авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Совершенствование методов оценки устойчивости радиотехнических устройств к импульсным электромагнитным воздействиям

-- [ Страница 1 ] --

Министерство транспорта Российской федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи

УДК 621.396

Бондаренко Константин Александрович

Совершенствование методов оценки устойчивости РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ к импульсным электромагнитным воздействиям

Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель –

доктор технических наук,
профессор Митрохин В. Е.

Омск – 2011

Работа выполнена на кафедре «Системы передачи информации» Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Митрохин Валерий Евгеньевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Майстренко Василий Андреевич

кандидат технических наук, доцент

Титов Дмитрий Анатольевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Защита диссертации состоится «___» ____________ 2011 г. в «___» ча­сов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном образовательном бюджетном учреждением высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.

Тел./факс: (3812) 65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru

С диссертацией можно ознакомится в в библиотеке Омского государ­ственного технического университета.

Автореферат разослан «___» ________ 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печа­тью учреждения, просим направить в адрес диссертационного совета Д 212.178.01

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор технических наук, доцент Хазан В. Л.

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. 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

    1. Разработана математическая модель расчета значений тока и напряжения, наводимых на микрополосковых проводниках электронных плат в зависимости от собственных параметров трехслойной структуры электронной платы.
    2. Предложена методика расчета формирующих звеньев для создания испытательных импульсов различной формы с заданными амплитудно-временными характеристиками для оценки степени помехозащищенности электронных плат.
    3. 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

    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

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 14 таблиц.

Внедрение результатов работы

Результаты проделанной работы были использованы при проведении испытаний исполнительного прибора ПД740.3 в Омском научно-исследовательском институте приборостроения на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей, на основании которых было представлено экспертное заключение о готовности исследуемой аппаратуры к работе в условиях мощных электромагнитных полей.





Основные результаты, выносимые на защиту:

  1. Математическая модель расчета значений напряжения и тока, наводимых на элементы и микрополосковые проводники электронных плат радиотехнических устройств, отличающаяся тем, что на основании параметров сред, в которых распространяется электромагнитная волна и первичных параметров микрополосковых проводников, определяются зависимости между крутизной нарастания фронта воздействующего импульса и уровнями наведенных напряжений.
  2. Методика расчета номиналов элементов формирующих цепей, необходимая для создания испытательных электромагнитных импульсов с требуемыми амплитудно-временными характеристиками для проверки помехозащищенности электронных плат и элементов защиты.
  3. Совершенствование критерия выбора элементов защиты радиотехнических устройств от опасных импульсных напряжений посредством использования многокаскадных схем защиты, учитывая вольт-секундные характеристики входных цепей интегральных микросхем радиоэлектронного оборудования
  4. Методика оценки устойчивости элементов защиты радиоэлектронных устройств к термическому разрушению при воздействии импульсных токов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой в работе темы, ставятся основные цели и задачи исследования, обосновывается научная новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов.

В первой главе описываются основные пути проникновения опасных импульсных напряжений в блоки радиотехнических устройств. Наиболее вероятными путями проникновения являются антенно-согласующие устройства (АНСУ) и цепи электропитания (ЭП). Проникновение опасных напряжений через АНСУ и ЭП на блоки и узлы радиостанций связано с воздействием токов молний на внутренние и внешние элементы конструкций РЭА, а также с воздействием токов, возникающих при коммутационных процессах в промышленных высоковольтных сетях. Кроме того, рекомендуется рассматривать в качестве одного из путей проникновения электромагнитное влияние грозового или коммутационного импульса непосредственно на элементную базу электронных плат РТУ.

Приводится анализ статистических данных по повреждаемости РТУ от воздействия импульсных электромагнитных полей на примере технологической радиосвязи Красноярской железной дороги, работающей на тяге переменного тока и Западно-Сибирской, работающей на тяге постоянного тока. Статистические данные представлены в виде графиков, построенных на основании таблиц, в которых выделены причины, приведшие к повреждениям элементов в составе радиотехнических устройств.

Рисунок 1. Гистограммы инцидентов по технологической радиосвязи железной дороги, работающей на тяге постоянного тока

Рисунок 2. Гистограммы инцидентов по технологической радиосвязи железной дороги, работающей на тяге переменного тока

В построенных гистограммах под инцидентом следует понимать событие, приведшее к отказу оборудования и занимающее определенное время.

Данные статистики показывают, что основные повреждения РЭА происходят в летний период с мая по октябрь – в период повышенной грозовой активности. Другой причиной импульсных электромагнитных воздействий являются аварийные режимы работы промышленных сетей высокого напряжения: контактных сетей постоянного и переменного тока, которые могут создавать значительные напряжения на направляющих системах, антенно-фидерных трактах и цепях питания радиостанций. Данные подтверждаются гистограммами по цепям, причинам отказов и месяцам.

На основании обработки статистических данных были проведены расчеты надежности работы радиостанций на основании такого нормированного показателя как коэффициент готовности. Приводится коэффициент готовности для радиостанции как единицы радиоэлектронной системы, полученный на основании расчетных формул для оценки надежности РЭА, и коэффициент готовности радиостанций в составе сети технологической радиосвязи, где на их надежность влияют внешние воздействия, определяемый согласно статистическим данным для технологической радиосвязи в указанных подразделениях. Значения полученных коэффициентов оказались ниже нормы как с точки зрения надежности РЭА, так и с точки зрения готовности радиостанции к устойчивому функционированию в условиях внешних электромагнитных воздействий

Представлен обобщенный анализ источников импульсных электромаг­нитных воздействий, описаны их параметры, временные и вероятностные ха­рактеристики.

Приводятся основные положения метода нестационарных векторных потенциалов для решения задач электродинамики во временной области.

Предложено сравнительное описание существующих численных методов для решения задач технической электродинамики, связанной, в частности, с распространением электромагнитных волн и их па­дением на границу раздела двух сред.

Проведен анализ существующих средств защиты антенно-фидерных трактов и цепей, защиты радиоэлектронной аппаратуры технологической радиосвязи, применяемых на сети железных дорог Российской Федерации и описаны их главные особенности.

В конце первой главы представлены основные выводы по проведенному анализу, определены направления научно-исследовательской деятельности и определены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе предложена разработанная автором расчетная модель по определению наведенных токов и напряжений на микрополосковых проводниках трехслойных электронных плат от внешнего источника электромагнитного поля.

 Расчетная модель влияния-2

Рисунок 3. Расчетная модель влияния импульсного электромагнитного поля на электронные платы

Источником импульсного электромагнитного поля является элементарный электрический диполь, создающий в окружающем излучатель пространстве плоскую электромагнитную волну, которая, распространяясь в однородной среде – воздухе, воздействует на электронную плату

Особенностью расчетной модели является учет собственных параметров сред, в которых распространяется электромагнитная волна: проводимости , электрической , и магнитной проницаемости ,. При расчете значений напряжений и токов учитываются параметры следующих сред: медные микрополосковые проводники м м м, окись алюминия, которым покрыта плата о о о и стеклотекстолит или гетинакс – диэлектрик, выступающий в качестве подложки д д д

На границах раздела каждой из сред выполняются граничные условия, позволяющие наиболее полно учесть характер изменения электромагнитного поля при переходе из одной среды в другую



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.