CC BY
18
Радиотехника и связь
УДК 621.396
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОМПОНОВКИ БЛОКОВ РЭС С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
М.А. Ромащенко, А.П. Стрельцов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается комплексный подход к процессу компоновки блоков и ячеек радиоэлектронных средств с учетом электромагнитных и тепловых характеристик. Обосновывается актуальность задачи создания и последующего совершенствования методик оптимальной компоновки различных иерархических уровней конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитных и тепловых характеристик. Постоянный рост сложности и плотности компоновки приводит к увеличению требований к квалификации разработчиков, росту затрат на проектирование и тестирование радиоэлектронных средств, замедлению процесса создания перспективных устройств, разработке специальных средств теплозащиты и созданию методик обеспечения электромагнитной совместимости и помехоустойчивости блоков радиоэлектронных средств. Предлагается методика оптимальной компоновки конструкции радиоэлектронных средств, основанной на использовании 3D-моделей, адаптированных для прикладного применения. Особенностью методики является применение математического обеспечения, позволяющего проводить многократный итерационный анализ за приемлемое время. Методика включает в себя процедуры первоначальной компоновки и оптимизации конструкции блока устройства, создание 3D-модели и её адаптации для проведения дальнейшего анализа. Представлено практическое применение методики для решения производственной задачи, показавшее качественные улучшения технико-эксплуатационных параметров изделия — температуру наиболее теплонагруженного элемента, максимальную температуру внутри корпуса, напряженность электромагнитного и электрического полей и помехоустойчивость конструкции
Ключевые слова: компоновка блока, электромагнитный анализ, моделирование теплового режима, оптимизация конструкции устройства
Введение
В современных производственных условиях системы компьютерного
моделирования являются основным
инструментом разработчиков радиоэлектронных устройств (РЭС). А именно, уже весь процесс разработки современных РЭС ведется в специализированных системах автоматизированного проектирования (САПР). Однако постоянный рост сложности и плотности компоновки приводит к увеличению требований к квалификации разработчиков, росту затрат на проектирование и тестирование РЭС, замедлению процесса создания перспективных устройств. Разработка специальных средств теплозащиты и создание методик обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) и помехоустойчивости (ПУ) блоков РЭС, размещенных в изолированном пространстве, создание новых типов систем охлаждения (СО), отвечающих специфическим требованиям, улучшение их
© Ромащенко М.А., Стрельцов А.П., 2018
энергетических и технико-экономических показателей является важной задачей [1]. Функционирование, надежность и управление находящихся в непосредственной близости устройств существенно зависит от эффективности систем обеспечения
температурных режимов и их работы. Как правило, работа таких приборов и устройств связана с необходимостью отвода больших плотностей тепловых потоков [2].
Принято выделять следующие уровни ЭМС: межсистемный, внутрисистемный и внутриаппаратурный. И если по первым двум уровням имеется достаточно большое количество научных и прикладных работ, позволяющих эффективно решать
возникающие задачи, то внутриаппаратурная ЭМС и ПУ - эта та область, которой до настоящего времени практически не уделялось должного внимания. И как следствие, в сложившихся производственных процессах данным вопросам обеспечения требований по ЭМС и ПУ при разработке РЭС отводилась второстепенная роль. Но в настоящий момент достигнута та граница, когда дальнейшее повышение эффективности разработки РЭС
возможно только с учетом принятия во внимание требований ЭМС и ПУ и решением задач по их обеспечению [3].
Таким образом, возникает актуальная задача создания и последующего совершенствования методик оптимальной компоновки ячеек и блоков РЭС с учетом электромагнитных и тепловых характеристик, адаптированных к имеющимся
производственным условиям.
Описание методики
Для оптимальной компоновки блоков радиоэлектронных средств с учетом электромагнитных и тепловых характеристик была разработана методика, структура которой представлена на рис. 1.
Предлагаемая методика включает в себя следующую последовательность действий:
1. Производится анализ исходных данных и требований, предъявляемых к конечной конструкции.
