Book6 (Учебник Конструирование РЭС)

Рис. 5.54. Определение Рис. 5.55. Использование

оптимального значения термоэлектрической батареи

тока термоэлемента для охлаждения объекта

предусматривается электрическая изоляция объекта 2 и теплообменни-
ка 4 диэлектрическими прокладками 3, выполненными из материала с
высоким коэффициентом теплопроводности (рис. 5.55).

Разработанные в настоящее время конструкции термобатарей рас-
считаны на площадь охлаждаемых объектов 2...31 мм ; имеют массу
0,01...62 г, объем — 2...760 мм . Потребление от источников электропи-
тания составляет 0,15...8 Вт. Время выхода термобатареи на рабочий ре-
жим лежит в пределах 2...5 с.

6. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС С УЧЕТОМ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

6.1. Проблема электромагнитной совместимости

Электромагнитная совместимость (ЭМС) РЭС — это их способ-
ность функционировать совместно и одновременно с другими техниче-
скими средствами в условиях возможного влияния непреднамеренных
электромагнитных помех (НЭМП), не создавая при этом недопустимых
помех другим средствам (ГОСТ 23611-79).

Необходимость обеспечения ЭМС различных РЭС, возникшая как
следствие научно-технического прогресса в радиотехнике, электротех-
нике и связи, вызвана следующими основными причинами:

повышением быстродействия полупроводниковых приборов и элек-
тронных схем;

непрерывным возрастанием общего числа РЭС;

245

недостаточным числом свободных от помех радиоканалов во всех
освоенных диапазонах;

возрастанием общего уровня помех, главным образом, от индустри-
альных источников;

усложнением функций и состава РЭС;

сосредоточением различных видов РЭС в ограниченном простран-
стве, например на самолете, корабле, ИСЗ;

миниатюризацией изделий, что в ряде случаев приводит к сниже-
нию энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал-по-
меха;

возрастанием влияния межсоединений и компоновки узлов на по-
мехоустойчивость и быстродействие РЭС;

трудностью и большими материальными и временными затратами,
связанными с поиском и устранением причин низкой помехоустойчиво-
сти РЭС.

Анализ проблемы обеспечения ЭМС РЭС [28, 29] показывает, что
можно выделить следующие ее научно-технические аспекты:

1. Радиочастотный ресурс. Изучение условий пользования радио-
   каналами для различных радиослужб и условий разработки принципов
   управления ресурсом, включая экономические концепции.

2. Непреднамеренные электромагнитные помехи. Выявление ис-
   точников и определение энергетических, частотных и временных ха-
   рактеристик НЭМП, моделирование и изучение влияния среды на их
   распространение, изучение особенностей влияния НЭМП на работу
   различных рецепторов; совершенствование методов и средств измере-
   ний помех; создание НТД на допустимые уровни помех и реализация
   соответствующих стандартных требований.

3. Характеристики ЭМС. Подход к определению роли и значения
   какой-либо характеристики ЭМС зависит от уровня, на котором реша-
   ется задача ЭМС. Принято рассматривать три уровня: межсистемный —
   между отдельными автономными системами; внутрисистемный — внут-
   ри сложного радиоэлектронного комплекса; внутриаппаратный,—
   внутри отдельного прибора (блока), между его узлами и компонентами.
   Учет требований к ЭМС в процессе конструирования РЭС относится,
   главным образом, к двум последним уровням обеспечения ЭМС.

4. Электромагнитная обстановка (ЭМО). Определение реаль-
   ных электромагнитных условий, в которых функционирует или должно
   функционировать конкретное изделие при наличии или отсутствии по-
   лезного сигнала на его сигнальном входе в случае действия НЭМП че-
   рез этот выход или помимо него. В соответствии с тремя уровнями
   обеспечения ЭМС рассматриваются и три вида ЭМО: между системами,
   внутри системы и внутри аппарата.

246

Одним из путей обеспечения ЭМС является совершенствование па-
раметров радиоизлучения и приема РЭС, особенно таких, которые оп-
ределяют ширину полосы частот радиоизлучения и влияют на ЭМС
РЭС. Требования к параметрам радиоизлучений и приема зафиксирова-
ны в государственных стандартах и общесоюзных нормах на параметры
радиоизмерений и приема РЭС. Основные принципы нормирования па-
раметров ЭМС РЭС, а также методы измерений и контроля соблюдения
норм и основные принципы их реализации рассмотрены в [28].

