CC BY
259
Анотацн:
Ключов1 слова: асинхронний паралельний процес, моделювання, мережа neTpi
Проведено аналiз методiв моделювання асинхронних паралельних процесiв. Запропонова-но метод для моделювання систем залiзничноl автоматики i телемеханiки
Проведен анализ методов моделирования асинхронных параллельных процессов. Предложен метод для моделирования систем железнодорожной автоматики и телемеханики
The analysis of methods of modeling asynchronous parallel processes is carried out. The method for modeling systems of railway automation and telemechanics is proposed.
УДК 396.15(5); 396.18(1)
ЕГОРОВ А.Б., к.т.н, доцент (Украинская инженерно-педагогическая академия); СОТНИКОВ А.М., д.т.н,профессор (Харьковский университет Воздушных Сил им.И. Кожедуба, Харьков);
РЫБАЛКО И.Ф., к.т.н, доцент (Украинская инженерно-педагогическая академия).
Воздействие мощного электромагнитного излучения на радиоэлектронные средства
Актуальность
Постановка проблемы и анализ литературы.
С целью достижения качественно нового уровня радиолокации, радиосвязи, технологии и решения других технических задач в ряде стран разрабатывают генераторы мощных электромагнитных импульсов. В настоящее время интенсивно разрабатываются генераторы мощных импульсов длительностью от единиц до десятков наносекунд (линейные индукционные ускорители электронов, релятивистские СВЧ-генераторы с виртуальным катодом (виркаторы), релятивистские магнетроны, СВЧ-генераторы на основе сверхразмерных электродинамических структур (черенковские генераторы и генераторы дифракционного излучения). Эти генераторы имеют гигаватную пико-
вую мощность, причем существуют реальные пути ее увеличения в десятки раз [1-5]. Достигнутые и прогнозируемые параметры излучения этих устройств делают их опасными при влиянии на радиоэлектронные системы самого широкого назначения. Это связано с тем, что режим их работы допускает генерацию и излучение в окружающее пространство не только одиночных электромагнитных импульсов, но и их "пакеты" с частотой в тысячи импульсов в секунду и более. При попадании в зону работы таких генерирующих систем других радиоэлектронных средств (РЭС) может произойти не только нарушение процесса приема информации, но и нарушение их функциональной целостности. Воздействие мощного электромагнитного излучения (ЭМИ) на высокочувствительную радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) СВЧ диапазона приводит к
изменению параметров или полному выходу из строя устройств, что связано с переходом приемно-усилительных трактов (ПУТ) в рассогласованный режим и возникновению перенапряжений в элементной базе. При этом значение амплитуды или мощности воздействующего ЭМИ может быть значительно меньше пороговых значений, определяющих возникновение деградационных эффектов в отдельных элементах и узлах. Значимость этих эффектов возрастает с возрастанием функциональной сложности РЭС [6-9].
Обеспечение надежного функционирования РЭС в условиях внешних воздействий, в том числе и мощных импульсных ЭМИ, обуславливает необходимость применения соответствующих средств защиты. Однако как показал анализ [10-14], разработанные к настоящему времени методы и средства защиты РЭС, не могут обеспечить по своим характеристикам требуемую эффективность их защиты, и тем более с учетом перспектив развития средств генерирования мощных импульсных ЭМИ. Это обстоятельство требует проведения исследований, направленных прежде всего на поиск принципиально новых подходов к эффективной защите РЭС от мощных импульсных ЭМИ, что на первый план выдвигает задачу исследования путей и механизмов воздействия мощных ЭМИ на РЭС.
Анализ публикаций
Анализ доступной отечественной и зарубежной литературы показал, что в настоящее время имееется значительное число публикаций, посвященных процессам генерации ЭМИ [1-5], применению генераторов мощных ЭМИ в том числе и для ведения вооруженной борьбы [3-5], влиянию мощных ЭМИ на элементную базу РЭС [7-10], а также приводятся данные о традиционных методах и средствах защиты РЭС от ЭМИ [10-14]. Имеются отдельные публикации, посвященные анализу воздействия мощных ЭМИ на РЭС [15], однако необходимые для опре-
деления путей защиты РЭС систематизированные данные, посвященные исследованию путей и механизмов воздействия ЭМИ на РЭС отсутствуют.
Целью статьи
Анализ путей и механизмов воздействия мощных импульсных ЭМИ на РЭС и их элементную базу.
