WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Бевзенко Иван Геннадьевич

Методика защиты электронных устройств от
сверхкоротких импульсов при их модальном
разложении в соединительных линиях

Специальность 05.13.05
Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в Томском государственном университете
систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель –

доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Газизов Тальгат Рашитович (ТУСУР)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор
Замятин Николай Владимирович
(ТУСУР)

кандидат технических наук, доцент
Заревич Антон Иванович
(Национальный исследовательский Томский
политехнический университет)

Ведущая организация –

Открытое акционерное общество
«Научно-производственный центр «Полюс»

Защита состоится 29 ноября 2012 г. в 15:15
на заседании диссертационного совета Д 212.268.03
при Томском государственном университете
систем управления и радиоэлектроники
по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Томского государственного университета
систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан ____ октября 2012 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.268.03
кандидат технических наук  Мещеряков Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современная электронная аппаратура, основанная на микроэлектронных и микропроцессорных компонентах, имеет широкие функциональные возможности, но повышенную восприимчивость к электромагнитным помехам. Особо опасными представляются кондуктивные помехи, которые могут подаваться и проникать в аппаратуру непосредственно по проводникам. В качестве источников электромагнитных помех активно исследуются сверхкороткие импульсы1 (СКИ), которые способны вывести аппаратуру из строя. СКИ могут подвергаться модальным искажениям2 (изменениям за счет разности задержек мод многопроводной линии передачи). Отсутствие срабатывания защитных устройств из-за возможности модального разложения и последующего восстановления импульса (РПВИ) в структурах с модальными антиподами3 (отрезки трехпроводных связанных линий, у которых разницы задержек синфазной и дифференциальной мод противоположны по знаку) может усугубить эту проблему. Данное явление может возникать непреднамеренно, в структурах из отрезков многопроводных линий, а также использоваться преднамеренно, для вывода аппаратуры из строя. В любом случае, пристальное внимание должно уделяться кабелям и печатным платам, особенно, в критичной аппаратуре, ярким примером которой является бортовая аппаратура (БА) космических аппаратов (КА). Поэтому исследование этого явления весьма актуально для повышения помехозащищенности указанных устройств.

Цель работы – повышение помехозащищенности вычислительной техники и систем управления с печатными платами и кабелями за счет компенсации модального разложения и последующего восстановления электрических сигналов.

В работе применены: электродинамический и квазистатический анализ, экспериментальное и компьютерное моделирование.

Достоверность результатов работы основана на корректном использовании метода моментов и теории линий передачи, на согласованности результатов эксперимента и моделирования.

Научная новизна

  1. Разработана методика с использованием восьми основных способов возникновения модальных антиподов для защиты от сверхкоротких импульсов.
  2. Установлены закономерности смены знака разности погонных задержек мод модальных антиподов в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости среды и расположения проводников.
  3. Получены зависимости смены знака разности погонных задержек мод от разноса проводников для различных элементов бортовой аппаратуры космических аппаратов.
  4. Экспериментально установлен и подтвержден процесс разложения и восстановления сверхкороткого импульса, для разных видов кабелей, вариантов антиподов, различной длины отрезков кабелей.

Практическая значимость

  1. Для реальных структур показаны опасности существования непреднамеренных модальных воздействий и возможности  создания специальных модальных воздействий.
  2. Выявлена возможность существования частоты воздействия, значительно ослабляющегося на стыке отрезков и восстанавливающегося в конце структуры.
  3. Показана возможность модальных воздействий в бортовой аппаратуре космических аппаратов.
  4. Разработаны программы для моделирования модальных явлений в реальных кабелях и печатных платах.
  5. Разработаны практические рекомендации по устранению нежелательных модальных явлений.

Использование результатов

    1. Программная реализация имитационных моделей для вычисления матриц погонных параметров и временного отклика кабельных структур, результаты моделирования кабельных структур с модальными явлениями, рекомендации по использованию модальных явлений для уменьшения влияния помеховых электрических сигналов в кабельных структурах использованы в ходе выполнения составной части ОКР «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008 с ОАО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск).
    2. Результаты исследования по разложению и восстановлению импульсов использованы при подготовке и написании нормативного документа и двух национальных стандартов в ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург. Исследования модального разложения импульса в полосковых структурах использованы для изготовления и поставки 12 макетов модальных фильтров для защиты сети Fast Ethernet от СКИ (хоздоговор НИИЦ/НИР/10-01 от 15.01.2010 с ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург).
    3. Результаты вычисления частотного отклика в структурах с модальными антиподами из плоских кабелей, методика поиска структур, в которых возможны скрытые модальные воздействия, способы получения модальных антиподов в кабелях и печатных платах, результаты экспериментального подтверждения явления разложения и восстановления импульсов в кабельных структурах использованы в ходе выполнения ОКР «Разработка комплекса программных и технических средств для контроля информационных магистралей, обеспечения электромагнитной совместимости и исследования надежности унифицированного ряда электронных модулей на основе технологии «система-на-кристалле» для систем управления и электропитания космических аппаратов связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования» (хоздоговор №4216 от 24.11.2010 г.) для ОАО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск.
    4. Результаты исследований внедрены в учебный процесс ТУСУРа: использованы в практических и лабораторных работах, а также в ходе выполнения выпускной квалификационной работы.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Девятая Всерос. научно-практ. конф. "Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности", г. Томск, 2007; Всерос. научно-тех. конф. «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2007, 2008, 2010, 2011; Межд. Симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2007, 2011; Межд. конф. «Туполевские чтения», г. Казань, 2007, 2008; Межд. научно-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2008, 2010; Научно-тех. конф. «Электронные и электромех. системы и устройства», г. Томск, 2008, 2010; Межд. научно-практ. конф. «Современные техника и технологии СТТ», г. Томск, 2008, 2011; Научно-тех. конф. «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», г. Железногорск, 2011; Всерос. научно-тех. конф. «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2011; Всерос. конф. «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» г. Красноярск, 2011; Межд. IEEE–сибирская конф. по управлению и связи (SIBCON – 2011), г. Красноярск, 2011; Межд. конф. EUROEM, Франция, г. Тулуза, 2012.

Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в 31 работе (7 работ без соавторов): 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 3 патента на изобретение, 3 патента на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 17 докладов и 5 тезисов.

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, список литературы из 66 наим., приложения. Объём диссертации составляет 228 с., в т.ч. 120 рис. и 48 табл.

Личный вклад. Все научные результаты, представленные в диссертации, получены при личном участии автора. Постановка цели работы и задач исследования выполнена совместно с Т.Р. Газизовым. Программная реализация сквозного анализа эффекта модального разложения и восстановления сигналов в отрезках связанных линий выполнена совместно с А.М. Заболоцким и А.О. Мелкозеровым. Основной объем моделирования выполнен автором единолично, часть его выполнена под руководством автора студентами. Экспериментальные исследования проведены совместно с А.М. Заболоцким, А.Г. Лощиловым, М.В. Кокнаевым. Анализ результатов моделирования и эксперимента, а также формулировка основных результатов и выводов, выполнены совместно с Т.Р. Газизовым. Некоторые результаты исследований получены совместно с соавторами опубликованных работ.

Положения, выносимые на защиту

  1. Существует ряд реальных структур кабелей и печатных плат, в которых выполняются условия, необходимые для модального разложения и восстановления электрических импульсов.
  2. Разность погонных задержек синфазной и дифференциальной мод в трехпроводных структурах печатных плат бортовой аппаратуры космических аппаратов может составлять от 0,5 до 0,5 нс/м.
  3. Явление разложения и последующего восстановления импульсов наносекундного и пикосекундного диапазонов осуществимо в трёхпроводных структурах длиной в сотни и единицы метров посредством погружения части структуры в воду, а также перемещения проводника в части структуры.
  4. Разработанная методика, отличающаяся выявлением вредных модальных явлений и использованием восьми основных способов возникновения модальных антиподов в структурах бортовой аппаратуры космических аппаратов, позволяет выявить основные возможности отсутствия срабатывания защитных приборов из-за модального разложения и последующего восстановления нежелательных сигналов.

В гл. 1 выполнен обзор задачи моделирования распространения электрических сигналов в электрических соединениях, а также исследований по модальным явлениям. В гл. 2 исследованы варианты создания модальных антиподов. В гл. 3 рассмотрено моделирование модальных явлений в различных элементах БА КА. В гл. 4 проведены экспериментальные исследования с модальными антиподами. В гл. 5 представлена методика выявления структур с нежелательными модальными явлениями, а также описано устройство для нарушения работы аппаратуры за счет разложения и восстановления импульсов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

  1. моделирование распространения электрических сигналов и Модальные явления в электрических соединениях: обзор

В разд. 1.1 описаны проблемы ЭМС, факторы, влияющие на искажения сигнала, показана актуальность моделирования модальных явлений.

В разд. 1.2 рассмотрены подходы к решению задач электромагнитного поля, метод моментов (А. Джорджевич, Т. Саркар, Р. Харрингтон) выделен как самый известный численный метод решения задач вычисления электромагнитного поля, рассмотрена его теория, проведен обзор исследований по вычислению матриц параметров, сделан выбор метода моментов (М. Шейнфейн, О. Палусинский) для вычисления матриц параметров, выполнен обзор исследований по вычислению временного отклика многопроводных линий передачи.

В разд. 1.3 приведено необходимое условие разложения импульса в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением (Т.Р. Газизов), рассмотрено модальное разложение импульса в кабелях АПУНП, ТРП–30,5, происходящее только при определенных вариантах подключения генератора импульсов к проводникам кабеля (А.М. Заболоцкий), показано, что разность погонных задержек мод в межсоединениях печатной платы может привести к модальным явлениям (О.М. Кузнецова-Таджибаева), рассмотрено разложение в специальных структурах с лицевой связью (А.Н. Сычев), приведены зависимости значений погонных задержек мод и их разности от диэлектрической проницаемости одной из подложек полосковой структуры.

В разд. 1.4 приведены необходимые условия полного разложения и восстановления импульса в двух отрезках связанных линий, отмечена возможность опасного применения модальных искажений для вывода из строя аппаратуры преднамеренными кондуктивными воздействиями, приведены необходимые условия полного разложения и восстановления импульса для n отрезков N-проводных межсоединений на примере микрополосковых линий (Т.Р. Газизов), показана возможность РПВИ на примере силовых кабелей (А.М. Заболоцкий).

Из обзора сделаны следующие выводы. Существуют доступные программные продукты для квазистатического и электродинамического анализа проводных структур. Вопросы модального разложения импульса исследованы достаточно, однако модальное разложение и последующее восстановление импульса в связанных линиях исследованы мало. В частности, не полно исследованы варианты получения модальных антиподов в реальных кабелях и многослойных печатных платах (МПП), а также влияние различных параметров на погонные задержки. Между тем, можно предположить реальность большого числа таких вариантов на практике. Недостаточно исследованы временные и, особенно, частотные отклики структур с модальными антиподами. Мало исследованы модальные явления в МПП и гибких печатных кабелях (ГПК) БА КА. Однако такое исследование актуально для повышения помехозащищенности устройств.

