Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств к импульсным электромагнитным воздействиям Бондаренко, Константин Александрович

Введение к работе

Актуальность темы

Опыт эксплуатации радиотехнических устройств (РТУ) в различных областях промышленности показывает, что обеспечение устойчивой и надежной работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является одной из наиболее сложных и важных задач в условиях воздействия импульсных электромагнитных помех. Возникновение таких помех, в основном, связано с активной грозовой деятельностью или коммутационными процессами в промышленных силовых цепях, например, в контактной сети железных дорог постоянного и переменного тока.

Эксплуатация РТУ в подобных условиях неизбежно приводит к определенным нарушениям в работе этой аппаратуры, вплоть до частичного или полного отказа отдельных ее элементов, блоков, узлов. Описанные ситуации являются следствием либо непосредственного попадания токов молнии в элементы конструкций РЭА, либо возникновения наведенных напряжений и токов в отдельных ее частях. В некоторых случаях уровни возникающих напряжений и токов превышают предельно допустимые и приводят к локальному импульсному выделению большого количества тепла на отдельных элементах РТУ, что в итоге может привести к их полному или частичному разрушению.

Основными путями проникновения импульсных перенапряжений на РЭА являются антенно-фидерные тракты, цепи питания, проводные подземные и воздушные линии связи. Существующие методы защиты РТУ от перенапряжений не обеспечивают полноценную защиту радиоэлектронной аппаратуры. Это связано с одной стороны, с большой проникающей способностью импульсного электромагнитного поля, а с другой – с особенностями работы устройств защиты в условиях воздействия импульсов малой длительности. Кроме того, активное внедрение цифровой радиосвязи и использование в аналоговых системах высокочувствительных элементов электроники (интегральных микросхем, микропроцессоров и т.п.) наряду с увеличением их быстродействия и уменьшением потребляемой мощности повышает требования к электромагнитной совместимости и устойчивости существующей электронной аппаратуры к импульсным электромагнитным воздействиям.

Наряду с влиянием импульсных электромагнитных полей на внешние цепи, будь то антенно-фидерный тракт или проводная линия связи, существует проблема влияния электромагнитных импульсов непосредственно на аппаратуру связи. Например, влияние канала электромагнитного поля молнии возникающего в непосредственной близости от сооружения связи, может вызывать сбои в работе программного обеспечения или привести к электрическому пробою микросхем с частичным или полным выходом из строя электронной платы в составе радиоаппаратуры. Основными путями таких воздействий выступают межблочные короткие линии связи, корпуса-экраны РЭА, проводники электронных плат.

Реализация эффективных мер повышения помехозащищенности и стойкости РТУ к импульсным электромагнитным воздействиям требует достоверной оценки уровней, возникающих на РЭА напряжений и токов, выделения на основании этих сведений, критичных к неблагоприятным воздействиям электромагнитных полей элементов и определения эффективных методов защиты РЭА от импульсных электромагнитных воздействий.

Цели и задачи исследования

В диссертационной работе были поставлены две взаимоувязанные цели:

1. Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств и их элементов к импульсным электромагнитным воздействиям малой длительности

2. Повышение надежности и эффективности функционирования радиотехнических устройств за счет совершенствования методов диагностики и конструирования существующих средств защиты и элементов монтажа.

Для достижения первой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. 1. Провести анализ повреждаемости радиотехнических устройств с целью выявления критичных к воздействиям нестационарных электромагнитных процессов элементов, блоков и узлов РТУ на примере радиостанций технологической радиосвязи;

   2. Разработать математическую модель определения уровней наведенных напряжений и токов от импульсного электромагнитного воздействия на элементы электронных плат радиотехнических устройств.

   3. Экспериментально подтвердить результаты математического моделирования по определению уровней наведенных напряжений на элементах и дорожках электронных плат радиотехнических устройств.

   Для достижения второй цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

   1. Усовершенствовать методику расчета номиналов элементов формирующих цепей для создания испытательных электромагнитных импульсов с требуемыми амплитудно-временными характеристиками для проверки помехозащищенности электронных плат и надежности функционирования устройств защиты.

   2. Усовершенствовать методику оценки устойчивости средств защиты и элементов монтажа радиоэлектронных устройств к тепловому пробою при воздействии импульсных токов.

   Методы исследования. В работе использованы методы статистического анализа, методы расчета электрических цепей с комплексными переменными при прямом и обратном преобразовании Фурье, метод запаздывающих нестационарных векторных потенциалов, численные методы решения дифференциальных уравнений, а также метод имитационного моделирование динамических характеристик и схем включения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

   Научная новизна

   2. 4. Разработана математическая модель расчета значений тока и напряжения, наводимых на микрополосковых проводниках электронных плат в зависимости от собственных параметров трехслойной структуры электронной платы.

