Методика оценки ближнего электромагнитного поля методом эквивалентной модели

УДК 621.396

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ БЛИЖНЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ

ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МОДЕЛИ

В.В. Глотов, М.А. Ромащенко

На современном этапе проблема электромагнитной совместимости играет значимую роль в развитии радиоэлектронной аппаратуры. Большинство разработчиков стараются миниатюризировать электронные компоненты, из-за чего увеличиваются шансы сбоев в работе электронных средств. Для экономии фонда рабочего времени и денежных средств, вполне логично и целесообразно выявлять проблемные места печатной платы на ранних стадиях разработки. Так в статье представлено описание разработанной методики обнаружения ближнего электромагнитного поля, которая позволяет без проведения высокозатратных испытаний определять излучаемые помехи печатной платы в ближнем поле. Основой метода является - заменять источники излучений печатной платы множеством эквивалентных источников, диполей. Описывается процедура упрощения диполей в матрице, которая включает такие операции как «удаление» и «объединение»

Ключевые слова: ближнее поле, диполь, эквивалентная модель

Задача обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) в различных электронных средств (ЭС) возникла как следствие научно-технического прогресса в радиотехнике по причинам непрерывного возрастания общего числа ЭС и как следствие повсеместного проникновения во все сферы деятельности человека. Целесообразно проводить тестирование на ранних стадиях проектирования печатных плат (1111) [1]. Существует несколько методик определения источников излучения 1111.

Одной из таких методик является метод эквивалентной модели. Цель метода состоит в том, чтобы заменить источники излучений 1111 множеством эквивалентных источников, которые должны генерировать значения полей в лучшем варианте с 1111. Учитывая тот факт, что электромагнитные излучения от 1111, как правило, производятся токами основных компонентов бесконечно малых диполей, используемых для эквивалентных источников, так бесконечно малая величина диполь представляет излучения от элементарного тока. Кроме того, диполь является простейшим излучателем, который может быть включен в любой электромагнитный компонент, таким образом, метод сохраняет вычислительные затраты на низком уровне.

Для визуализации на рисунке 1 показана модель 1111 без определенного знания о структуре и информации о схеме, за исключением ее общих геометрических размеров. 1111 сегментирована с

Глотов Вадим Валерьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: vadik-livny@mail.ru

Ромащенко Михаил Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: kipr@vorstu.ru

прямоугольной сеткой и каждый сегмент заменяется произвольно ориентированным эквивалентным диполем.

Таким образом, эквивалентные диполи находятся в массиве матрицы. Поскольку большинство ПП являются относительно тонкими, эквивалентные точечные диполи могут быть размещены в плоской поверхности в непосредственной близости от ПП.

Электромагнитные излучения

Печатная плата Эквивалентная модель

Рис. 1. Основной принцип эквивалентной модели диполя

Теоретически электрические или магнитные диполи или комбинации обоих, могут быть использованы в качестве эквивалентных источников ПП.

Эквивалентные магнитные диполи и электрические диполи основаны на эквивалентном представление бортовых токов, соответственно магнитными и электрическими токами.

Для упрощения задачи по определению момента и ориентации диполя каждую точку диполя разлагаем на три компонента Мх, Му и М2. После чего задача становится линейной. Исходя из принципа эквивалентности, эквивалентные диполи должны излучать такое же поле, как реальная ПП. Таким образом, момент (амплитуда и фаза) и ориентация диполей определяются путем подгонки измеренного тангенциального распределения магнитного поля в ближней зоне плоскости из

решения обратной задачи. В декартовой системе координат магнитное поле Нх, Ну и Н2 при (х,у,2) излучаемое бесконечно малым диполем М2 может быть выражено в точках х0, у0, 20. В выражениях (1-3) показано разложение компоненты М2 в качестве примера:

Н х = М2 Щ-^г

= М2 £ ,

Н у = М2 Щ^Т

=М2 ^,

н 2 = М2 ^^ № + +

Апг I г* \ кг

0 + =М2 я

где к -волновое число, г -расстояние от диполя до точки измеряемся по формуле:

г = ^

Две другие составляющие Мх и Му имеют аналогичные выражения с простым преобразованием координат [2]. На рис. 2 показана конфигурация идентификации эквивалентного источника из сканирования в ближней зоне.