Проведенный обзор позволил сформулировать цель и задачи работы. В качестве основного инструментария для их решения выбрана система TALGAT, поскольку она доступна, используется автором в ходе учебного процесса и позволяет вычислять матрицы параметров связанных линий (методом моментов); временной и частотный отклики (модифицированным узловым методом) с учетом и без учета потерь в проводниках и диэлектриках структур.

  1. Моделирование вариантов Модальных антиподов

В данной главе представлено моделирование 8 вариантов реализации модальных антиподов на примере реальных кабелей и печатных плат.

    1. Изменение значения εr окружающей среды

Модальный антипод за счет изменения относительной диэлектрической проницаемости окружающей среды (εr2) для кабеля АППВ-36 (рис. 2.1а) можно получить погружением его в среду с εr2 большей, чем у его изоляции (например, воду). На рис. 2.1б представлена зависимость погонных задержек четной и нечетной мод (τе и τо) от εr2 (при εr1=3). Видно, что их значения при увеличении εr2 от 1 до 3 сближаются. При εr2=3 они становятся равными, поскольку вся среда вокруг проводников становится однородной. При εr2>3 разность погонных задержек мод  меняет свой знак на противоположный, поскольку τe становится меньше τo. С увеличением εr2 разность погонных задержек растет.

Рис. 2.1. Поперечное сечение кабеля марки АППВ-36 (а), зависимость τе и τо от εr2 (б)

    1. Дополнительный диэлектрический слой

Модальный антипод можно получить простым наматыванием изолирующей ленты на кабель. При увеличении толщины антипода τ меняет свой знак при меньшем значении εr ленты (рис. 2.2а). Чем больше толщина диэлектрического слоя антипода, тем меньшая длина отрезка-антипода понадобится для РПВИ. При этом существуют структуры антиподов, где зависимость τ от r ленты имеет максимум (рис. 2.2б). Чем больше толщина, тем менее выражен этот максимум. Это позволяет при синтезе определенной структуры получить более высокое значение |τ| при меньшей толщине слоя диэлектрика.

Рис. 2.2. Зависимости |τ| от εr и поперечные сечения структур при изменении H (а),
сравнение структур антиподов с максимумом |τ| и без (б)

    1. Заполнение диэлектриком внутренних полостей

Модальный антипод можно получить, заполнив воздушные промежутки (находящиеся под внешней оболочкой изолирующего слоя) средой с r большей, чем у изоляции рассматриваемого кабеля (рис. 2.3б). На рис. 2.3в представлены вычисленные зависимости |τ| от εr для разных H. Видно, что увеличение зазора облегчает получение антипода.

 

Рис. 2.3. Кабель с заполнением (б) и без (а), зависимости |τ| от εr для разных H (в)

    1. Изменение разноса проводников в МПП

Модальный антипод можно получить за счет изменения разноса проводников (s) в МПП (рис. 2.4а). Антипод для структуры из двух отрезков может возникнуть если, например, отрезки 1 и 2 находятся на одной высоте, но имеют разные разносы проводников (разнос отрезка 1 может быть больше отрезка 2 или наоборот), или если проводники отрезков 1 и 2 имеют одинаковые разносы, но расположены на разной высоте (h) в МПП (рис. 2.4б).

Рис. 2.4. Поперечное сечение МПП (а), зависимость τo и τe от s при разных h (б)

    1. Изменение высоты опорного проводника в МПП

Модальный антипод можно получить за счет изменения высоты опорного проводника в МПП (рис. 2.5). В исследуемой структуре, в зависимости от ее параметров, можно получить изменение знака τ. Так, при одном наборе параметров получится структура с положительной τ, а при другом  с отрицательной, т.е. получится антипод исходной структуры. Такая ситуация возможна только если опорный проводник будет расположен на максимальной высоте, как можно ближе к границе с воздухом, или на самой границе.

Рис. 2.5. Поперечное сечение МПП (а), зависимость τo и τe от s при разных h (б)

    1. Изменение геометрической формы кабеля

Модальный антипод можно получить за счет изменения расположения проводников в отрезке кабеля от плоской структуры к центрально симметричной, а затем к структуре с двумя сближенными проводниками вдали от опорного (рис. 2.6). Так, например, в отрезке из трех кабелей АПВ 4 при s=4 мм и h=3,5 мм на рис. 2.6б, τe=4,12 нс/м, τo=3,91 нс/м, τ=0,21 нс/м. При h=3,46 мм и s=0 мм на рис. 2.6в τe=4,88 нс/м, τo=4,88 нс/м, τ=0 нс/м, а при s=0 мм и h=40 мм на рис. 2.6г τe=3,52 нс/м, τo=4,65 нс/м, τ= 1,13 нс/м.

Модальный антипод можно получить за счет деформации плоского кабеля в круглый. Деформация может произойти умышленно, например, при монтаже кабеля, неумышленно, при стихийных бедствиях. Так, например, в отрезке 1 кабеля ВВГп31,5 1=0,32 нс/м, а в отрезке 2 2=0,14 нс/м (рис. 2.7а, б), при последовательном соединении двух отрезков возникает явление РПВИ (рис. 2.7в).

