CC BY
10
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
УДК 621.372
Анализ характеристик трёхпроводного модального фильтра в экстремальных условиях
Белоусов А. О., Гордеева В. О.
Постановка задачи: проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) современных радиоэлектронных средств (РЭС) все больше актуализируется с каждым годом. Причиной этому служит растущая функциональная сложность РЭС и тенденция к их миниатюризации, в т.ч. за счет увеличения плотности монтажа трассировки печатных плат (ПП). Электромагнитные помехи (ЭМП) различной природы способны привести к дестабилизации и разрушению элементов критичных РЭС. Под ними понимаются такие РЭС, выход из строя которых влечет за собой различные негативные последствия. Одним из видов ЭМП искусственной природы, отличающихся высоким напряжением, малой длительностью и широким спектром, являются сверхкороткие импульсы (СКИ). Последняя декада отмечена активным исследованием защитных структур с модальными явлениями для защиты критичных РЭС от СКИ, отличающихся рядом достоинств по сравнению с традиционными защитными устройствами. Принцип действия таких структур заключается в разложении СКИ на последовательность импульсов меньшей амплитуды из-за различия задержек мод в линии передачи. Их называют модальными фильтрами (МФ) и реализуют как в полосковом, так и в кабельном исполнениях. При проектировании МФ, одним из важнейших этапов является оптимизация, возможности которой, применительно к МФ, в настоящее время исследованы недостаточно. Кроме этого, без должного внимания остается вопрос функционирования МФ в экстремальных условиях. В частности, целесообразна оценка защитных характеристик МФ (ослабления СКИ, разности погонных задержек мод и др.) при воздействии температуры и влаги. Наконец, представляется важным определение оптимальных значений геометрических параметров МФ в экстремальных условиях и оценка возможности сохранения требуемых защитных характеристик. Целью работы является исследование защитных характеристик МФ на основе 3-проводной микрополосковой линии (МПЛ) при влиянии температуры и влаги при одно- и двухкритериальной оптимизации. Используемые методы: при вычислениях использована система квазистатического моделирования, основанная на методе моментов, а при оптимизации использовались простой генетический алгоритм (ГА) и модифицированный алгоритм эволюционных стратегий (ЭС). Оптимизация выполнялась по амплитудному критерию и критерию согласования. Моделирование влияния температуры выполнено с учетом известной модели вида P(T) с учетом термического изменения геометрических и электрофизических параметров МПЛ. Новизна: впервые выполнена одно- и двухкритериальная оптимизация с использованием ГА и модифицированного алгоритма ЭС МФ на основе 3-проводной МПЛ при влиянии температуры и влаги. Достигнута высокая сходимость результатов при оптимизации: отклонение максимального значения напряжения на выходе МФ не превышает 1% при использовании температурной модели и 6% при исследовании влияния влаги. В результате двухкрите-риальной оптимизации получены равные амплитуды импульсов разложения на выходе МФ при согласовании МФ с трактом. Установлено, что наименьшее значение максимального напряжения на выходе МФ достижимо при более низкой температуре окружающей среды. Продемонстрирован рост результирующего значения максимального напряжения на выходе при моделировании МФ с учетом конденсата. Результат: в результате двухкритериальной оптимизации удалось получить равные амплитуды импульсов разложения на выходе МФ при его согласовании с трактом. Таким образом, продемонстрирована возможность обеспечения высоких защитных характеристик МФ на основе 3-
Библиографическая ссылка на статью:
Белоусов А. О., Гордеева В. О. Анализ характеристик трёхпроводного модального фильтра в экстремальных условиях // Системы управления, связи и безопасности. 2022. № 4. С. 64-82. DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82 Reference for citation:
Belousov A. O., Gordeyeva V. O. Analysis of the characteristics of three-conductor modal filter under extreme conditions. Systems of Control, Communication and Security, 2022, no. 4, pp. 64-82 (in Russian). DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
проводной МПЛ в экстремальных условиях. Практическая значимость: выявленные особенности поведения защитных характеристик МФ при воздействии температуры и влаги, а также их высокий уровень при функционировании в подобных средах, открывают возможность детализации и оценки параметрических и электрофизических параметров ПП, в т.ч. за счет оптимизации, с учетом воздействий окружающей среды еще на этапе проектирования ПП. Наконец, открывается возможность практического применения исследуемого МФ для защиты РЭС от СКИ (ввиду малой массы, радиационной стойкости, надежности и улучшенных характеристик) в самых различных сферах, в т.ч. в экстремальных условиях.
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, сверхкороткий импульс, модальная фильтрация, модальный фильтр, микрополосковая линия, оптимизация, генетический алгоритм, эволюционные стратегии, влияние температуры, влияние влаги.
Введение
Стремительное развитие современных радиоэлектронных средств (РЭС) с каждым годом все сильнее обращает внимание общественности на обеспечение должного уровня электромагнитной обстановки для их корректной работы. Известно, что самые различные электромагнитные помехи (ЭМП) могут приводить к дестабилизации и разрушению критичных РЭС [1]. Это такие РЭС, функционирование которых на должном уровне является приоритетной задачей, поскольку нарушение режима их работы может повлечь за собой различные негативные последствия. В общем случае различают излучаемые и кондук-тивные ЭМП [2]. Вторые заслуживают отдельного внимания, поскольку распространяются непосредственно по проводникам. Источниками таких ЭМП могут выступать коммутации токовых цепей, удары молнии, электростатические разряды, преднамеренные импульсные воздействия сверхширокополосными (СШП) помехами и др. [3]. Последний вариант представляет наибольший интерес ввиду своих особенностей. Так, в качестве СШП помех могут выступать сверхкороткие импульсы (СКИ), обладающие субнаносекундным временем нарастания и высоким уровнем напряжения. Несмотря на небольшую энергию СКИ, ввиду их локализации в критичных узлах, они способны нанести существенные повреждения компонентам РЭС, нарушив режим их работы или даже выведя их из строя. В настоящее время, для защиты РЭС от СКИ предложена технология модальной фильтрации. Реализация данной технологии возможна как на структурах в виде печатных плат (ПП), так и кабелей. Ее принцип заключается в разложении СКИ на последовательность импульсов меньшей амплитуды из-за различия задержек мод в линии передачи. Устройства, функционирующие на основе данного принципа, называют модальными фильтрами (МФ) [4].
