CC BY
89
Метод моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех
Лемешко Н.В., Захарова С.С.
ФГУП Научно-исследовательский институт радио, НИУВШЭ nlem83@mail.ru, szaharova@hse.ru
Аннотация. В работе рассматривается метод моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех, обобщающий результаты, полученные при развитии данной теории. Рассматривается сущность теории виртуальной сертификации и процессы, подлежащие моделированию. Предлагается алгоритм моделирования сертификационных испытаний, анализируются его ограничения и аспекты практического использования.
Ключевые слова: виртуальная сертификация, моделирование, излучаемая радиопомеха, измерительный приемник, измерительная площадка, расчет.
1 Введение
Текущий период развития технической сферы характеризуется повышением пространственной насыщенности радиоэлектронными средствами (РЭС), которые должны качественно функционировать в заданной электромагнитной обстановке. Для этого в теории и практике проектирования решается вопрос обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС), центральной проблемой которой является ограничение помехоэмиссии на уровнях не выше допустимых.
Экспериментальный способ обеспечения ЭМС состоит в том, что после завершения проектирования изготавливается опытная партия РЭС, подвергаемая лабораторным испытаниям в нормализованных условиях. При исследовании излучаемых радиопомех измерения обычно проводятся на специальных площадках [ГОСТ Р 51320-99, 2000]. Считается, что спроектированное устройство соответствует предъявляемым требованиям, если 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 недешевы. Во-вторых, они характеризуются значительной длительностью, и, кроме того, при их проведении возможна утечка технологических и схемотехнических решений, составляющих коммерческую тайну разработчиков.
Метод моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех_
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 (ИП) при подаче 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], и рассматривать их в рамках настоящей работы нецелесообразно ввиду значительной сложности и объема. Однако для практического использования теории виртуальной сертификации большое значение имеет алгоритмизированное ее представление, которое предлагается ниже.
3 Особенности моделирования сертификационных испытаний
Моделирование сертификационных испытаний РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех предполагает более строгую и конкретную постановку задачи моделирования, чем для случая моделирования РЭС как излучающего объекта. Она заключается в расчете показания ИП с характеристиками, соответствующими требованиям стандартов [ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007, 2008; ГОСТ Р 51319-99, 2000] для текущей частоты анализа, на вход которого подается напряжение, наводимое в антенне, установленной в точке наблюдения, причем эта точка должна соответствовать максимуму напряженности поля для выбранной поляризации.
Таким образом, основное отличие между модельным анализом излучений РЭС в свободном пространстве и на измерительной площадке является потребность в моделировании условий проведения измерений. Одной из особенностей здесь является вращение диэлектрического стола с установленным на нем РЭС, которое позволяет при сопутствующем варьировании высоты подъема измерительной антенны определить
положение точки наблюдения, соответствующее максимальному показанию ИП.
Очевидным решением для максимизации оценки помехоэмиссии является многократный расчет с дискретным варьированием угла поворота РЭС и высоты поднятия антенны, т.е. реализация, соответствующая существующему порядку измерений. При этом может быть сформирован массив значений, характеризующих пространственное распределение интенсивности излучений вблизи РЭС. Он будет весьма информативным, и может использоваться при решении задач внутрисистемной и межсистемной ЭМС. Такой расчет предполагает многократную реализацию моделирования, и поэтому он приемлем только в том случае, если количество проводников невелико или если метод расчета не требует неоправданно больших вычислительных затрат [Алексеев, Головков, 2000].
Из изложенного следует, что метод моделирования сертификационных испытаний должен предусматривать предварительное определение положения точки наблюдения и последующий расчет показаний ИП для горизонтальной и вертикальной поляризации. При этом следует учитывать как возможность разной ориентации РЭС по азимуту по отношению к точке наблюдения, так и возможность вертикального перемещения измерительной антенны. В монографии [Лемешко, 2012] предложен принцип определения точки, соответствующей максимуму излучения, основанный на упрощенном скалярном суммировании излучений проводников РЭС в точках, расположенных на цилиндрической поверхности, удаленной от РЭС на измерительное расстояние. При таком решении реакция ИП на сигнал моделируется в упрощенной форме.
Важно отметить, что потенциальный вклад каждого из проводников в формирование излучений в произвольно выбранной точке наблюдения в общем случае будет зависеть от используемого типа детектора и от частоты анализа.
4 Метод моделирования сертификационных испытаний в алгоритмизированной форме
Существо метода моделирования отражает рассматриваемый ниже алгоритм, ориентированный на практическое применение (рис. 1).
