Постановка задачи обеспечения электромагнитной совместимостии электромагнитной устойчивости РЭС при помощи экранирования

Самоквасова Ю. Н.,Ромащенко М.А.

Воронежский государственный технический университет

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РЭС ПРИ ПОМОЩИ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Задача обеспечения ЭМС различных РЭС возникла как следствие научно-технического прогресса в радиотехнике, электронике и связи по следующим причинам[1]:

- непрерывное возрастание общего числа РЭС как следствие электронизации народного хозяйства страны;

- недостаточное число свободных от помех радиоканалов во всех освоенных диапазонах;

- возрастание общего уровня помех от индустриальных источников;

- усложнение функций и состава РЭС;

- сосредоточениеразличныхвидовРЭС вограниченном пространстве, например на самолете, корабле;

- несовершенство технических характеристик РЭС, от которых зависит их ЭМС;

- миниатюризация аппаратуры, что в ряде случаев приводит к снижению энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал-помеха.

В настоящее время некоторые аспекты ЭМС принимают межгосударственный, глобальный характер. Среди важных задач этого направления можно отметить:

- рассмотрение причин возникновения, воздействия и методов уменьшения непреднамеренных электромагнитных помех различного происхождения;

- определение восприимчивости к ЭМП аппаратуры на любом ее структурном уровне;

- прогнозирование ЭМС и ЭМП;

- разработку эффективных мер защиты РЭС от ЭМП.

Однако понятие ЭМС возникнув изначально в радиотехнике вскоре распространилось далеко за ее рамки. Следует отметить, что многие перспективные телекоммуникационные технологии обязаны своим появлением именно благодаря этой проблеме.

В реальных условиях в месте расположения оборудования действует большое число различного рода излучений, учёт которых возможен при помощи методов теории вероятности и математической статистики. Обеспечение нормальной работы совместно работающих технических средств является целью ЭМС как научной проблемы[2].

Различают несколько способов повышения помехоустойчивости РЭС:

системный (например, изменение подхода к обработке и передаче сигналов);

схемотехнический (например, использование компенсационных схем и фильтров);

конструкторский (например, экранирование).

К конструкторским способам повышения помехоустойчивости РЭС относят: экранирование, фильтрацию помех, заземление, монтажные соединения, а также играет роль развитие элементной базы.

Рассмотрим основной конструкторский способ решения проблемы обеспечения ЭМС РЭС- экранирование, т.е. локализацию электромагнитной энергии в пределах определенной области. В общем случае экранирование осуществляется с помощью электромагнитных экранов. Однако часто наблюдается преобладание отдельных видов полей, поэтому для учета их специфики различают следующие виды экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное.[3]

Для установления конкретных реализаций структуры (схемы) объединение экрана и защищаемого объекта исходят обычно из особенностей объекта, т. е. форма и размеры экрана и взаимное положение экрана и объекта, определяется условиями защиты и характеристиками объекта.

Известно несколько способов устранения взаимных связей, не предусмотренной функциональной схемой, с помощью экранов: блочное и общее экранирование РЭС.

Поэлементное экранирование. Размеры экрана определяются габаритами защищаемого элемента. Экран должен вписываться в общее устройство, обеспечивать минимальную реакцию на экранируемый объект, ремонтопригодность и нормальный режим работы РЭС.

Блочное экранирование. Экран представляет собой кожух РЭС и должен обеспечивать нормальный тепловой режим, защиту от пыли и влажности, устойчивость к вибрации, ослабление воздействия внешних полей.

Общее экранирование. Экран представляет собой самостоятельное сооружение, предназначенное для-зашиты от внешних полей или локализации излучения радиоэлектронного комплекса. При экранировании помещения решается целый комплекс вопросов, связанных с защитой помещения, размещением аппаратуры, вентиляцией и др.

Реальные экраны, состоящие из большого числа элементов, нельзя рассматривать как однородные. В местах стыков листов и соединений элементов ток проходит через участки с сильно уменьшенным сечением. Это приводит к местным увеличениям плотности и неравномерному распределению токов, к возрастанию сопротивления экранов и снижению эффективности в целом. Проникновение энергии через отверстия, щели и другие дефекты конструкции экрана снижает эффективность экранирования.