      5. Предложена методика расчета формирующих звеньев для создания испытательных импульсов различной формы с заданными амплитудно-временными характеристиками для оценки степени помехозащищенности электронных плат.

      6. Разработана методика оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к термическому разрушению при воздействии импульсного тока.

      Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе положения теоретически обоснованы, подтверждены сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными в результате имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Погрешность между экспериментальными и расчетными данными составила не более 11 %.

      Практическая значимость

      2. 1. Представлены расчеты номиналов формирующих элементов, необходимые для получения испытательных импульсов с заданными амплитудно-временными характеристиками. Полученные результаты были использованы для проверки интегральных микросхем в составе электронных плат радиотехнических устройств на стойкость к импульсным электромагнитным воздействиям.

         2. На основании численного метода конечных разностей создана программа для ЭВМ, позволяющая определять значения максимальных наведенных напряжений на элементах, входящих в состав электронных плат радиоэлектронной аппаратуры, на основании значения электрической составляющей электромагнитного импульса, воздействующего на электронную плату.

         3. Получены характерные зависимости наведенных напряжений на микрополосковых проводниках электронных плат от уровня напряженности импульсного электромагнитного поля и крутизны нарастания фронта импульса.

         4. Усовершенствована методика испытаний и выбора элементов защиты радиотехнических устройств от максимальных импульсных напряжений в соответствии с вольт-секундными характеристиками радиоэлектронного оборудования.

         Апробация работы

         1. Научно-технический семинар ОмГУПС, г. Омск, 2007 г.

         2. Юбилейная научно-техническая конференция в ОНИИП, г. Омск, 2008 г.

         3. Международная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах, г. Омск, 2009 г.

         4. IV Всероссийская научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора ПО «Полет» А.С. Клинышкова, г. Омск, 2009 г.,

         5. Научно-техническая конференция в ЦКБА, г. Омск, 2010 г.

         6. Международная научная конференция «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», Секция 4b, г. Плоцк [Польша], 2010 г.

         7. Научно-техническая конференция «УМНИК», г. Омск, 2011 г.

         Публикации результатов

         По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе три статьи – в изданиях ВАК Минобрнауки России (в журнале «Вестник Академии Военных Наук, №3 (28)», в материалах III научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания широкополосных РЭС. СВЧ-2010» и «Автоматика, связь, информатика», №4, 2011 г.), три статьи в других изданиях («Математика и информатика Наука и Образование», сборник работ международной конференции «Образование, наука и экономика в ВУЗах. Интеграция в международное образовательное пространство», г. Плоцк [Польша], сборник работ конференции «УМНИК»), три материала докладов на Международных научно-технических конференциях и научно-практических конференциях. Получен патент на полезную модель № 105786.

         Структура и объем диссертации

         Похожие диссертации на Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств к импульсным электромагнитным воздействиям

         

         Совершенствование методов оценки помехоустойчивости радиоэлектронных средств к воздействию импульсных электромагнитных полейРяполов Артём Владимирович

         

         Совершенствование принципов построения и методов оценки характеристик радиотехнических систем ближнего действияПанычев Сергей Николаевич

         

         Экспериментальные исследования радиотехнических устройств на воздействие сверхширокополосных электромагнитных импульсов и разработка рекомендаций по обеспечению их стойкостиТяпин Михаил Серафимович

         

         Моделирование стационарных режимов нелинейных радиотехнических устройств в частотной области при многопериодических воздействияхТрушин Сергей Владимирович

         Алгоритмы поиска ключевых слов в радиотехнических устройствах обработки речевой информации, устойчивые к воздействию мешающих факторовБаландин, Иван Васильевич

         Автоматизованное проектирование бортовых устройств электропитания радиотехнических систем с учетом тепловых и механических воздействииСарафанов, Альберт Викторович

         Развитие теории и совершенствование методов ключевого усиления и улучшение энергетических характеристик и показателей качества мощных радиотехнических устройств с импульсной модуляциейНикитин, Константин Константинович

         

         Методы совершенствования параметров электромагнитной совместимости радиоузлов региональной корпоративной системы связиБудяк Владимир Серафимович

         

         Совершенствование методов предварительной обработки изображений в системах визуализацииЧирков Константин Владимирович

         Исследование и разработка методов оценки эффективности в задачах праксеологического анализа радиотехнических системКазанцев, Александр Владиславович