МОДЕЛЬ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ К ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396

МОДЕЛЬ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ К ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

© 2018 В.В. Глотов

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: решение вопросов электромагнитной совместимости становится в настоящее время неотъемлемым элементом деятельности предприятий - разработчиков и изготовителей технических средств, основой которых, как правило, являются печатные узлы. Рассматривается модель восприимчивости печатных плат к внешним электромагнитным воздействиям. Предлагается использование критериального подхода при проектировании радиоэлектронных средств с учетом обеспечения помехоустойчивости и помехозащищенности. Предложенная модель в проектировании позволяет решить задачи применения оптимальных схемотехнических и конструкторских решений при проектировании помехозащищенных радиоэлектронных средств. Однако в радиотехнике задачи по оптимизации на практике исследованы очень мало, в основном по двум очень весомым аргументам. Первая причина - это постоянная смена элементной базы и связанное с этим стремление решить все проблемы за этот счет. Второй причиной можно считать бурное развитие теории и расширение областей применения радиоэлектронных средств, что сопровождается многократной сменой принципов действия и конструкций. В статье дана краткая характеристика задач по оптимизации радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости. Показана упрощенная модель линии передачи при анализе восприимчивости

Ключевые слова: проектирование радиоэлектронных средств, помехозащищенность, помехоустойчивость, электромагнитная совместимость, методы проектирования, оптимизация

Введение

Рассмотрение вопросов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) при проектировании печатных плат (1111) радиоэлектронных средств (РЭС) становится все актуальнее из-за непрерывного увеличения числа сложных радиоэлектронных систем и комплексов [1]. Обеспечение помехозащищенности и помехоустойчивости, как комплексная задача обеспечения качества проектируемых РЭС, в своей постановке предусматривает решение задачи оптимизации [2]. В такой постановке задача чрезвычайно сложна и приходится исследовать методы проектирования в целом, в то время как задача помехоустойчивости решается для отдельных блоков и узлов.

Модель восприимчивости печатной платы

Восприимчивость изделия к излучению электронных устройств рассматривается путем получения упрошенных моделей, которые дают значения напряжений и токов, наведенных в системе параллельных проводников падающей плоской электромагнитной волной. Рассмотрим структуру из параллельных проводников линии передачи длиной I, которая возбуждается плоской электромагнитной волной, как показано на рис. 1. Провода разнесены на расстояние 5 и имеют сопротивления нагрузки в точке х=0

(начало линии) и Щ, в точке х=1 (конец линии). Провода параллельны оси х.

Рис. 1. Модель восприимчивости печатной платы под воздействием продольной электромагнитной волны

Целью прогнозирования восприимчивости является определение напряжений VБ на входе

линии и Vl - на выходе линии, при воздействии

синусоидального установившегося электрического поля Е в виде плоской волны, при изменении ее поляризации и направления распространения. Линия передачи характеризуется удельными параметрами: индуктивностью Ll и

емкостью С1. Для длинной линии модель формируется набором LC-звеньев, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Наведенные токи и напряжения в элементарном отрезке линии передачи

Определим удельные источники V3 и I 5 , индуцированные возбуждающей волной, исходя из следующих соображений. Сначала рассмотрим нормальную компоненту вектора интенсивности возбуждающего магнитного поля

Н*п . Закон Фарадея показывает, что это вызывает ЭДС в контуре, ограниченном проводниками:

5

е = | = ]'аМоДх | Н'А

3 у=0 (!)

где S - площадь контура; s - размер зазора между проводниками.

Данная индуцированная ЭДС может рассматриваться как источник напряжения, чья полярность, согласно закону Ленца, вызывает ток и соответствующее магнитное поле, которое препятствует любому изменению возбуждающего магнитного поля. Таким образом, для вектора интенсивности возбуждающего магнитного поля отрицательного направления г (в страницу) положительный конец источника будет слева. Для отрезка Дх удельный источник напряжения можно получить, поделив результат на Дх

К(х) = 1^0 I КЛу

у=о

(2)

Удельный источник тока 15 имеет направление +у, определяется вектором возбуждающего электрического поля, который является поперечным к линии, имеет направление +у и равен:

I 3 (х) = -I ЩСу = -I Ёуйу (3)

у=о

у=о

отношению к V3 . Возбуждающее электрическое поле вызывает напряжение между двумя проводниками, которое порождает ток смещения в полном сопротивлении удельной емкости 1/( ]аС1 Дх) между ними.

Модель, изображенная на рис. 4, применима к возбуждающим полям в виде неоднородных плоских волн, таких как магнитные поля от близлежащих трансформаторов, но в этом случае возбуждающие поля вычислить достаточно трудно.

