CC BY
54
Алгоритм отбора проводников радиоэлектронных средств для численного анализа помехоэмиссии
Алгоритм отбора проводников радиоэлектронных средств для численного анализа помехоэмиссии
Лемешко Н.В., Захарова С.С.
ФГУП Научно-исследовательский институт радио, МИЭМНИУВШЭ nlem83 @ mail, ru, szaharova @ hse. ru
Аннотация. В работе рассматривается метод и алгоритм отбора проводников в составе радиоэлектронных средств в целях снижения вычислительных затрат при расчетном анализе эмиссии излучаемых радиопомех. Предлагаемый формальный анализ построен на ранжировании проводников по вкладу в суммарную помехоэмиссию с учетом выполнения взвешенной оценки.
Ключевые слова: виртуальная сертификация, моделирование, ячейка первичного анализа, формальная методика, измерительный приемник, критерий отбора, нормирование.
1 Введение
Текущий период развития технической сферы характеризуется повышением пространственной насыщенности радиоэлектронными средствами, которые должны качественно функционировать в условиях ограниченного частотного разнесения. Для этого в теории и практике проектирования решается задача достижения их электромагнитной совместимости (ЭМС), центральным вопросом которой является обеспечение приемлемой электромагнитной обстановки в месте функционирования радиоэлектронных средств (РЭС).
Основным способом обеспечения ЭМС является экспериментальный. Он состоит в том, что после завершения проектирования изготавливается опытная партия РЭС, подвергаемая лабораторным испытаниям. При исследовании излучаемых радиопомех измерения проводятся на специальных площадках [ГОСТ Р 51320-99, 2000]. Считается, что спроектированное устройство соответствует предъявляемым требованиям, если в ходе таких испытаний будет установлено, что зарегистрированные излучаемые помехи лежат в границе предписанных стандартами спектральных масок.
Такой подход, несмотря на его максимальную объективность, имеет следующие недостатки. Во-первых, лабораторные исследования по ЭМС связаны с использованием дорогостоящего оборудования, и поэтому весьма затратные. Во-вторых, они занимают весьма много времени, и, кроме того, при их проведении возможна утечка технологических и схемотехнических решений, составляющих коммерческую тайну разработчиков.
Ввиду этого в работах [Кечиев, Лемешко, 2010а, Кечиев, Лемешко, 2010Ь] было начато развитие теории виртуальной сертификации, которая позволяет оценить показатели помехоэмиссии на основе вычислительного эксперимента.
2 Представление о виртуальной сертификации
Виртуальная сертификация предполагает моделирование ряда физических процессов, соответствующих ходу лабораторных испытаний. Ими являются:
— протекание токов в проводниках РЭС;
— распространение электромагнитных волн от проводников к точке наблюдения при их взаимодействии с элементами конструкции РЭС;
— формирование результирующего поля в точке наблюдения как векторной функции времени;
— формирование показаний измерительного приемника при поступлении на вход напряжения, соответствующего воспринимаемой измерительной антенной напряженности электромагнитного поля.
Методики построения математической модели, выявленные их особенности и ограничения подробно изложены в монографии [Лемешко, 2012]. Важно отметить, что размерность вычислительной задачи, сопутствующей виртуальной сертификации, во многом зависит от количества проводников, учитываемых при анализе помехоэмиссии на выбранной частоте, поэтому все проводники РЭС рассматривать нецелесообразно. Следовательно, для моделирования лабораторных испытаний необходимо отобрать те проводники РЭС, которые вносят наибольший вклад в формирование излучаемых радиопомех на данной частоте. Ниже предлагается методика выполнения такого отбора.