Основной материал
СВЧ энергия может распространяться к чувствительным элементам РЭС по двум основным путям:
- через цепи приема - передачи электромагнитной энергии, связанные со свободным пространством посредством антенно-фидерного тракта (путь «frontdoor»;
- через конструктивные элементы РЭС (панели, окна, неэкранированные проводники и др.) (путь проникновения излучения «back-door»).
Мощность излучения, воздействующая на внутренние цепи РЭС Рв , связана с потоком падающей мощности П(г) следующим соотношением :
Рв= П(г^эфф(0,
где П(г) - вектор Умова-Пойтинга; S^ - эффективная поверхность объекта.
Для «front-door» пути S^ - обычно эффективная поверхность объекта как приемной антенны. Поэтому для увеличения защищенности РЭС от воздействия мощных ЭМИ при приеме через антенну обычно ограничивают рабочую полосу частот. В случае воздействия коротких и ультракоротких импульсов такой подход приводит к значительному уменьшению их спектральной плотности мощности.
При воздействии ЭМИ на входные цепи приемного тракта различают два режима: полосовой и внеполосный [5,7]. Особенностью полосового воздействия является минимум потерь энергии ЭМИ при прохождении через согласованный приемный тракт даже при наличии поло-
совых фильтров на входе. Потери в данном случае определяются соотношением между полосой пропускания входного фильтра или малошумящего усилителя (МШУ) и шириной спектра воздействующего ЭМИ. В большинстве случаев эти потери не превышают - 10-15 дБ.
Внеполосное воздействие ЭМИ осуществляется вне полосы пропускания приёмника. Оно более универсально, чем полосовое, так как достаточно мощный импульс может оказывать воздействие на ряд РЭС, приёмные тракты которых недостаточно хорошо защищены от внеполос-ного воздействия. При этом необходимо учитывать потери мощности в тракте. Результирующие потери в этом случае могут составлять до 40-60 дБ.
Состояние РЭС при действии импульсных ЭМИ обычно описывается в виде задания уровней воздействия, характеризующих степень работоспособности РЭС.
По возрастанию уровни воздействия различают на [6]:
- уровень, характеризующий нормальную работу системы;
- уровень, при котором возникают временные нарушения штатного режима (уровень восстанавливаемых сбоев);
- уровень, при котором наблюдаются устойчивые изменения параметров, приводящие к частичной потере работоспособности системы (уровень устойчивых сбоев);
- уровень, при котором происходят необратимые катастрофические деградации, приводящие к полной потере работоспособности системы (уровень поражения).
Тепловые эффекты, как конечное звено процесса поглощения энергии ЭМП, играют определяющую роль в деградаци-онных явлениях элементной базы за счет процессов локального энергопоглащения и теплоотвода. Соответственно, различают условия стационарного и кратковременного энерговыделения. Первое соответствует стационарным или длинноим-пульсным воздействиям, а второе - воз-
действиям ультракороткой длительности (УКД), когда поглощенная энергия излучения локализуется и за время импульса не успевает передаться окружающим элементам структуры. Более высокая плотность энергии во втором случае способствует более эффективному дефектообра-зованию в чувствительных зонах выделения тепла [11,13].
Сказанное выше характерно для воздействия одним импульсом. Если время между импульсами воздействия достаточно мало, то возможен режим накопления тепловой энергии. Этот временной масштаб соответствует времени межструктурной тепловой релаксации в РЭС -миллисекундному диапазону, поэтому при частотах повторения более 1 кГц обычно уже реализуется дополнительный фактор воздействия.
Причины явлений, характеризующих сверхпороговые режимы воздействия ЭМИ УКД на РЭС и ее элементы, могут быть сведены к следующим основным эффектам:
- антенный механизм токов и напряжений, возбуждаемых во внешних и внутренних структурах РЭС;
- множественность размерных и ориентационных резонансов, обусловленных сложностью РЭС и широкополосно-стью излучения;
- большой спектр деструктивных явлений ударного теплового типа в областях энерговыделения;
- множественность одновременных локализаций дефектов, образуемых в структурах в процессе однократного воздействия ЭМИ УКД;
- характерное пространственное зонирование дефектов - периферийность энерговыделения и дефектообразования.
Взаимодействие ЭМП с микроструктурами РЭС имеет сложный характер, связанный с многообразием физических процессов, лежащих в его основе. Высокая степень интеграции способствует снижению защищенности РЭС.
Таким образом, воздействие мощно-
го ЭМИ, УКД благодаря высокой проникающей способности и пороговым уровням сбоев и поражения, оказываются наиболее опасным фактором по отношению к различным видам электронных устройств, а также их компонентам, в первую очередь, полупроводниковым приборам и элементам микроэлектроники.
