CC BY
50
* TDK InvenSense ICM-20602 является шестиосевым датчиком, то есть сочетает в себе гироскоп и акселерометр, поэтому находится сразу в двух таблицах. Ток потребления указан для режимов, когда используется только акселерометр и только гироскоп соответственно.
При разработке устройства, использующего информацию о положении в пространстве, следует обратить внимание на микроэлектромеханические системы. К их использованию могут подтолкнуть следующие их свойства: занимают мало пространства, их стоимость не выбивается из типичных значений для интегральных микросхем, рыночное предложения обладают большим разнообразием различных параметров.
УДК 621.396.7
Бопатърев1 А.А., Ермолаев1 А.С., Саменков1 Е.В., Баннов1 В.Я., Романенко2 Ю.А.
гФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
2Военная академия РВСН им.Петра Великого (Серпуховский филиал), Серпухов, Россия ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНИЙ СВЯЗИ И КОНСТРУКЦИИ ЭКРАНОВ
Ключевые слова:
ЭЛЕКРОМАГНИТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, ЭКРАН, ЛИНИЯ СВЯЗИ
Представим что существует источник излучения и приемник, наиболее эффективной передачей энергии которого является согласование волн сопротивления связи с нагрузкой. Наиболее оптимальным режимом, является режим при котором сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению. Причем нагрузка имеет «чисто активные» характеристики [4]. В этом случае вся излучаемая энергия поступает на нагрузку.
Как правило различают подающую и отраженную волну, при этом вводят следующие понятия:
- коэффициент отражения по напряжению (Рц);
- коэффициент отражения по току (Р[). Z„-P „ P-Zн
- затухание, определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передачи по линиям сигналов определенной частоты
- помехоустойчивость линии, определяет её способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде;
- модуляция, называется изменение по заданному закону параметров какого либо физического процесса;
- пропускная способность, характеризуется максимальной возможностью скорости передачи данных по линиям связи;
Р = -
Р Zn + P'
Р =
р + гИ'
где Zн — комплексное сопротивление нагрузки.
Если линия связи нагружена, и при этом активное сопротивление равно волновому, то коэффициент отражения равен нулю (Ри = 0,Р1 = 0) [1]. Если канал связи замкнут накоротко, то значение коэффициента по напряжению равно минус 1 (Р = -1), а коэффициента по току равен 1 (Р1 = 1) [1]. Фаза волны напряжения изменяется на обратное, при этом напряжение равно нулю, а ток удваивает свое значение (режущая стоячей волны). Для характеристик каналов связей вводиться понятия коэффициента бегущей волны и коэффициента стоячей волны.
Коэффициент бегущей волны (КБВ) — отношение наименьшего значения амплитуды напряженности электрического или магнитного поля бегущей волны в линии передачи к наибольшему [2].
Коэффициент стоячей волны (КСВ) — отношение наибольшего значения амплитуды напряжённо-
сти электрического или магнитного поля стоячей
[2]. на
волны в линии передачи к наименьшему Физическая среда является основой, строятся физические средства соединения
которой [4]. Сопряжение с физическими средствами соединения посредством физической среды обеспечивает физический уровень. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц. На физическом уровне находится носитель, по которому передаются данные. Среда передачи данных может включать как кабельные, так и беспроводные технологии. Хотя физические кабели являются наиболее распространенными носителями для сетевых коммуникаций, беспроводные технологии все более внедряются благодаря их способности связывать глобальные сети [4]. В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются:
- проводные (воздушные);
- кабельные (оптико-волоконные и медные);
- радиоканальные (наземные).
Сигналом называется физический процесс параметры которого содержат информацию [2]. К основным характеристикам линий связи относятся:
- амплитудно-частотная характеристика, показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению со входом;
- полоса пропускания, это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый предел;
Рисунок 1 - Полосы пропускания линий связи и частотные диапазоны
Большинство способов кодирования используют изменение как параметров периодического сигнала частоты амплитуды и фазы синусоиды так и потенциальной последовательности импульсов, количество изменений информационных параметров несущего периодического сигнала в секунду измерения [2]. Пропускная способность в общем случае не совпадает с числом бит несущей информации. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в этом случае будет выше чем число бит. При использовании сигналов с двумя различными состояниями наблюдается совершенно обратный процесс.
