Гизатуллин монография 1

ты, с точки зрения параметров наводимых электромагнитных помех, сравниваются с результатами анализа электромагнитных помех в компланарных линиях связи. Рассматриваются несколько возможных разновидностей реализации межсоединений печатных плат в виде витых пар – горизонтальная и вертикальная. Конструктивно витая пара реализуется в двух слоях МПП путем применения переходных отверстий. На практике возможно несколько разновидностей реализации плоских витых пар: горизонтальные (рис. 4.3, а); вертикальные (рис. 4.3, б). Вертикальные витые пары обладаю возможностью более плотной трассировки в МПП (рис. 4.4).

Рис. 4.3. Конструкция горизонтальной (а) и вертикальной (б) витой пары в МПП

181

Рис. 4.4. Сравнение плотности трассировки при применении вертикальной (а) и горизонтальной (б) витой пары в МПП

Временные формы широкополосных ЭМИ, воздействующих на МПП, приведены на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Временные формы ЭМИ нормированные:

а – ЭМИ высотного ЯВ; б – ЭМИ СЭТ

Ориентация вектора внешнего электрического поля относительно контура в МПП СВТ приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Варианты ориентации векторов широкополосного электромагнитного воздействия относительно контура в МПП (R1, R2 – нагрузка)

182

Рассмотрим примеры анализа электромагнитных помех в компланарной линии связи в МПП и вертикальной витой паре реализованной в МПП по ранее описанной технологии (рис. 4.7 и 4.8).

Рис. 4.7. Электромагнитная помеха в межсоединении МПП в виде компланарной линии связи (1) и вертикальной витой пары (2) (ЭМИ высотного ЯВ;

а – ориентация вектора E вариант 1; б – вариант 2; в – вариант 3)

Рис. 4.8. Электромагнитная помеха в межсоединении МПП в виде компланарной линии связи (1) и вертикальной витой пары (2) (ЭМИ СЭТ; а – ориентация вектора E вариант 1; б – вариант 2; в – вариант 3)

Таким образом, данное техническое решение позволяет снижать величину наводимой электромагнитной помехи в несколько раз, чем в межсоединениях МПП в виде компланарных линий связи. Результаты данных исследований позволяют рекомендовать межсоединения МПП в виде витых пар для снижения электромагнитных помех при широкополосных электромагнитных воздействиях.

4.2. Повышение эффективности экранирования корпуса средств вычислительной техники

В данном разделе монографии предложено новое техническое решение, направленное на повышение помехоустойчивости СВТ

183

в условиях широкополосных электромагнитных воздействий путем повышения эффективности экранирования его корпуса [296].

Процесс движения электромагнитной энергии в замкнутом электромагнитном экране (корпусе СВТ) сопровождается рядом явлений, к которым относится и резонанс. Данное явление может привести к нарушению условий функционирования замкнутого электромагнитного экрана, т.е. к недопустимому снижению его эффективности. При резонансе амплитуда напряженности поля внутри корпуса для СВТ возрастает в Q раз, а следовательно, эффективность экранирования уменьшается в Q раз относительно результирующей эффективности, учитывающей поглощение и отражение электромагнитных волн [142].

Техническая задача, повышение эффективности экранирования типичного корпуса СВТ содержащем прямоугольные металлические стенки, соединенные между собой под прямым углом и образующие замкнутый прямоугольный параллелепипед, достигается тем, что на внутреннею поверхность стенок нанесен равномерный слой диэлектрика, толщина и диэлектрические свойства которого удовлетворяют условию минимального значения коэффициента отражения электромагнитных волн при собственной резонансной частоте корпуса.

На рис. 4.9 приведено в сечении фрагмент корпуса для СВТ c повышенным значением коэффициента экранирования, содержащий прямоугольные металлические стенки 1, соединенные между собой под прямым углом и образующие замкнутый прямоугольный параллелепипед и равномерный слой диэлектрика 2, т.е. слой диэлектрика, имеющий одинаковую толщину по всей

площади.

184

Известно, что коэффициент отражения r электромагнитных

волн заданной частоты от металлической стенки и равномерного слоя диэлектрика, вычисляется по выражению:

где l – толщина слоя диэлектрика с комплексным значением диэлектрической проницаемости ε = ε′ − jε′′; ε′, e′′ – соответственно,

диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери в слое диэлектрика; j – мнимая единица; Z0, Z – волновые сопротивления

воздушной среды и слоя диэлектрика; g = j × 2p e , lд – длина lд

электромагнитной волны в слое диэлектрика, соответствующая заданной частоте.

Минимальные значения коэффициента отражения r min

электромагнитных волн заданной частоты от металлической стенки и равномерного слоя диэлектрика реализуется при значении толщины равного lм, определяемого из условия [297]:

где λ – длина электромагнитной волны в воздушной среде, соответствующая заданной частоте.

185

С учетом указанного условия (4.2), выражение (4.1) в точках минимума принимает вид:

Из данного выражения следует, что при выборе определенной толщины диэлектрического слоя, равного lм, нанесенного на металлическую стенку, соответствующее положению одного из минимумов зависимости (4.1), коэффициент отражения для заданной частоты электромагнитной волны будет иметь предельно минимальное значение r min = 0 при R1 = R2. С учетом выражений для

R1 , R2 условие минимума приводит к конечному выражению:

y ×sh (4 × p × x × y ) + sin (4 × p× x ) = 0.