2. Создаются все необходимые 3D-модели.
3. Производится первоначальная компоновка блока с учетом требований и ограничений по части ТЗ, ЭМС и теплового режима.
4. На данном этапе требуется адаптировать 3D-модели для дальнейшего анализа теплового режима.
5. Требуется произвести моделирование теплового режима блока.
6. На данном этапе происходит выбор, основанный на полученном ранее результате анализа, необходимости применения системы охлаждения.
7. При необходимости применения системы охлаждения происходит её выбор.
8. Производится расчет теплового режима при помощи специализированного САПР с учетом используемой системы охлаждения.
9. После проведения моделирования и при результатах, удовлетворяющих требованию к тепловому режиму, следует перейти к одиннадцатому пункту.
10. При результатах, не удовлетворяющих требований по тепловому режиму, решается, поможет выбор другой системы охлаждения или требуется перекомпоновать блок и входящие в него сборочные единицы.
11. На данном этапе требуется адаптировать 3D-модели к анализу электромагнитной обстановки.
12. Производится анализ ЭМС блока.
13. Следует сделать выбор, основываясь на полученном результате анализа, требуется установка экрана или нет.
14. На данном этапе требуется выбрать экран(ы), если это требуется по результатам первичного моделирования.
15. Производится анализ ЭМС с установленным экраном.
16. После проведения анализа и при результатах, удовлетворяющих требованию к электромагнитной совместимости, следует перейти к восемнадцатому пункту.
17. При результатах, не удовлетворяющих требований по электромагнитной совместимости, следует решить, поможет выбор другого экрана или требуется перекомпоновать блок и входящие в него сборочные единицы.
18. Если были внесены изменения в конструкцию блока, то следует провести заключительный анализ, чтобы удостовериться в выполнении технического задания в области температурного режима и электромагнитной совместимости. При отсутствии вносимых изменений в данной итерации алгоритм будет считаться завершенным.
На рис. 2 представлена процедура создания 3D-модели. Для создания модели требуется:
1. Получить 3D-модель платы от конструктора, разрабатывавшего её.
2. Создать корпус с размерами, соответствующими сопрягаемым деталям и сборочным изделиям и требованиям ТЗ.
3. Создать крепежные отверстия и посадочные места под элементы.
4. Создать ответную часть корпуса (крышку) и все вспомогательные детали.
Рис. 2. Процедура создания 3D-модели блока
На рис. 3 изображена процедура предварительной компоновки блока РЭС. На этом этапе выполняют компоновку блока с учетом требования и ограничений в ТЗ по части ЭМС и теплового режима, с последующей корректировкой, при необходимости, деталей из-за изменений установочных и габаритных размеров.
При расположении компонентов необходимо опираться на следующее:
1. Компоненты, требующие особых мест размещения, например, органы управления, должны быть строго привязаны к заданным местам.
2. Устанавливать рядом элементы, имеющие большое число взаимных связей.
3. Теплонагруженные элементы располагать ближе к системам охлаждения и подальше от теплочувствительных элементов.
4. Помехочувствительные компоненты не размещать рядом с компонентами, которые могут быть источниками помех.
Рис. 1. Алгоритм компоновки блока РЭС с учетом электромагнитных и тепловых характеристик
Рис. 3. Процедура компоновки блока РЭС
Отличительной особенностью анализа процессов теплообмена, осуществляемого при проектировании, является необходимость рассмотрения процесса одной и той же физической природы для всего устройства или комплекса. Полная математическая модель теплового режима устройства записывается в виде системы многомерных нестационарных уравнений теплопроводности для твердых тел (1) и уравнений энергии для потоков теплоносителей (2) с граничными условиями 1, 2, 3-го родов либо с условиями сопряжения на границах раздела элементов.
= + IV.' (!)