При проектировании МФ особую важность представляет выбор оптимального набора геометрических и электрофизических параметров разрабатываемой структуры (в основном, из-за специфики требований, предъявляемых к МФ). Для поиска такого набора параметров применяются различные методы оптимизации. Они подразделяются на локальные (если метод ориентирован на определение локального экстремума) и глобальные (когда результатом ожидается глобальный экстремум) [5]. Полосковые МФ, как правило, оптимизируются с помощью эволюционных алгоритмов (ввиду наличия большого числа ло-
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
кальных экстремумов, оптимизируемых параметров и ряда критериев оптимизации, применяемых к МФ одновременно), таких как генетический алгоритм (ГА) и эволюционные стратегии (ЭС) [6]. Кроме этого, при учете эксплуатационных характеристик, важна оценка влияния внешних факторов (например, температурных воздействий, а также влаги) на функционирование МФ, ввиду риска деформации элементов ПП под влиянием температур и внесения дополнительных модальных искажений под влиянием влаги [7]. Между тем задача обеспечения должных защитных характеристик МФ (посредством оптимизации) в экстремальных условиях ранее не ставилась, но это актуально. Исходя из этого, представляется возможным спрогнозировать поведение МФ, на примере 3-проводной микрополосковой линии (МПЛ), еще на этапе моделирования. Поэтому целью данной работы является исследование защитных характеристик МФ на основе 3-проводной МПЛ при влиянии температуры и влаги при одно- и двухкритериальной оптимизации.
Основные подходы к моделированию и оптимизации
При моделировании сначала строилась геометрическая модель поперечного сечения МФ. Затем вычислялись матрицы погонных коэффициентов электростатической (С) и электромагнитной (Ь) индукций. Для вычисления откликов составлялась схема для моделирования, задавались нагрузки и воздействие, после чего вычислялись временные отклики на импульсное воздействие в диапазоне параметров. Моделирование выполнялось в системе квазистатического моделирования TALGAT, которая дает приемлемую точность и не требует высоких вычислительных затрат [8]. Матрицы потерь в проводниках (Я) и диэлектриках (С) принимались равными нулю для исключения их влияния на данном этапе исследования.
Исследовался МФ на основе 3-проводной МПЛ, представляющий собой 3 проводника на диэлектрической подложке, под которой расположена опорная плоскость. Геометрическая модель поперечного сечения МФ представлена на рис. 1а (где проводники А - активный, П - пассивные, w - ширина проводников, Si - расстояния между ними, ? - толщина проводников, И - толщина диэлектрика, й - расстояние от края МПЛ до ближайшего крайнего проводника, ег -относительная диэлектрическая проницаемость подложки), а эквивалентная схема - на рис. 1 б (воздействие - трапецеидальный импульс с амплитудой ЭДС 1 В и длительностями фронта, спада и плоской вершины по 150 пс; длина МФ -60 см; нагрузки на концах всех проводников (Я) по 50 Ом).
Оптимизация выполнялась при последовательном увеличении числа вычислений от 500 до 1000. Одно- и многовариантный анализ, предшествующий оптимизации, не выполнялся во избежание дублирования материала, ввиду разностороннего исследования данного МФ ранее [9]. По этой же причине, для рассматриваемого МФ заранее известны диапазоны параметров, в которых лежит искомый глобальный экстремум, соответствующий рассматриваемым критериям оптимизации. Так, интерес представляет непосредственно степень «смещения» глобального экстремума, соответствующего оптимальным характеристикам МФ при влиянии температуры и влаги.
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
б)
Рис. 1. Поперечное сечение (а) и эквивалентная схема (б) МФ на основе 3-проводной МПЛ
При оптимизации с помощью ГА и ЭС диапазоны оптимизируемых параметров приняты следующими: 100-300 мкм для h, 20-200 мкм для t, 100-300 мкм для s1, 400-600 мкм для s2. Остальные параметры приняты неизменными: w=1000 мкм (при однокритериальной оптимизации) и 500 мкм (при двухкритериальной оптимизации), расстояние от проводников до края структуры d=3w при sr=4,6. При оптимизации с помощью ГА использовался простой ГА с параметрами: число особей - 10; число поколений - 50 и 100; коэффициент мутации 0,1; коэффициент кроссовера 0,5; число бит для кодирования каждого параметра - 10. При оптимизации с помощью ЭС применялась открытая библиотека barecmaes2 с алгоритмом на языке Python [10]. Она включает в себя сокращенный алгоритм ЭС с основным функционалом ЭС, но без некоторых функций, присутствующих в полной версии библиотеки. К сожалению, при использовании данной библиотеки отсутствует возможность задания диапазонов оптимизируемых параметров. При оптимизации данного МФ это приводит к тому, что значение h стремится к нулю и далее в отрицательную область, что дает нефизичные результаты. Поэтому при вычислениях использован модифицированный алгоритм ЭС, который, в отличие от классического, позволяет выставить диапазоны оптимизируемых параметров, при этом затрачивая больше времени на оптимизацию (по сравнению с классическим алгоритмом), однако лучше себя проявляя при нахождении глобального экстремума ЦФ [11]. Число вычислений при оптимизации посредством ЭС принималось равным 1000 (для качественного сравнения с ГА с числом особей 10 и числом поколений 100). В качестве входных параметров для алгоритма ЭС принимается список из начальных точек, от которых выполнялся поиск оптимальных значений с заданным шагом, равным 10 мкм. Так, начальными точками отсчета выбраны середины диапазонов оптимизируемых параметров, а именно: h=200 мкм, t=100 мкм, s1=200 мкм, s2=500 мкм. Кроме этого, оптимизация посредством ЭС выполнялась на ПК, отличном от основного (с меньшей производительностью, относительно ПК, на котором выполнялась оптимизация посредством ГА). Так,
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
на один запуск, в среднем, уходило в 1,5 раза больше времени, чем при запусках ГА. Поэтому корректное сравнение времени вычислений при оптимизации с помощью ЭС с оптимизацией посредством ГА в работе не представляется возможным.
Оптимизация выполняется по критериям: амплитудному (посредством ГА и ЭС); амплитудному и согласования (для ГА). Первый критерий важен для минимизации максимального уровня выходного напряжения на выходе МФ. Второй необходим для минимизации отражений полезных высокочастотных сигналов от входа МФ. На основе [9] сформулируем общую целевую функцию (ЦФ) F для одновременной оптимизации по амплитудному критерию и критерию согласования.
г = м max(U(t)) | Д/ |max(E(t)) -2max(UBX(t))| 1 max( E (t)) 2 max |E (t)| '
где Mi - весовой коэффициент /-го критерия, i=1, 2, ..., Nc, где Nc - число критериев оптимизации, а U(t) - напряжение на выходе МФ, E(t) - напряжение ЭДС источника и ивх(1) - напряжение на входе МФ. Значения весовых коэффициентов приняты равными 0,5.
Отклонения результатов оптимизации рассчитаны по формуле
X1 - X 2
а =-
X1 + X 2
где X1 - максимальное значение, X2 - минимальное значение.
