CC BY
83
Метод моделирования радиоэлектронных средств как излучающих объектов
Лемешко Н.В.
ФГУП Научно-исследовательский институт радио nlem83@mail.ru
Аннотация. В работе предложен метод моделирования радиоэлектронных средств, предназначенный для оценочных расчетов формируемого ими излучения в выбранной точке пространства в некотором диапазоне частот. Метод рассматривается как составная часть теории виртуальной сертификации.
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, виртуальная сертификация, моделирование, расчет, радиоэлектронное средство, излучение, алгоритм.
1 Введение
С развитием средств и методов математического моделирования исследование многих процессов переводится в виртуальную плоскость. В частности, в работах [Кечиев, Лемешко, 2010а, Кечиев, Лемешко, 2010Ь] предложена концептуальная идея моделирования сертификационных испытаний по эмиссии излучаемых помех. Она состоит в том, что в рамках подготовки к лабораторным исследованиям на стадии проектирования выполняется моделирование процессов, определяющих помехоэмиссию в выбранной полосе частот. Это дает возможность оценить путем численного эксперимента результаты последующих лабораторных испытаний и заранее предпринять меры по доработке электронного устройства.
Одним из краеугольных камней теории виртуальной сертификации является подход к моделированию радиоэлектронных средств (РЭС) как излучающих объектов, позволяющему рассчитать напряженность формируемого электромагнитного поля в выбранной точке свободного пространства, значительно удаленной от излучающего объекта.
2 Представление о методе моделирования радиоэлектронных средств как излучающих объектов
Предлагаемый метод включает в себя отбор проводников для анализа, их декомпозицию на излучающие элементы, выбор характеристик фильтров, ограничивающих спектры токов в излучающих элементах, моделирование РЭС для получения временных зависимостей токов в ветвях схемы с учетом их частотного ограничения, расчет путей распространения электромагнитных волн до точки наблюдения и их дополнительного ослабления, реализацию принципа суперпозиции и расчет результирующей напряженности, соотнесение её ориентации с
предполагаемым положением плоскости поляризации измерительной антенны, оценку интегральных параметров излучения РЭС в точке наблюдения.
Предложенный метод должен быть алгоритмизирован на уровне практически применимой методики. Схема её алгоритма приведена на рис. 1. Отправной точкой алгоритма является постановка задач выполнения моделирования. На данном этапе определяют частоту анализа и пространственное расположение точки наблюдения, а также режим функционирования РЭС, для которого выполняется оценка уровня излучаемых помех. Как и в частном случае сертификационных испытаний, моделируемый режим работы РЭС может характеризоваться как отличающийся наибольшей эмиссией радиопомех. В этом случае он выбирается на основе анализа всех возможных режимов работы РЭС.
Следующим этапом алгоритма является анализ задач выполнения моделирования и исходных данных. В качестве последних выступают сведения о конструкции и схемотехнике РЭС, а также электрофизические свойства материалов т.е. полный проект РЭС. В ходе анализа исходных данных определяется их достаточность для решения задачи моделирования РЭС как излучающего объекта и расчета уровня излучения в точке наблюдения. Важно отметить, что к исходным данным относят и схемные модели элементов, входящих в РЭС, от точности которых зависит погрешность расчетов токов, порождающих электромагнитное излучение.
Целью анализа задач выполнения моделирования является оценка применимости основных положений теории виртуальной сертификации к их решению. Основным требованием является значительное превосходство измерительного расстояния над размерами РЭС. Поэтому точка наблюдения не может располагаться, например, внутри корпуса РЭС. На данном этапе выполняют разделение задач моделирования на частные циклы расчета излучения, характеризующиеся фиксированным положением точки наблюдения и постоянством частоты анализа. Далее для каждого такого цикла формируется задание на моделирование. Этот этап включает в себя определение всех параметров, необходимых для дальнейшего анализа излучений РЭС, включая коэффициент отбора, максимальное ослабление частотно-ограничивающих фильтров на частоте анализа и т.д.
Выработка методики отбора проводников, определяющих эмиссию излучаемых помех на частоте анализа, является следующим этапом алгоритма. В работе рассматривались формальный и экспертный подходы к решению задачи отбора проводников, а также были приведены результаты экспериментальных оценок. В зависимости от наличия дополнительной информации о сигналах, текущих в РЭС данного класса, и результатах дополнительных, предварительно проведенных исследований эти методы могут упрощаться либо комбинироваться в той или иной
форме. Если таких данных нет, то схемную модель РЭС подвергают формальному анализу с использованием схем, подробно рассмотренных в работе [Лемешко, 2012].