Методология создания и эксплуатации РЭС с учетом ЭМС основана
на системном подходе к решению задачи обеспечения ЭМС, который
приводит к многоплановости решения задачи на различных уровнях и
комплексности решений в двух основных направлениях: повышения по-
мехозащищенности (и помехоустойчивости) рецепторов и снижения
энергии помех в их источнике и среде распространения.

К важнейшим требованиям методологии относятся экономическая
целесообразность учета ЭМС с самого начала разработки РЭС, реали-
зация требований НТД в части ЭМС на всех стадиях разработки изде-
лий, создание более совершенной НТД, обеспечение контролепригод-
ности РЭС по параметрам ЭМС, функционирование специальных
служб ЭМС.

На конструкторско-технологическом этапе разработки РЭС основ-
ными способами обеспечения ЭМС являются помехозащита с помощью
экранирования, фильтрация помех и рациональное по критериям ЭМС
выполнение монтажных соединений и цепей заземления, ослабление
помех от источников вторичного питания и компоновка элементов и уз-
лов РЭС, обеспечивающая снижение уровней.внутренних помех.

6.2. Экранирование

Экранирование — конструкторское средство ослабления электро-
магнитного поля помех в пределах определенного пространства. Кон-
струкции, реализующие указанные требования, называются экранами.
Экраны применяются как для отдельных ЭРЭ, компонентов МСБ и мо-
дулей различных уровней, так и для РЭС в целом, которые могут быть
либо источниками, либо рецепторами помех. Необходимость экраниро-
вания должна быть обоснована и может рассматриваться только после
того, как полностью исчерпаны конструкторские методы оптимальной
компоновки изделий.

При анализе помех важное значение имеют понятия о ближней и
дальней зонах [29, 33] распространения электромагнитной энергии в за-
висимости от расстояния до источника помех (ИП) в предположении,

247

что размеры излучателя помех l<<λ , где λ, — длина волны излучения.
В ближней зоне на относительных расстояниях от источника
r = λ/2π≤1 поле еще не сформировалось в плоскую волну и может
представлять собой (рис. 6.1) преимущественно поле магнитной индук-
ции Н, если в ИП протекает значительный ток при относительно малом
напряжении, или поле электрической индукции Е, если в источнике
протекает малый ток при относительно большом напряжении. «Пре-
имущественно» в том смысле, что хотя ближняя зона всегда характери-
зуется двумя составляющими индукции H и Е, в зависимости от харак-
теристики ИП может преобладать одна из двух составляющих. Элект-
ромагнитное поле в виде плоской волны (радиоволны) формируется на
расстоянии r=λ/2π≥2. Сравнивая волновые сопротивления составляющих поля индукции, можно отметить, что поле Е является высокоом-
ным по отношению к волновому сопротивлению плоской волны, а поле
Н — низкоомным.

Рис. 6.1. Волновые сопротивления электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих
поля ближней зоны распространения в зависимости от расстояния до ИП

Экранирование электрического поля. Основной задачей экрани-
рования электрического поля является снижение емкости связи между
экранируемыми элементами конструкции. Рассмотрим электрическую
связь источника ИП и рецептора РП помех (рис. 6.2, а) с помощью схе-
мы замещения (рис. 6.2, б), на которой действие электрического поме-

248

Рис. 6.2. Электрическая связь источника и рецептора помех (а)
и обратная схема замещения (б)

хонесущего поля представлено эквивалентной емкостью связи С_св. Ес-
ли источник синусоидальный ЭДС е _и действует на угловой частоте ώ,
то напряжение помех в цепи рецептора и _п определяется как

⁽6.1⁾

где Z_p — комплексное сопротивление цепи рецептора помех, состоя-
щее из параллельно включенных входного сопротивления R_вх и емко-
сти С_p относительно корпуса.

Если входное сопротивление РП является чисто активным: Z_p = R _вх и

R _вх << то напряжение помех
р

т.е. прямо пропорционально ЭДС ИП, его частоте, входному сопротив-
лению рецептора и емкости связи между ИП и РП. При этом цепь пере-
носа помех является дифференцирующей. В случае
гласно (6.1) напряжение помех

(6.2)

Обычно С_P>>C_СВ, и, следовательно, согласно (6.2) напряжение помех
на рецепторе и _п = ё _и С _св /С_р . На фиксированной частоте при дейст-

249

вии нескольких источников помех на один рецептор напряжение помех
согласно принципу суперпозиции

где п — число источников помех, ё_i,- — ЭДС i-го источника помех,
С_СВi-емкость связи i-ro источника с рецептором.