В качестве подхода к моделированию температуры использована простая температурная модель вида P(T), где P - какая-либо из характеристик структуры, а T - текущая температура окружающей среды. Модель термического изменения каждого из параметров МФ имеет вид x=x0(1+aAT),
где x - значение параметра МПЛП с учетом термического расширения; x0 - исходное значение этого параметра; а - коэффициент линейного термического расширения материала; AT - разница температур. Значение а для меди принято равным 17• 10-6 (1/°C) в соответствии с [12], а для диэлектрической основы, в качестве которой взят материал FR-4, по оси Z -70 10-6 (1/°C), а по осям X и Y - 1710-6 (1/°C) [13].
Температурная зависимость sr учтена аналогично. Для FR-4 коэффициент а получен следующим образом. На основе данных из работы [7] вычислен абсолютный коэффициент изменения sr от Т как
100%
F — F
_ r max r min
Uo -
T — T .
max min
где Ттах и Ттп - максимальное и минимальное из значений диапазона температур, а £гтах и £гт[п - максимальное и минимальное из значений диэлектрической проницаемости для крайних точек диапазона Т. На рис. 2 приведены зависимости £г от Т для разных частот, из которых следует, что а0=-0,003 (1/°С). Тогда, разделив а0 на среднее значение £г=5,6 (при Т-25 °С), получим а=-5,35 10-4 (1/°С).
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Рис.
400 450 500 Температура Т, К
2. Зависимость s^T) для разных частот из [7]
Результаты моделирования и оптимизации МФ при влиянии температуры
Здесь приведены результаты исследования МФ на основе 3-проводной МПЛ с использованием температурной модели. Оптимизация МФ выполнялась при крайних (минус 50°С и 150°С) и среднем (25°С) значениях температур. Приведены значения оптимизируемых параметров И, а также макси-
мальный уровень выходного напряжения (Цвых) и общее время расчета. Для начала выполнена оптимизация только по амплитудному критерию (минимизация Цвых на выходе МФ) посредством ГА при 500 вычислениях (10 особей и 50 поколений). Результаты такой оптимизации представлены в таблице 1, где т - среднее значение параметров, А - отклонение параметров. На рис. 3 показаны формы ЭДС и напряжения на входе и выходе МФ после оптимизации.
Таблица 1 - Результаты 5 запусков ГА при -50, 25 и 150°С по амплитудному критерию при 500 вычислениях
№ h, мкм t, мкм Sl, мкм S2, мкм Цвых, мВ Время, с
-50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150°
1 99,5 100,8 100,9 167,3 139,3 161,5 287,8 299,2 300,6 416,0 436,1 439,3 114,8 117,8 120,0 2018 1962 1939
2 100,3 100,0 102,5 154,6 147,0 199,0 290,2 296,9 283,3 423,7 429,8 416,6 115,1 116,2 120,2 1999 1983 1950
3 100,3 100,8 100,9 198,3 168,9 124,1 280,0 282,0 298,2 405,8 409,4 433,8 114,7 116,7 120,3 1500 1950 1952
4 101,1 101,6 100,9 185,0 199,3 151,6 292,5 291,4 275,5 421,5 425,1 404,6 115,3 116,8 119,9 2019 1972 1931
5 99,5 100,8 103,3 173,7 159,1 198,3 278,4 274,9 281,0 407,3 406,3 410,3 114,4 117,3 120,0 1459 1948 1929
m 100,1 100,8 101,7 175,8 162,7 166,9 285,8 288,9 287,2 414,9 421,3 420,9 114,9 117,0 120,1 1799 1963 1940
Д,% 0,4 0,8 1,2 12,4 17,7 23,2 2,5 4,2 4,4 2,2 3,5 4,1 0,4 0,7 0,2 16,1 0,9 0,6
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
2 2,5 Время t, не
Рис. 3. Формы ЭДС (—) и напряжения на входе МФ при минус 50 (- -), 25 (- -), 150 (- -) °C и выходе МФ при минус 50 (—), 25 (—), 150 (—) °C после оптимизации посредством ГА по амплитудному критерию при 500 вычислениях
Из таблицы 1 видно, что при увеличении температуры (от минус 50°С до 150°С) т для всех оптимизируемых параметров незначительно увеличиваются (например, на 1,53% для к). Также, с увеличением температуры, ввиду учета термического расширения всех параметров МПЛ, аналогично увеличиваются значения фиксированных параметров w и й (с 998,7 до 1002 мкм и с 299,2 до 301,2 мкм, соответственно). Значение ивых также увеличивается: с ростом температуры на 40°С, в среднем, на 1 мВ. В результате оптимизации удалось получить наименьший уровень ивых, составляющий 114,4 мВ (при минус 50°), что в 2 раза меньше уровня входного напряжения (ивх). При этом наибольшее значение А наблюдается у параметра I, поскольку его изменение оказывает меньшее влияние (по сравнению с другими параметрами) на достижение экстремума данной ЦФ, состоящей из одного критерия. В то же время, значение А для ивых составляет менее 1%, что говорит о хорошей сходимости вычислений. Значение т для одного запуска, при температуре минус 50°С, составило 1799 с, при 25°С - 1963 с, а при 150°С - 1940 с. Из рис. 3 видно, что, несмотря на частичное наложение фронтов и спадов импульсов разложения, результирующее значение ивых не превышает 120,3 мВ для 150°С, а критерий достигается при выравнивании амплитуд мод импульсов разложения.
Далее выполнена аналогичная оптимизация, но при 1000 вычислениях (10 особей и 100 поколений), результаты которой представлены в таблице 2. На рис. 4 показаны формы ЭДС, напряжения на входе и выходе МФ после оптимизации.
Видно, что, по сравнению с оптимизацией при 500 вычислениях, значение А для оптимизируемых параметров уменьшается (например, с 0,8% до 0,4% для к, с 17,7% до 9,1% для t, с 4,2% до 3% для s1, с 3,5% до 2,6% для при 25°С). Значение А для ЦФ также уменьшается при температурах минус 50° и 25°С и во всех случаях также остается в пределах 1%. Однако, при большем числе вычислений, время расчетов увеличивается примерно в 2 раза (значение т для одного запуска при температуре минус 50°С - 3900 с, при 25°С - 3860 с, при 150°С - 4105 с). Минимальное значение ивых наблюдается также при тем-
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
пературе минус 50°С и составляет 114,3 мВ, что в 2 раза меньше уровня ивх. Из представленных таблиц 1-2 видно, что ГА сходится к одному и тому же значению ЦФ уже при 500 вычислениях. Это подтверждает нахождение глобального экстремума ЦФ, который изменяется при крайних значениях температуры.