Логическое кодирование выполняется до физического кодирования подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит несущих ту же информацию, но обладающей кроме того дополнительными свойствами. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности, это пример довольно частого применяемого способа кодирования информации [2].
Помехоустойчивость линии определяется её способностью уменьшать уровень помех созданных во внешней среде на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа использования физической среды. Перекрестные наводки на ближнем фоне определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Достоверность передачи данных характеризуют вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных
(интенсивности битовых ошибок). Помехи это случайные воздействия передаваемый сигнал.
Если помеха складывается с сигналом
э (Ь), то на входе приемника действует их сумма х(Ь) = + такие помехи называются ад-
дитивные, следовательно х(Ь) = х назы-
вается мультипликативной помехой [4].
Классификация помех:
- естественные и искусственные помехи;
- узкополосные и широкополосные помехи;
- низкочастотные и высокочастотные помехи.
Определение помехоустойчивости системы можно
сформулировать как способность системы формировать в реальных условиях сигналы с требуемым качеством при воздействии на систему непосредственно электромагнитных помех [4].
Методы повышения электромагнитной устойчивости системы:
- подавление источника помех;
- разделение во времени режима появления помех и функциональной чувствительности системы;
- подавление или ослабление распределенных помех.
На сегодняшний день наиболее качественной защитой от помех является экранирование отдельных узлов и системы в целом. Повышение экранирования достигается с помощью применения композиционных материалов и нанесение повторных слоев экранирующих материалов.
Конструкция экранов.
Получить качественный экран с высоким коэффициентом экранирования очень просто - необходимо изготовить замкнутый электрически герметич-
ный контур (например, куб) и вы с легкостью получите Кэ (коэффициент экранирования) порядка 100дБ и более [3]. К сожалению, в реальности это невозможно, т.к. необходимы отверстия для ввода кабелей, для вентиляции и для обслуживания аппаратуры.
Рисунок 2 - Схематичное изображение отверстий экрана
Каждое отверстие или щель в экране сравнимые с 1/20 длины волны следует учитывать при планировании экрана рисунок 2. Например, для 1ГГц отверстие диаметром 1,5 мм ухудшит коэффициент экранирования до 40dВ, 1,5 см до 20dВ [3]. При увеличении количества отверстий коэффициент экранирования ухудшится на Кп=201од п. Необходимо избегать больших отверстий и щелей в экране [3]. Много маленьких отверстий лучше, чем одно большое.
Рисунок 3 - Схема запредельного волновода
В случае, если все же необходимо использовать отверстие строго определенного диаметра (например, для вентиляции или ввода диэлектрических кабелей). Можно использовать запредельный волновод рисунок 3. Это полая трубка из проводящего материала, длина которой значительно превышает диаметр. Свойства этой конструкции частотно зависимы. Электромагнитные волны ниже определенной частоты будут распространяться с очень большим затуханием [3]. Частота выше которой электрюмаг-
нитная волна распространяется по волноводу практически без потерь называется частотой среза волновода, и определяется из его наибольшего внутреннего размера по формуле f=150000/g, где д-наибольший поперечный размер отверстия. Для прямоугольного волновода шириной 5 мм частота среза равна 30 ГГц [3]. Коэффициент ослабления уже будет зависеть и от длины волновода и частоты и рассчитывается по формуле, представленной на рисунке 4.
Рисунок 4 - Графики коэффициентов ослабления волноводов
Для примера на рисунке 4 построены графики коэффициентов ослабления волноводов различной конфигурации. Видно, что при уменьшении длины трубки с 20 до 10мм Кэ уменьшается со 108 дБ до 54 дБ, при этом частота среза остается постоянной [3]. При изменении диаметра отверстия - изменяется частота среза волновода. Для волновода диаметром 20мм - это 10 ГГц, для волновода диа-
метром 200мм это уже 1 ГГц. У запредельного волновода есть еще одно ограничение - если внутрь волновода ввести проводящий кабель, то волновод потеряет свои изолирующие свойства. Запредельный волновод подходит только для ввода диэлектрических кабелей типа оптических, которые не сильно искажают диэлектрическую проницаемость среды. На рисунке 5 представлены конструкции из запредельных волноводов.
