Гизатуллин монография 1

рина межсоединения – 0,25 мм; толщина межсоединения – 35 мкм; линейная нагрузка на концах межсоединения – 100 Ом; корпус СВТ радиопрозрачный; угол падения и поляризации воздействующего ЭМИ – θ = φ = γ = 0.

Графики напряженности электрического поля вне (а) и внутри здания (б) при воздействии ЭМИ разряда молнии представлены на рис. 4.32. Электромагнитные помехи в межсоединении МПП при воздействии ЭМИ разряда молнии представлены на рис. 4.33.

Рис. 4.32. Напряженность электрического поля вне (а) и внутри здания (б) при воздействии ЭМИ разряда молнии

Рис. 4.33. Электромагнитная помеха в межсоединении МПП при воздействии ЭМИ разряда молнии: а – аналитическое моделирование;

б – имитационное моделирование

211

Полученные результаты указывают, что параметры наводимых электромагнитных помех существенно меньше критических параметров (Vk , tk ) (рис. 2.61) и поэтому нарушение помехоустойчивости СВТ внутри здания, при воздействии ЭМИ разряда молнии, в данном примере не происходит.

Пример 4. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости СВТ внутри здания при воздействии ЭМИ высотного ЯВ. Исходные данные: здание с железобетонными стенами (рис. 2.21, г); тип сетки – 2; размер окна – 1,5 ×1,5 м; корпус СВТ (рис. 3.2, а); линия связи внутри корпуса – прямоугольный контур, с размерами 40×40 мм; нагрузка – цифровой элемент ТТЛШ с цепями согласования (50 Ом); параметры ЭМИ высотного ЯВ (2.13, а); напряженность электрического поля – 1 В/м (нормированная).

Результаты сквозного прогнозирования: временная форма ЭМИ внутри здания (рис. 4.34); временная форма ЭМИ внутри корпуса СВТ (рис. 4.35); электромагнитная помеха в исследуемом контуре внутри корпуса (рис. 4.36).

При потенциально возможной напряженности электрического поля внешнего ЭМИ высотного ЯВ вокруг здания до 50 кВ/м, величина электромагнитной помехи в исследуемой линии связи внутри тестового корпуса может достигать 150 мВ.

212

Рис. 4.36. Электромагнитная помеха в контуре внутри корпуса СВТ

На рис. 4.37 приведен результат воздействия данной электромагнитной помехи на информационный вход цифрового элемента ТТЛШ типа (D триггер в счетном режиме, серия 74F). В данном случае нарушение помехоустойчивости данного элемента не наблюдается.

Рис. 4.37. Воздействие электромагнитной помехи на информационный сигнал (а) и реакция цифрового элемента (б)

Пример 5. Прогнозирование электромагнитной обстановки внутри и вокруг зданий объектов ОАО «Газпром» при воздействии разряда молнии. Исходные данные: схема здания объекта ОАО «Газпром» (рис. 4.38); параметры тока разряда молнии – время фронта/полуспада 10/350 мкс; максимальная амплитуда тока молнии – 100 кА.

Примеры прогнозирования электромагнитной обстановки внутри и вне зданий объектов ОАО «Газпром» при воздействии разряда молнии на молниеотводы, приведены на рис. 4.39.

213

Рис. 4.38. Схема здания объекта ОАО «Газпром»

Рис. 4.39. Примеры прогнозирования магнитного поля разряда молнии (молниеотвод 1)

Таким образом, результаты прогнозирования электромагнитной обстановки внутри и вне зданий объектов ОАО «Газпром», при воздействии разряда молнии на молниеотводы, позволяют рекомендовать области с наименьшими уровнями напряженности магнитного поля, где предпочтительно устанавливать технические средства, в том числе СВТ.

214

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В монографии комплексно рассмотрена проблема обеспечения помехоустойчивости СВТ внутри зданий в условиях широкополосных электромагнитных воздействий. В данной постановке проблема имеет новизну и актуальность, и требует новые эффективные подходы для его решения, которые можно применять на ранних этапах разработки.