Современная электромагнитная обстановка (ЭМО) характеризуется наличием источников излучений естественного и искусственного происхождения, которые во многих случаях оказывают деструктивное действие на элементную базу РЭС и на условия ее функционирования. Поскольку величина плотности потока энергии излучения в дальней зоне источника ЭМИ пропорциональна квадрату производной тока в антенне [18]:
|П| = E2 /2Z0 <х(dI/dt)2,
где Z0 — импеданс свободного пространства,
то с энергетической точки зрения величина воздействия ЭМИ обратно пропорциональна длительности импульса и его фронта.
К наиболее опасным видам ЭМИ следует отнести импульсные излучения ультракороткой длительности (УКД), создаваемые следующими типами источников искусственного происхождения:
- мощные высоковольтные модуляторы и электрофизические установки специального назначения;
- излучатели СШП радиолокационных средств, применяемых в радиолокации высокого разрешения;
- некоторые виды высоковольтных несобственных или поверхностных газовых разрядов и переходных процессов.
Механизмы взаимодействия ЭМИ и СВЧ импульса с РЭС имеют ряд су-щесвенных отличий. С точки зрения структуры полей, указанные отличия, в первую очередь, обусловлены спектральными характеристиками: ЭМИ не имеют высокочастотного заполнения и их спектр в основном сосредоточен в области доста-
точно низких частот (1 ^ 100 МГц), в то время как СВЧ-импульсы генерируются на определенной несущей частоте, и их спектр может занимать любое место в пределах всего радиочастотного диапазона (от единиц до сотен гигагерц).
Наиболее чувствительными элементами РЭС являются полупроводниковые элементы. В связи с многообразием деструктивных явлений в полупроводниковых приборах, определение точного значения энергии (мощности) повреждения связано со значительными трудностями.
Существенное влияние на работоспособность элементов РЭС могут оказать наводки СВЧ-импульса на кабельные линии, антенно-фидерные устройства и межблочные соединения. Кроме того, наведенные напряжения могут изменить режимы работы узлов, что приведет к временном или катастрофическому отказу в целом.
Выводы
1. В рамках энергетического подхода отказ или нарушение штатного режима функционирования РЭС однозначно связано с изменением параметров или выходом из строя отдельных элементов и (или) узлов (главным образом содержащих полупроводниковые элементы) при воздействии ЭМИ или СВЧ-импульса с амплитудой, превышающей допустимые пороговые значения.
2. Наличие большого числа функциональных связей (линий задержки, волно-ведущих трактов, контуров обратной связи и т. д.) в современных РЭС приводит к тому, что воздействие может осуществляться через отдельные элементы и узлы, когда они, выступая в качестве рецепторов электромагнитной энергии, трансформируют ее и затем уже сами по себе являются для элементов РЭС источниками воздействия, создавая тем самым внутреннюю неблагоприятную ЭМО.
3. Действие достаточно слабого внешнего ЭМИ УКД на чувствительные элементы РЭС может также приводить к
нестабильности системы и увеличению времени ее релаксации к состоянию нормального (штатного) приема и обработки информации. Наиболее существенно эти эффекты проявляются во входных и усилительных каскадах, и к основным факторам их возникновения следует отнести:
- искажение спектра и задержка ЭМИ УКД в элементах пассивной и активной фильтрации (в волноведущем тракте, защитных устройствах с резонаторами, полосовых фильтрах, элементах согласования тракта и т. д.);
- возбуждение долгоживущих стохастических колебаний (ДСК) при ограничении мощности ЭМИ УКД в пороговом
ЗУ;
- неидеальное согласование элементов ПУТ, приводящее к появлению отражений и возбуждению ДСК;
- возбуждение ДСК, обусловленное взаимодействием в активных элементах ПУТ различных спектральных групп ЭМИ УКД.
4. Пути и механизмы воздействия мощного ЭМИ УКД на РЭС существенно отличаются от путей и механизмов воздействия СВЧ-излучения. Обеспечение нормального функционирования РЭС при воздействии ЭМИ УКД обуславливает необходимость поиска новых технологий в решении задачи их защиты, позволяющих одновременно предотвратить воздействие ЭМИ на РЭС по всем возможным каналам прохождения.
Список литературы.
1. Taylor C.D., Giri D.V. High-Power Microwave. - A. Summa Book, Taylor-Frankis, 1994. - 280 p.
2. Benford J., Swegle J. . High-Power Microwave. Artech Hons, Norxood, VF, 1991. - 412 p.
3. Ковтуненко О.П., Богучарський В.В., Слюсар В.1., Федоров П.М. Зброя на нетра-дицшних принципах ди (стан, тенденци, принципи ди та захист вщ не!). Монографiя / Полтава: ПВ1З. - 2006. - 247 с.