Рис. 2.6. Поперечное сечение отрезка из трех кабелей АПВ 4: при s=4 мм, h=0 мм (а);
при s=4 мм, h=3,46 мм (б); при s=0 мм, h=3,46 мм (в); при s=0 мм, h=5 мм (г)

 

Рис. 2.7. Кабель ВВГп31,5 до (а) и после деформации (б), сигналы в активной линии (в)

Модальный антипод можно получить за счет сжатия плоского кабеля, изменив его так, что по форме он будет похож на круглый центрально симметричный, или не симметричный кабель. Это приводит к смене знака разности погонных задержек мод в сжатом отрезке. Так, если в отрезке 1 кабеля ТРП 30,5 1=0,41 нс/м, а в отрезке 2 2=0,11 нс/м (рис. 2.8 а, б), то при последовательном соединении двух отрезков возникает явление РПВИ (рис. 2.8 в).

Рис. 2.8. Кабель ТРП 30,5 до (а) и после сжатия (б), сигналы в активной линии (в)

Из исследованных временных откликов сделан вывод, что в двухотрезочной трехпроводной структуре для РПВИ нужно, чтобы значения τ в отрезках 1 и 2 имели противоположные знаки. В некоторых структурах амплитуды разложенных импульсов имеют различные значения, что объяснимо различием волновых сопротивлений мод отрезков. Чем больше τ модального антипода, тем меньшая длина отрезка кабеля антипода понадобится для РПВИ. В двухотрезочной структуре расположение антиподов определяет очередность прихода синфазной и дифференциальной мод на стыке отрезков. Показано, что длина антипода в исследованных структурах может быть всего 13 см. Максимальные значения τ в зависимости от вида антипода сведены в табл. 2.1.

При гармоническом воздействии можно достичь ослабления сигнала в 40 раз на стыке отрезков-антиподов, амплитуда сигнала в конце структуры может восстановиться до значения амплитуды в начале структуры. Учет и использование данного явления могут оказаться весьма актуальными. На рис. 2.9 приведен пример откликов на импульсное и гармоническое воздействия.

Таким образом, существует ряд реальных структур кабелей и печатных плат, в которых выполняются условия, необходимые для модального разложения и восстановления электрических импульсов.

Рис. 2.9. Сравнение откликов на импульсное (а) и гармоническое (б) воздействия

Таблица 2.1

τmax для разных вариантов получения антипода

Вариант получения антипода

τmax, нс/м

τmax>0

τmax<0

1

Изменение диэлектрической проницаемости окружающей среды

0,3

0,8

2

Дополнительный диэлектрический слой

0,27

0,53

3

Заполнение диэлектриком внутренних полостей

0,91

0,53

4

Изменение разноса проводников в многослойной печатной плате

0,22

0,51

5

Изменение высоты опорного проводника в МПП

0,35

1

6

Изменение расположения проводников кабеля

0,5

1

7

Деформации плоского кабеля в круглый

0,32

0,14

8

Сжатие плоского кабеля

0,41

0,11

  1. Моделирование модальных явлений в БА КА

В главе представлены результаты электродинамического моделирования (на предмет разложения импульса) в ПП, используемой в соединителях межблочных ГПК БА КА, а также в самом ГПК.

    1. Модальные явления в элементах БА КА

В ходе электродинамического анализа ПП (рис. 3.1) выявлены модальные явления (рис. 3.2). Показано, что явление разложения импульса может быть выражено на малой длине (19 мм). Чем выше верхняя частота в спектре импульса, тем больше выражено явление разложения импульса. Относительная разность задержек импульсов разложения в ПП БА может составлять 3040%. Изменение длины ГПК влияет на модальное разложение импульса. Увеличение слоя лака даже на небольшую величину (от 0,045 до 0,06 мм) влияет на форму сигнала в конце активной линии.

Рис. 3.10. ПП (а) и её фрагменты: исследуемый (б), с припоем и ГПК (в), с лаком (г)

Рис. 3.11. Разложение импульса на выходных портах фрагмента ПП (а), ПП с ГПК (б)

В ходе электродинамического анализа ГПК (рис. 3.3) выявлены модальные явления (рис. 3.3г). Относительная разность задержек импульсов разложения в ГПК может составлять 37%, а разность погонных задержек доминирующих мод 1,8 нс/м. При продольном воздействии гауссовым импульсом в структуре из двух ГПК, примечательна сильная выраженность модальных явлений. Чем меньше зазор между ГПК, тем больше разность задержек мод. При поперечном воздействии гауссовым импульсом (рис. 3.4а) в структуре из двух ГПК разложения импульса не происходит (рис. 3.4в). С увеличением зазора (z) разложение импульса возникает (рис. 3.4б).

 

Рис. 3.12. Расположение портов в начале (а) и конце (б) структуры из двух кабелей, геометрические параметры двух ГПК (в), формы сигналов (г) при продольном воздействии

   

Рис. 3.13. Расположение портов (а), формы сигналов с зазором (б) и без (в) при поперечном воздействии

Показано, что результаты вычислительного эксперимента, полученные в CST MWS и TALGAT, для плоского кабеля с различным числом проводников, для одиночной линии и пары связанных линий, согласуются между собой. Поэтому достаточно проводить квазистатический анализ в TALGAT и обойтись без электродинамического анализа CST MWS при исследовании погонных задержек мод в печатных платах БА КА.

