CC BY
13
DOI 10.25987^т2019Л5А0П УДК 621.396
МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ КАРТ БЛИЖНЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДВУХСТОРОННИХ И МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
М.А. Ромащенко, А.Л. Неклюдов, Д.В. Васильченко Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: в современном мире при стремительно развивающейся радиоэлектронной промышленности электромагнитная совместимость устройств для обеспечения их безотказной работы играет наиважнейшую роль. На этапе проектирования и выпуска прототипов образцов производится ряд тестов, в том числе и тесты на электромагнитную совместимость. Однако все существующие методы являются дорогостоящими и малоэффективными во множестве факторов. В данной статье рассмотрены метод испытания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) при помощи сканера электромагнитных полей, а также его конструкция. Такие сканеры имеют высокую точность измерений и низкую себестоимость по сравнению с другими методами испытаний. Основными недостатками подобных сканирующих устройств являются невозможность сканирования испытуемого изделия с изменением высоты и, как следствие, низкая достоверность результатов измерений. Предложенная конструкция сканера в сочетании с программным обеспечением (ПО) имеет возможность построения карты высот, что увеличивает достоверность полученных результатов и ускоряет процесс испытания изделия. В результате на экране ПК нам представляется 3D-модель электромагнитных излучений испытуемого образца. По ней можно не только узнать, в какой части печатной платы находится точка с наибольшей напряженностью электрического поля, но и расстояние до неё
Ключевые слова: электромагнитная совместимость РЭС, сканер ближнего электромагнитного поля, ближнее электромагнитное поле, датчик расстояния
Введение
Широкое распространение электроники и её минимизация приводят к необходимости учитывать возможные проблемы в области электромагнитной совместимости (ЭМС) на всех стадиях проектирования и эксплуатации электронных изделий. Для получения данных об излучении того или иного устройства проводится ряд испытаний в безэховых или «по-лубезэховых» камерах [1], что влечет за собой увеличение себестоимости готовой продукции. Таким образом, одним из перспективных походов к решению этой проблемы является применение иного способа для определения излучения РЭС, а именно - специализированного программно-аппаратного комплекса -сканера ближнего электромагнитного поля.
Данный сканер представляет собой устройство для сканирования ближнего электрического или магнитного поля источников электромагнитного излучения и может быть использован при автоматическом измерении напряженности полей для решения задач обеспечения электромагнитной совместимости при проектировании, диагностике, тестировании и испытании как отдельных печат-
© Ромащенко М.А., Неклюдов А.Л., Васильченко Д.В., 2019
ных узлов, так электронных устройств и приборов в целом.
Постановка задачи
В настоящее время существует множество сканеров ближнего электромагнитного поля различных производителей (EMSCAN, MI TECHNOLOGIES и т.д.). Вышеперечисленные устройства производят сканирования электромагнитного поля платы, установленной в определенной области, при помощи чувствительных элементов (датчиков электромагнитного поля). Однако реализация такого метода у данных производителей обладает существенным недостатком - отсутствием возможности измерения с изменением высоты от датчика поля до диагностируемого устройства, т.е. невозможность проведения трехмерного сканирования. Ещё одним недостатком является невозможность измерения электромагнитного поля с обратной стороны от радиоэлементов печатной платы, вследствие чего усложняется задача определения излучающего элемента, а в некоторых случаях даже отсутствует возможность его определения.
Структурная схема сканера ближнего электрического поля представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема
Принцип действия данного устройства заключается в следующем. С помощью специализированного программного обеспечения пользователь на ПК задает необходимые параметры сканирования испытуемого объекта. К таким параметрам относятся его размеры, необходимый шаг сканирования, необходимое удаление от датчика поля до измеряемого объекта, необходимые частоты сканирования, а также количество сканируемых сторон изделия. Далее происходит автоматическое составление «карты высот» для испытуемого изделия путём последовательного перемещения датчика расстояния с выбранным шагом и определение указанного ранее удаления от чувствительного элемента до испытуемого образца. После завершения составления «карты высот» датчик возвращается в начало координат и ожидает команды к запуску сканирования. После её получения, сканирующее устройство последовательно перемещает датчик электрического поля с датчиком расстояния на определенный шаг (заданный пользователем) вдоль координатных осей с расстоянием до исследуемого объекта, соответствующим карте высот. В каждой узловой точке снимаются параметры электрического или магнитного поля в частотной области. Полученные данные по коаксиальному кабелю поступают в анализатор спектра, а затем в ПК, где представляются в виде цветовой карты распределения напряженности ближнего поля и совмещаются с оптическим или трехмерным изображением испытуемой печатной платы или блока. Пример отображения результатов представлен на рис. 2.