Для решения поставленной проблемы в монографии предложен научно обоснованный, практический инструмент – технология обеспечения помехоустойчивости СВТ внутри зданий, отличающиеся наличием методики сквозного прогнозирования и новыми методиками и техническими решениями для повышения помехоустойчивости в условиях широкополосных электромагнитных воздействий. Методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях включает топологическую модель на основе метода электромагнитных топологий, которая наполнена математическими моделями для анализа: ЭМИ источников; эффективности экранирования корпусов СВТ и стен зданий; электромагнитных помех в проводных линиях связи (межсоединения МПП, неэкранированная витая пара); функционирования цифровых элементов СВТ при воздействии электромагнитных помех. Для оценки адекватности предложенных математических моделей разработаны методики, стенды и проведены экспериментальные исследования электромагнитных помех в проводных линиях связи

215

СВТ при электромагнитных воздействиях ЭСР и разряда молнии. Расхождение результатов моделирования и экспериментальных результатов анализа электромагнитных помех при воздействии ЭСР составляют в среднем не более 10 %, для напряжений до 4 кВ и не более 20 %, для напряжений до 8 кВ. Для случая магнитного воздействия разряда молнии расхождение результатов в среднем не более 15%. Также, с целью повышения эффективности экспериментальных исследований широкополосных электромагнитных воздействий, в работе предложен генератор высоковольтных импульсов с наносекундными параметрами, который обладает повышенной нагрузочной способностью и безопасностью использования.

Для проведения имитации электромагнитных процессов на уровне макрообъектов, какими являются здания по отношению к СВТ, разработана методика, стенд и получены результаты экспериментальных исследований магнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания на основе физического масштабного эксперимента. Приведенный пример измерения напряженности магнитного поля внутри масштабного макета здания при воздействии разряда молнии на систему молниезащиты здания и расчеты напряженности магнитного поля внутри реального здания через масштабные коэффициенты показывают эффективность данного подхода для решения задач прогнозирования помехоустойчивости в условиях трудностей с изготовлением имитаторов и макетов в реальном масштабе.

Рассмотрение объекта исследования в данной постановке (СВТ внутри зданий) позволяет повысить помехоустойчивость СВТ путем оптимизации некоторых подсистем здания. В монографии предложена методика оптимизации внешней системы молниезащиты зданий по критерию минимизации излучаемых магнитных полей внутри здания при воздействии разряда молнии. Данная методика позволяет увеличить до 25 % площади помещений зданий, где могут нормально функционировать современные СВТ.

216

При широкополосных электромагнитных воздействиях в линиях связи или экранированных объемах СВТ часто возникают резонансные явления. В монографии предложено новое техническое решение, направленное на повышение эффективности экранирования корпуса СВТ на собственной резонансной частоте (до 20–30 дБ). Это позволяет существенно (до 3 – 5 раза) снизить длительности электромагнитных помех в линиях связи внутри корпусов при широкополосных электромагнитных воздействиях.

Современные СВТ функционально и конструктивно реализуются на основе многослойных печатных плат. В работе сформулирована и обоснована рекомендация для практики – применение витых пар в качестве межсоединений МПП, что позволяет существенно (несколько десятков раз) снизить электромагнитные помехи при внешних широкополосных электромагнитных воздействиях.

Некоторые разделы работы выполнены в рамках научных исследований по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.

217

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агапов С.В., Гизатуллин З.М., Чермошенцев С.Ф. Защита информации в цифровых электронных средствах интеллектуальных зданий при электромагнитных воздействиях и излучениях // Технологии электромагнитной совместимости. – 2010. – № 3. – С. 3 – 21.

2. ГОСТ 30372-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. – М.: Издательство стан-

дартов, 1995. – 14 с.

3. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. – М.: Издательский Дом

«Технологии», 2005. – 320 с.

4. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения ЭМС радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1984. – 336 с.

5. Чермошенцев С.Ф. Информационные технологии электромагнитной совместимости электронных средств. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2000. – 152 с.

6. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлек-

тронные средства и мощные электромагнитные помехи / Под ред. В.И. Кравченко. – М.: Радио и связь, 1987. – 256 с.

7. Centola F., Pommerenke D., Kai W. ESD excitation model for susceptibility study // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Boston, 20 03. – P. 58 – 63.

8. Computer simulation of ESD from voluminous objects compared to transient fields of humans / R. Jobava, D. Pommerenke, D. Karkashadze, P. Shubitidze, R. Zaridze, S. Frei, M. Aidam // IEEE

218

Transactions on Electromagnetic Compatibility. – 20 00. – Vol. 42. No 1.

– P. 89 – 99.

9. Pommerenke D. Investigation of ESD current and induced voltage from different ESD simulators // Proceedings of the ESA – IEEE Joint Annual Meeting. – China, 2003. – P. 123 – 125.

10. Pommerenke D., Chundru R., Kai W. Numerical modeling of ESD-simulators // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Minneapolis, 2002. – P. 93 – 98.

11. Huang J., Deng Q., Liu F. Electromagnetic field generated by transient ESD from person charged with low electrostatic voltage // Proceedings of the Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium. – China, 2001. – P. 4B.6.1. – 4B.6.3.

12. Huang J., Deng Q., Liu P. The study of transient fields generated by typical ESD models // Proceedings of the 4th International Conferences Application Electrostatics. – Dalian, 20 01. – P. 585 – 588.

13. Huang J., Liu F., Deng Q. An ultra wide band test system to test the transient electric field and magnetic field generated by electrostatic discharge // Proceedings of the 5th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory. – China, 2000. – P. 626 – 629.

14. Huang Y., Wu T. Numerical and experimental investigation of noise coupling perturbed by ESD currents on printed circuit boards // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Boston, 2003. – P. 43 – 47.

15. Leuchtmann P., Sroka J. Transient field simulation of electrostatic discharge (ESD) in the calibration setup (acc. IEC 61000-4-2) // Proceedings of the International Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Danver, 2000. – P. 443 – 448.

16. Fujjwara O. An Analytical Approach to Model Indirect Effect Caused by Electrostatic Discharges // IEICI Transactions on Communications – 1996. – Vol. E-79-B. No 4. – P. 67 – 75 .

17. Electromagnetic interference induced on a transmission line by an electrostatic discharge inside metallic enclosures / G. Cerri,

219

R. De Leo, V. Mariani Primiani, M. Palmucci // Proceedings of the 13th International Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Zurich, 1999. – P. 83 – 86.

18. Cerri G., De Leo R., Mariani Primiani V. Theoretical and experimental evaluation of electromagnetic fields radiated by ESD // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Montreal, 2001. – P. 93 – 97.

19. Cerri G., Russo P. A MFIE-FDTD hybrid method for the evaluation of field inside metallic enclosures with slots // Proceedings of the 15th International Symposium on EMC. – Zuric h, 2003. –

P.653 – 656.

20.ESD response in parallel cables inside metallic enclosures / G. Cerri, R. De Leo, V. Mariani Primiani, S. Pennesi // Proceedings of the 14th International Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Zurich, 2001. – P. 256 – 260.

21.Cardelli E. Studies about human electrostatic discharges // Proceedings of the 13th International Symposium on Electromagnetic

Compatibility. – Zurich, 1999. – P. 87 – 92.

22. Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. – М.: Издательский дом «Технологии», 2005. – 352 с.

23. Кузьмин В.И., Кечиев Л.Н. Электростатический разряд и электронное оборудование: Учебное пособие. – М.: Изд-во Моск. ин-та электроники и математики, 1997. – 83 с.

24. Дорофеев А.Н. Электростатические разряды на поверхности космических аппаратов и их воздействие на бортовую кабельную сеть: Автореф. дис … канд. техн. наук. – М., 2007. – 19 с.

25. Кириллов В.Ю. Влияние пространственно-полевых электромагнитных помех от электростатических разрядов на электрические цепи печатных плат // Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств: Сб. науч. тр. – М., 2002. –

С. 13 – 16.

220