Процесс начинается с постановки задачи выполнения моделирования. Стандартная постановка задачи предполагает расчет максимальных оценок помехоэмиссии РЭС, которые должны быть получены моделированием процедуры сертификационных испытаний, выполняемых в стандартных условиях с использованием моделей удовлетворяющего требованиям стандартов измерительного оборудования, и последующее сопоставление полученных результатов с нормами помехоэмиссии, установленными для данного класса оборудования и скорректированными — при
Метод моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств
по эмиссии излучаемых радиопомех_
необходимости — с учетом неопределенности результатов моделирования. На этом этапе выбирается значение измерительного расстояния.
Анализ задач выполнения моделирования направлен на определение потенциальной возможности моделирования сертификационных испытаний для РЭС данного типа и поиск принципиальных ограничений для моделей, заложенных в его основу. Важно отметить, что если задачи моделирования требуют использования специфических подходов к построению электродинамической модели РЭС, то это может являться принципиальным ограничением в использовании предлагаемого алгоритма. Существуют также ограничения по конструкции РЭС, которые подробно рассмотрены в [Лемешко, 2012].
В ходе анализа достаточности исходных данных проверяют наличие информации, на основе которой могут быть построены схемная и электродинамическая модели РЭС. Сюда относят модели компонентов РЭС, обеспечивающие необходимую точность расчетов токов в проводниках, информацию об электрофизических свойствах материалов РЭС для последующего расчета дополнительного ослабления электромагнитных волн в конструкциях РЭС и т.п. Далее выполняется определение границ проекта тестируемого РЭС, т.е. устанавливается, какие внешние подключения оно должно иметь при работе в штатном режиме. Их учитывают при построении электродинамической модели.
Заключение о характере спектрального распределения радиопомех формируется на основе экспертного анализа, например, по аналогии с ранее исследованными образцами РЭС такого же класса. На следующем этапе определяют совокупность частот анализа, для которых далее будут рассчитываться показания измерительного приемника. При этом следует учитывать рекомендации стандарта [ГОСТ Р 51320-99, 2000], согласно которым в случае радиопомех со сплошным спектром измерения проводят на частотах 0,010; 0,015; 0,025; 0,04; 0,06; 0,07; 0,10; 0,16; 0,24; 0,55; 1,0; 1,4; 2,0; 3,5; 6,0; 10; 22; 30; 45; 65; 90; 150; 180; 220; 300; 450; 600; 750; 900 и 1000 МГц. Если РЭС создает помехи на вполне определенных частотах, включая гармоники сигналов, то моделирование сертификационных испытаний проводят для этих частот в обязательном порядке.
Ясно, что количество частот, отобранных для использования при моделировании сертификационных испытаний, определяет общую длительность моделирования. Поэтому целесообразно учитывать любые дополнительные сведения, позволяющие сократить его, не пренебрегая, однако, проведением анализа на частотах, на которых может наблюдаться значительная помехоэмиссия.
После формирования задания на моделирование определяют требуемый режим функционирования РЭС и задействованные в этом режиме блоки. Эмиссия радиопомех зависит от уровня токов в проводниках РЭС. Режим функционирования, соответствующий
максимальной помехоэмиссии, должен определяться на основе экспертного анализа, причем он может изменяться при переходе к другой частоте анализа. На качественном уровне такой режим характеризуется наиболее интенсивным обменом данными, максимальными уровнями сигналов и т.п. Важно отметить, что сложные РЭС могут работать в нескольких сходных режимах, характеризующихся, однако, разной помехоэмисиией. В этом случае для определения необходимого режима работы требуются дополнительные исследования. Предпочтительным, но нерациональным решением является моделирование сертификационных испытаний для всех конкурирующих режимов.
Уровни питающих напряжений, также влияющие на интенсивность излучения, задаются перед выполнением схемотехнического моделирования РЭС. Обычно наиболее интенсивно РЭС излучают при больших уровнях питающих напряжений, но это не всегда выполняется и может потребовать уточнения.
Отбор проводников для расчета помехоэмиссии выполняется на основе формального анализа, методика выполнения которого была изложена в разделе 3.3 монографии [Лемешко, 2012]. При этом формируются массивы коэффициентов, характеризующих относительный вклад проводников в формирование уровня усредненных и пиковых показаний ИП, которые затем используются при определении координат точки наблюдения, соответствующей максимальной помехоэмиссии.