Рис. 2. Визуализация измерений
В результате, разработчик может заранее узнать о местах потенциальных проблем в части электромагнитной совместимости и принять необходимые меры по их устранению ещё на этапе макетирования. Изменяя шаг сетки, можно настраивать требуемое соотношение скорость/точность измерения.
Преимуществами разрабатываемого изделия перед конкурентами являются ускорение процесса тестирования, повышение точности вычисления напряженностей полей, а также степени воспроизводимости результатов измерений при решении задач электромагнитной совместимости за счёт применения нового подхода к сканированию, заключающегося в применении датчика расстояния в конструкции изделия.
Фактически работа датчика расстояния сводится к тому, что прибор посылает сигнал (лазерный луч, ультразвуковое излучение, ИК-луч или магнитный поток) и в конечном итоге получает два результата: расстояние до конечной точки и расстояние до первоначальной его стороны. Так, при разности этих двух замеров можно получить расстояние до объекта. Именно это значение и будет использоваться при расчетах объекта и составлении «карты высот».
На данный момент на отечественном рынке специального оборудования можно приобрести различные виды датчиков расстояния. Наиболее популярными являются лазерные, ультразвуковые и инфракрасные.
Реализация аппаратной части датчика расстояния и датчика электрического поля показана на рис. 3.
Рис. 3
Рис. 5. Измерение расстояния до исследуемого объекта
Датчик электрического поля 1 и датчик расстояния 2 закреплены на подвижной каретке с возможностью перемещения в плоскостях Х и Y.
Методика построения карт высот
Методика построения градиентных карт ближнего электромагнитного поля заключается в:
1) построении карты высот исследуемой области;
2) группировании областей со схожими высотными характеристиками;
3) выделении областей с наибольшей плотностью поверхностного монтажа и дополнительным их исследованием;
4) обработке и аппроксимировании полученных данный с помощью программного обеспечения для сканера ближнего электромагнитного поля;
5) измерении электромагнитного поля и построении градиентных карт напряженностей.
В специальной программе для управления сканером (рис. 4) задаются геометрические размеры исследуемой платы и минимальное расстояние до исследуемого объекта (рис. 5) для обеспечения безопасного перемещения датчика ближнего поля над исследуемым образцом.
Также в программном обеспечении задаются нулевые координаты путем постановки держателя с датчиком расстояния в необходимую точку испытуемого изделия и обнуления текущих координат позиционера (данная операция необходима для сопоставления физической модели платы и её трехмерной модели, загруженной в ПО). Далее указываются шаг сетки и узловые точки определения высот в соответствии с необходимыми параметрами измерения.
ПО сканера позволяет оператору в ручном режиме задать области с наибольшей плотностью поверхностного монтажа и индивидуальный шаг сетки для них. Уменьшение шага сетки влечет за собой не только увеличение точности исследования, но и увеличение времени тестирования.
После задания всех необходимых параметров, в автоматическом режиме происходит построение карты высот и занесение их в таблицу, а также для последующей визуализации (при отсутствии трёхмерной модели испытуемого изделия) создается абстрактная модель путём съёмки испытуемого образца с разных сторон при помощи фотокамер рис. 6.
Рис. 6. Создание абстрактной модели
Данная операция необходима для визуализации градиентных карт ближнего электромагнитного поля с каждой из сторон печатной платы.
Рис. 4. Внешний вид управляющей программы
Следующая операция - генерация gcod файла, в котором находятся координаты перемещений держателя с датчиком ближнего поля по тестируемому образцу.