Расчет максимальной частоты спектров токов с учетом фильтрации
Классификация проводников как типовых излучающих элементов
Постановка задач
выполнения моделирования
Выбор структуры и расчет характеристик частотно-ограничивающих фильтров
Расчет коэффициентов распространения
Анализ задач выполнения моделирования и исходных данных
Отбор проводников РЭО для анализа излучений
Расчет максимально допустимой длины элементов декомпозиции
Формирование
задания на моделирование
Расчет путей ,, проходимых излучением от элементов декомпозиции до точки наблюдения
Расчет координат фазовых центров элементов декомопзиции
Моделирование
схемы РЭС. Расчет токов в
элементах декомпозиции
Расчет запаздываний для каждого пути распространения радиоволн от элементов декомпозиции до точки наблюдения
Расчет дополнительного ослабления электромагнитного поля при взаимодейь: ствии с элементами конструкции РЭС
Расчет1 результирующей напряженности поля в
точке наблюдения для каждого элемента декомпозиции
Расчет функции Е|Щ для каждого
элемента декомпозиции
Используется измерительный приемник
Используется схема, отличная от измери-: тельного приемника
Расчет суммарной
напряженности электромагнитного поля в точке наблюдения
Построение модели схемы для оценки интенсивности излучения
Выбор параметров ИП и построение его модели
Моделирование выбранной схемы для рассчитанного входного сигнала
т
Анализ
результатов
выполнения
моделирования
Выработка методики отбора проводников РЭО для анализа излучений
Разбиение проводников на элементы декомпозиции с учетом их классификации
Дополнение схемы РЭС частотное ограничивающими фильтрами
Рис. 1. Схема алгоритма методики моделирования РЭС как излучающего объекта
По результатам формального анализа формируются массивы пиковых и средних значений для тока и его производной после узкополосной фильтрации. Сопоставляя их нормированные по максимуму значения с
коэффициентом отбора, принимают решение об учете того или иного проводника при последующем расчете электромагнитного поля РЭС.
После отбора проводников выбирают структуру частотно-ограничивающих фильтров, которые будут использоваться при получении временных зависимостей токов, возбуждающих излучение, а также рассчитывают характеристики, одинаковые для всех фильтров. В качестве рекомендуемого в работе [Лемеппсо, 2012] рассматривался фильтр Баттерворта с порядком не ниже шестого для обеспечения достаточной крутизны спада частотной характеристики. Значение максимальной частоты спектра используемое при расчете максимальной длинны элементов декомпозиции, определяется по формуле (3.21) упомянутой публикации.
Отобранные проводники классифицируются как типовые излучающие элементы и на основе анализа конструкции печатных узлов РЭС, рассматриваются в дальнейшем как единые конструкции. Для них выполняется расчет коэффициентов распространения, сводящийся к определению эффективных значений магнитной и диэлектрической проницаемости. Их расчет в ряде случаев может представлять собой нетривиальную задачу, поскольку на них влияют близко расположенные элементы конструкции, защитные покрытия и т.п. Здесь можно рекомендовать использование справочных данных, например, [Ганстон, 1976].
После расчета коэффициентов распространения для всех отобранных проводников определяют максимально допустимую длину элемента декомпозиции. Для этого следует использовать подходы, изложенные в работе [Лемешко, Захарова, 2013].
Этапы расчета коэффициентов распространения и максимальной длины элементов декомпозиции могут быть исключены из алгоритма, если максимальная длина элементов декомпозиции заведомо меньше допустимого значения. Для частот до 100 МГц это значение будет больше геометрических размеров большинства РЭС, что означает допустимость декомпозиции проводников только по критерию прямолинейности и однородности.
Далее выполняется разбиение проводников на элементы декомпозиции с протяженностью в направлении протекания токов не более максимально допустимой. При необходимости следует использовать адаптивное разбиение проводников, учитывающее конструкционные особенности РЭС.
Анализ электромагнитного излучения элементов декомпозиции выполняется на основе известных временных функций токов в них. На следующем этапе схема замещения РЭС дополняется частотно-ограничивающими фильтрами. Они должны вводиться в схему замещения так, чтобы не оказывать влияние на распределение токов в ней. Поэтому
целесообразно организовать все фильтры в виде отдельной макромодельной надстройки с абсолютной развязкой от остальной части схемы. Далее для каждого элемента декомпозиции рассчитывают координаты начальной и конечной точек, а также координаты фазового центра.
