CC BY
376
УДК 621.396
АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
КАТЕГОРИИ CAD/CAE
А.В. Cудapикoв, MA. Ромащенко, А.В. Mуpaтoв
В данной статье рассматривается проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Представлен обзор современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, позволяющих проводить электромагнитное моделирование и электромагнитный анализ радиоэлектронных средств. Отражены их основные возможности, достоинства и недостатки, а также представлены некоторые рекомендации по выбору CАПР для проведения электромагнитного анализа
Ключевые слова: моделирование, электромагнитная совместимость, электромагнитный анализ
Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) является следствием научно-технического прогресса развития электроники и в настоящий момент составляет одну из важнейших научнотехнических направлений. Задача обеспечения ЭМС имеет не меньшее значение, чем обеспечение аппаратурной надежности работы или миниатюризация РЭС. Проблема ЭМС РЭС может решаться путем реализации комплекса технических и организационных мероприятий. Технические
мероприятия в общем случае направлены на ослабление непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП) в источниках их возникновения и на защиту различных устройств от их влияния. Реализация таких мероприятий приводит к совершенствованию технических параметров
радиоэлектронных устройств, которые в той или иной степени влияют на обеспечение их ЭМС. Организационные мероприятия включают
установление частотно-пространственного разноса между РЭС, определение места размещения РЭС и мероприятия связанные с правильным учетом технических параметров различных средств, влияющих на обеспечение ЭМС [1].
Применение технических устройств с неудовлетворительными характеристиками,
влияющими на ЭМС, не только нарушает нормальную работу многих радиоэлектронных и электронных средств, что наносит экономический ущерб, но и затрудняет, а в ряде случаев исключает возможность пользования ресурсом радиоканалов новыми средствами. Наоборот, применение средств с более совершенными характеристиками ЭМС позволяет интенсивнее пользоваться имеющимся ресурсом радиоканалов и, следовательно, на одном и том же участке диапазона эксплуатировать увеличенное число средств без помех одного средства другому. Также необходимо отметить тенденцию возрастания роли СВЧ РЭС, это
Судариков Алексей Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 43-77-06
Ромащенко Михаил Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 43-77-06
Муратов Александр Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 43-77-06
обусловлено большим количеством систем, функционирующих на СВЧ: мобильная связь,
навигация (GPS, ГЛОНАС), спутниковое
телевидение и т.д. Многие вопросы
функционирования низкочастотных систем,
например, ЭМС различных подсистем, должны решаться методами, характерными для диапазона СВЧ [2,3].
В настоящее время во всех промышленно развитых странах проводиться большая работа по обеспечению ЭМС РЭС. При этом научные аспекты проблемы ЭМС непрерывно развиваются, поскольку в современных условиях не представляется возможным найти решения многих задач по обеспечению ЭМС РЭС без достаточно глубоких исследований. Повысить эффективность данных исследований позволяет использование САПР компьютерного моделирования и анализа электромагнитных полей РЭС [4].
Системы автоматизированного
проектирования различаются по типу
проектируемых РЭС (цифровые, аналоговые), по диапазону частот, в котором функционирует РЭС (низкочастотный и сверхвысокочастотный (СВЧ)), по применяемому методу вычисления (метод конечных элементов МКЭ, метод конечных разностей во временной области FDTD, метод моментов МОМ и др.), по степени точности, универсальности, стоимости, пользовательскому интерфейсу, возможности интеграции и т.д. [4]
Пакет SpeedXP компании Sigrity [5] представляет собой интегрированную среду анализа целостности сигналов и перекрестных искажений на сложных печатных платах и кристаллах интегральных микросхем. В состав пакета входят приложения Speed2000 и PowerSI и новый продукт XcitePI, предназначенный для моделирования проблем электромагнитной совместимости в
корпусах и подложках высокоскоростных
интегральных схем. Программа Speed2000 - это пакет анализа проблем электромагнитной
совместимости с оригинальным вычислительным ядром, работающий во временной области. Программа PowerSI выполняет аналогичные функции, но ее ядро работает в частотной области. Здесь можно рассчитать спектры сигналов и помех в
различных проводниках печатной платы, оценить частотные характеристики отдельных узлов микросхемы, оптимизировать размещение экранов. В дополнение к ним в состав пакета SpeedXP входит программа Broadband SPICE, предназначенная для экстракции SPICE схем замещения устройств, описанных матрицами S-параметров, что дает возможность учитывать их в пакетах моделирования на основе ядра HSPICE.