4. Кравченко В.И. Электромагнитное оружие. / Харьков: НТУ "ХПИ". -2008. - 185 с.
5. Добыкин В.Д., Куприянов А.И., Пономарев В.Г., Шустов Л.Н. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем. /Под. Ред. А.И. Куприянова. - М.: Вузовская книга, 2007. - 487 с.
6. Старостенко В.В., Григорьев В.В., Таран Е.П. Влияние электромагнитных полей на стойкость ИМС./ Мат. 6-ой Межд. Крымской микроволновой конф., 16-19 сент. 1996. - Севастополь. - С. 188-191.
7. Гадецкий Н.П., Кравцов К.А., Магда И.И. и др. Исследование воздействия электромагнитных излучений УКД импульса на радиоэлектронную аппаратуру СВЧ диапазона. / Мат. 6-ой Межд. Крымской микроволновой конф., 16-19 сент. 1996. - Севастополь. - С. 141-146.
8. Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. М.: Радио и связь, 1988. - 296 с.
9. Magda I.I., Bludov S.P., Gadetski N.P. et al. Studes on electronic device degradation phenomena under interference of pulsed-power electromagnetic fields. / 3-rd Int. Crimian Conf. "UNF Tech. and satellite reseption", Sevastopol, 1993. - v.5. p.523-526.
10. Лебедев И.В, Семенча М.В. Квазиактивный защитный ограничитель СВЧ мощности. // Радиотехника, 2001. - №2. - С. 17-21.
11. Крутов А.В., Митмен В.А., Реб-ров А.С. Защитное устройство малого уровня мощности. В кн. 12-я Крымская конференция «СВЧ техника и технологии». Материалы конференции. Севастополь, 2002. Вебер, 2002.-С.93.
12. Риккетс Л.У., Бриджес Дж., Май-летта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты: Пер. с англ. / Под ред. Ухина Н А. - М.: Атомиздат, 1979. - 328с.
13. Алыбин В.Г. Проблемы создания СВЧ защитных устройств для радиолокации и связи. 12th Int. Crimean Conference "Microware Telecommunication Technology", 2002.-9-13 September. P.15-21.
14. Ропий А.Н., Старик A.M., Шутов К.К. Сверхвысокочастотные защитные устройства. - M.: Радио и связь, 1993. - С. 128.
Анотации:
Проведено аналiз шляхов i механiзмiв впли-ву потужного електромагнгтного випромiнювання на радiоелектроннi засоби i !хню елементну базу. Виявлено вiдмiнностi м1ж СВЧ- випромiнюванням i ЕМ1 НКД iз погляду впливу на РЕА.
Проведен анализ путей и механизмов воздействия мощного электромагнитного излучения на радиоэлектронные средства и их элементную базу. Выявлены отличия между СВЧ- излучением и ЭМИ УКД с точки зрения воздействия на РЭА.
The analysis of ways and mechanisms of influence of powerful electromagnetic radiation on radio-electronic means and their element base is carried out. Differences between microwave radiation and EMI OSD from the point of view of influence on REA are revealed.
УДК 62-55:681.515
ГОСТЕВ В.И. д.т.н, професор (Государственный университет информационно-коммуникационных технологий);
ТКАЛЕНКО О.Н., к.т.н (Государственный университет информационно-коммуникационных технологий);
НЕВДАЧИНА О.В. (Государственный университет информационно-коммуникационных технологий).
Варианты проектирования нечетких регуляторов
Введение
В настоящее время проектирование нечетких регуляторов осуществляется на основе пакета нечеткой логики Fuzzy Logic Toolbox с использованием мощного средства моделирования и исследования систем управления с обратной связью Simulink интерактивной системы MATLAB. Метод проектирования на основе пакета нечеткой логики системы MATLAB достаточно подробно изложен, например, в работах [1,2]. В работе [3]
предложен новый метод проектирования одного класса нечетких регуляторов, основанный на полученных аналитических выражениях для управляющих воздействий на выходе нечеткого регулятора при симметричных треугольных, возведенных в степень треугольных, экспоненциальных, колоколообразных и гауссовых функциях принадлежности с двумя термами. Представлена функциональная схема нечеткого регулятора, на базе которой возможна реализация нечетких регуляторов программным или аппаратным способом. При проектировании нечетких регу-