    1. Моделирование погонных задержек мод в МПП БА КА

Моделировались структуры из двух одинаковых проводников на одном (верхнем, среднем, нижнем) слое МПП, изменяя такие параметры как расстояние между проводниками и ширину проводников. Выявлено, что на верхнем слое получить антипод нельзя, т.к. разность погонных задержек мод не меняет свой знак на противоположный (рис. 3.5), на среднем слое может возникнуть антипод, если, например, отрезки 1 и 2 имеют одинаковый разнос, но разную ширину проводников (рис. 3.6), на нижнем слое можно получить антипод, и чем глубже проводники находятся в диэлектрике, тем при большем разносе можно получить антипод (рис. 3.7).

Рис. 3.14. Поперечное сечение МПП с проводниками на верхнем слое (а), зависимость τ от s при w=0,5...2 мм (б)

 

Рис. 3.15. Поперечное сечение МПП с проводниками на среднем слое (а), зависимость τ от s при w=0,5...2 мм (б)

 

Рис. 3.16. Поперечное сечение МПП с проводниками на нижнем слое (а), зависимость τ от s при w=0,5...2 мм (б)

В табл. 3.1 сведены максимальные и минимальные значения τ на верхнем, среднем и нижнем слоях МПП. Чем глубже располагаются проводники в МПП, тем меньше максимальное значение τ.

Таблица 3.2

Максимальные и минимальные значения τ на среднем, нижем и верхнем слоях

Слой

Min

Max

w, мм

s, мм

τ, нс/м

w, мм

s, мм

τ, нс/м

Верхний

0,5

5

0,06

2

0,3

0,56

Средний

0,5

0,1

0,52

2

1,4

0,22

Нижний

0,5

0,1

0,43

2

1,9

0,11

Таким образом, разность погонных задержек синфазной и дифференциальной мод в трехпроводных структурах МПП БА КА может составлять от 0,5 до 0,5 нс/м.

  1. Экспериментальные исследования с модальными антиподами

В главе представлены результаты экспериментов (и их моделирования) с антиподами, полученными погружением кабеля в воду и изменением расположения проводников.

    1. Погружение плоского кабеля в воду

Проведено два эксперимента: первый – для отрезка шнура марки ШВВП30,75 длиной 19,95 м, второй – для шнура той же марки (другого производителя) длиной 201 м.

Сравнение результатов первого эксперимента (использовался осциллограф С9-11) и его моделирования (рис. 4.2а) показало, что при моделировании τ больше, влияние потерь на уменьшение амплитуды выражено меньше и в эксперименте импульсы имеют гораздо больший задний фронт. Затем часть кабеля постепенно погружалась в пластмассовую ванночку с водой до получения максимальной амплитуды восстановленного импульса. На рис. 4.2б представлено сравнение восстановленного сигнала эксперимента и моделирования. При моделировании влияние потерь выражено меньше, импульс имеет большую плоскую вершину и задержку, чем в эксперименте.

Второй эксперимент проводился аналогично первому, но использовался прибор Р4-И-01. На рис. 4.2 представлено сравнение сигналов до и после погружения 30 м и 140 м шнура в воду. До погружения шнура в воду к концу активного проводника приходят два импульса, каждый со своей задержкой, соответствующей дифференциальной и синфазной модам (причем задержка дифференциальной моды меньше, чем синфазной), однако из-за потерь и дисперсии они сливаются так, что в эксперименте едва различимы. При моделировании влияние потерь и дисперсии выражено меньше, поэтому импульсы более выражены и лучше различимы. При погружении шнура в воду, обе задержки увеличиваются, но задержка синфазной моды увеличивается меньше, чем дифференциальной. Когда они сравнялись, импульс восстановился, но из-за сильных потерь в воде его амплитуда в эксперименте лишь чуть превысила прежнюю. При моделировании влияние потерь выражено меньше, поэтому амплитуда гораздо больше. Последующее погружение шнура в воду привело к тому, что задержка дифференциальной моды в эксперименте стала больше, чем синфазной, из-за чего импульс снова разложился. При моделировании влияние потерь и дисперсии выражено меньше, поэтому импульсы более выражены и различимы.

Рис. 4.17. Сигналы в конце активного проводника шнура длиной 19,95 м до погружения в воду (а) и после погружения 4,71 м шнура в воду (б). Эксперимент (), моделирование (- -)

Рис. 4.18. Сигналы в конце активного проводника шнура длиной 201 м до погружения в воду (а), после погружения 30 м шнура в воду (б), после погружения 140 м шнура в воду (в).
Эксперимент (), моделирование (- -)

    1. Изменение расположения проводников

Проведен эксперимент для отрезков из трех кабелей ПВ 10,75, длина отрезка 1  L1=2 м, отрезка 2  L1=1,5 м, использовался прибор Tektronix 11801B.

На рис. 4.3 показаны результаты моделирования и эксперимента для сигнала в конце активного и пассивного проводников отрезка 1 из трех кабелей ПВ 10,75, расположенных (в поперечном сечении отрезка) по прямой, отрезка 2 с опорным проводником ниже активного и пассивного и сигнал в конце активного проводника структуры из двух этих отрезков-антиподов. Видно, что в отрезке 1 (рис. 4.3а, б) τo<τe, а в отрезке 2 наоборот (рис. 4.3в, г). Последовательное соединение отрезков 1 и 2 привело к РПВИ (рис. 4.3з). Сравнение результатов моделирования и эксперимента на рис. 4.3а, б, в, г, показало, что в эксперименте отчетливо видно частичное модальное разложение импульса в активном проводнике. При моделировании τ больше, чем в эксперименте, поэтому разложение полное. Сравнение эксперимента и моделирования на рис. 4.3з показало незначительные отклонения по амплитудам импульсов и задержкам сигналов по времени.

