Разработка методик оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости

Актуальность темы

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

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

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

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

— соединения между элементами конструкции, швы и щели.

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

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

Актуальность темы

диссертационного исследования определяется необходимостью разработки методик, математических моделей и алгоритмов оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости. Разработанные методики позволят осуществить оптимизацию конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов по форме, материалу, технологии изготовления экрана, размерам и расположению отверстий с учетом множества конструкторско-технологических критериев и ограничений, требований технического задания и регламентирующих документов. Интегрирование методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы создания РЭС позволит повысить качество и скорость выхода нового изделия, что, как следствие, снизит себестоимость производимой продукции и увеличит конкурентоспособность. 7.

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

Цель и задачи исследования

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

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: проанализировать этапы проектирования радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости, выявить взаимосвязи и особенности на каждом из этаповпровести анализ задач соответствия радиоэлектронных средств требованиям ЭМС, структурировать способы и методы достижения требуемых результатовпредложить и структурировать комплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемых электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей в экраневыполнить разработку алгоритмов, позволяющих ускорить процесс измерения напряженности и^{компонент} электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, с последующей обработкой результатов в современных автоматизированных средствах для процедур сертификацииразработать методики оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, удовлетворяющих и другим требованиям технического задания- 8 осуществить анализ методов и автоматизированных средств, позволяющих моделировать электромагнитные поля, выявить их основные достоинства и недостатки для проектирования РЭС с учетом моделирования параметров электромагнитной совместимостисоздать автоматизированные средства реализации методик и алгоритмов оптимального проектирования конструкции электромагнитных экранов и экранирующих корпусов радиоэлектронных средств по критериям электромагнитной совместимости, с возможностью взаимодействия с современными пакетами средств автоматизированного проектирования и анализа.

Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной: структурная схема интегрирования методов сквозного обеспечения электромагнитной совместимости в ключевые этапы разработки радиоэлектронных средств, отличающаяся указанием определенных этапов разработки радиоэлектронных средств, в которые данные меры могут быть включены на основании целесообразности и своевременностиалгоритмы и основанные на них методики оптимального проектирования конструкций электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, отличающиеся возможностью оптимизации по критерию эффективности экранирования для конкретных групп неоднородностей, обобщенных по функциональному назначению или конструктивному исполнению, возможностью прохождения по различным сценариям в зависимости от имеющихся исходных данных и внешних ограничений, а также возможностью интегрирования в комплексный подход решения задач электромагнитной совместимости, выполняемых на различных этапах создания радиоэлектронных средствалгоритм сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля, отличающийся возможностью получить значительный выигрыш времени при незначительных потерях в точности по сравнению с классическим сетчатым шагом при проведении экспресс-измерений напряженности 9 и компонент электромагнитного поля печатных плат и блоков радиоэлектронных средств, реализуемый в сканерах электромагнитного полякомплекс математических моделей, позволяющих оценить эффективность экранирования проектируемого электромагнитного экрана с учетом особенностей конструкции, материала, размеров, технологии изготовления и неоднородностей экрана, отличающийся возможностью оценки различных видов неоднородностей электромагнитных экранов.

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

Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и автоматизированных средств реализации методик оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом требований электромагнитной совместимости внедрены в ОАО «Концерн „Созвездие“», что позволило на отдельных этапах проектирования радиоэлектронных средств оптимизировать выбор конструктивного исполнения и материала электромагнитных экранов и экранирующих корпусов, снизить затраты на изготовление выпускаемой продукции при требуемом уровне качества. Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Моделирование и анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств» для магистров направления 211 000.68 «Конструирование и технология электронных средств».

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

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010 — 2012) — Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2010 -2012) — научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета в 2010 — 2012 гг.- Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ магистров, аспирантов и молодых ученых «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса» (Санкт-Петербург, 2009 — 2011) — научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ВГТУ (2009 — 2011) — Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2010;2012) — XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь (11ЬЫС*2012)» (Воронеж, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В ходе решения поставленных задач автором было получено оригинальное техническое решение, в результате чего была составлена и подана заявка № 2 012 124 407/20(37 349) на выдачу патента на изобретение.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: обзор систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, рекомендации по их выбору [1,6]- алгоритм и методика измерения ЭМ полей с варьируемым шагом перемещения датчика [2,13];

11 определение итоговой границы ЭМС [3]- методика оптимизации экранов и неоднородностей экрана [4,18]- выбор этапа проектирования для реализации требований ЭМС на основе технико-экономического анализа [5,8]- анализ и структура решений проблем ЭМС [7,8,10]- модели ЭРЭ в комплексах инженерного анализа [9,11]- обзор алгоритмов и технических средств измерения ЭМП [12,14]- методика совместного решения задач ЭМС и обеспечения тепловых режимов [15]- моделирование экрана в системе автоматизированных инженерных расчетов [16]- структурная схема интегрирования решений ЭМС в этапы проектирования [17].

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

4.4 Основные выводы четвертой главы.

1. На основе предложенных алгоритмов, разработана методика выбора оптимального конструктивного исполнения электромагнитных экранов и экранирующих корпусов по критериям электромагнитной совместимости с учетом снижающих эффективность экранирования факторов и ограничений по другим требованиям технического задания.

2. Получены результаты сравнения времени сканирования электромагнитных полей по разработанному алгоритму с варьируемым шагом перемещения датчика поля и времени сканирования классическим последовательным алгоритмом перемещения датчика поля.

3. Получены результаты испытаний блока, разработанного с применением методики оптимального проектирования конструкции РЭС с учетом требований ЭМС, и сравнены с результатами исходного блока. Разработаны меры улучшения эффективности экранирования корпуса блока на основе разработанной методики и представлена расчетная эффективность экранирования.

4. Проведен сравнительный анализ результатов испытаний применения разработанной методики при проектировании конструкции экранированного корпуса блока РЭС и расчетной эффективности экранирования, полученной с помощью разработанных автоматизированных средств реализации данной методики.

5. В ходе решения задачи в области измерения уровня помех получено оригинальное техническое решение, в результате чего была составлена и подана заявка № 2 012 124 407 на выдачу патента на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие основные результаты:

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

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

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

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

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

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

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

8. В ходе решения задачи в области измерения уровня помех получено оригинальное техническое решение, в результате чего была составлена и подана заявка № 2 012 124 407/20(37 349) на выдачу патента на изобретение.