Поместим между ИП и РП металлический лист Э (рис. 6.3). Пренеб-
регая остаточной емкостью связи между элементами источника и ре-
цептора, определяем уровень наведенного напряжения, пользуясь схе-
мой замещения (рис. 6.3, а), где С_иэ, С_рэ — емкости элементов ИП и

РП относительно металлического листа Э; С _эк — емкость металличе-
ского листа относительно корпуса. Напряжение помех на экране

ú_п =é_иС_иэ/(С_иэ+С_эк).

Рис. 6.3. Схема замещения для определения емкостных помех:
а — незаземленный экран; б — заземленный экран

Уровень наведенного напряжения определяется как
ù'_п ≈ ù_эC_pэ/(C_pэ+C_p).

Подставляя в полученное выражение напряжение на экране и _э , пол-
учаем

ù’_п ≈ é_иС_иэС_рэ/(С_{иэ +} С_эк)(С_{рэ +} С_р). (6.3)

Оценим значение наводимых напряжений до установки экрана и по-
сле в соответствии с формулами (6.2) и (6.3). Если, например

250

С_эк<<С_иэ , то напряжение на листе согласно (6.3) примерно равно
ЭДС источника помех и, следовательно,

ù'_п ≈ é_иС_рэ/(С_{рэ +} С_р). (6.4)

Так как емкость связи между листом и рецептором помех много
больше начальной емкости связи между экранируемыми элементами,
т.е. С_рэ>>С _св, то при прочих равных условиях наводимое напряжение

помех в случае введения листа окажется больше, чем до его установки
(6.2). Очевидно, что эффективность экранирования возрастает при уве-
личении емкости листа на корпус С_эк и становится наибольшей при его

коротком замыкании (рис. 6.3, б). Это объясняется возможностью сте-
кания на землю зарядов, индуцированных на экране, и замыкания элек-
трической цепи источника помех. При введении заземленного экрана
остаточная емкость связи между элементами С '_св много меньше на-
чальной, т.е. С '_св << С _св, и наводимый уровень помех при этом оказы-
вается много меньше исходного:

ú'_п = é_иС'_св/(С'_св+С_{р +} С_рэ) ≈ ё_иС'_св/(С_{р +} С_рэ).

Выражение для емкости связи двух элементов конструкции, находя-
щихся в свободном пространстве:

С_св = С_иС_р/4π ε₀1, (6.5)

где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость среды.

Емкость связи с учетом влияния металлического экрана (см. рис.

б.2,а)

(6,6)

Для ослабления влияния связи по электрическому полю в РЭС с
учетом формул (6.5) и (6.6) необходимо:

максимально разносить цепи рецепторов и источника помех, что
уменьшает С _св;

компоновать цепи рецептора и источника помех так, чтобы емкость
связи С _св между ними была минимальной;

уменьшать размеры цепей ИП и РП, что приводит к снижению С _св ;

251

применять дифференциальное
включение РП, что практически позво-
ляет значительно ослабить влияние ем-
костных синфазных помех (рис. 6.4).

Основные требования, которые
предъявляются к электрическим экра-
нам, можно сформулировать следую-
щим образом:

Рис. 6.4. Ослабление емкостной

связи путем дифференциального

включения рецептора помех

конструкция экрана должна выби-
раться такой, чтобы силовые линии
электрического поля в основном замы-
кались на стенке экрана, не выходя за
его пределы;

в области низких частот эффектив-
ность электростатического экраниро-
вания практически определяется качеством заземления экрана на кор-
пус изделия и мало зависит от материала экрана и его толщины;

в области высоких частот эффективность экрана, работающего в
электромагнитном режиме, наряду с качеством заземления определя-
ется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью эк-
рана.

Экранирование магнитного поля. Магнитная связь двух электри-
ческих цепей определяется их взаимной индуктивностью М, зависящей

от индуктивностей источника L_И и ре-
цептора L_p, помех, представленных на
рис. 6.5 в виде сосредоточенных элемен-
тов, и коэффициента связи k_L , т.е.
. Если в цепи ИП протека-
ет синусоидальный ток I_и с угловой час-
тотой со, то в цепи рецептора изведется

эдс

e_и = -MdI_a/dt = -jώMI_и.