Конструктивно экран состоит из нескольких составных частей, которые в процессе сборки соединя-ютсямежду собой разъемными или неразъемными соединениями. Кроме мест соединений в экране имеются отверстия для монтажа проводов.

При всей кажущейся простотеустройства электромагнитных экранов их техническая реализация часто вызывает определенные трудности. Это вызвано значительным расхождением расчетных данных по сравнению с экспериментальными данными при отсутствии достаточно обоснованных методов испытания экранов в широком диапазоне частот. Поскольку во многих случаях система экранирования и фильтрации представляет собой сложный комплекс замкнутых и открытых плоских экранов, волноводных фильтров, электрических фильтров и других элементов, окончательную доработку конструкции приходитсяпроизво-дить на макете. Однако при рациональном размещении деталей и элементов системы экранирования в соответствии с расчетными даннымикоррективы, вносимые в конструкцию, обычно несущественны.[4]

Однако эффективность экрана определяется не столько выбором материалов, а конструкцией экрана: наличием щелей, отверстий и других неоднородностей. По этой причине теоретические оценки эффективности экранирования носят весьма условный характер, поскольку теоретические трудности не позволяют получить адекватные модели экранов с предсказуемыми и непредсказуемыми неоднородностями, возникающими в реальной ситуации. Однако следует отметить, что значительные потери в электромагнитных экранах часто ограничивают возможности их применения, а также, все системы подавления помех нуждаются в антивибрационной защите. Вибрация сама может стать источником дополнительных помех .

Общим принципом обеспечения ЭМС технических средств является определение совместимости каждой возможной в этой системе пары источник помех - рецептор [5]. В случаях, когда свойства рассматриваемой пары не допускает нормальной работы рецептора, возникает необходимость обеспечения совмес-

тимости в этой паре или ослаблением возмущения в источнике (и при его передаче к рецептору), или защитой самого рецептора от возмущения. Задача в системном плане оказывается сложной не только из-за множественности парных сочетаний в системе, но также из-за возможности воздействия электромагнитных возмущений с различными характеристиками и наложения во времени воздействий нескольких источников помех. Эти обстоятельства определяют вероятностный характер задачи обеспечения ЭМС.

Практическое решение задачи обеспечения ЭМС надо начинать с поиска источника помех. Если мы рассмотрим основные источники ЭМП, способные представлять угрозу для электронной аппаратуры, то обнаружим, что некоторые из них характерны лишь для объектов с высокой энерговооруженностью (энергетика, транспорт, тяжелая промышленность и т. п.), а другие могут обнаружиться практически в любом месте, включая офисы, машинные залы ЭВМ и жилые помещения. Вот лишь некоторые из них:

Аварийные потенциалы на элементах заземляющего устройства

2. Низкочастотные возмущения напряжения питания

3. Помехи от грозовых разрядов

4. Помехи от коммутационных операций высоковольтного оборудования

5. Помехи при коммутациях малой реактивной нагрузки

6. Радиочастотные электромагнитные поля

7. Низкочастотные электрические и магнитные поля силовых электроустановок

8. Электростатический разряд

9. Другие источники помех

Приведенные примеры показывают, что часто помехи от различных источников бывают схожими. Это сходство объясняется либо общностью механизмов генерации, либо просто сходством частотных спектров. Таким образом, можно выделить некий «базовый» набор помех таким образом, что аппаратура, обладающая достаточной устойчивостью к помехам из этого «базового» набора, будет обладать хорошей помехоустойчивостью и в реальной ЭМО. Именно на этом построена идея проведения испытаний аппаратуры на ЭМС.

Исходя из сказанного выше, хочется отметить, что обеспечение ЭМС с помощью экранирования является одной из важных тем при получении качественных радиоэлектронных изделий. Поиск новых решений, материалов, а также математического обеспечения для автоматизации процесса выбора необходимой защиты позволит получать помехоустойчивые составляющие и готовые изделия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Князев А.Д. Конструирование электронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости./ А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. - М.: Радио и связь, 1989. 224с.

2. Электронная библиотека: http://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитная совместимость

3. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. Л. , Энергия, 1975. 112с.

4. Гурвич И.С. Защита ЭВМ от внешних помех. М.: Энергоиздат, 1984.

5. Ульямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. М.: «Издательский дом «Технологии»,

2004. - 508 с.