Таблица 2 - Результаты 5 запусков ГА при -50, 25 и 150°С по амплитудному критерию при 1000 вычислениях
№ h, мкм t, мкм 51, мкм s2, мкм ивых, мВ Время, с
-50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150°
1 99,5 100,0 100,9 170,1 163,3 199,0 277,6 278,0 287,3 405,8 404,7 418,1 114,3 116,4 118,9 3962 3871 3902
2 99,5 100,0 100,9 190,6 178,8 176,4 284,7 287,5 287,3 412,0 416,5 417,4 114,7 116,6 118,8 3927 3856 3874
3 99,5 100,0 102,5 174,4 192,9 187,7 276,1 276,5 281,8 404,2 407,8 412,6 114,7 116,9 120,0 3838 3873 4180
4 100,3 100,0 100,9 198,3 181,6 127,6 280,0 293,7 292,8 406,5 425,1 425,2 114,8 116,3 119,9 3864 3850 4254
5 100,3 100,8 100,9 196,2 195,8 165,0 277,7 292,2 294,3 403,4 425,9 426,0 114,4 116,7 119,7 3914 3852 4316
m 99,8 100,2 101,2 185,9 182,5 171,1 279,2 285,6 288,7 406,4 416,0 419,9 114,6 116,6 119,5 3901 3860 4105
Д,% 0,4 0,4 0,8 7,6 9,1 21,9 1,5 3 2,2 1,1 2,6 1,6 0,2 0,3 0,5 1,6 0,3 5,4
и 1000 -1
s
Ь" 800 "
g 600 -К
% 400 -
^ 200 -
eö
M 0
ллетосл
0,5
1,5
2 2,5 Время t, нс
3,5
4
4,5
Рис. 4. Формы ЭДС (—) и напряжения на входе МФ при минус 50 (- -), 25 (- -), 150 (- -) °С и выходе МФ при минус 50 (—), 25 (—), 150 (—) °С после оптимизации посредством ГА по амплитудному критерию при 1000 вычислениях
Из рис. 3 и 4 видно, что при оптимизации, импульсы 1 и 2 (а в некоторых случаях также 2 и 3 импульсы) на выходе МФ частично накладываются друг на друга. Также видно, что температура 150°С является причиной более раннего прихода импульсов в конец МФ (около 3,56 нс), по сравнению с 25°С (около 3,71 нс) и минус 50°С (около 3,764 нс). В то же время, из рис. 3 и 4 видно, что имеет место рассогласование линии с трактом ввиду несоблюдения условия равенства напряжения на входе половине ЭДС источника (критерий согласования) [9]. Кроме этого, видно, что во всех случаях сходимость ЦФ достигалась при полном рассогласовании МФ с трактом (при ЭДС 1В, значение ивх составляет примерно 0,2 В). Поэтому важно также оценить возможность минимизации значения ивых при согласовании МФ с трактом.
Для этого выполнена двухкритериальная оптимизация: одновременно по амплитудному критерию и критерию согласования. Ее результаты при 500 вычислениях для крайних (минус 50°С и 150°С) и среднего (25°С) значений температур представлены в таблице 3. Значения т для ивх. для минус 50°С,
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
0
1
3
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
25°С и 150°С составили 501,2, 509,1 и 517,7 мВ, соответственно. На рис. 5 показаны формы ЭДС, напряжения на входе и выходе МФ после оптимизации.
Таблица 3 - Результаты 5 запусков ГА при -50, 25 и 150°С по двум критериям при 500 вычислениях_
№ h, мкм t, мкм 51, МКМ s2, мкм ивых, мВ Время, с
-50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150°
1 296,8 299,2 297,1 20,7 24,9 20,0 280,0 293,7 200,0 558,5 552,9 453,5 172,8 170,3 173,3 1974 1957 1953
2 297,6 300,0 301,0 27,1 20,7 30,0 276,1 292,9 264,5 530,3 559,2 540,7 170,6 170,8 174,8 2059 1948 1950
3 296,8 299,2 301,0 29,2 25,6 22,1 193,1 292,9 209,4 451,2 552,2 477,9 175,9 169,3 174,5 1982 2006 1951
4 296,8 297,6 302,6 24,2 28,5 23,3 205,6 299,2 299,8 450,4 543,5 583,2 170,6 168,0 173,9 1987 1986 1959
5 298,4 296,1 301,8 20,0 24,2 23,5 251,1 298,4 268,4 506,7 552,9 539,1 170,2 169,6 173,2 1925 1995 1948
m 297,3 298,4 300,7 24,2 24,8 23,8 241,2 295,4 248,4 499,4 552,1 518,9 172,0 169,6 173,9 1985 1978 1952
Д,% 0,3 0,6 0,9 18,7 15,9 20 18,4 1,1 20 10,7 1,4 12,5 0,7 0,8 0,5 3,4 1,5 0,3
m
s
à"
<и S К
1000 800 600
% 400
200 0
«
CP G
eö
д
п
'I
I I 1
0
ЩЖЩ
0,5
1
1,5
3
3,5
4
2 2,5 Время I нс
Рис. 5. Формы ЭДС (—) и напряжения на входе МФ при минус 50 (- -), 25 (- -), 150 (- -) °С и выходе МФ при минус 50 (—), 25 (—), 150 (—) °С после оптимизации посредством ГА по двум критериям при 500 вычислениях
4,5
Из таблицы 3 видно, что для оптимизируемых параметров значение А выросло (максимум 20% для ? и по сравнению с оптимизацией по одному критерию, однако оно находится в допустимых пределах, поскольку значение А для Пвх и ЦУвых остается меньше 1% для температур 25°С и 150°С, а для минус 50°С - не превышает 2%. При этом значение А для ивх не превышает 1%. Тем не менее, по сравнению с оптимизацией по одному критерию, А для ивых увеличилось, что связано с введением дополнительного критерия в ЦФ при оптимизации. Наименьшее значение ивых составляет 168 мВ для температуры 25°С. В общем случае, при двухкритериальной оптимизации алгоритм пытается определить «золотую середину» между результатами (ввиду задания весовых коэффициентов по 0,5 для каждого критерия). Однако, при оптимизации, достижение одного критерия может противоречить достижению другого. Этот факт может служить причиной возросших значений А. Также из таблицы 3 и рис. 5 видно, что значение ивх составляет примерно 500 мВ, т.е. половину ЭДС источника, обеспечивая тем самым согласование, а времена, затраченные на оптимизацию по одному и двум критериям (при 500 вычислениях), сопоставимы друг с другом. Результаты аналогичной оптимизации при 1000 вычислениях представлены в таблице 4. Значения т для ивх. для минус 50°С, 25°С и 150°С
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
составили 503, 509,5 и 520,5 мВ, соответственно. На рис. 6 показаны формы ЭДС и напряжения на входе и выходе МФ после оптимизации.