3 Методика отбора проводников
Значения токов в проводниках РЭС как функций времени при расчете помехоэмиссии, согласно общей концепции виртуальной сертификации [Кечиев, Лемешко, 2010а, Кечиев, Лемешко 2010Ь], определяются путем схемотехнического моделирования. При этом анализ массива функций Цг) может выполняться как в ходе самого моделирования, так и отдельно на основе сохраненных результатов. Формулы
ф 4 п г Ж г2
2пг2
£ /8т(е)| ^¿а-Т) | Да ¿¿0-Т)
6 4к Ые„ Г2 г Л
(1)
описывают три компонента поля [Лемешко, 2012], определяемых с учетом временного запаздывания значениями токов г/г) и их производных,
Алгоритм отбора проводников радиоэлектронных средств
_для численного анализа помехоэмиссии
поэтому при выполнении анализа необходимо рассматривать массивы функций ii(t) и dii(t)/dt, причем отдельно, т.к. значения U(t) и dii(t)/dt в строгом представлении не сопоставимы. В уравнениях (1) и га — абсолютные магнитная и диэлектрическая проницаемости среды распространения электромагнитных волн, г — расстояние до точки наблюдения, 9 — угол между направлениям на точку наблюдения и вектором протекания тока U(t)..
При разработке методики выполнения формального анализа следует учесть порядок обработки сигналов в схеме измерительного приемника, который предполагает перенос сигналов на промежуточную частоту с последующей узкополосной фильтрацией и детектированием [ГОСТ Р 51319-99, 2000, ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007, 2008]. Таким образом, вклад в показания измерительного приемника вносят только те составляющие спектра, которые находятся вблизи частоты настройки в полосе, соответствующей фильтру промежуточной частоты для текущего значения частоты анализа /о. Предлагаемая на основе проведенного качественного анализа структура ячейки для анализа тока в отдельном проводнике приведена на рис. 1. С учетом её назначения она может быть названа ячейкой первичного анализа.
Принцип работы ячейки первичного анализа состоит в следующем. Токовый сигнал iy/t) = i,{t) снимается с ветви в модели РЭС при помощи фиктивного источника V/, не оказывающего влияния на текущее значение тока в ней. Он подается на нелинейный управляемый напряжением источник напряжения (НИНУН), который служит для введения в схему эквивалентного длине весового коэффициента и для нормировки коэффициентов передачи резонансных фильтров с индуктивной связью, состоящих из идентичных каскадов А\ и Аг, Аз и А*. Передаточная функция источника Bi, кроме того, обеспечивает блокировку анализа токов в проводнике в интервале времени t <toi. Это необходимо для пропуска переходных процессов, связанных с включением устройства. Формируемое на выходе Bj напряжение ui(t) описывается передаточной функцией uj(t) = ivj(t)liH(t,toi)/Go2, где Go — коэффициент передачи каскада фильтра на частоте/о, H(t,toi) — функция Хевисайда с параметром toi.
Для выполнения первичного анализа функции dii(t)/dt необходимо получить её значение в схеме. Для этого используется емкость Ci = 1 Ф, ток ivfi(t) через которую численно равен производной напряжения на емкости Сr. ivfi(t) = dui(t)/dt. При помощи источника напряжения В2, управляемого током (ПНУТ), ток iv/i(t) трансформируется в численно равное ему напряжение U2(t). Далее напряжения ui(t) и U2(t) подвергаются узкополосой фильтрации при помощи пары двухкаскадных фильтров.
Каскады А/—А4 построены по схеме, аналогичной фильтру промежуточной частоты измерительного приемника [Лемешко, 2012, ГОСТ Р 51319-99, 2000, ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007, 2008]. Параметры
элементов каскада фильтра и дополнительные параметры рассчитывают для заданных значений сопротивлений Rk = Ru = Ria, коэффициента связи кс = 1, коэффициента, текущей частоты анализа/о и соответствующей ей полосы А/по уровню -6 дБ по формулам [Евтянов, 1948]
Q = ^Ä:.k=^L = l.Lki=Lk2 =
QRk
•с =с =
1
А/ L Q 2 nf0 2%f0QRk
где Q — добротность колебательного контура.
•,Mk=kLkl;G0=%Mkf0Q2,
IWt) ULffîj
XI
U"(0 U;(t).
Рис. 1. Схема ячейки первичного анализа
На основе сигналов U3(t) и mit), формируемых фильтрами, необходимо получить общие показатели интенсивности излучения для данного проводника для функций U(t) и dii(t)/dt. Используемые на практике измерительные приемники имеют детекторы пикового, квазипикового, среднего и среднеквадратичного значений. Исходя из этого, в качестве интегральных показателей следует использовать максимальное значение модулей функций U3(t) и u4t), а также их интегральные значения, полученные на конечное время моделирования tmaX, которое должно быть равно выбранному конечному времени симуляции при проведении моделирования схемы для определения помехоэмиссии.