Рис. 4.19. Сигналы в конце активного (а) и пассивного (б) проводников отрезка из трех кабелей ПВ 10,75, расположенных по прямой (д); в конце активного (в) и пассивного (г) проводников отрезка с опорным проводником ниже активного и пассивного (ж); в конце активного проводника структуры из двух отрезков-антиподов (з). Эксперимент (), моделирование (- -)

Таким образом, явление РПВИ подтверждено проведением моделирования и экспериментов на трёх разных приборах, трех видах кабеля, двух видах антипода, различной длине отрезков кабелей. Явление РПВИ осуществимо в трёхпроводных структурах длиной в сотни и единицы метров посредством погружения части структуры в воду, а также перемещения проводника в части структуры.

  1. использование результатов исследований

Явление РПВИ может иметь место непреднамеренно (в протяженных структурах из проводов, кабелей, шнуров и жгутов), поэтому в критичной аппаратуре может понадобиться его контроль. Оно может использоваться и преднамеренно: для нарушения работы или испытаний критичной аппаратуры. В главе представлены методика выявления структурс с нежелательными модальными явлениями и устройство для нарушения работы аппаратуры за счет разложения и восстановления импульсов.

    1. Методика выявления структурс с нежелательными модальными явлениями

В данном разделе приведена методика поиска структур, имеющих скрытые модальные воздействия и приводящих к перенапряжению и отсутствию срабатывания защитных компонентов.

Суть опасности явления РПВИ заключается в том, что до защитного прибора (ЗП), включенного между сигнальным и общим проводниками на стыке отрезков-антиподов, опасный импульс может разложиться в линии передачи на импульсы меньшей амплитуды из-за различия скоростей распространения мод. Если напряжение на ЗП будет ниже порога его срабатывания, то он не сработает. В отрезке 2 произойдет восстановление импульсов в исходный из-за одновременного прихода мод к концу отрезка.

Общая формулировка методики:

  1. Выполнить качественный анализ аппаратуры на наличие структур с неоднородным диэлектрическим заполнением в поперечном сечении.
    1. Рассмотреть исследуемую аппаратуру, выделить многопроводные структуры с неоднородным диэлектрическим заполнением (например, кабели и печатные платы).
    2. Упростить многопроводную структуру до трехпроводной. Построить поперечное сечение упрощенной структуры.
  2. Выполнить проверку структур по критерию симметрии проводников и диэлектриков в поперечном сечении (например, для трёхпроводного кабеля: круглый или плоский).
    1. Оценить расстояние опорного проводника относительно активного и пассивного.
    2. Учесть все диэлектрические границы.
  3. Выполнить компьютерное моделирование структур для оценки возможности разложения в них сигналов.
    1. Определить количество отрезков линии передачи и их длины.
    2. Построить геометрическую модель поперечного сечения отрезков структуры.
    3. Вычислить матрицы погонных коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции, волновые сопротивления четной и нечетной мод (для трехпроводной структуры).
    4. Вычислить погонные задержки мод и их разность.
    5. Обратить внимание на знак разности погонных задержек мод (положительный, или отрицательный). Рассмотреть очередность распространения мод.
    6. Оценить возможность возникновения явления разложения заданного импульса в рассматриваемой структуре. Проверить, хватает ли длины отрезка для разложения импульса с заданной длительностью. Оценить длительность импульса, разлагающегося на заданной длине отрезка. Аналогично рассмотреть гармонический сигнал.
  4. Выполнить компьютерное моделирование антиподов (структур с разными знаками разности погонных задержек мод) для рассматриваемой структуры, исходя из возможных вариантов их получения. Рекомендуется рассмотреть следующие варианты: погружение отрезка в среду с большей относительной диэлектрической проницаемостью; увеличение толщины диэлектрического слоя отрезка; заполнение диэлектриком внутренних полостей отрезка; изменение разноса проводников в отрезке МПП; изменение высоты опорного проводника в отрезке МПП; изменение расположения проводников отрезка кабеля; деформация или сжатие отрезка кабеля.
    1. Построить геометрическую модель поперечного сечения структуры.
    2. Вычислить погонные задержки мод и их разность.
  5. Выявить структуры в аппаратуре, имеющие антиподы.
    1. Рассмотреть знак разности погонных задержек мод во всех структурах. Определить, могут ли структуры быть антиподами относительно друг друга: если отрезки структуры имеют противоположные знаки разности погонных задержек мод, то они являются антиподами.
    2. Определить, имеются ли защитные приборы на стыках двух отрезков-антиподов. Если имеются, то оценить возможность обхода защиты оборудования за счет явления разложения сигнала перед защитным устройством и возможность вывода оборудования из строя за счет восстановления сигнала за защитным устройством.
  6. Анализ влияния (путем вычисления временного и частотного откликов без потерь и с потерями) выявленных структур.
  7. При наличии нежелательного влияния устранить его.
    1. Определить отрезки структур с противоположными знаками разности погонных задержек мод.
    2. По возможности, уменьшить их длины и выполнить моделирование структур.
    3. По возможности, заменить отрезки структуры с противоположным знаком разности погонных задержек мод, на отрезки, где знак не меняется, и выполнить моделирование структур. Рекомендуется рассмотреть варианты отрезков-антиподов из п. 4.
    1. Устройство для нарушения работы аппаратуры за счет разложения и восстановления импульсов

В данном разделе описано изобретение, созданное на основе модального разложения и восстановления импульсов.