где 1 = 1, , I; I — число тел; Т; -температуры твердых тел; т - время;
с; - удельные теплоемкости тел; р; -плотности твердых тел; qvi - объемные плотности теплового потока.
с1Р. - зга^ = тс^тод (2)
где 1 = 1, ... , L; и; - температуры теплоносителей; и - скорость движения теплоносителя; L - число потоков теплоносителей [4].
Математической моделью для
электромагнитного анализа можно считать модель излучения тока в дифференциальном режиме.
Для измеряемого расстояния 3 м необходимо, чтобы максимальная длина проводника была не более метра. Предположение о постоянном распределении токов в проводниках является приемлемым приближением при условии, что проводники электрически короткие на интересующей нас частоте. Это значительно упрощает результаты и применяется во многих практических задачах. Например, печатный проводник длиной 0,5 м равен длине волны Л0 в свободном пространстве на частоте 600 МГц. Этот же проводник на частоте 100 МГц будет в шесть раз короче длины волны, и распределение токов вдоль него является приблизительно постоянным.
Излученные поля могут быть определены, согласно предположению о постоянном распределении токов в проводниках, приняв каждый провод за диполь Герца. В итоге максимальная напряженность электрического поля для дифференциального режима будет определяться
^f = 1-316 '^.в/:-:,
где i . .ff — ток линий передачи в дифференциальном режиме, A; f — частота, которая представляет интерес, Гц; I — длина отрезка линии передачи, м; s — расстояние между проводниками, м, d — расстояние между центром набора проводников и точкой размещения измерительной антенны, м.
Направление вектора напряженности электрического поля будет параллельно проводникам [5].
Практическое применение методики
На основании вышеизложенной методики компоновки блоков РЭС с учетом тепловых и электромагнитных параметров был
оптимизирован блок ВЧ-усилителя.
Оптимизация блока усилителя проводилась с помощью современного САПР:
1) создание 3d моделей и компоновка блока в Creo Parametric (академическая версия);
2) моделирование тепловых процессов в Autodesk Simulation CFD (студенческая версия);
3) моделирование электромагнитных
помех в CST Studio Suiet Student Edition.
Блок входит в состав радиостанции. Изделие предназначено для работы в сооружениях:
- предельная повышенная температура среды — до 30 °С;
- предельная пониженная температура среды — от 5 °С;
- диапазон рабочих частот 3-30 МГц;
- рабочая относительная влажность воздуха — не более 80 % при температуре 25 °С;
Напряжение питания — 12В;
КПД — 0,7.
Блок усилителя мощности (рис. 4) состоит из ячейки усилителя и ячейки фильтрации (представлены на рис. 5).
Рис. 6. Результат предварительного анализа теплового режима
Рис. 4. Внешний вид исследуемого блока
Рис. 5. Адаптированная 3Б-модель блока для анализа
Предварительный анализ дал следующие результаты, представленные на рис. 6 и 7.
Рис. 7. Результат предварительного анализа напряженности магнитного поля
После выполнения оптимизации при помощи предлагаемой методики компоновки блоков РЭС с учетом электромагнитных и тепловых характеристик были получены результаты, представленные на рис. 8 и 9.
Рис. 8. Полученный результат анализа напряженности магнитного поля
Рис. 9. Результат моделирования теплового режима блока Выводы
В ходе выполнения работы была предложена методика оптимальной
компоновки блоков РЭС с учетом электромагнитных и тепловых характеристик, адаптированная к имеющимся
производственным условиям.
Методика включает в себя процедуры первоначальной компоновки и оптимизации конструкции блока, создания 3Б-модели и её адаптации для проведения дальнейшего анализа.
Практическое применение методики для оптимизации компоновки ВЧ-усилителя радиостанции позволило получить следующие результаты:
— температура наиболее теплонагруженного элемента была уменьшена на 6% вследствие увеличения глубины посадочного отверстия в корпусе на 1 мм;
— максимальная температура внутри блока была уменьшена на 16% после установки локальной принудительной воздушной системы охлаждения;
— напряженность электрического и магнитного поля на частоте 23 МГц была уменьшена на 3% после оптимизации трассировки платы, в результате которой были уменьшены длины печатных проводников;
— помехоустойчивость конструкции на частоте 27 МГц была увеличена на 10% за счет установки экрана.