Далее выполняется построение схемной модели РЭС, используемой для расчета токов как функций времени в элементах декомпозиции проводников. Повышение точности результатов моделирования достигается путем использования взамен чисто электрической модели её комплексного варианта, обеспечивающего учет реальных температур элементов РЭС. Если используется комплексная модель, то полагают, что на момент начала моделирования элементы РЭС имеют температуры, соответствующие установившемуся тепловому режиму, которые должны быть рассчитаны предварительно. Блоки, не используемые в выбранном режиме работы, не учитываются в схемной модели.
На следующем этапе определяют конечное время моделирования электрических процессов в РЭС. Оно должно быть достаточным для завершения переходных процессов в схеме тестируемого РЭС и для выхода показаний ИП на установившийся уровень. Длительность протекания переходных процессов в РЭС после включения определяется классом оборудования и может составлять до нескольких десятков секунд. Далее выполняется расчет токов в элементах декомпозиции путем схемного моделирования РЭС.
Метод моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех_
Постановка задач
выполнения моделирования
Анализ задач выполнения моделирования
Анализ достаточности исходных данных
Определение режима функционирования РЭС и задействованных блоков
Формирование задания на моделирование
Отбор проводников РЭС для анализа излучений на основе формального анализа
Дополнение схемы РЭС частотно-ограничивающими фильтрами
_1Г_
Построение схемной (комплексной) модели РЭС, используемой для расчета токов в элементах декомпозиции
Определение пространственного положения точек наблюдения для случаев горизонтальной и верти-кальной поляризации
_]Г_
Расчет зависимостей суммарной воспринимаемой напряженности поля в точках наблюдения от времени_
Выбор структуры и расчет характеристик частотно-ограничивающих фильтров
Разбиение проводников на элементы декомпозиции с учетом их классификации
Определение конечного времени моделирования схемы РЭС
Формальный переход к временным функциям напряжений, подаваемых на вход измерительного приемника
Определение частот анализа помехоэмисии
Расчет максимальной частоты спектров токов с учетом фильтрации
Расчет максимально допустимой длины элементов декомпозиции
Моделирование
схемы РЭС. Расчет токов в
элементах декомпозиции
Расчет координат фазовых центров элементов декомопзиции
Введение системы координат
Выбор структуры и характеристик
модели измерительного приемника
Изменение задания на моделирование
Оценка неопределенности результатов моделирования
Сопоставление результатов
расчета с нормами помехоэмиссии
Корректировка результатов моделирования
Определение
характера спектрального распределения помех РЭС
Классификация проводников как типовых излучающих элементов
Расчет коэффициентов распространения
Дополнение конструкционной модели РЭС пластиной заземления
Определение положения оси вращения РЭС
Моделирование
ИП для рассчитанных
входных напряжений
Выбор максимального показания ИП по модели
РЭС соответствует
нормам помехоэмиссии
РЭС
не соответствует
нормам
помехоэмиссии
Рис. 1. Схема алгоритма методики моделирования сертификационных испытаний РЭС
по эмиссии излучаемых радиопомех
Затем в дополнение к конструкционной модели РЭС вводят пластину заземления, описываемую положением плоскости, отражающей электромагнитные волны. Свойства диэлектрического стола в большинстве случаев не потребуют учета, поскольку измерительное расстояние намного превосходит высоту установки РЭС. Кроме того, его характеристики не регламентируются стандартом [ГОСТ Р 51320-99, 2000], равно как и другими стандартами, поэтому его преломляющие свойства могут не учитываться.
На следующем этапе определяют положение оси вращения РЭС. Ось вращения перпендикулярна центру окружности, описываемой проекцией корпуса РЭС на пластину заземления. Конструкционная модель РЭС обычно формируется в некоторой исходной системе координат, и в ней всегда можно установить положение центра упомянутой окружности. Систему координат, используемую при моделировании сертификационных испытаний, вводят таким образом, чтобы её начало совпадало с указанной точкой, а ось вращения совпадала с осью аппликат. Далее рассчитывают координаты фазовых центров элементов декомпозиции.
Важно отметить, что если тестируемое РЭС имеет внешние подключения, которые считаются входящими в его состав и которые отобраны для расчета помехоэмиссии по результатам формального анализа, то при поиске пространственного положения точки наблюдения следует учитывать их положение относительно точки наблюдения, вводя дополнительное ослабление, если излучение от них проходит через диэлектрический корпус РЭС.