Рисунок 5 - Конструкции запредельных волноводов
В настоящее время промышленность выпускает огромное количество проводящих прокладок, самых различных свойств и размеров рисунок 7.
Рисунок 6 - Внешний вид проводящих прокладок
Планировать помеховую обстановку и экранирование необходимо на начальном этапе проектирования. Предотвращая распространение нежелателвных сигналов от самого источника.
Рисунок 7 - Дизайны печатных плат
Первый уровень разработки - дизайн печатной платы рисунок 7, сюда относятся правильное проектирование полигонов земли, линий передачи, фильтров [3]. Для экранирования отдельных элементов или целых областей печатной платы применяются металлические экраны. Они состоят из двух частей одна часть - основание, фиксируется на печатной плате, вторая часть - крышка надевается сверху и фиксируется зажимами, защелками, или пайкой. Представлены блоки, направленные на создание коэффициента экранирования около 100дБ
[3]. Шаг винтов выбирается исходя из максимальной частоты, которую необходимо экранировать, так же необходимо использовать проводящую прокладку. Корпус выполнен из цельного куска металла, это оправдано, когда необходимы сложные формы с разделением каналов, зон с разными частотами и мощностями.
На данном этапе появляются вентиляционные отверстия, подвижные элементы и прозрачные панели для экранов. Окончательный коэффициент экранирования такой конструкции уже довольно трудно
рассчитать, зато его можно достаточно достоверно оценить методом непосредственного измерения.
Благодаря тому, что внутрь вполне может поместиться излучающая антенна с источником сигнала.
Рисунок 9 - Дизайн экранирующего корпуса
Рисунок 10 - Схема соединения двух экранирующих систем
Следующий этап - Соединение двух экранированных систем рисунок 10. Кабели и соединители должны быть экранированы и иметь электрический контакт по всей окружности разъема. Необходимо избегать соединения экрана кабеля с корпусом оборудования одним тонким проводником, так как он вносит паразитную индуктивность, а следовательно имеет высокое полное сопротивление на высоких частотах. Ввод внешних кабелей должен осуществляться через проходные фильтры, заключенные в отдельный экранированный корпус [3].
Итак, для создания эффективного экрана необходимо:
а) Подобрать материал, его структуру и толщину в зависимости от составляющей электромагнитного поля, которую необходимо экранировать.
б) По возможности исключить любые отверстия и щели и любые другие прерывания электрического
контакта по размерам сравнимые с 1/2 0 длиной волны.
в) Для вентиляции и ввода кабелей использовать «запредельные волноводы»
г) Для ввода сигналов и питания использовать оптические линии связи и проходные фильтры
д) Для обеспечения контакта по периметру сборных конструкций использовать проводящие прокладки или пружинные контакты
е) Контролировать коэффициент экранирования корпусов, проводя натурные измерения когда это возможно.
Применяя эти правила можно довольно дешево и быстро решить проблемы электромагнитной совместимости, возникающие при разработке и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры. А так же с уверенностью подтвердить соответствие радиоэлектронной аппаратуры требованиям ГОСТ в аккредитованной испытательной лаборатории.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.Г. Сосулин Теоретические основы радиолокации и радионавигации. — М.: Радио и связь, 2003 (с. 1-2);
2. Б.А. Никольский Методы и средства радиоэлектронной защиты, Часть 1. — Самара: СГАУ, 2004 г. (с. 78);
3. Научная статья. А.И. Ивко, «Экранирование радиоэлектронной аппаратуры как метод обеспечения электромагнитной совместимости», журнал «Современные технологии автоматизации, [Москва, 2018] URL: https://www.soel.ru/upload/clouds/1/iblock/740/740b715eaa6b232c95a1fcd445e96579/20150886. pdf (дата обращения: 15.04.2018)
4. А.В. Мартюшин, Курс лекций «Помехоустойчивость систем управления», ПГУ, г. Пенза, 2016.