Рис. 2. Эквивалентная идентификация источника из ближнего поля сканирования

Амплитуда и фаза тангенциального магнитного ближнего поля Нх и Ну, над плоскостью над 1111 измеряются дискретно в точках р х q выборки. Поле в каждой точке измерения является суммарным вкладом всех эквивалентных диполей. Предположим, что существует т точек выборки измерений и п

дипольных компонентов измеренного тангенциально магнитного поля в плоском массиве дискретных точек, таким образом, связанных с массивом исходных магнитных диполей линейных уравнением матрицы:

\гх ГУ гг]

МХ~ МУ

Мх

МУ 1Мг\

пх1 [Нх]тх1

пх1 = [йу]тх1

где верхние индексы относятся к дипольным компонентам, а нижний индекс к измеренным компонентам поля.

В разложениях (5-6) коэффициенты и £у, как определено в формулах (1-3), зависят от позиции и частоты, таким образом, момент каждого диполя можно найти путем решения обратной задачи линейных уравнений в частотной области. Для того, чтобы получить единственное решение для М, общее число диполей не должно превышать общее количество измеренных точек поля (п < т). С помощью точного измерения ближнего поля, эквивалентные источники диполей полностью характеризуют свойства излучения ПП для полупространства, где берутся измерения ближнего поля.

Определение общего числа диполей для эквивалентной модели (например, разрешение дипольного массива матрицы), зависит от размера и сложности ПП. Большое число эквивалентных диполей приводит к более высокой точности, но и требует больших вычислительных ресурсов. На рис. 3 показан график тестовой ПП на частоте 1 ГГц, где омж и моделирование процессорного времени с различными разрешениями массива. При этом, полевые данные, используемые для построения эквивалентной модели, были получены из численного решения полного поля в методе моментов (МоМ) [4].

Бремя

процессора

01 0075 бж 0.05 0.025 О

-7г

\

V N

I- - -- -

Время

процессора

Рис. 3. Точность и расчетное время в зависимости от разрешения массива матрицы

Можно увидеть, что ниже критического значения (в данном случае около 10 мм), модель способна достичь хорошей точности, но вычислительные затраты постепенно увеличиваются. Сведение к минимуму числа диполей значительно облегчит последующее моделирование. Массив матрицы прост в модели, но может содержать некоторые избыточные диполи. Момент каждого диполя в матрице вычисляется. Затем осуществляется процедура упрощения, которая включает в себя «удаление» и «объединение», как показано на рис. 4. Удаление применяется, если абсолютное значение момента диполя очень мало. Убирающий фактор Sгem определяется в процентах. При соответствующим значении Sгem дипольный момент < Sгem максимального, то дипольный момент может быть удален без создания существенной ошибки и его небольшой вклад в общее поле будет компенсирован другими диполями. Объединение применяется, если момент диполя очень похож на соседние диполи, поскольку вклад этих диполей в суммарном поле может быть аппроксимирован до одного диполя, помещенного в центре исходного кластера диполей. Комбинационной фактор определяется как Scoм в процентах. Таким образом, соседние диполи, в которых действительная и мнимая части моментов в пределах SCOM объединены. Наконец, после процедуры упрощения, моменты этих диполей в сокращенном массиве пересчитаны для построения окончательной модели [5].

оооо оооо о о о о

Исходный момент матрицы

Удаление

оооо , оооо о ¡d*p О . О ¡'45 о

О О О О CZ¡> о о о О О О V оооо

XL

э с э с э с

XL

о о о о 0

о Ю Qsо I > о ¡ ° \о о 5 ю о о öoo

Эффективный о

Рис. 4. Упрощение эквивалентного диполя массива

Увеличение факторов упрощения может постепенно уменьшить количество диполей, но слишком большое упрощение приводит к значительному увеличению погрешности. Кроме того, из рис. 5 (б) видно, что существует критическое значение факторов

упрощения, ниже которого оМзЕ почти постоянна. Поэтому, с учетом простоты и точности, выбор Sгem и SCOM вблизи критического значения является разумным, например, Sгem между 10 ~ 15% и Scom между 10 ~ 20%. После упрощения, тем более эффективный массив обычно содержит приблизительно 70% от первоначального

количества диполеи.