На следующем этапе определяют положение точек наблюдения, соответствующее максимальному показанию ИП с выбранным типом детектора при горизонтальной либо вертикальной поляризации измерительной антенны. Расчет их координат выполняется с использованием специальной методики. Следует иметь ввиду, что для горизонтальной и вертикальной поляризации точки наблюдения могут не совпадать, и поэтому необходимо проводить их раздельный поиск.
Следующий этап алгоритма — расчет зависимостей суммарной воспринимаемой напряженности поля в точках наблюдения от времени — является укрупненным и для каждой точки наблюдения включает в себя:
— расчет путей, проходимых излучением от элементов декомпозиции до точки наблюдения с учетом отражений от пластины заземления;
— расчет запаздывания для каждого пути распространения радиоволн от каждого элемента декомпозиции до точки наблюдения;
— расчет дополнительного ослабления электромагнитного поля при взаимодействии с элементами конструкции РЭС, выполняемый для каждого элемента декомпозиции и каждого пути распространения радиоволн от него до точки наблюдения;
Метод моделирования сертификационных испытаний радиоэлектронных средств по эмиссии излучаемых радиопомех_
— расчет результирующих напряженностей поля в точке наблюдения для каждого элемента декомпозиции с учетом запаздываний, отражений от пластины заземления и пространственной ориентации компонентов поля для каждого из лучей, достигающих точки наблюдения;
— расчет зависимостей суммарной воспринимаемой напряженности поля в точках наблюдения от времени для горизонтальной и вертикальной поляризации.
Далее выполняется выбор структуры и характеристик модели ИП. Тип используемой модели определяется видом полученных временных функций входных напряжений для вертикальной и горизонтальной поляризации и их пригодностью к проведению дополнительных исследований, на основе результатов которых может быть выполнен переход к эквивалентному сигналу на промежуточной частоте.
Далее, если задачи моделирования не решены полностью, то изменяют задание на моделирование в соответствии с содержанием следующей рассматриваемой задачи. Последовательно проходя алгоритм требуемое количество раз, определяют максимальные показания ИП с данным типом детектора для всех частот анализа. Таким образом, получают совокупность максимальных оценочных уровней помехоэмиссии для ряда частот в нормированных условиях.
На следующем этапе алгоритма выполняют оценку неопределенности результатов моделирования. Полученное значение сравнивают со стандартной неопределенностью, составляющей 5,2 дБ для частот выше 30 МГц. Если неопределенность результатов моделирования больше указанного значения, то выполняют соответствующую корректировку норм помехоэмиссии или показаний по модели.
Завершающим этапом моделирования сертификационных испытаний является сопоставление результатов с нормами помехоэмиссии, установленными продуктовыми стандартами для данного класса оборудования. По сути, это сопоставление двух спектральных масок — расчетной и предельной. Устройство признается несоответствующим требованиям, если хотя бы на одной частоте зафиксировано превышение обозначенных норм. В этом случае проект РЭС требует доработки.
Важно отметить, что в практике проведения сертификационных испытаний обычно принято проводить измерения до первого превышения норм помехоэмиссии, после которого их прекращают и выдают соответствующее заключение. Это обусловлено строго сертификационной функцией испытательных лабораторий. В случае виртуальной сертификации целесообразно провести моделирование для всех частот, отобранных для проведения анализа. Это позволит, при необходимости, подойти к доработке РЭС как к комплексной задаче и уменьшить количество итераций, необходимых для достижения соответствия РЭС нормам помехоэмиссии.
5 Заключение
Таким образом, изложенный алгоритм устанавливает последовательность действий, которая позволяет реализовать процедуру сертификационных испытаний сообразно установленному в стандартах порядку осуществления измерений на открытой площадке. Результаты, полученные в ходе моделирования, являются приближенными, но могут служить для формирования первичных выводов о помехоэмиссии РЭС.
Справедливости ради надо отметить, что методы, заложенные в алгоритм и описанные в работе [Лемешко, 2012], основаны на простых электродинамических моделях. Однако это свидетельствует не об их неприменимости, а о потенциале развития и совершенствования теории виртуальной сертификации РЭС по эмиссии излучаемых радиопомех. Теория виртуальной сертификация была экспериментально апробирована, и ее практическая применимость получила должное подтверждение.
6 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 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.
[Алексеев, Головков, 2000] Алексеев О.В., Головков A.A., Пивоваров И.Ю. и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. Под ред. Алексеева O.B. — М,: Высшая школа, 2000. — 400 с.
[Кечиев, Лемешко, 2010а] Кечиев JI.H., 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 B.B. — М.: НИИР, 2010, №1. — с.57-70.
[Кечиев, Лемешко, 2010b] 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.