Таблица 4 - Результаты 5 запусков ГА при -50, 25 и 150°С по двум критериям при 1000 вычислениях_
№ h, мкм t, мкм Sl, мкм S2, мкм Цвых, мВ Время, с
-50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150°
1 297,6 300,0 302,6 22,1 20,0 21,4 297,2 278,0 243,2 533,0 562,4 505,4 169,8 174,1 171,7 4018 3841 3837
2 297,6 300,0 302,6 20,0 24,2 20,7 289,4 278,8 290,4 548,3 535,7 571,4 169,9 170,0 172,6 3922 3861 3801
3 298,4 300,0 302,6 27,0 24,9 20,0 244,0 293,7 244,8 502,1 563,1 498,4 172,7 172,2 170,3 4647 3857 3806
4 298,4 298,4 302,6 24,2 20,7 20,0 224,4 284,3 275,5 470,8 542,0 543,8 170,8 169,8 170,6 3824 3860 3809
5 297,6 299,2 302,6 23,5 20,7 22,8 273,0 220,0 295,9 522,4 472,9 569,0 169,2 171,8 172,3 3794 3841 3804
m 297,9 299,5 302,6 23,4 22,1 21,0 265,6 271,0 270,0 515,3 535,2 537,6 170,5 171,6 171,6 4041 3852 3811
Д,% 0,1 0,3 0 9,5 10,9 6,5 14 14,3 9,8 7,6 8,7 6,8 1,0 1,3 0,7 10,1 0,3 0,5
m 1000 -i
s
b 800 "
g 600 -К
% 400 -
^ 200 -\
ей
к
0
0,5
1,5
2 2,5 Время t, нс
3,5
4,5
Рис. 6. Формы ЭДС (—) и напряжения на входе МФ при минус 50 (- -), 25 (- -), 150 (- -) °С и выходе МФ при минус 50 (—), 25 (—), 150 (—) °С после оптимизации посредством ГА по двум критериям при 1000 вычислениях
0
1
3
4
Из таблицы 4 видно, что, по сравнению с оптимизацией при 500 вычислениях, значение А для оптимизируемых параметров уменьшается (максимум 14,3% для по аналогии с однокритериальной оптимизацией. Значение А для Пвх и Цвых также уменьшается (максимум 1,3% для значения Цвых при 25°С). При необходимости А для Цвых меньше 1%, целесообразно дальнейшее увеличение числа вычислений. Время расчетов, по сравнению с аналогичным при однокритериальной оптимизации, практически не меняется. Также, наименьшее значение ивых в случае двухкритериальной оптимизации при 1000 вычислениях находится на уровне 169,2 мВ для температуры минус 50°С, тогда как при однокритериальной оптимизации оно составляет 114,3 мВ (что естественно при достижении критерия согласования, увеличивающего значение ивх). Для температуры 25°С при двухкритериальной оптимизации это значение составляет 168 мВ, для однокритериальной - 116,2 мВ, а при 150°С для двухкритериальной - 170,3 мВ и для однокритериальной - 118,8 мВ. Из рис. 6 и таблицы 4 также видно, что значение ивх близко к 500 мВ, что говорит о достижении согласования. Как и в случае однокритериальной оптимизации, при 150°С импульсы разложения приходят раньше (около 3,22 нс), чем при 25°С (около 3,346 нс) и минус 50°С (около 3,412 нс). Наконец, видно, что, по
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
аналогии с однокритериальной оптимизацией, минимизация значения ивых достижима при выравнивании амплитуд импульсов разложения, однако в случае двухкритериальной оптимизации не происходит частичного наложения импульсов мод на выходе МФ.
Результаты аналогичной оптимизации посредством ЭС представлены в таблице 5. На рис. 7 показаны формы ЭДС и напряжения на входе и выходе МФ после оптимизации. Как отмечалось ранее, оптимизация посредством ЭС выполнялась по амплитудному критерию при 1000 вычислениях.
Таблица 5 - Результаты 5 запусков ЭС при -50, 25 и 150°C _по амплитудному критерию_
№ h, мкм t, мкм Si, мкм S2, мкм ивых, мВ Время, с
-50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150° -50° 25° 150°
1 99,5 100,1 100,9 172,7 160,8 127,0 293,7 279,9 300,2 423,5 409,0 433,3 113,9 116,0 119,8 5657 4892 4150
2 99,5 100,0 100,9 173,1 191,0 189,5 293,5 295,6 288,2 423,6 426,6 418,0 114,0 115,9 118,6 5100 5120 4112
3 99,5 100,0 100,9 94,2 186,2 189,5 294,2 281,3 288,2 427,0 408,6 418,0 114,7 115,6 118,6 4729 5262 4123
4 99,8 100,1 100,9 140,8 187,2 121,5 292,8 280,8 290,1 422,7 408,6 421,3 115,5 115,8 120,3 5038 5211 4186
5 99,7 100,0 100,9 94,4 104,5 189,1 293,6 280,0 287,6 426,8 410,0 417,1 114,9 116,4 118,7 4148 5190 4178
m 99,6 100,0 100,9 135,0 165,9 163,3 293,6 283,5 290,9 424,7 412,6 421,5 114,6 115,9 119,2 4934 5135 4150
Д,% 0,2 0,1 0 29,5 29,3 21,9 0,3 2,7 2,1 0,5 2,2 1,9 0,7 0,3 0,7 15,6 3,6 0,9
à"
<и S К
<и «
Л С ей
Д
1000 800 600 400 200
тлшл
0,5
1,5
2 2,5 Время t, нс
3,5
4,5
Рис. 7. Формы ЭДС (—) и напряжения на входе МФ при минус 50 (—), 25 (- -), 150 (- -) °С и выходе МФ при минус 50 (—), 25 (—), 150 (—) °С после оптимизации посредством ЭС по амплитудному критерию
0
0
1
3
4
Из таблицы 5 и рис. 7 видно, что результаты оптимизации посредством ЭС во многом схожи с результатами однокритериальной оптимизации посредством ГА. Наибольшее значение А наблюдается у параметра ? (29,5% при температуре минус 50°С), поскольку, как отмечалось ранее, его изменение оказывает меньшее влияние (по сравнению с другими параметрами) на достижение экстремума данной ЦФ, состоящей из одного критерия. Обычно, при оптимизации МФ при помощи классического алгоритма ЭС (без возможности задания диапазонов оптимизируемых параметров), сходимость ЦФ или оптимизируемых параметров достигается, в среднем, уже при 1500 вычислениях, показывая хорошие результаты, даже по сравнению с ГА (в основном, за счет значительного выигрыша по времени вычисления). Однако, при использовании модифицированного алгоритма ЭС видно, что достаточно 1000 вычислений (а может и
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
меньше), чтобы максимальное значение А для ивых не превышало 0,7%. Более того, наименьшие значения ивых получены при оптимизации посредством модифицированного алгоритма ЭС и составили 113,9 мВ при минус 50°С (тогда как лучший результат при однокритериальной оптимизации посредством ГА, при той же температуре, составил 114,4 мВ), 115,8 мВ при 25°С (116,2 мВ при ГА) и 118,8 мВ (119,9 мВ при ГА). При этом время, затраченное на оптимизацию посредством ЭС, сопоставимо со временем оптимизации посредством ГА.