Пакет программ семейства Omega PLUS компании QUANTIC EMC [6] предназначен для анализа целостности проекта, т.е. оценки влияния конструктивных особенностей печатных плат на их электрические характеристики и моделирования ЭМС, т.е. расчета электромагнитных полей, до изготовления реальных конструкций. Здесь могут быть получены спектры излучения платы в заданном диапазоне частот, уровни токов в проводниках, а также интенсивность электрического и магнитного полей над платой. В пакет Omega PLUS входят следующие модули: SPECCTRA -учитывает требования к перекрестным искажениям и задержкам сигналов; EmcScan - моделирование электромагнитного излучения печатных плат. Рассчитываются комплексные амплитуды токов и напряжений, напряженности электрического и магнитного полей на заданных частотах. При превышении допустимого уровня излучения диагностируется цепь или область печатной платы, вносящая наибольший вклад в уровень излучения, и производится повторная трассировка, изменяются типы компонентов, вводятся слои; BoardScan -анализ печатных плат, расчет паразитных эффектов, интерференционных сигналов и электромагнитного излучения. Compliance - моделирование электромагнитных полей, возбуждаемых радиоэлектронными конструкциями, включающими в себя печатные платы, кабельные соединения и корпуса. Layout Tool Interfaces - позволяет импортировать печатные платы из разных САПР.
Программа моделирования печатных плат фирмы Mentor Graphics - Hyperlinx [7]. Программа Hyperlinx включает в себя модуля: LineSim - модуль для предварительного топологического анализа и BoardSim - модуль пост топологического анализа. LineSim можно использовать для анализа цепей на целостность сигналов, перекрестные помехи и электромагнитную совместимость. Scope Simulator позволяет вам установить зонды и запустить
моделирование целостности сигналов печатной
платы, почти также как вы это делаете на цифровом осциллографе. Анализатор спектра Spectrum
Analyzer позволяет вам моделировать ЭМС. Можно отобразить спектр выпущенного
дифференциального излучения или спектр токовых кривых. Мастер Termination Wizard позволяет рассчитывать оптимальное значение для
согласования компонентов. При применении этих значений на схеме автоматически появляются нужные компоненты. BoardSim модуль позволяет выполнять моделирование печатной платы после окончания трассировки. BoardSim можно
использовать для анализа целостности сигналов, наводок и ЭМС. Причем такой анализ может быть выполнен как для отдельного проводника, так и для всей печатной платы. Для моделирования печатной платы можно импортировать топологию из множества топологических редакторов, таких как PADS, Board_Stn., PCAD, Specctra, Allegro и др.
ANSYS\Multiphysics - это основной программный продукт ANSYS,inc. [8], который представляет собой многоцелевой пакет для расчета задач различной физической природы, а также позволяет проводить электромагнитный анализ. Электромагнитный анализ осуществляется с помощью модуля ANSYS/Emag. Данный модуль производит расчеты в области магнитостатики, электростатики, электропроводности, а также низкочастотный и высокочастотный анализ. Продукты низкочастотного электромагнитного
анализа используются для установившегося, переходного, гармонического изучения
низкочастотного электрического и магнитного поля. Можно моделировать низкочастотные
электрические токи и электрические поля в проводящих и емкостных системах, так же как магнитные поля от токов или постоянных магнитов. ANSYS/Emag обеспечивает всесторонний диапазон особенностей анализа чтобы обратиться к различным потребностям электромагнитного
проектирования, от разработки двигателей до ионной оптики. Построитель цепи позволяет приложить гармонические, переходные по времени нагружения током и напряжением непосредственно к конечно-элементной модели через графически сгенерированную схему цепи. Связь цепи с конечноэлементной областью позволяет моделировать питаемые цепью устройства, где нелинейные эффекты (насыщение) должны быть учтены. ANSYS Multiphysics предоставляет возможность высокочастотного или полноволнового
электромагнитного моделирования, применимого к явлениям резонанса, распространения, излучения и рассеяния в частотной области. Приложения включают разработку микроволновых пассивных компонентов и цепей, проектирование антенн и обнаружение объектов. Комплекс обладает возможностью расчета связанных задач, например, моделировать эффекты джоулевого нагрева посредством связанной физики электромагнетизма и теплопереноса. Комплекс позволяет создавать непосредственную сетку конечных элементов (т.е. узлы и элементы), а также геометрическую модель, на основе которой далее создается сетка конечных элементов. А также позволяет импортировать геометрические модели практически из всех CAD систем, включая UG, Pro/E, а также чтение нейтральных геометрических форматов IGES, SAT, STEP и др., которые в дальнейшем могут быть модифицированы любым образом в среде ANSYS.
