Кафедра «Персональной Электроники»

Кафедра «Персональной Электроники»

 

 

для студентов направления 11.03.03

«Конструирование и технология электронных средств»

 

доцент, кандидат технических наук Колуков В. В.

 

 

ЛЕКЦИИ

по дисциплине: «Основы конструирования ЭС».

 

 

2015 г

 

 

ПЛАНЫ ЛЕКЦИЙ:

План каждой лекции представлен заголовками подразделов, имею­щи­ми­­ся в текстах лекций.

Вводная часть каждой лекции (Введение) отражает краткое изложение материала лекции и связь с предыдущим материалом.

Заключительная часть лекции (Заключение) отражает краткие выводы по теме лекции, вопросы по сути лекции и рекомендации по освоению мате­риала (ссылки на литературу и другие источники, а также на сложные и клю­чевые моменты в лекции) – до 5 мин.

На введение и заключение предусматривается отводить не более, чем по 5 минут учебного времени

 

 

ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ.

 

Тексты лекций полностью соответствуют программе дисциплины и по существу представляют собой учебное пособие «Основы методологии проектирования и конструирования РЭС» с дополнениями и изменениями.

 

 

Автор Колуков В.В.

 

 

Содержание

 

 

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ – 3

 

Глава 2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПОСТРОЕНИЕ РЭС – 7

 

Глава 3. СИСТЕМНЫЕ ФАКТОРЫ ПОСТРОЕНИЯ РЭС - 39

 

Глава 4. ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - 50

 

Глава 5. ФАКТОРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ "ЧЕЛОВЕК-МАШИНА" - 59

 

Глава 6. УНИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ И КОМПОНОВКА РЭС - 72

 

Глава7. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС - 96

 

Глава 8. ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС - 110

 

Глава 9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РЭС - 122

 

Глава 10. ВЛАГОЗАЩИТА И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ РЭС - 144

 

Глава 11. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ РЭС - 154

 

ЛИТЕРАТУРА - 157

УДК 621.396.6

В. В. Колуков

Основы методологии проектирования и конструирования РЭС: учебное пособие для ВУЗов – М., 2000 г. – 191 с.:ил.

По мере развития электроники достаточно отчетливо проявились две главные тенденции. Первая – расширение сферы использования радиоэлектронных средств, а вторая – уменьшение сроков их морального старения. В связи с этим все большее значение приобретает развитие и совершенствование конструкций РЭС и процесса их создания. Однако в теории и практике проектирования и конструирования РЭС в настоящий момент нет единообразия в системе взглядов на методологию проектирования.

Настоящее пособие посвящено рассмотрению методологических принципов проектирования и их применению при решении основных задач проектирования конструкций РЭС. Основная особенность рассматриваемой концепции проектирования состоит в достаточно строгом и общем представлении логики процесса проектирования, что позволяет объективировать интуитивные и эвристические знания о нём и систематизировано излагать содержание и суть процесса, а также методы и средства проектирования.

Пособие предназначено для студентов обучающихся по специальностям 20.08.00, 22.05.00 и родственных с ними. Оно может быть полезно как при изучении теоретического материала курсов “Основы проектирования РЭС (часть 1)”, “Конструирование РЭС (ЭВС)” и близким их, так и при курсовом и дипломном проектировании, а также при выполнении студенческих исследовательских работ.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области автоматики, электроники, микроэлектроники и радиотехники.

Рецензенты:

Д. т. н., профессор МГУПИ Шкатов П. Н.

 

\

 

 

Глава 9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РЭС.

 

В данной главе рассматриваются логика и содержание действий конструктора РЭС, направленных на обеспечение работоспособности проектируемого аппарата в условиях воздействия на него в целом или на его отдельные элементы, различного рода электромагнитных полей. Исходя из введенных ранее методологических положений, необходимо установить основные принципы, реализующие их элементы, схемы и некоторые параметры эффектных систем защиты от воздействий или эффектные варианты построения самой конструкции РЭС.

 

 

9.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА КОНСТРУКЦИЮ РЭС.

 

Предваряя рассмотрение вопросов оптимального построения конструкции РЭС, определим несколько основных понятий.

Помехой будем называть внутреннее или внешнее воздействие на РЭС, приводящее к искажению полезного сигнала и содержащейся в нем информации во время приема, переработки, хранения.

Помехоустойчивость РЭС - свойство аппарата противостоять воздействию определенной помехи в заданных условиях.