Результаты моделирования и оптимизации МФ при влиянии влаги
В общем случае, моделирование воздействия влаги на МФ в системе ТАЬОАТ можно выполнять в 3 различных вариантах: когда с использованием модуля двухмерного моделирования полагалось, что вдоль поверхности МФ образован конденсат в виде случайных капель воды различного размера, образующий «дорожки» воды (рис. 8а); когда с использованием модуля двухмерного моделирования полагалось, что на отдельных сегментах МФ (например, в начале и в конце) образован конденсат в виде случайных капель воды различного размера (например, в эквивалентной схеме из рис. 8в, МПЛП 1 и 3 соответствуют поперечные сечения из рис. 1а, а МПЛП 2 - из рис. 8а); когда с использованием модуля трёхмерного моделирования полагалось, что на поверхности МФ образован конденсат в виде случайных капель воды различного размера (рис. 8б).
Sri
d
w si w s2 w
Sr2 ^
h
KgVbV
H
R V,
V5 Vs
МПЛП 1 V6 МПЛП 2 V9 МПЛП 3
(L, C, l) V7 (L, C, l) Vic (L, C, l)
to ViRn ViRRn
в)
Рис. 8. Поперечное сечение МФ на основе 3-проводной МПЛ с учетом влаги в модулях двухмерного (а) и трёхмерного (б) моделирования TALGAT и эквивалентная схема с разграничением сегментов МФ (в)
t
Рассмотрим оптимизацию посредством ГА и ЭС применительно к первому варианту воздействия влаги на МФ. Геометрическая модель поперечного сечения МФ на основе 3-проводной МПЛ представлена на рис. 8а, где ег1 - отно-
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
сительная диэлектрическая проницаемость подложки (4,4), а ег2 - воды (80). Эквивалентная схема МФ представлена на рис. 1в. В таблице 6 представлены результаты оптимизации посредством ГА и ЭС (для ГА, однокритериальная оптимизация выполнялась при 500 вычислениях, а двухкритериальная - при 1000). Значение т для ивх составило 473,8 мВ. На рис. 9-11 показаны формы ЭДС и напряжения на входе и выходе МФ после оптимизации.
Таблица 6 - Результаты 5 запусков одно- и двухкритериальной оптимизации ГА при 500 (ГА 1) и 1000 (ГА 2) вычислениях и ЭС с учетом влияния влаги
№ h, мкм t, мкм Si, мкм S2, мкм Цвых, мВ Время, с
ГА 1 ГА 2 ЭС ГА 1 ГА 2 ЭС ГА 1 ГА 2 ЭС ГА 1 ГА 2 ЭС ГА 1 ГА 2 ЭС ГА 1 ГА 2 ЭС
1 100,0 300,0 100,1 195,8 102,6 196,7 294,5 298,4 297,7 407,8 403,1 400,7 131,8 244,4 130,3 8388 7965 8248
2 100,8 300,0 100,0 199,3 87,8 199,7 293,7 289,8 299,7 401,6 400,0 401,7 131,2 252,5 130,2 8422 7906 8023
3 101,6 300,0 100,1 192,2 108,2 196,5 292,9 289,8 294,8 400,0 401,6 516,6 132,1 240,1 146,2 8284 7899 8095
4 100,0 300,0 100,1 197,2 130,8 186,4 298,4 293,7 299,3 402,4 405,5 400,2 130,5 231,0 131,1 8348 7927 7800
5 100,0 300,0 101,8 195,8 102,6 199,6 298,4 297,6 203,3 407,1 402,5 408,9 131,8 244,3 143,7 8491 7938 7894
m 100,5 300,0 100,4 196,1 106,4 195,8 295,6 293,9 279,0 403,8 402,5 425,6 131,5 242,5 136,3 8387 7927 8012
Д,% 0,8 0,0 0,9 1,8 19,7 3,4 0,9 1,5 19,2 1,0 0,7 12,7 0,6 4,4 5,8 1,2 0,4 2,8
в 1000 П
à"
<и S X
<и «
ZP
с
ей
Д
800 -600 -400 -200 -0 4
0,5
1,5
2 2,5 Время t, нс
3,5
4,5
Рис. 9. Формы ЭДС (-- ) и напряжения на входе (- -) и выходе (-- ) МФ после оптимизации посредством ГА по амплитудному критерию
при 500 вычислениях
0
1
3
4
m
à"
<и S X
<D «
CP G
ей
д
1000 800 600 400 200 0
0,5
1,5
2 2,5 Время t, нс
3,5
4,5
Рис. 10. Формы ЭДС (-- ) и напряжения на входе (- -) и выходе (-- ) МФ после оптимизации посредством ГА по двум критериям при 1000 вычислениях
0
1
3
4
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
ig 1000 à- 800 600
<u
s x
<D
5
6 200
G
eö
д
400
0 4
0,5
1,5
2 2,5 Время t, нс
zim.
3,5
4,5
Рис. 11. Формы ЭДС (—) и напряжения на входе (—) и выходе (—) МФ после оптимизации посредством ЭС по амплитудному критерию
Как видно из таблицы 6, А составляет менее 2% (даже для параметра I, который, как отмечалось ранее, оказывает меньшее влияние на изменение ЦФ). Время, затраченное на один запуск, в среднем 8386 с (что в 4 раза больше времени, затраченного на оптимизацию посредством ГА, при 500 вычислениях, с использованием температурной модели). Тем не менее, А для ивых не превышает 1%. Из рис. 9 видно, что достижение амплитудного критерия, в данном случае, возможно за счет выравнивания амплитуд не всех, а лишь импульсов мод 2 и 3. При этом минимальное значение ивых составляет 130,5 мВ (114,4 мВ с использованием температурной модели при оптимизации по одному критерию и 500 вычислениях). Также видно, что импульсы разложения не накладываются друг на друга. Из таблицы 7 и рис. 10 видно, что уровень ивх около 475 мВ близок к половине значения ЭДС источника, что говорит о согласовании линии с тактом. Кроме того, видно, что разницы задержек соседних импульсов разложения возросли по сравнению с рис. 9 (с 0,15 и 0,15 нс до 0,304 и 0,299 нс между импульсами мод 1, 2 и 2, 3, соответственно). Максимальное значение А для ? составляет 19,7%, ивх - 1%, а ивых - 5%. Время оптимизации немного меньше (в среднем, на 5,48%) аналогичного при однокритериальной оптимизации. Из таблиц 6 и 8 и рис. 9 и 11, видно, что при оптимизации с помощью ГА и ЭС, А для И не превышает 1%, что говорит о его хорошей сходимости. Тем не менее, при оптимизации посредством ЭС, А остальных параметров возросло (от 1,8% до 3,4% для t, от 0,9% до 19,2% для ^ и от 1% до 12,7% для S2). Также видно, что А для ивых возросло до 5,8%, однако на выходе МФ наблюдаются импульсы мод 2 и 3 с равными амплитудами (по аналогии с ГА). Наименьшее значение ивых, полученное при помощи ЭС, составляет 130,2 мВ (при однокритериальной оптимизации с помощью ГА - 130,5 мВ). Наконец, затрачивалось близкое время на один запуск для ЭС и ГА при 1000 вычислениях, что подчеркивает тот факт, что использование модифицированного алгоритма ЭС приближает вычисления к точности ГА при большем времени оптимизации, в отличие от классического алгоритма ЭС.