Устройство предназначено для нарушения работы электрорадиотехнической аппаратуры (например, аппаратуры террористов спецслужбами), имеющей электрически соединенные с ней три параллельных проводника в диэлектрическом заполнении и защитный ограничитель напряжения между двумя из них.

Устройство состоит из источника импульса, трех параллельных проводников в диэлектрическом заполнении, два из которых на одном конце электрически соединены с источником импульса, а на другом – с двумя проводниками аппаратуры. Разность полных задержек четной и нечетной мод, возбуждаемых импульсом в проводниках устройства, больше, чем общая длительность импульса, и равна, взятой с обратным знаком, разности полных задержек четной и нечетной мод, возбуждаемых в проводниках аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика с использованием восьми основных способов возникновения модальных антиподов для защиты от сверхкоротких импульсов.

2. Установлены закономерности смены знака разности погонных задержек мод модальных антиподов в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости среды и расположения проводников.

3. Получены зависимости смены знака разности погонных задержек мод от разноса проводников для различных элементов бортовой аппаратуры космических аппаратов.

4. Экспериментально установлен и подтвержден процесс разложения и восстановления сверхкороткого импульса, для разных видов кабелей, вариантов антиподов, различной длины отрезков кабелей.

5. Исследован эффект модального разложения и последующего восстановления импульса в кабельных и полосковых структурах.

6. Разработаны программы для вычисления матриц параметров кабельных и полосковых структур.

7. Вычислены матрицы погонных коэффициентов электромагнитной и электростатической индукции, характеристического импеданса, погонные задержки мод и их разность, временной отклик на воздействие трапециевидного импульса.

8. Проведен квазистатический и электродинамический анализ плоских кабелей, печатных плат и ГПК.

9. Выполнен вычислительный эксперимент по сравнению результатов квазистатического и электродинамического анализа ГПК.

10. Разработаны способы получения модальных антиподов в кабелях и печатных платах.

11. Выполнены вычисления частотного отклика в структурах с модальными антиподами из плоских кабелей.

12. Разработано и запатентовано устройство, предназначенное для нарушения работы и испытания электрорадиотехнической аппаратуры на основе модального разложения и восстановления импульсов.

По результатам исследований опубликована 31 научная работа, в т.ч. 2 статьи в журналах из перечня ВАК и 3 патента на изобретение. Результаты работы использованы в ОАО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск, в ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург, в учебном процессе ТУСУРа.

Таким образом, в работе содержится решение задачи, имеющей существенное значение для защиты от кондуктивных воздействий устройств вычислительной техники и систем управления. Цель работы достигнута.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах из перечня ВАК

  1. Бевзенко И.Г., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М. Модальные антиподы плоских трехпроводных кабелей// Электромагнитные волны и электронные системы. 2011. №11. C. 71–74.
  2. Бевзенко И.Г., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М. Экспериментальные исследования разложения и восстановления электрических импульсов в структурах с различными модальными антиподами// Известия вузов. Физика. Том 54. – №10/2. – 2011. С. 17–24.

Патенты и свидетельства

  1. Патент РФ на полезную модель №79355. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Модальный фильтр. Заявка №2008127527/ 22(033781). Приоритет полезной модели 07.07.2008. Опубликовано 27.12.2008 Бюл. №36.
  2. Патент РФ на полезную модель №79213. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Устройство воздействия на аппаратуру. Заявка №2008127574/22(033831). Приоритет полезной модели 07.07.2008. Опубликовано 20.12.2008 Бюл. №35.
  3. Патент РФ на полезную модель №80010. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е., Самотин И.Е., Бевзенко И.Г., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Устройство модального зондирования. Заявка №2008127580/22(033837). Приоритет полезной модели 07.07.2008. Опубликовано 20.01.2009 Бюл. №2.
  4. Патент РФ на изобретение №2386964. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е., Самотин И.Е., Бевзенко И.Г., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи. Заявка №2009108905/28 (011919). Приоритет изобретения 10.03.2009. Опубл. 20.04.2010 Бюл. №11.
  5. Патент РФ на изобретение №2431912. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Устройство защиты от импульсных сигналов. Заявка №2010108518/07(012013). Приоритет изобретения 9.03.2010. Опубликовано 20.10.2011 Бюл. №29.
  6. Патент РФ на изобретение №2431897. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Устройство для нарушения работы аппаратуры за счет разложения и восстановления импульсов. Заявка №2010108520/07(012016). Приоритет изобретения 9.03.2010. Опубликовано 20.10.2011 Бюл. №29.
  7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610712. TALGAT 2010. Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий А.М., Аширбакиев Р.И., Вершинин Е.А., Салов В.К., Лежнин Е.В., Орлов П.Е., Бевзенко И.Г., Калимулин И.Ф. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 13 января 2012 г. Заявка №2011617178. Дата поступления 26 сентября 2011 г.