Индуцированная ЭДС вызывает в це-
пи РП ток, который определяется как

Рис. 6.5. Эквивалентная схема

индуктивной связи между

электрическими цепями

источника и рецептора помех

252

I_p = -jώMI_и/(jώL_p+Z_p+Z_нp),

где Z_р , Z_H — внутреннее сопротивле-
ние соответственно рецептора и источ-

ника помех; Z _нр , Z _ни— сопротивление нагрузки цепи соответствен-
но рецептора и источника помех.

В результате наведенное напряжение помех на сопротивлении на-
грузки рецептора

Ú_п = -jώMI_иZ_нp/(jώL_p + Z_p + Z_нр). (6.7)

В области низких частот при ώL_р << Z_p + Z_нр напряжение помех
Ú_п ≈ -jώMI_иZ_нp/(Z_{p +} Z_нp). (6.8)

Таким образом, согласно (6.8) в области низких частот напряжение по-
мех, наводимое в цепи рецептора, увеличивается пропорционально ча-
стоте и индуктивности связи между ИП и РП. Если | Z_р | << | Z_нр| , то

напряжение помех

Ú_п ≈-jώМI_и,

т.е. цепь переноса помех является дифференцирующей.

В области достаточно высоких частот (при ώL _p>> |Z_p +Z_нр|)

рост напряжения помех в соответствии с выражением (6.8) ограничива-
ется самоиндукцией:

Ú_n≈-MZ_нрI_u/L_р=-kLZнрI_и√L_и/L_p (6.9)

На фиксированной частоте при действии нескольких ИП на один РП
согласно принципу суперпозиции и (6.9)

где п — число источников помех, I_Иi- ток j-го источника помех, М_i

индуктивность связи i-ro источника с
рецептором.

Рис. 6.6. Образование индуктивной

связи между проводом и

замкнутым контуром проводников

на печатной плате

253

Для определения влияния конструкторских параметров на магнитную связь рассмотрим широко распространенный случай воздействия ИП в виде достаточно протяженного провода с током I_и на РП, образующий замкнутый контур цепи длиной l, шириной h и
находящийся на расстоянии d от ИП в
плоскости, перпендикулярной помсхо-
несущему магнитному полю (рис. 6.6).

Амплитуда наведенной ЭДС [30]

ė_M = μlfI_Мln[(d + h)/d]cosΘ

в рецепторной цепи при заданной компоновке прямо пропорциональна
магнитной проницаемости среды (μ длине контура рецептора l, амп-
литуде I_m , его частоте f и зависит от взаимного расположения цепей ИП и РП, определяемых углом Θ .

Взаимная индуктивность цепей ИП и РП [29]

M = μ l ln[(d + h)/d]cosΘ/2π.

Для ослабления влияния магнитной связи в аппаратуре необходимо:

максимально разносить цепи рецепторов и источников помех;

по возможности компоновать цепи РП в плоскости, параллельной
направлению воздействующего на них помехонесущего магнитного потока;

уменьшать площадь петли, образованной цепью РП, сокращая длинуlи расстояние между проводами h , что снизит магнитный поток,пронизывающий петлю (рис. 6.7,а).

Рис. 6.7. Конструктивные способы уменьшения магнитной связи в цепях:

а — исходная цепь; б — укладка изолированного провода на шасси;

в — применение отдельного обратного корпусного провода;

г — скрутка прямого и обратного проводов

Укладка изолированного прямого провода непосредственно на кор-
пус или шасси изделия существенно снижает h (рис. 6.7, б). Примене-
ние отдельного обратного провода в качестве земляного позволяет ус-
транить также кондуктивную связь через общий участок корпуса или
шасси (рис. 6.7, в). При скручивании прямого и обратного проводов на-
пряжения на соседних участках линии примерно одинаковы по уровню,
но противоположны по знаку (рис. 6.7, г). Малая магнитная связь обес-

254

печивается и при использовании коаксиального кабеля, так как его оп₇
летка, являющаяся обратным проводом, расположена концентрично от-
носительно внутреннего провода, чем обеспечивается малое h .

Если применение указанных мер при проектировании РЭС ограни-
чено, то для обеспечения трудоемкого ослабления помех необходимо
прибегнуть к магнитному экранированию.