0
1
3
4
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Выводы
Представлены результаты одно- и двухкритериальной оптимизации посредством ГА и модифицированного алгоритма ЭС МФ на основе 3-проводной МПЛ при влиянии температуры и влаги. С точки зрения оптимизации, работа ЭС показала лучшие результаты в задаче минимизации значения ивых, хотя и заняла больше времени по сравнению с ГА (при учете влияния температуры -113,9 мВ при 5657 с для ЭС к 114,3 мВ при 3962 с для ГА). Значение А для ивых для всех расчетов при учете влияния температуры находится в пределах 1%, а влияния влаги - 6%. В результате двухкритериальной оптимизации удалось получить равные амплитуды импульсов разложения на выходе МФ при согласовании МФ с трактом (поскольку значение ивх во всех случаях близко к половине ЭДС источника). Высокая сходимость результатов, в т.ч. для разных методов оптимизации, позволяет делать вывод о достижении глобального экстремума ЦФ (во всех вариантах оптимизации). Также продемонстрировано смещение экстремума ЦФ при влиянии температуры: изменялись значения как оптимизируемых параметров, так и самой ЦФ. Установлено, что наименьшее значение ивых достижимо при более низкой температуре окружающей среды. Моделирование конденсата на поверхности МФ вносит дополнительную сложность в расчеты, увеличивая общее время оптимизации. Влияние конденсата увеличивает результирующее значение ивых на выходе МФ (для примера, однокрите-риальная оптимизация с помощью ГА с учетом влияния температуры позволила получить минимальное значение ивых - 114,4 мВ, а влаги - 130,5 мВ). Таким образом, продемонстрирована возможность обеспечения высоких защитных характеристик (в частности, эффективного ослабления помехового СКИ) МФ на основе 3-проводной МПЛ в экстремальных условиях при воздействии температуры и влаги.
Выявленные, в результате данной работы, новые причинно-следственные связи, в части влияния температуры и влаги на характеристики МФ на основе 3-проводной МПЛ целесообразно учитывать на этапе проектирования МФ. В дальнейшем предполагается исследовать защитные характеристики более сложных полосковых и кабельных структур в экстремальных условиях.
Результаты оптимизации получены при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-900.2022.4, моделирование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России по проекту FEWM-2022-0001.
Литература
1. Nishiyama H., Okamoto T., Kim Y., Fujimoto D., Hayashi Y. i. Fundamental Study on Influence of Intentional Electromagnetic Interference on IC Communication // 2019 12th International Workshop on the Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits (EMC Compo). 2019. P. 201-203.
2. Gizatullin Z. M., Gizatullin R. M., Nuriev M. G. Prediction of Noise Immunity of Computing Equipment under the Influence of Electromagnetic Interference through the Metal Structures of Building by Physical Modeling // 2020
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), IEEE. 2020. P. 120-123.
3. Nuriev M. G., Gizatullin R. M., Gizatullin Z. M. Physical Modeling of Electromagnetic Interferences in the Electronic Devices at Direct Impact of Lightning on Protection System of Building // 2018 XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2018. P. 355-358.
4. Gazizov A. T., Zabolotsky A. M., Gazizov T. R. UWB Pulse Decomposition in Simple Printed Structures // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2016. Vol. 58. № 4. P. 1136-1142.
5. Норенков И. П. Автоматическое проектирование. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 188 с.
6. Long Q., Wu C., Huang T., Wang X. A genetic algorithm for unconstrained multi-objective optimization // Swarm and Evolutionary Computation. 2015. № 22. P. 1-14. DOI: 10.1016/j.swevo.2015.01.002.
7. Li H.-M., Ra C.-H. Frequency and temperature dependence of the dielectric properties of a PCB substrate for advanced packaging applications // Journal of the Korean Physical Society. 2009. № 3. P. 1096-1099.
8. Kuksenko S. P. Preliminary results of TUSUR university project for design of spacecraft power distribution network: EMC simulation // Journal of Physics: conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 560. № 012110. P. 1-7.
9. Белоусов А. О. Анализ и оптимизация многопроводных структур с модальным разложением для обработки импульсных сигналов. Дис. ... канд. техн. наук. - Томск: ТУСУР, 2020. - 247 с.
10. Hansen N. Python: module barecmaes2 [Электронный ресурс]. 2014. -URL: http: //www. cmap. polytechnique. fr/~nikolaus. hansen/barecmaes2. html (дата обращения 06.11.2022).
11. Gordeyeva V. O., Belousov A. O. Optimization of a broad-side coupling modal filter by evolutionary strategy algorithm with setting the ranges of the optimization parameters // Journal of Physics: conference Series. 2022. Vol. 2291. № 012014. P. 1-8. DOI: 10.1088/1742-6596/2291/1/012014.
12. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1985. - 606 с.
13. Новоттник М. Высокотемпературные электронные модули на основе органических плат // Технологии в электронной промышленности. 2009. № 8. С. 51-55.
References
1. Nishiyama H., Okamoto T., Kim Y., Fujimoto D., Hayashi Y. i. Fundamental Study on Influence of Intentional Electromagnetic Interference on IC Communication. 2019 12th International Workshop on the Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits (EMC Compo), 2019, pp. 201-203.
2. Gizatullin Z. M., Gizatullin R. M., Nuriev M. G. Prediction of Noise Immunity of Computing Equipment under the Influence of Electromagnetic
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Interference through the Metal Structures of Building by Physical Modeling. 2020 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2020, pp. 120-123.
3. Nuriev M. G., Gizatullin R. M., Gizatullin Z. M. Physical Modeling of Electromagnetic Interferences in the Electronic Devices at Direct Impact of Lightning on Protection System of Building. 2018 XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), 2018, pp. 355-358.
4. Gazizov A. T., Zabolotsky A. M., Gazizov T. R. UWB Pulse Decomposition in Simple Printed Structures. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2016, vol. 58, no. 4, pp. 1136-1142.
5. Norenkov I. P. Avtomaticheskoe proektirovanie [Automatic design]. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 2000, 188 p. (in Russian).
6. Long Q., Wu C., Huang T., Wang X. A genetic algorithm for unconstrained multi-objective optimization. Swarm and Evolutionary Computation, 2015, no. 22, pp. 1-14, DOI: 10.1016/j.swevo.2015.01.002.
7. Li H.-M., Ra C.-H. Frequency and temperature dependence of the dielectric properties of a PCB substrate for advanced packaging applications. Journal of the Korean Physical Society, 2009, no. 3, pp. 1096-1099.