После этого для каждого элемента декомпозиции определяют один или несколько путей, проходимых электромагнитными волнами при следовании до точки наблюдения. Для этого используется подход, основанный на решении систем тригонометрических уравнений, построенных на основе законов геометрической оптики. На основе установленного порядка взаимодействия электромагнитных волн с элементами конструкции РЭС определяют время распространения электромагнитных волн от фазового центра элемента декомпозиции до точки наблюдения. Далее рассчитывают дополнительное ослабление электромагнитных волн для каждого элемента декомпозиции при взаимодействии их с элементами конструкции РЭС. Здесь рассматриваются процессы преломления на диэлектрических стенках корпуса и аналогичных деталях, включая прохождение волн через печатные узлы. Для металлических корпусов расчет ослабления выполняется по методике [Кечиев, Акбашев и др., 2010].
Следующий этап алгоритма предусматривает расчет результирующей векторной функции напряженности для выбранного компонента электромагнитного поля (выше рассматривалась напряженность электрической составляющей как используемой наиболее часто). Затем для выбранной на этапе формирования задания на моделирование ориентации плоскости поляризации (электрической оси) измерительной антенны выполняется расчет скалярной функции напряженности поля. Отметим, что такой переход может быть выполнен формально, если полагать, что антенна всегда ориентирована по поляризации, однако это допущение может быть принято только в том случае, если, во-первых, антенна удалена от РЭС на значительное расстояние, и, во-вторых, она обладает высокой поляризационной развязкой.
На следующем этапе выполняется расчет функции Е0(г), характеризующей эквивалентный сигнал, наведенный в гипотетической антенне с единичным коэффициентом калибровки. Обычно интенсивность излучения характеризуют напряженностью электрической составляющей электромагнитного поля, поэтому функцию Ео(0 можно рассматривать численно равной напряжению, которое подвергается оценке интегральных параметров.
Далее выбирают устройство для оценки интенсивности излучения. Измерительный приемник (ИП), модель которого в разных вариациях была предложена работе [Лемешко, 2012], является частным средством оценки
помехоэмиссии. В случае его использования построение модели ИП и моделирование для входного сигнала Е0{0 выполняется в соответствии со схемой алгоритма, приведенной в статье [Лемешьсо, Захарова, 2012]. Если используется схема, отличная от ИП, то вначале строится её модель, а затем выполняется моделирование. Важно отметить, что рассмотренная в разделе 2.5 проблема обеспечения сходимости результатов моделирования свойственна любой схеме для оценки интегральных параметров излучения РЭС, и она должна решаться с учетом конкретных её особенностей. Основной путь обеспечения сходимости состоит в предварительном исследовании модели путем сопоставления результатов моделирования с расчетными значениями при варьировании шага во временной области, как это было реализовано для модели измерительного приемника с квазипиковым детектором.
Анализ результатов моделирования, выполняемый на следующем этапе, обычно состоит в проверке соответствия устройства установленным нормам по излучаемым помехам. В общем случае содержание и порядок проведения данного анализа полностью определяются задачами, поставленными в начале алгоритма. Далее, если все задачи выполнения моделирования решены, то движение по алгоритму завершается. Количество заданий на моделирование обычно превосходит количество задач, поэтому моделирование повторяется по аналогичной последовательности несколько раз. При переходе к следующему циклу изменяется задание на моделирование, что и отражено в схеме.
Последовательно проходя по алгоритму, решают все поставленные в его начале задачи. Значительная часть позиций рассмотренного алгоритма может быть легко формализована, что в принципе позволяет использовать его непосредственно в системах автоматизации проектирования.
3 Заключение
Новизна предложенного метода моделирования РЭС как излучающего объекта определяется использованием новых моделей и подходов, а также его ориентацией на оценку интенсивности электромагнитного излучения РЭС в конкретной точке пространства.
Рассмотренный алгоритм является составной частью метода моделирования сертификационных испытаний, который учитывает дополнительные аспекты и условия их выполнения.
4 Список литературы
[Ганстон, 1976] Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. — М.: Связь, 1976. —152 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, 2012] Лемешко Н.В. Теоретические основы моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех. Монография. — М.: МИЭМ, 2012. — 196 с.
[Лемешко, Захарова, 2012] Лемешко Н.В., Захарова С.С. Методика использования моделей измерительных приемников для решения практических задач в области ЭМС.
— Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2012, №4. — с.43-47.
[Лемешко, Захарова, 2013] Лемешко Н.В., Захарова С.С. Декомпозиция проводников при численном анализе эмиссии излучаемых радиопомех. — Технологии ЭМС, №1 (44)
— М.: ООО Издательский дом «Технология», 2013. — с.3-16.
[Кечиев, Акбашев и др., 2010] Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б., Степанов П.В. Экранирование технических средств и экранирующие системы. — М.: ООО "Группа ИДТ", 2010. —470 с.