Основные методы экранирования магнитных полей основаны на
шунтировании магнитного поля ферромагнитными материалами и вы-
теснении помехонесущего магнитного поля полем вихревых токов в эк-
ране.

Основные требования, которые предъявляются к магнитностатиче-
ским экранам, можно сформулировать следующим образом:

магнитная проницаемость материалов экрана должна быть возмож-
но более высокой;

увеличение толщины сеток экрана приводит к повышению эффек-
тивности экранирования, однако при этом следует принимать во внима-
ние возможные конструктивные ограничения по массе и габаритам;

стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно
линиям магнитной индукции;

заземление экрана не влияет на эффективность магнитостатическо-
го экранирования.

Экранирование электромагнитного поля. Целью экранирования
является ослабление электромагнитного поля в ограниченной части
пространства или в окружающем пространстве, если ИП находится
внутри экрана. Электромагнитное экранирование охватывает диапазон

частот 10 ³ ... 10 ⁹ Гц.

Эффективность электромагнитного экранирования можно выразить
в виде [30]

К(э)=К(о)+К(п)+К(п)_В дБ, (6.10)

где К(о)- затухание за счет отражения электромагнитной энергии от
границ раздела «диэлектрик—экран» и «экран—диэлектрик»: для ос-
новной волны К(о) = 201g | (Z_Д + Z_M)²/4Z_ДZ_M |; К(п) — затухание
за счет поглощения: К(п) = 8,69 | К_М | t / , где t — толщина стенки
экрана; К(п)_В — затухание за счет многократных затухающих внутрен-
них переотражений в стенке экрана для остальных составляющих волн:
К(п)_В = 201g| l-[(Z_Д-Z_M)/(Z_Д+Z_M)]²exp(-2k_Mt| -

При расчетах электромагнитного экранирования обычно пользуют-
ся модулями комплексных параметров: величиной, обратной эквива-

255

лентной глубине проникновения тока в металл | К_м | = и моду-
лем волнового сопротивления металла | Z _u | = . В зависимости

от вида источника помехонесущего поля в расчетную формулу (6.10)
подставляются следующие выражения:

— волновое сопротивление воздуха электромагнитно-
му полю;

| Z^Н_д | = ωμ₀d — модуль волнового сопротивления воздуха магнит-
ному полю;

|Z^E_Д| = l/ωμ₀d — модуль волнового сопротивления воздуха элект-
рическому полю;

d— расстояние от источника помехонесущего поля до экрана
(ближняя зона).

Эффективность экранирования К( э ) зависит от электрических па-
раметров материалов, размеров и формы экрана, наличия отверстий и
т.д. Для обеспечения ЭМС существенно то, что любой реальный экран
обладает конечной эффективностью. Рассмотрим некоторые физиче-
ские факторы, определяющие свойства электромагнитных экранов.

На частотах, при которых размеры экрана значительно меньше дли-
ны волны, характерно заметное различие в ослаблении экраном элект-
рического и магнитного полей. Причины типичной зависимости К(э)
от частоты (1 и 2 на рис. 6.8) состоят в следующем. В электростатиче-
ском поле из-за концентрации зарядов на внешней стороне проводника
поле внутри экрана отсутствует иК(э)=∞. В переменном электриче-
ском поле по мере повышения частоты в стенках экрана увеличивается
ток, обусловленный сменой знаков индуцированных зарядов. Этот ток
сопровождается появлением электрического поля внутри экрана
вследствие его конечной проводимости, и К( э ) при этом уменьшается.
При дальнейшем росте частоты сказывается поверхностный эффект;
токи концентрируются у поверхности, и поле внутри экрана вновь ос-
лабляется. На низких частотах К(э) тем больше, чем толще экран и
выше проводимость материала.

Характер ослабления магнитного поля на низких частотах оказыва-
ется иным. В постоянном магнитном поле действенны только экраны с
относительной магнитной проницаемостью, большей единицы. Эф-
фект экранирования обусловлен преимущественным замыканием сило-
вых линий магнитного поля в толще экрана. В переменном поле по мере
роста частоты К( э ) возрастает вследствие появления вихревых токов.
При дальнейшем увеличении частоты за счет поверхностного эффекта
экранирующие свойства резко увеличиваются, а К(э) тем выше, чем
больше толщина стенок и магнитная проницаемость материала. Эф-

256

Рис. 6.8. Зависимости эффективности экранирования немагнитными и магнитными
металлами от частоты при d = 1 м, t = 1 мм (кривые 1 — для меди; кривые

2 — для стали с ц = 1000; кривые 3 — для стали с ц = 100):

а — для электрического поля; б — для электромагнитного поля;

в — для магнитного поля

фективность экранирования оказывается наименьшей на низких часто-
тах. Поэтому экранирование ИП, создающего низкочастотное магнит-
ное поле, наименее благоприятно.