8. Kuksenko S. P. Preliminary results of TUSUR university project for design of spacecraft power distribution network: EMC simulation. Journal of Physics: Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 560, no. 012110, pp. 1-7.
9. Belousov A. O. Analiz i optimizaciya mnogoprovodnyh struktur s modal'nym razlozheniem dlya obrabotki impul'snyh signalov. Dis. kand. tekhn. nauk [Analysis and optimization of multiconductor structures with modal decomposition for pulse signal processing. Ph.D. Tesis]. Tomsk, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 2020, 247 p. (in Russian).
10. Hansen N. Python: module barecmaes2 [Online resource]. 2014. Available at: http://www.cmap.polytechnique.fr/~nikolaus.hansen/barecmaes2.html (accessed 6 November 2022).
11. Gordeyeva V. O., Belousov A. O. Optimization of a broad-side coupling modal filter by evolutionary strategy algorithm with setting the ranges of the optimization parameters. Journal of Physics: Conference Series, 2022, vol. 2291, no. 012014, pp. 1-8. DOI: 10.1088/1742-6596/2291/1/012014.
12. Landsberg G. S. Elementarnyj uchebnik fiziki. Mekhanika. Teplota. Molekulyarnaya fizika [Elementary physics textbook. Mechanics. Heat. Molecular physics]. Moscow, Nauka Publ., 1985, 606 p. (in Russian).
13. Nowottnick M. Vysokotemperaturnye elektronnye moduli na osnove organicheskih plat [High-temperature electronic modules based on organic boards], Tekhnologii v elektronnoj promyshlennosti, 2009, No 8, pp. 51-55 (in Russian).
Статья поступила 12 ноября 2022 г.
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Информация об авторах
Белоусов Антон Олегович - кандидат технических наук, доцент кафедры телевидения и управления, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств». Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Область научных интересов: электромагнитная совместимость, проектирование защитных устройств на основе модальной фильтрации, оптимизация защитных устройств. E-mail: ant 1 lafleur@gmail .com
Гордеева Виктория Олеговна - аспирант кафедры телевидения и управления, инженер научно-исследовательской лаборатории «Безопасность и электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств». Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Область научных интересов: электромагнитная совместимость, защита от электромагнитных помех, методы оптимизации, эволюционные алгоритмы. E-mail: [email protected]
Адрес: 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 40.
Analysis of the characteristics of three-conductor modal filter under extreme conditions
A. O. Belousov, V. O. Gordeyeva
Problem statement: the problem of ensuring electromagnetic compatibility (EMC) of modern radio-electronic equipment (REE) is becoming more and more relevant every year. The reason for this is the growing functional complexity of REE and the tendency to their miniaturization, including by increasing the density ofprinted circuit board (PCB) routing. Electromagnetic interference (EMI) of various natures can lead to destabilization and destruction of critical REE elements. Critical are understood as such REE, the failure of which entails various negative consequences. Ultrashort pulses (USP) are one of the types of EMI of artificial nature and are characterized by high voltage, short duration and wide spectrum. The last decade is characterized by active research ofprotective structures with modal phenomena for the protection of critical REE from USP, which differ in a number of advantages compared to traditional protective devices. The principle of operation of such structures is to decompose the USP into a sequence ofpulses of smaller amplitude due to the difference in mode delays in the transmission line. They are called modal filters (MF) and are implemented in strip and cable versions. One of the most important stages when designing an MF is optimization. Opportunities for optimization, in relation to the MF, are currently not studied enough. In addition, the issue of the MF operating in extreme conditions remains without due attention. In particular, it is expedient to evaluate the protective characteristics of the MF (USP attenuation, the difference in per-unit-length mode delays, etc.) when exposed to temperature and moisture. Finally, it seems important to determine the optimal values of the geometric parameters of the MF under extreme conditions and assess the possibility of maintaining the required protective characteristics. The purpose of this work is to study the protective characteristics of an MF based on a 3-conductor microstrip line (MSL) when exposed to temperature and moisture in single- and multicriteria optimization. Methods used: in calculations, we used a quasi-static simulating system based on the method of moments, and in optimization we used a simple genetic algorithm (GA) and a modified algorithm of evolutionary strategies (ES). We performed optimization according to the amplitude the matching criteria. We simulated the temperature exposure taking into account the well-known model of the P(T) type, taking into account the thermal change in the geometric and electrical MSL parameters. Novelty: for the first time, single- and multicriteria optimization of the MF based on a 3-conductor MSL was performed using GA and a modified ES algorithm when exposed to temperature and moisture. We managed to achieve high convergence of results during optimization: the deviation of the maximum voltage at the MF
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
Системы управления,связи и безопасности №4. 2022
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
output does not exceed 1 % when using the temperature model and 6% when exposed to moisture. As a result of multicriteria optimization, we obtained equal amplitudes of decomposition pulses at the MF output when matching the MF with the path. We have found that the lowest maximum voltage at the MF output is achievable at lower ambient temperatures. The resulting value of the maximum voltage at the MF output increases when MF is simulated with condensate on its surface. Results. As a result of multicriteria optimization, we managed to obtain equal amplitudes of decomposition pulses at the output of the MF when its matching with the path. Thus, the article demonstrates the possibility ofproviding high protective characteristics of an MF based on a 3-conductor MSL under extreme conditions. Practical relevance. The identified features of the behavior of the protective characteristics of the MF when exposed to temperature and moisture, as well as their high level when functioning in such environments, open up the possibility of detailing and evaluating the parametric and electrophysical parameters of the PCB, including through optimization, taking into account environmental exposures at the PCB design stage. Finally, the possibility of practical application of the investigated MF for the protection of REE from USP (due to its low mass, radiation resistance, reliability, and improved characteristics) opens up in a wide variety of areas, including under extreme conditions.
Key words: electromagnetic compatibility, ultrashort pulse, modal filtration, modal filter, microstrip line, optimization, genetic algorithm, evolutionary strategies, temperature exposure, moisture exposure.
Information about Authors
Anton Olegovich Belousov - Ph.D. of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Television and Control, Senior Research Fellow of the research laboratory «Safety and electromagnetic compatibility of radio-electronic means». Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics. Field of research: electromagnetic compatibility, design of protective devices based on modal filtration, optimization of protective devices. E-mail: [email protected]
Viktoriya Olegovna Gordeyeva - Graduate at the Department of Television and Control, Engineer of the research laboratory «Safety and electromagnetic compatibility of radio-electronic means». Tomsk State University of Control Systems and Radi-oelectronics. Field of research: electromagnetic compatibility, electromagnetic interference protection, optimization methods, evolutionary algorithms. E-mail: [email protected]
Address: Russia, 634050, Tomsk, Lenina prospekt, 40.
DOI: 10.24412/2410-9916-2022-4-64-82