Литература
1. Ромащенко М.А., Пряхин А.А. Методика анализа данных сканирования ближнего электромагнитного поля // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 4. С. 82-86.
2. Heise E.R., Heise R.E. Some simple spacecraft considerations // Proc. oflEEE EMC Symp. 2006. Vol. 1. Р. 182-186.
3. Ромащенко М.А. Методы оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости: дис. ... д-ра техн. наук. Воронеж, 2014. 393 с.
4. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312 с.
5. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. 616с.
Поступила 13.06.2018; принята к публикации 14.09.2018 Информация об авторах
Ромащенко Михаил Александрович - д-р техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kiper@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056
Стрельцов Андрей Павлович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: andrestreltsov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6780-2943
DEVELOPMENT OF THE METHODOLOGY FOR THE REDS BLOCK COMPOUNDING TAKING INTO ACCOUNT ELECTROMAGNETIC AND THERMAL CHARACTERISTICS
M.A. Romashchenko, A.P. Strel'tsov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: an integrated approach to the process of assembling blocks and cells of radio electronic equipment is considered, taking into account electromagnetic and thermal characteristics. The urgency of the task of creating and further improving the methods of optimal layout of various hierarchical levels of radio-electronic facilities designs is justified, taking into account electromagnetic and thermal characteristics. The constant increase in complexity and density of the layout leads to an increase in requirements for the qualifications of developers, an increase in the cost of designing and testing radioelectronic devices, slowing down the process of creating promising devices, developing special means of thermal protection and creating techniques to ensure electromagnetic compatibility and noise immunity of radioelectronic units.The technique of optimal layout design of radio-electronic means, based on the use of 3D-models, adapted for application. A feature of the technique is the use of software that allows for repeated iterative analysis in a reasonable time. The methodology includes procedures for the initial layout and optimization of the design of the device unit, the creation of a 3D model and its adaptation for further analysis. The practical application of the technique for solving the production problem is presented, which showed qualitative improvements in the technical and operational parameters of the product - the temperature of the most heat-loaded element, the maximum temperature inside the case, the strength of the electromagnetic and electric fields, and the noise immunity of the structure
Key words: block layout, electromagnetic analysis, thermal simulation, device design optimization
References
1. Romashchenko M.A., Pryakhin A.A. "A technique for analyzing near-electromagnetic field scanning data", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 4, pp. 82-86.
2. Heise E.R., Heise R.E. "Some simple spacecraft considerations", Proc. of IEEE EMC Symp, 2006, vol. 1, pp. 182-186.
3. Romashchenko M.A. "Methods of optimal design of radio electronic devices with regard to electromagnetic compatibility and noise immunity: Dr. of tech. sci. diss." ("Metody optimal'nogo proektirovaniya konstruktsiy radioelektronnykh sredstv s uchetom elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti: dis. d-ra tekhn. nauk"), VSTU, Voronezh, 2014, 393 p.
4. Dulnev G.N., Parfenov V.G., Sigalov A.V. "Methods for calculating the thermal conditions of devices" ("Metody rascheta teplovogo rezhima priborov"), Moscow, Radio i Svyaz', 1990, 312 p.
5. Kechiev L.N. "Designing printed circuit boards for digital high-speed equipment" ("Proektirovanie pechatnykh plat dlya tsifrovoy bystrodeystvuyushchey apparatury"), Moscow, Co Ltd "Gruppa IDT", 2007, 616 p.
Submitted 13.06.2018; revised 14.09.2018 Information about the authors
Mikhail A. Romashchenko, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kiper@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056 Andrey P. Strel'tsov, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: andrestreltsov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6780-2943