От удельной модели можно перейти к уравнениям линии передачи (телеграфным уравнениям), которые связывают напряжение и ток вдоль линии. Точное решение этих уравнений не является необходимым для инженерной оценки, и поэтому будет получено приближенное решение.

Упрощенное рассмотрение предполагает, что линия передачи является электрически короткой на интересующей частоте, таким образом, можно сосредоточить распределенные параметры, используя при рассмотрении всей линии только одно звено, изображенное на рис. 3. При этом следует заменить Дх на I, умножив удельные параметры и источники на полную длину линии I. Хотя наведенные напряжения могут быть рассчитаны из этой модели для электрически коротких линий, можно сделать окончательное упрощение для получения простейшей модели, которая применима для различных практических ситуаций.

Выводы

В простейшей модели, представленной на рис. 3, нет необходимости рассматривать удельные индуктивные и емкостные параметры. Кроме того, если расстояние между проводниками намного меньше, чем длина проводника, следовательно, электрически короткое, то векторы поля существенно не меняются вдоль поперечного сечения провода (по координате у). Поэтому интегралы в источнике относительно у могут быть заменены значениями расстояния 5 между проводниками, что позволяет получить следующие выражения для индуцированных напряжений и токов для всей линии на длине I

¥5! = ^оКПЗ, I = (4)

Данный источник является дуальным по

где S - площадь контура, S = S • l.

Рис. 3. Упрощенная модель линии передачи при анализе восприимчивости

Из этой модели, используя принцип суперпозиции, легко вычислить индуцированные напряжения на концах линии:

V =

-^jvjUo l • s •l s •E П (5)

Литература

1. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Група ИДТ», 2007. 616 с.

2. Электронный каталог Лаборатория ЭМС. Электрон. дан. Режим доступа: http://www.emc-problem.net.

3. Макаров О.Ю. Муратов А.В., Ромащенко М.А. Методы обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств: монография. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. 234 с.

4. Глотов В.В., Ромащенко М.А. Методика оценки электромагнитных характеристик печатных плат в закрытых конструкциях// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 2. С. 7174.

5. Глотов В.В. Оптимизация дипольной модели путем генетических алгоритмов// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 3. С. 87-91.

R + R-

R + R-

V, = R' -l-s-H' - RsR' jaCrl-s-E' (6)

RS + R/ n Rs + R/

Поступила 19.02.2018; принята к публикации 11.05.2018 Информация об авторах

Глотов Вадим Валерьевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5129-4369

MODEL OF PRINTED BOARDS SUSCEPTIBILITY TO EXTERNAL ELECTROMAGNETIC

EXPOSURE

V.V. Glotov

Voronezh State Technical University

Abstract: solving the issues of electromagnetic compatibility is now becoming an integral part of the activities of enterprises - developers and manufacturers of technical equipment, the basis of which, as a rule, are printed nodes. The article considers a complex approach in the design of radioelectronic facilities taking into account the provision of electromagnetic compatibility parameters. The use of the criterial approach in the design of radio-electronic facilities is proposed taking into account the provision of noise immunity and noise stability. The proposed approach in the design allows to solve the problems of applying optimal circuit and design solutions in the design of noise-free radioelectronic facilities. However, in radio engineering, optimization problems in practice have been studied very little, mainly for the reason two very weighty arguments. The first reason is the constant change of the element base and the related desire to solve all the problems in this regard. The second reason is rapid development of the theory and expansion of the fields of application of radio electronic means, which is accompanied by a multiple change in the principles of action and design. The article gives a brief description of the tasks of optimizing radio-electronic means with regard to electromagnetic compatibility. The same method is described - the optimization of a radio receiver as a multidimensional filter

Key words: design of radioelectronic devices, noise immunity, noise stability, electromagnetic compatibility, design methods, optimization

References

1. Kechiev L.N. "Design of printed circuit boards for high-speed digital hardware" ("Proektirovanie pechatnykh plat dlya tsifrovoy bystrodeystvuyushchey apparatury"), Moscow, OOO "Grupa IMT", 2007, 616 p.

2. OPAC EMC Laboratory, available at: http://www.emc-problem.net.

3. Makarov O.U., Muratov A.V., Romashchenko M.A. "Methods of providing intra-equipment electromagnetic compatibility and noise immunity in electronic devices: monograph" ("Metody obespecheniya vnutriapparaturnoy elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti v konstruktsiyakh elektronnykh sredstv: monografiya"), Voronezh, VSTU, 2013, 234 p.

4. Glotov V.V., Romashchenko M.A. "A technique for estimating the electromagnetic characteristics of printed circuit boards in closed constructions", Yhe Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 2, pp. 71-74.

5. Glotov V.V. "Optimization of a dipole model via genetic algorithms", ne Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 3, pp. 87-91.

Submitted 19.02.2018; revised 11.05.2018 Information about the author

Vadim V. Glotov, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]