В управляющей программе в меню «управление анализатором спектра» необходимо задать диапазон исследуемых частот и шаг изменения частоты. После определения всех характеристик запускается сканирование, которое происходит в автоматическом режиме. По окончанию данного этапа ПО производит обработку полученных результатов с графическим отображением на ранее загруженной трехмерной модели изделия или же на созданной абстрактной модели.
Визуализация построения градиентных карт ближнего электромагнитного поля показана на рис. 7.
Рис. 7
Заключение
Таким образом, преимуществами разрабатываемого изделия являются: ускорение процесса тестирования, повышение точности вычислений напряженностей полей, а также степени воспроизводимости результатов измерений при решении задач электромагнитной совместимости за счёт применения нового подхода к сканированию, заключающегося в применении датчика расстояния в конструкции изделия.
Литература
1. Кремер И.Я. Модулирующие (мультипликативные) помехи и прием радиосигналов. М.: Сов. Радио, 1972.
2. Ромащенко М.А. Основные задачи анализа обеспечения ЭМС в конструкциях РЭС и принципы его выполнения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 4. С. 95-109.
3. Макаров О.Ю. Основные принципы применения программных средств при решении задач обеспечения ЭМС и помехоустойчивости//Радиотехника. 2013. № 3. С. 76- 82.
4. Марков Ю.В. Проектирование устройств приема и обработки сигналов: учеб.-метод. пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. С.39-45.
Поступила 06.06.2019; принята к публикации 29.07.2019
Информация об авторах
Ромащенко Михаил Александрович - д-р техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Неклюдов Андрей Львович - магистр, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Васильченко Дмитрий Владимирович - магистр, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
TECHNIQUE OF CONSTRUCTION OF GRADIENT CARDS OF THE NEAR ELECTROMAGNETIC FIELD OF BILATERAL AND MULTILAYERED PCB
M.A. Romashchenko, A.L. Neklyudov, D.V. Vasil'chenko Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: in the modern world, with rapidly developing electronic industry, electromagnetic compatibility of devices plays a crucial role to ensure their trouble-free operation. At the stage of designing and sample prototypes production, a number of tests are performed, including tests for electromagnetic compatibility. However, all existing methods are expensive and ineffective in many ways. The article describes the method of testing electronic equipment (EE) using the scanner's electromagnetic fields, as well as its design. These scanners have high accuracy and low cost compared with other test methods. The main
disadvantages of such scanning devices are the impossibility of scanning the test item by changing the height and, consequently, low reliability of measurement results. The proposed design of the scanner in combination with software has the ability to build height maps, which increases the accuracy of the results and speeds up the testing process of the product. As a result, we can see a 3D model of electromagnetic radiation of the test sample on the PC screen. It is possible not only to know what part of the PCB is the point of greatest electric field intensity but also the distance to it
Key words: electromagnetic compatibility of RES, scanner of the near electromagnetic field, near electromagnetic field, distance sensor
References
1. Kremer I.Ya. "Modulating (multiplicative) interference and radio reception" ("Moduliruyushchie (mul'tiplikativnye) pomekhi i priyem radiosignalov"), Moscow, Sov. Radio, 1972.
2. Romashchenko M.A. "The main objectives of the analysis of the provision of EMC in the construction of the RES and the principles of its implementation", The Bulletin of the Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstven-nogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2011, vol. 7, no. 4, pp. 95-109.
3. Makarov O.Yu. "The basic principles of the use of software in solving problems of EMC and noise immunity", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2013, no. 3, pp. 76-82.
4. Markov Yu.V. "Designing devices for receiving and processing signals. Study guide" ("Proyektirovanie ustroystv priyema i obrabotki signalov: ucheb.-metod. posobie"), Ekaterinburg, Publishing house Ural, 2015, pp.39-45.
Submitted 06.06.2019; revised 29.07.2019
Information about the authors
Mikhail A. Romashchenko, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Andrey L. Neklyudov, MA, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Dmitriy V. Vasil'chenko, MA, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