Еще одним продуктом компании ANSYS Inc. [8] является программное обеспечение Ansoft Maxwell которое является более простым инструментом в освоение, чем более известный
аналог ANSYS Emag. Maxwell также базируется на методе конечных элементов и предназначен для моделирования электромагнитных полей при проектировании и исследовании двумерных и трехмерных моделей электрических устройств различного применения. Для облегчения работы разработчика предусмотрена библиотека свойств материалов, удобные средства для параметризации модели и автоматизации расчетов при различных сочетаниях параметров. В сочетании с Ansoft Maxwell можно использовать другие программные продукты разработки Ansoft упрощающие процесс моделирования в Maxwell. Это программный продукты PExprt и Q3D Extractor. PExprt ускоряет проектирование и оптимизацию трансформаторов и катушек индуктивности. Используя
комбинирование классического метода и метода конечных элементов, PExprt определяет оптимальные размеры и формы сердечника, воздушные зазоры, способ намотки. По заданным пользователем параметрам, PExprt определяет несколько вариантов реализации устройства, используя библиотеки стандартных компонентов -сердечников и корпусов катушек. Для каждого варианта программа рассчитывает различные параметры, например, мощность рассеяния. Программный продукт Q3D Extractor позволяет определить паразитные параметры в элементах электрических схем. Q3D Extractor выполняет 3D и 2D моделирование электромагнитного поля, требуемое для извлечения RLC-параметров, в подключенной к питанию схеме и автоматически создает эквивалентную схему замещения.
Использование специализированного
программного обеспечения позволяет включить в процесс проектирования платы анализ ЭМС на каждом этапе. Такой подход ведет к сокращению излишних материальных и временных затрат, позволяет избежать повторного проектирования и повысит качество проекта. К сожалению, пока нет универсального продукта для оценки параметров ЭМС. Все сводиться к выбору программного продукта и метода решения проблемы. Наиболее оптимальным решением пока остается комбинированный метод использования нескольких программных продуктов при проектировании. То есть применение разных математических методов на разных этапах разработки РЭС, например применение метода граничных элементов и метода
Воронежский государственный технический университет
моментов на начальных этапах разработки и оптимизации, а метода конечных элементов на заключительных этапах разработки для более точного исследования рассматриваемых параметров РЭС. Таким образом, разработчик должен принять решение о целесообразности использования того или иного математического метода в каждом конкретном случае и затем сделать выбор рациональной программной среды, которая позволит провести анализ ЭМС на основе выбранного метода. Одним из вариантов представляется возможным использование в взаимосвязи двух систем CAD и CAE, например Pro/ENGINEER и ANSYS. В системе Pro/ENGINEER удобно реализована задача построения трехмерных твердотельных и поверхностных моделей, а также возможность проектирования и управления сложными сборочными единицами. Импортировав полученную модель в ANSYS, имеем возможность произвести моделирование и анализ электромагнитных полей, а также решения связанных задач, объединяющих явления различной физической природы: прочность, теплофизика, электромагнетизм и другие. Еще одним существенным недостатком САПР зарубежных производителей является отсутствие подробной документации и дополнительной литературы на русском языке, что вызывает определенные трудности для части пользователей, недостаточно хорошо владеющих английским языком.
Литература
1. Князев А. Д. Конструирование радиоэлектронной и электронной вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д.Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров.- М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.
2. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах/ Отт Г., пер. с англ. Б.Н. Бронина. -М: Мир,1979. - 320 с.
3. Т.Уилльямс ЭМС для разработчиков / Уильямс Т., пер. Кармашев В.С., Кечиев Л.Н. М: Технологии, 2003. - 540 с.
4. Все о CAD, CAE, CAM http://www.procae.ru/
5. http://www.sigrity.com/
6. http://www.quantic-emc.com/
7. http://www.mentor.com/
8. http://www.ansys.ru/
THE ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC INFLUENCES OF RADIO-ELECTRONIC MEANS BY MEANS OF SYSTEMS OF THE AUTOMATED DESIGNING OF CATEGORY CAD/CAE A.V. Sudarikov, M.A. Romashchenko, A.V. Muratov
In given article the problem of electromagnetic compatibility of radio-electronic means is examined. The review of modern systems of the automated designing and the engineering analysis allowing is presented to lead electromagnetic modeling and the electromagnetic analysis of radio-electronic means. Their basic possibilities, merits and demerits are reflected, and also some recommendations for choice software for carrying out of the electromagnetic analysis are presented Key words: modeling, electromagnetic compatibility, electromagnetic analysis