Электромагнитная совместимость- свойство РЭС, совместно работать с определенным носителем или объектом установки РЭС, выполняя свои функции в условиях наличия электромагнитных полей. (Существуют и другие толкования указанного свойства в различной литературе).

Очевидно, что источником помех в РЭС являются электромагнитные поля как во вне, так и внутри конструкции РЭС. Так возникают понятия внешней и внутренней помехи.

Результатом воздействия помех на РЭС является снижение надежности функционирования вплоть до отказа аппарата.

С развитием радиоэлектроники борьба с помехами приобретает все большую актуальность в следствии:

1) увеличения уровня внешних помех за счет введения РЭС в сложные технические системы, внутри которых находится обычно большое число устройств с электромеханическими узлами, служащими источниками внешних полей;

2) увеличение уровня внутренних помех за счет повышения плотности размещения элементов РЭС, приводящей к возрастания роли внутреннего электромагнитного поля;

3) уменьшения энергетических возможностей информационного сигнала на фоне возрастающих помех.

Помехи можно классифицировать различными способами. Наиболее приемлемый для данного рассмотрения указан на рис. 9.1. Следуя такой классификации в дальнейшем, подробно разбираются все виды помех.

 

Рис. 9.1. Классификация помех.

 

 

9.2. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РЭС.

 

Рассмотрим с общих позиций задачу построения помехоустойчивой конструкции РЭС. Пусть на некоторой защищаемый объект воздействует энергия электромагнитного поля (рис.9.2.). В качестве объекта может выступать как РЭС в целом, так и отдельные его элементы и узлы.

 

Рис. 9.2. Схема воздействия.

Задача конструктора в данном случае может быть сформулирована следующим образом: необходимо разработать такую систему S, которая включала бы обязательно элемент g₁ - объект, и, возможно, некоторые дополнительные элементы Г_доп - элементы защиты, и которая обеспечивала бы функционирование объекта в условиях известных помех, т.е. найти в общем случае:

 

S = { П, Г, q, Е},

 

Где П - принципы действия системы;

Г – элементы системы S, Г = g₁ Г_доп;

q - структура (схема) системы;

Е - параметры системы.

Очевидно, что комплексная задача проектирования состоит из задач синтеза и анализа системы S.

Синтез в общем случае включает в себя синтез принципов П, синтез состава элементов Г, синтез схемы q и синтез параметров Е системы S.

Рассматривая возможные принципы П построения помехоустойчивых конструкций, можно утверждать, что реально в настоящее время применяются всего несколько известных:

1) р₁ – принцип изолирования объекта от воздействующего поля; при этом возможны варианты:

р₁ – принцип отражения;

р₁ – принцип поглощения;

р₁ – принцип комплексации воздействующего поля;

2) р₂ – принцип повышения помехоустойчивости собственно защищаемого объекта.

Возможно еще и совместное использование двух принципов: изоляция с одновременным повышением помехоустойчивости объекта, П={ р_1, р₂ }.

Анализ возможных элементов для реализации принципа изоляции р₁ дает основной элемент g₂ системы защиты – экран. Выбор формы экранов (структуры унарного отношения q) и параметров Е экранов будет рассмотрено далее.

Реализация принципа р₂ – повышения помехоустойчивости самого защищаемого объекта – возможна за счет различных подходов. Обычно их делят на:

1) системные; например, переход вместо аналоговой на цифровую обработку информационных сигналов;

2) схемотехнические; например, использование фильтров и компенсационных схем;

3) конструкторские; именно эти способы будут рассматриваться в дальнейшем.

Схемы q систем и параметры Е элементов таких конструктивных систем защиты рассматриваются далее.

Анализ поведения известной конструкции РЭС в условиях помехи выполняется различными способами, в том числе – и формализовано, расчетным путем используя известные методы анализа электрических цепей при различных сигналах.

 

9.3. Конструктивная реализация обеспечения электромагнитной совместимости РЭС.

 

9.3.1. Экранирование при конструировании РЭС.

Как указывалось уже ранее, экран является основным элементом g₂ реализующим принцип р₁ изоляции защищаемого объекта от воздействующего поля. В качестве защищаемого с помощью экрана объекта выступает целый РЭС или его составные части.

 

9.3.1.1. Основные характеристики экранов.

Прием сигналов в линиях связи и радиолиниях осуществляется, как известно, при наличии помех. Помехи могут быть естественного и искусственного происхождения. К первым относятся атмосферные, космические и флуктуационные помехи, ко вторым – промышленные помехи. Промежуточное положение занимают радиопомехи, вызванные электростатическими зарядами.