Выявление пикового значения для сигнала U3(t) с формированием функции Undt) производится при помощи пикового детектора, состоящего из управляемого ключа SW2, сопротивления Rd2 и емкости С¿2- Ключ SW2 выполняет диодную функцию, открываясь только при превышении напряжением на выходе НИНУН Вв значения напряжения us(t) на емкости Cd2- Для определения пикового значения необходимо выполнение условия 1 /fo» Rd2Cd2. Сопротивление управляемого ключа должно быть много больше Rd2 в разомкнутом состоянии и много меньше этого значения — в замкнутом. Второй пиковый детектор в схеме на рис. 1 функционирует аналогично с формированием сигнала Unn(t). Ток i,{t) может протекать в обоих направлениях; ввиду этого ИНУН В4 и Вб должны обеспечивать передаточные функции us(t) = \u3(t)\H(t,to2) и ue(t) = \m(t)\H(t,to2) соответственно, где H(t,to2) — функция Хевисайда с параметром fa, введенная в передаточные функции для блокирования начального момента анализа до
Алгоритм отбора проводников радиоэлектронных средств
_для численного анализа помехоэмиссии
момента времени toi. Назначением такой блокировки является пропуск переходных процессов в резонансных фильтрах, наблюдающихся при наличии тока в проводнике непосредственно после момента времени toi.
Выбор значения toi определяется общей длительностью переходного процесса, в течение которого тестируемое РЭС выходит на установившийся режим. Значение to2 должно быть таким, чтобы разность to2 - toi превышала длительность переходного процесса в колебательных контурах фильтров, которую можно оценить на основе формулы (11) [Лемешко, 2010] для амплитуды огибающей сигнала, полагая, что он завершился после снижения её максимального значения до некоторого выбранного уровня.
В схеме на рис. 1 интегральные значения 1из(7)1 и \u4t)\ формируются путем интегрирования токов емкостями Сш и Сш, номинальные значения которых равны 1 Ф, при помощи управляемых источников тока Вз и Bs, которые обеспечивают также взятие модуля от напряжений U3(t) и u4t) и содержат функцию H(t,to2)■ Напряжения uu„(t) и uuc(t) соответствуют интегральным показателям для функций dii(t)/dt и U(t). Резисторы Rj и R2 служат для замыкания контуров протекания токов источников Bj и В2.
Таким образом, если анализу подвергаются N токов, то на момент окончания схемного моделирования формируется четыре массива значений с таким же объемом: {Uuc,i}, {Uun>i}, {Unc,i}, {U„n>i}. Для отбора проводников с наибольшей помехоэмиссией на частоте анализа предлагается следующая последовательность обработки полученных значений.
1. В каждом из массивов выбирают максимальный элемент и относительно него нормируют остальные. Переходят к массивам {Uuc,n,i}, {Um,n,i}, {U„c,n,i}, {Unnin,i}, в которых каждый элемент характеризует относительный вклад тока либо его производной в формирование общего интегрального или пикового значений.
2. Вводят коэффициент отбора ka, который характеризует минимальный учитываемый вклад каждого проводника для соответствующего параметра и составляющей. Значение к0 следует выбирать в интервале от 10~4 до 10~2 в зависимости от требуемой точности анализа.
3. Дальнейшему анализу в части помехоэмиссии подвергаются только те проводники, для которых выполняется хотя бы одно из соотношений
Uuc,n,i ^ К; Uun,n,i ^ К; Unc,n,i ^ kaj Unn,n,i ^ ка. (3)
Достоинством схемы на рис. 1 является её универсальность и независимость от расстояния до точки наблюдения, в которой рассчитывается формируемое РЭС электромагнитное поле для заданной частоты анализа. Однако при значительном количестве проводников важно уменьшить сложность и объем проводимого анализа. Это можно сделать при помощи упрощенной схемы, подробно рассмотренной в [ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007, 2008]. Упрощение основано на получении единых интегральных и пиковых показателей для функций ù(t) и dii(t)/dt,
объединение которых выполняется на основе следующих соображений. Из уравнений (1) для компонентов поля следует, что для конкретного проводника основные из них, Ее(г) и Яф(0, в выбранном приближении
пропорциональны т, ) + лА1а£д Составляющая ЕГ(г)
г, г, Ж
пропорциональна Поэтому для фиксированного расстояния гг в
г
качестве обобщенного сигнала, подлежащего анализу, следует
рассматривать функцию . (?) = +Л1цаеа ^ ^. Время запаздывания т,- в
(к
данном случае роли не играет. Для выполнения численного анализа значение г, должно быть зафиксировано, обычно г, = 10 м.