100 г

90

О 03

002

001

- Поиск факторо»  10%

--Поиск факторо»  10%

— - —  Поиск фисторо»  10%

Рис. 5. Эффективность упрощения

а) влияние на количество диполей

б) воздействие на моделирование

Разработанная методика определения излучений ближнего электромагнитного поля позволяет без проведения высокозатратных испытаний определять излучения ближнего поля множеством эквивалентных источников, которые должны генерировать со значениями полей ПП.

Литература

1. Кечиев, Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры [Текст] / Л.Н. Кечиев.- М.: ООО «Група ИДТ», 2007. - 616 с.

2. Электронный каталог Лаборатория ЭМС. -Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.emc-problem.net.

3. Макаров, О.Ю. Методы обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств [Текст]: монография / О.Ю. Макаров, А.В. Муратов, М.А. Ромащенко. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. - 234 с.

4. Ромащенко, М.А. Основные задачи анализа обеспечения ЭМС в конструкциях РЭС и принципы его выполнения [Текст] / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 4. - С. 106-109.

5. Ромащенко, М. А Методы оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Ромащенко Михаил Александрович. - Воронеж, 2014. -36с.

Воронежский государственный технический университет

METHODS OF ASSESSMENT OF THE NEAR ELECTROMAGNETIC FIELD BY THE METHOD

OF EQUIVALENT MODELS V.V. Glotov, Postgraduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: vadik-livny@mail. ru

M.A. Romashchenko, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: kipr@vorstu.ru

At present, the problem of electromagnetic compatibility plays an important role in the development of electronic equipment. Most developers are trying to miniaturize electronic components, due to which the increase in the chances of failures of electronic tools. To save production time and money, it is logical and appropriate to identify problem areas of the PCB in the early stages of development. Since the article is a description of the developed method of detection of near electromagnetic field, which allows without a high cost of tests to determine the noise emitted by the circuit board in the near field. The method is based - to replace sources of PCB emissions equivalent to a variety of sources, dipoles. Procedure described in simplification dipoles matrix which includes operations such as "delete" and "association."

Key words: near-field dipole equivalent mod

References

1. Kechiev L.N. Proektirovanie pechatnyh plat dlja cifrovoj bystrodejstvujushhej apparatury [Design of printed circuit boards for high-speed digital hardware]. Moscow, OOO "Grupa IMT", 2007. - 616 p.

2. OPAC EMC Laboratory. - Electron. Dan. - Access: http://www.emc-problem.net.

3. Makarov O.U., Muratov A.V., Romashchenko M.A. Metody obespechenija vnutriapparaturnoj jelektromagnitnoj sovmestimosti i pomehoustojchivosti v konstrukcijah jelektronnyh sredstv [Inside hardware ensure electromagnetic compatibility and noise immunity in the construction of electronic] Monograph - Voronezh, VPO "Voronezh State Technical University", 2013. - 234 p.

4. Romashchenko M.A. Osnovnye zadachi analiza obespechenija EMS v konstrukcijah RES i principy ego vypolnenija [Basic EMC software analysis tasks in designs REM and the principles of its implementation] Bulletin of Voronezh State Technical University. - 2011. - Volume 7, number 4. - S. 106-109.

5. Romashchenko M.A. Metody optimal'nogo proektirovanija konstrukcij radiojelektronnyh sredstv s uchetom jelektromagnitnoj sovmestimosti i pomehoustojchivosti [Methods of optimal design constructions of radio electronic means with regard to electromagnetic compatibility and interference immunity] Abstract. Dis. ... Dr. tehn. Science / Romashchenko Mikhail. - Voronezh, 2014. - 36c.