных процессов в ЭА при воздействиях внешних электромагнитных полей;

• исследование существующих на сегодняшний день программ и программных комплексов, которые реализуют численные методы решения задач электродинамики;

• разработка методики и алгоритма автоматизированного синтеза моделей для расчета влияния высокочастотных электромагнитных полей на ЭА;

• практическая реализация разработанных методики и алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы анализа и обеспечения эффективности экранирования электронной аппаратуры на основе численного моделирования электромагнитных процессов, включающая в себя: о разработку интерфейса пользователя, который обеспечивает ввод пользователем трехмерной типовой и произвольной конструкции ЭА в интерактивном режимео разработку графического постпроцессора, обеспечивающего вывод результатов моделирования в удобном пользователю видео разработку системы обмена данными между интерфейсом пользователя, решателем и постпроцессоромо разработку справочной базы данных по электромагнитным параметрам различных конструкционных материалов ЭА;

• разработка методики анализа и обеспечения эффективности экранирования конструкций ЭА на основе численного моделирования электромагнитных процессов;

• внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

Для решения поставленных задач используются принципы системного подхода, теория электромагнитного поля, численные методы решения задач электродинамики, методы вычислительной математики, компьютерной графики и объектно-ориентированного программирования.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

4.4 Выводы к четвертой главе.

Основными научными и практическими результатами, полученными в данной главе, являются:

• Разработана методика обеспечения эффективности экранирования электронной аппаратуры на основе численного моделирования электродинамических процессов, отличающаяся от существующих возможностью существенно сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по показателям защиты от электромагнитных излучений. Разработанная методика имеет быстрый и доступный разработчику способ формирования проекта по расчету эффективности экранирования ЭА, а также графический интерфейс ввода проектных данных и вывода результатов, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об изменении конструкции ЭА, с целью обеспечения требуемой эффективности экранирования электромагнитного поля.

• осуществлено внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования ЭА на промышленных предприятиях.

Разработанная методика уменьшает влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования, что приводит к повышению показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.

Разработанная методика предоставляет меньшую трудоемкость операций создания макроса для передачи конечно-элементному решателю и расчета эффективности экранирования, а также анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом, в общем, по сравнению с другими программными средствами, составляет до 5700% в зависимости от опыта пользователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным результатом работы является повышение показателей надежности разрабатываемой электронной аппаратуры, отвечающей требованиям нормативно-технической документации по ЭМС, сокращение сроков и стоимости ее создания за счет применения средств автоматизации моделирования электромагнитных процессов в конструкциях ЭА и оценки эффективности экранирования.

Основные научные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем:

• проведено исследование численных методов решения задач электродинамики с целью определения наиболее подходящего для моделирования электромагнитных процессов в ЭА при воздействиях внешних электромагнитных полей;

• проведено исследование существующих на сегодняшний день программ и программных комплексов, которые реализуют численные методы решения задач электродинамики;

• разработана методика и алгоритм автоматизированного синтеза моделей для расчета влияния электромагнитных воздействий на ЭА;

• выполнена практическая реализация разработанных методики и алгоритмов в виде автоматизированной подсистемы обеспечения эффективности экранирования электронной аппаратуры на основе численного моделирования электромагнитных процессов, в том числе: о разработан интерфейс пользователя, который обеспечивает ввод пользователем трехмерной типовой и произвольной конструкции ЭА в интерактивном режимео разработан графический постпроцессор, обеспечивающий вывод результатов моделирования в удобном пользователю видео разработана система обмена данными между интерфейсом пользователя, решателем и постпроцессоромо разработана справочная база данных по электромагнитным параметрам различных конструкционных материалов ЭА;

• разработана методика обеспечения эффективности экранирования конструкций ЭА на основе численного моделирования электродинамических процессов;

• разработанное программное и методическое обеспечение внедрено в практику проектирования на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

В заключение приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю — доктору технических наук, профессору Шалумову Александру Славовичу за постоянное внимание и руководство моей научной деятельностью.