Предложенная методика ориентирована на анализ конкретных токов, текущих в отдельных проводниках. Для быстродействующих цифровых устройств на практике применяются линии передачи, существенно ограничивающие помехоэмиссию за счет локализации электромагнитных полей путем сближения прямого и возвратного проводников. Поэтому для случая, когда токи между компонентами текут по трассам разных типов и конфигураций, данная методика может быть уточнена следующим образом. Для всех участков, соответствующих требованиям по однородности, определяется их длина на основе данных о конструкции РЭС. Далее устанавливается, к какому типу линий передачи относится каждый из них. Затем для каждого выделенного участка выполняют описанный выше анализ с использованием схемы на рис. 1, однако вводят дополнительный весовой коэффициент, определяющий снижение уровня излучения за счет взаимокомпенсации полей для синфазных токов.
Таким образом, в случаях, когда требуется провести точный анализ, целесообразно пойти на увеличение объема исследований путем повышения количества рассматриваемых участков проводников. Это, кроме того, может существенно облегчить решение задачи снижения помехоэмиссии, если по результатам виртуальных исследований РЭС не проходит сертификационные испытания либо попадет в полосу неопределенности [ГОСТ Р 51318.16.4.2-2006, 2007].
4 Заключение
Таким образом, в рамках дальнейшего развития теории виртуальной сертификации развита методика формального отбора проводников для проведения расчета помехоэмиссии РЭС. В качестве дополнения к ней может быть предложено совместное использование экспертной системы с соответствующей базой данных, ориентированной на конкретный класс оборудования. Работа с такой системой позволит пользователю задавать те узлы в РЭС, которые должны обязательно учитываться при оценке
Алгоритм отбора проводников радиоэлектронных средств
_для численного анализа помехоэмиссии
помехоэмиссии, что дополняет формальную методику отбора проводников. Структура такой экспертной системы и ее база знаний должны быть проработаны при создании программного комплекса, предназначенного для моделирования сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех.
5 Список литературы
[ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007, 2008] ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007 «Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и методы измерений. Часть 1-1. Аппаратура для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Приборы для измерения индустриальных радиопомех». — М.: Стандартинформ, 2008.
— 58 с.
[ГОСТ Р 51318.16.4.2-2006, 2007] ГОСТ Р 51318.16.4.2-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Неопределенность измерений в области электромагнитной совместимости». — М.: Стандартинформ, 2007. — 16 с.
[ГОСТ Р 51319-99, 2000] ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний». — М.: Издательство Стандартов, 2000. — 57 с.
[ГОСТ Р 51320-99, 2000] ГОСТ 51320-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств — источников индустриальных помех» — М.: Издательство Стандартов, 2000.
— 39 с.
[Бвтянов, 1948] Евтянов С.И. Переходные процессы в приемно-усилительных схемах.
— М.: Связьиздат, 1948. — 210 с.
[Кечиев, Лемешко, 2010а] Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Виртуальная сертификация радиоэлектронных средств по уровню помехоэмиссии как средство подготовки к лабораторным испытаниям по электромагнитной совместимости. — Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №1. — с.57-70.
[Кечиев, Лемешко, 2010Ь] Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Виртуальная сертификация радиоэлектронных средств по уровню помехоэмиссии. Постановка проблемы. — Технологии ЭМС, №2 (33) — М.: ООО Издательский дом «Технология», 2010.— с.3-15.
[Лемешко, 2010] Лемешко Н.В. Разработка параметрической модели частотно-избирательных цепей измерительных приемников для исследования индустриальных радиопомех. — Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №4. — с.27-35.
[Лемешко, 2012] Лемешко Н.В. Теоретические основы моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех. Монография. — М.: МИЭМ, 2012. — 196 с.