Электромагнитные экраны предназначаются для локализации в некотором объеме пространства полей, создаваемых излучателем электромагнитной энергии, с целью ослабления или исключения воздействия излучателей на чувствительные элементы РЭС и аппаратуру в целом.

Экранирование призвано обеспечивать надежность РЭС, подавляя до требуемого уровня влияние электромагнитной энергии. В каждом отдельном случае выбор экранирования производится с учетом характера источника помех и чувствительных к ним элементов, их размеров, размещения, допустимой величины воздействия экрана на объект экранирования.

Для оценки функциональных качеств экранов используются различные характеристики. Наиболее обобщенной является эффектность экранирования.

Под эффективностью экранирования понимают отношение действующих значений напряженности электрического поля Е_I (магнитного поля H_I) в данной точке при отсутствии экрана к напряженности электрического поля Е₂ (магнитного поля H₂ ) в той же точке при наличии экрана

Э _0Е = Е

Здесь эффективность выражается в относительных единицах (разах). На практике обычно эффективность экранирования представляют в логарифмических единицах – децибелах(дБ)

Э _Е = 20 lg

Таким образом, по физическому смыслу характеристики экранов являются функциями пространства и частоты, а параметрами их можно считать ширину полосы частот, в которой определяются действующие значения напряженности поля.

Иногда действие экрана учитывают через коэффициент экранирования

S = Е₂ / Е₁

Который изменяется от 1 до 0, характеризуя в последнем случае максимальный эффект экранирования.

В технике связи эффективность экранизирования принято выражать в неперах (Нп)

B = ln 1/ S = ln (Е₁ / Е₂ ).

При этом для перевода из одной системы единиц в другую может быть использован коэффициент 8,7, тогда Э _дБ = 8,7 _Hn.

При необходимости оценить общую эффективность экранирования, исходя из допустимой величины ЭДС помехи, наводимой в целях РЭС, пользуются эквивалентной действующей высотой устройства h₀.

h₀ =U_H/ E₁ ,

где U_H - действующее значение ЭДС помехи, наводимой на элементы, находящиеся внутри экрана (в),

E₁ – действующее значение напряженности внешнего поля, В/м;

Величина h₀ характеризует как бы действующую высоту экрана (по аналогии с действующей высотой антенны).

Второй характеристикой качества экрана является мера его воздействия на параметры экранируемых объектов, количественно определяемая коэффициентом реакции экрана.

При всех видах экранирования (кроме статического) из-за отражения магнитной энергии от стенок экрана, происходит взаимодействие между экраном и экранируемым устройством. Экран, защищая цепи, колебательные контура от воздействия внешних полей, оказывает существенное влияние на параметры экранируемых элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего изменяются, например, магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек, увеличивается первичная емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет к изменению частоты настройки, добротности колебательных контуров, потерям энергии и т.д. Все сказанное формально определяется тем обстоятельством, что объект g₁ и экран g₂ образуют новую систему S и ее параметры отличаются от параметров самого объекта g₁ .

Относительные изменения параметров экранируемых объектов можно учесть с помощью коэффициентов:

P_ij = 1- Aэ_ij / Ao_ij,

где P_ij – коэффициент реакции экрана на i-тый параметр j-го элемента;

Aэ_ij – значение i-го параметра j-го экранируемого элемента при наличии экрана;

Ao_ij – значение первичного i-го параметра j-го элемента при отсутствии экрана.

Задаваясь допустимыми пределами изменения параметров и зная размеры экранируемых элементов, можно определить габаритные размеры экрана, материал, из которого он должен быть, изготовлен, и условия размещения элементов внутри него.

 

 

9.3.1.2. Виды экранов.

 

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.

На низких частотах применяют электро- и магнитостатическое экранирование, а на высоких – одновременно с экранированием магнитного поля происходит экранирование электрического поля, что определяет единый процесс электромагнитного экранирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов. - Л.:

Энергоатомиздат. Ленинградское отделение.1984.- 536с.: ил.

2. Конструирование радиоэлектронных средств:

Учебник для вузов / В.Б. Пестряков, Г.Я. Аболтинь-Аболинь и др., Под ред. В.Б.Пестрякова.