Многослойное экранирование. Многослойные комбинированные
конструкции экранов, состоящие из последовательно чередующихся
слоев, выполненных из немагнитных и магнитомягких металлов, приме-
няются для обеспечения высокой эффективности экранирования в ши-
роком частотном диапазоне. В многослойных экранах, составленных из
металлов с различными характеристическими сопротивлениями
Z_C1≠Z_C2≠…… ≠Z_сп , используется система многократных отражений
(рис. 6.9). В результате экран, состоящий из нескольких тонких слоев
различных металлов, особенно в низкочастотной области, обладает
большим экранирующим действием по сравнению с однородным экра-
ном той же толщины.

Основные рекомендации по проектированию многослойных комби-
нированных экранов [30]:

257

Рис. 6.9. Отражение

электромагнитной энергии

в трехслойном экране

1. Многослойную конструкцию следует
   применять для магнитного насыщения эк-
   рана и обеспечения линейного режима его
   работы.

2. Внутренние слои многослойного экра-
   на для обеспечения большего экранирую-
   щего действия и достижения минимальных
   потерь, вносимых в экранируемые узлы
   РЭС, следует выполнять из немагнитных
   металлов.

3.Применение диэлектрических прокла-
док, воздушных зазоров между металлическими слоями может приводить к повышению К( п) _в

в случае, если их

толщина значительно превышает толщину металлических слоев.

4. Конструктивно многослойные экраны в РЭС достаточно сложны
и громоздки. Поэтому при проектировании следует рассмотреть воз-
можные способы изменения компоновки РЭС для снижения влияния
помехонесущего электромагнитного поля, а также найти пути повыше-
ния эффективности экранирования однослойного экрана.

6.3. Фильтрация

Фильтрация является основным средством ослабления кондуктив-
ных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и
переменного токов РЭС. Предназначенные для этой цели помехоподав-
ляющие фильтры позволяют снижать кондуктивные помехи как от
внешних, так и от внутренних источников. Эффективность фильтра-
ции определяется вносимым затуханием фильтра [31]:

где ủ₁, İ₁ напряжение и ток нагрузки в исходном состоянии;
ủ₂, İ₂ — напряжение и ток помех на нагрузке в цепи с фильтром.

К фильтру предъявляются следующие основные требования:
обеспечение заданной эффективности S в требуемом частотном диапазоне (с учетом внутреннего сопротивления и нагрузки электрической цепи);

ограничение допустимого падения постоянного или переменного
напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

258

обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напря-
жения, определяющих требования к линейности фильтра;

конструктивные требования — эффективность экранирования, ми-
нимальные габаритные размеры и масса, обеспечение нормального теп-
лового режима, стойкость к механическим и климатическим воздейст-
виям, технологичность конструкции и т.д.;

элементы фильтра должны выбираться с учетом номинальных то-
ков и напряжений электрической цепи, а также возможных возникаю-
щих в ней бросков напряжений и токов, вызванных нестабильностью
электрического режима и переходными процессами.

Основные рекомендации по применению помехоподавляющих эле-
ментов и фильтров РЭС следующие.

Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподав-
ляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктив-
но помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

двухполюсные типа К50-6, К52-1Б, ЭТО, К53-1А;

опорные типа КО, КО-Е, КДО;

проходные некоаксиальные типа К73-21;

проходные коаксиальные типа КТП-44, К10П-4, К10-44, К73-18,
К53-17;

конденсаторные блоки.

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора яв-
ляется зависимость его импеданса от частоты. Для ослабления помех в
диапазоне частот примерно до 10 МГЦ можно использовать двухпо-
люсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные по-
мехоподавляющие конденсаторы применяются до частот порядка
30...50 МГц. Симметричные проходные конденсаторы используются в
двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные конден-
саторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 МГц.