Доклады на конференциях

  1. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Горин Е.Н., Бевзенко И.Г. Возможности применения новых модальных явлений в целях электромагнитного терроризма и для защиты от него// VII Межд. Симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 26–29 июня 2007 г. С. 266–269.
  2. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Модальная фильтрация как средство защиты от сверхкоротких импульсов// 4-я Межд. конф. «ЭССУ», г. Томск, 31 октября – 3 ноября 2007 г. С. 258–260.
  3. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Влияние параметров дополнительного диэлектрического слоя на погонные задержки кабеля марки АППВ-36// г. Томск, XIV Межд. конф. «СТТ 2008», 24 марта – 28 марта 2008 г. С. 13–14.
  4. Бевзенко И.Г., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Малютин Н.Д., Лощилов А.Г., Семенов Э.В. Экспериментальное подтверждение модального разложения и восстановления импульса// 5 Межд. конф. «ЭССУ», г. Томск, 29-30 сентября 2008 г. С. 81–84.
  5. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Возможность создания скрытого модального антипода кабеля марки ВВГп31.5// VI Межд. конф. «ЭССУ», г. Томск, 13–16 октября 2010 г. С. 27–30.
  6. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Сравнение откликов на импульсное и гармоническое воздействия структуры из модальных антиподов плоского трехжильного кабеля// XVII Межд. конф. «СТТ», г. Томск, 18–22 апреля 2011 г. С. 21–22.
  7. Кокнаев М.В., Бевзенко И.Г. Создание антипода за счет изменения расположения проводников на примере кабелей марки КГхЛ 12,5 и АПВ 4// Межд. IEEE –конф. SIBCON – 2011, г. Красноярск, 15–16 сентября 2011 г., С. 399–402.
  8. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Мелкозеров А.О., Орлов П.Е., Бевзенко И.Г., Долганов Е.С., Аширбакиев Р.И. Защита от кондуктивных помех на основе модальной фильтрации: состояние дел и перспективы// 9-й Межд. симпозиум по ЭМС и ЭМ экологии, 13–16 сентября 2011 г., г. Санкт-Петербург, С. 261–264.
  9. Бевзенко И.Г., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Горин Е.Н. Вычисление максимальной разности погонных задержек мод в кабелях ТРП–30,5 и RJ–12 для контроля модальных явлений// 9-я Всер. конф. "Проб. инф. безопасности гос., общества и личности", г. Томск, 15 февраля 2007 г. С. 19–22.
  10. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Модальные искажения импульсного сигнала в кабеле марки ТРП–30,5// Всерос. конф. « НС ТУСУР-2007», г. Томск, 3–7 мая 2007 г. С. 110–112.
  11. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Исследование зависимости модуля разности погонных задержек в трехпроводных силовых кабелях// Всерос. конф. "НС ТУСУР – 2008", 5–8 мая 2008 г. С. 45–47.
  12. Бевзенко И.Г. Влияние поперечного и продольного воздействия на модальное разложение импульса в печатных платах бортовой аппаратуры// г. Томск, Всерос. конф. "НС ТУСУР-2010", 4–7 мая 2010 г. С. 140–142.
  13. Бевзенко И.Г. Влияние протяженности длины кабеля на модальное разложение импульса в печатных платах// г. Томск, Всерос. конф. "НС ТУСУР-2010", 4–7 мая 2010 г. С. 142–144.
  14. Бевзенко И.Г. Уменьшение длины антипода за счет изменения параметров плоского трехпроводного кабеля// 13-я Всерос. конф. "СПР", г. Красноярск, СФУ, 5–6 мая 2011 г. С. 11–14.
  15. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Влияние изменения параметров антипода на временной и частотный отклики двух отрезков плоского трехпроводного кабеля// Всерос. конф. "НС ТУСУР – 2011", г. Томск, 4–6 мая 2011. С. 110–113.
  16. Бевзенко И.Г. Создание антипода за счет изменения геометрической формы отрезка плоского трехпроводного кабеля// VII Всерос. конф. «АПАК», г. Красноярск, 11–15 апреля 2011 г. Том 1. С. 175–177.
  17. Бевзенко И.Г. Влияние расположения антипода на разложение и восстановление импульса в структуре из двух отрезков плоского трехпроводного кабеля// Конф. ОАО «ИСС» «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем» г. Железногорск, 2–4 марта 2011 г. С. 66–68.

Тезисы на конференциях

  1. Бевзенко И.Г., Горин Е.Н., Заболоцкий А.М. Модальные искажения импульсного сигнала в трёхпроводных кабелях типа ППВ// Межд. конф. «XV Туполевские чтения», г. Казань, 9–10 ноября 2007 г. С. 178–180.
  2. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М. Выбор параметров модальных антиподов для силовых кабелей// Межд. конф. “XVI Туполевские чтения”, г. Казань, 28–29 мая 2008 г. С. 233–235.
  3. Бевзенко И.Г., Заболоцкий А.М., Газизов Т.Р. Вариант антипода для кабеля марки АППВ–36// г. Томск: "НПЦ "Полюс", конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства» 10 – 11 апреля 2008 г. С. 69–71.
  4. Бевзенко И.Г. Модальное разложение импульса в печатных платах бортовой аппаратуры// г. Томск: "НПЦ "Полюс", конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства» 22–23 апреля 2010 г. С. 108–110.
  5. Т.R. Gazizov, А.М. Zabolotsky, A.O. Melkozerov, P.E. Orlov, I.G.Bevzenko, E.S. Dolganov. Evaluations of Protection Methods Using TVS-array and Modal Filter. Book of abstracts EUROEM 2012. 2–6 July 2012, Toulouse, France. P. 106.

1 К.Ю. Сахаров и др. Исследование функционирования локальной вычислительной сети в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов // Технологии ЭМС. – 2006. №3 (18).– С. 36–45.

2 Т.Р. Газизов и др. Исследование модальных искажений импульсного сигнала в многопроводных линиях с неоднородным диэлектрическим заполнением // Электромагнитные волны и электронные системы.– 2004. №11.– C. 18–22.

3        И.Г. Бевзенко и др. Модальные антиподы плоских трехпроводных кабелей // Электромагнитные волны и электронные системы.– 2011. №11. C. 71–74.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.