Таким образом, данное выражение устанавливает однозначную связь между толщиной и диэлектрическими свойствами слоя диэлектрика нанесенного на металлическую стенку, удовлетворяющими условию минимального значения коэффициента отражения электромагнитных волн при заданной частоте электромагнитного поля. Задав частоту электромагнитного поля равным одной из собственных резонансных частот корпуса для электронных средств можно добиться минимального значения коэффициента отражения электромагнитных волн при данной собственной резонансной частоте корпуса. При этом минимальное значение коэффициента отражения для заданной частоты электромагнитной волны стремится к нулю.

Напряженность электрического поля внутри корпуса для СВТ при собственной резонансной частоте определятся выражени-

ем [142]:

186

где P – мощность источника электромагнитного поля; Ко – коэффициент отражения внутренней поверхности стенок корпуса (0 < Ко < 1) и, в данном случае Ко = r ; ∑S – суммарная пло-

щадь внутренней поверхности стенок корпуса. Следовательно, напряженность электрического поля внутри корпуса определяется коэффициентом отражения от внутренней поверхности стенок

и аналитически обусловлено множителем 4 × Kо . 1- Ко

Рассмотрим предложенный корпус для СВТ, в применении. Корпус для СВТ содержит прямоугольные металлические стенки, соединенные между собой под прямым углом и образующие замкнутый прямоугольный параллелепипед с размерами 0,2´0,25´0,25 м. Толщина металлических стенок равна d = 1 мм. Материал стенок – сталь (проводимость s = 2 ×106 См; относительная магнитная проницаемость μ = 1000). Данный корпус имеет множество собствен-

ных резонансных частот, но наиболее опасным является низшая собственная резонансная частота, где наблюдается наиболее интенсивный спад эффективности экранирования корпуса. Низшая собственная резонансная частота данного корпуса f1 = 848,5 МГц.

На внутреннею поверхность металлических стенок корпуса нанесен равномерный слой диэлектрика, например полиамид, который имеет диэлектрическую проницаемость ε '= 6, диэлектрические потери ε" = 0,6 и толщину равную lм = 3,613 см. Тогда имеем минимальное значение коэффициента отражения электромагнитной волны от металлической стенки 1 и равномерного слоя диэлектрика, равную r min = Кo = 0,013 при низшей собственной резонанс-

ной частоте f1 данного корпуса. Например, если мощность источника электромагнитного поля P = 1 мкВт, суммарная площадь внутренней поверхности стенок корпуса ∑S = 0,325 м2, напря-

187

женность электрического поля внутри корпуса при низшей собственной резонансной частоте f1 составит E1 = 0,032 В/м.

Проведем расчет напряженности электрического поля внутри типичного корпуса СВТ при низшей собственной резонансной

Тогда, при P = 1 мкВт, ∑S = 0,325 м2, напряженность элек-

трического поля внутри корпуса при низшей собственной резонансной частоте f1 составит E1 = 1,92 В/м.

Таким образом, напряженность электрического поля внутри предложенного корпуса для СВТ с повышенным значением эффективности экранирования при низшей собственной резонансной частоте, ниже, чем у типичного корпуса в 60 раз, т.е. эффективность экранирования предложенного корпуса для СВТ при низшей собственной резонансной частоте повышается на 35,6 дБ.

188

Например, качественно, результат применения данного технического решения для повышения эффективности экранирования корпуса СВТ, представлен на рис. 4.10. Данная зависимость эффективности экранирования исходного корпуса (рис. 2.24, б) представлена на рис. 2.26. Резонансная частота корпуса 700 МГц.

Рис. 4.10. Повышение эффективности экранирования корпуса СВТ при использовании данного технического решения (сплошная – до применения;

штриховая – после)

Проведем анализ эффективности технического решения повышения помехоустойчивости, предложенного в данном разделе, путем моделирования электромагнитных помех в межсоединениях МПП внутри корпуса (исходного и модернизированного) СВТ при воздействии ЭМИ СЭТ, ЭСР и ЭМИ высотного ЯВ. Исходные данные (рис. 4.11): размеры корпуса 200×200×100 мм (прямоугольный); низшая резонансная частота – 1061 МГц; материал корпуса – алюминий; толщина стенок 1 мм; параметры МПП: толщина основания – 0,3 мм (FR-4); потенциальные слои – 0,035 мм (медь); ширина межсоединения – 0,25 мм (медь); длина межсоединения – 100 мм; ориентация межсоединения – по оси Y; нагрузка на концах 50 Ом.

Вариант 1 [298]. Внешнее электромагнитное воздействие – плоская электромагнитная волна СЭТ со стороны конструктивных отверстий корпуса (рис. 4.12). Поляризация по оси Z.

189

Рис. 4.11. Графическое представление модели СВТ:

1 – корпус; 2 – конструктивные отверстия; 3 – МПП; 4 – межсоединение; 5 – полиамид (толщина 28,9 мм, присутствует только в модернизированном корпусе)

Результаты прогнозирования эффективности экранирования рассмотренных корпусов и электромагнитной помехи в межсоединении МПП представлены на рис. 4.13 и 4.14.

Рис. 4.12. Временная форма ЭМИ СЭТ (нормированный)

Как видим из примера, эффективность экранирования модернизированного корпуса при воздействии внешнего ЭМИ существенно повышается на низшей резонансной частоте. Как следствие это приводит к тому, что прогнозируемая электромагнитная помеха в межсоединении МПП внутри модернизированного корпуса СВТ при воздействии внешнего ЭМИ существенно снижается по длительности (до 3 раз).

190