3. М.: Радио и связь, 1992.- 432 с.: ил. Теоретические основы САПР: Учебник для вузов/ В.П. Корячко, В.М. Курейчик, И.П. Норенков.- М.: Энергоатом-издат, 1987.- 400с.: ли.

4. Гуткин Л.С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества.- М.: Сов. радио, 1975.- 368с.: ил.

5. Тищенко Н.М. Введение в проектирование сложных систем автоматики.- М.: Энергия, 1976.-304с.: ил.

6. Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. Пер. с англ.- М.:, 1969.- 400с.: ил.

7. Хилл П. Наука и искусство проектирования Пер.с англ.- М.: Мир,1973,- 262с.: ил.

8. Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирование. Современные методы проектного анализа: Пер. с англ.- М.: Мир, 1976.-374с.: ил.

9. Уилсон А., Уилсон М. Управление и творчество при проектировании систем.- М.: Сов. радто, 1972.- 212с.: ил.

10. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. -М.: Мир, 1978.- 311с.

11. Сахаров Ю.С., Колуков В.В. Выбор наилучших пространственных структур радиоэлектронной аппаратуры. /Под. ред. С.А. Сорокина - М.: Моск. энерг. ин-т, 1985.-84с.: ил.

12. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры. /Под.ред. Б.Ф. Высоцкого.- М.: Сов.радио, 1977.-372с.: ил.

13. Взятышев В.Ф. Методы поиска проектно-конструкторских решений при разработке радиоэлектронных устройств./ Под. ред. Е.М. Старовойтовой. - М.: Моск. энерг. ин-т, 1983,-84с.: ил.

14. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании) /Под.ред.А.И. Половинкина - М.: 1981.-344с.: ил.

15. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении.-Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.-255с.

16. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов / Е.М. Парфенов, Э.Н. Камышная, В.П. Усачев.-М.: Радио и связь, 1989.-272. с.: ил.

17. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования /Под ред. Р.Г. Варламова.- М.: Сов. радио, 1980.-480с.

18. Дульнев Г.Н. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984.- 247с.

19. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры: Справочное пособие /П.Н. Овсищер, И.И. Лившиц, А.К. Орчинский и др.; Под ред. Б.Ф. Высоцкого.- М.: Радио и связь, 1982.- 206с.

20. Поляков К.П. Конструирование приборов и устройств радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1982.- 240с.

21. Преснухин Л.Н. Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. - М.: Высшая школа, 1986.- 512с.

22. Токарев М.ф. Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита РЭА. - М.: Радио и связь, 1984.- 224с.

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

 

 

Кафедра «Персональной Электроники»

 

 

для студентов направления 11.03.03

«Конструирование и технология электронных средств»

 

доцент, кандидат технических наук Колуков В. В.

 

 

ЛЕКЦИИ

по дисциплине: «Основы конструирования ЭС».

 

 

2015 г

 

 

ПЛАНЫ ЛЕКЦИЙ:

План каждой лекции представлен заголовками подразделов, имею­щи­ми­­ся в текстах лекций.

Вводная часть каждой лекции (Введение) отражает краткое изложение материала лекции и связь с предыдущим материалом.

Заключительная часть лекции (Заключение) отражает краткие выводы по теме лекции, вопросы по сути лекции и рекомендации по освоению мате­риала (ссылки на литературу и другие источники, а также на сложные и клю­чевые моменты в лекции) – до 5 мин.

На введение и заключение предусматривается отводить не более, чем по 5 минут учебного времени

 

 

ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ.

 

Тексты лекций полностью соответствуют программе дисциплины и по существу представляют собой учебное пособие «Основы методологии проектирования и конструирования РЭС» с дополнениями и изменениями.

 

 

Автор Колуков В.В.

 

 

Содержание

 

 

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ – 3

 

Глава 2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПОСТРОЕНИЕ РЭС – 7

 

Глава 3. СИСТЕМНЫЕ ФАКТОРЫ ПОСТРОЕНИЯ РЭС - 39

 

Глава 4. ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - 50

 

Глава 5. ФАКТОРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ "ЧЕЛОВЕК-МАШИНА" - 59

 

Глава 6. УНИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ И КОМПОНОВКА РЭС - 72

 

Глава7. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС - 96

 

Глава 8. ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС - 110

 

Глава 9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РЭС - 122

 

Глава 10. ВЛАГОЗАЩИТА И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ РЭС - 144

 

Глава 11. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ РЭС - 154

 

ЛИТЕРАТУРА - 157

УДК 621.396.6

В. В. Колуков