Индуктивные элементы. Применяются как самостоятельные эле-
менты подавления помех и как последовательные звенья помехоподав-
ляющих фильтров. Конструктивно наиболее распространены дроссели
следующих видов: витковые на ферромагнитном сердечнике; безвитко-
вые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя являет-
ся зависимость его импеданса от частоты. На низких частотах рекомен-
дуется применение магнитодиэлектрических сердечников марок ПП90
и ПП250, изготовленных на основе μ-пермаллоя. Для подавления по-
мех в цепях аппаратуры с токами до 3 А рекомендуется использовать
высокочастотные дроссели типа ДМ, при больших номинальных значе-
ниях токов — дроссели серии Д200.

259

Фильтры. Керамические проходные фильтры имеют миниатюрную
конструкцию и позволяют эффективно подавлять помехи в широкой
полосе частот.

Высокочастотные проходные керамические фильтры типа Б7, Б14, Б23
предназначены для подавления помех в цепях постоянного, пульсирую-
щего и переменного токов в диапазоне частот от 10 МГц до 10 ГГц. Конст-
рукция таких фильтров представлена на рис. 6.10. Вносимое фильтрами
Б7, Б14, Б23 затухание в диапазоне частот 10... 100 МГц возрастает прибли-
зительно от 20...30 до 50...60 дБ и в диапазоне частот свыше 100 МГц пре-
вышает 50 дБ.

Керамические проходные фильтры типа Б23Б построены на основе
дисковых многослойных керамических конденсаторов и безвитковых
ферромагнитных дросселей (рис. 6.11). Безвитковые дроссели пред-
ставляют собой трубчатый ферромагнитный сердечник из феррита
марки 50В4-2, одетый на проходной вывод. Индуктивность дросселя
составляет 0,08...0,13 мкГн. Корпус фильтра выполнен из керамическо-
го материала УФ-61, имеющего высокую механическую прочность.
Корпус металлизирован слоем серебра для обеспечения малого пере-
ходного сопротивления между наружной обкладкой конденсатора и за-
земляющей резьбовой втулкой, с помощью которой осуществляется
крепление фильтра. Конденсатор по наружному периметру припаян к
корпусу фильтра, а по внутреннему — к проходному выводу. Гермети-
зация фильтра обеспечивается заливкой торцов корпуса компаундом.

Рис. 6.10. Конструкция керамиче-
ского проходного фильтра типа Б7:

1. — сегнетокерамическая трубка;

2. —крепежный фланец;

3. — внутренняя обкладка;

4. — внешняя обкладка;

5. — безвитковой дроссель;

6. — токонесущий стержень

Рис. б.П. Проходной фильтр типа Б23Б:

1. — резьбовая втулка;

2. — корпус;

3. — феррит;

4. — металлизация;

5. — конденсатор;

6. — компаунд;

7. —токонесущий стержень

260

Номинальные емкости фильтров — от 0,01 до 6,8 мкФ, номинальное на-
пряжение 50 и 250 В, ток — до 20 А. Габаритные размеры фильтра: длина
25 мм, диаметр 12 мм. Вносимое фильтрами Б23Б затухание в диапазоне
частот от 100 кГц до 10 МГц возрастает приблизительно от 30...50 до
60...70 дБ и в диапазоне частот свыше 10 МГц превышает 70 дБ.

Для бортовых РЭС перспективным является применение специаль-
ных помехоподавляющих проводов с ферронаполнителями, имеющи-
ми высокую магнитную проницаемость и большие удельные потери.
Так, у проводов марки ППЭ вносимое затухание в диапазоне частот
10...1000 МГц возрастает с 6 до 128 дБ/м. Известны конструкции много-
штыревых разъемов, в которых на каждый контакт устанавливается по
одному П-образному помехоподавляющему фильтру. Габаритные раз-
меры встроенного фильтра: длина 9,5 мм, диаметр 3,2 мм. Вносимое за-
тухание фильтром в 50-омной цепи составляет 20 дБ на частоте 10 МГц
и до 80 дБ на частоте 100 МГц.

Фильтрация цепей питания цифровых РЭС. Импульсные помехи
в шинах питания, возникающие в процессе коммутации цифровых ин-
тегральных схем (ЦИС), а также проникающие внешним путем, могут
приводить к появлению сбоев в работе устройств цифровой обработки
информации.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются следую-
щие схемно-конструкторские методы:

уменьшение индуктивности шин «питание» с учетом взаимной маг-
нитной связи прямого и обратного проводников;

сокращение длин участков шин «питание», которые являются общи-
ми для токов от различных ЦИС;

замедление фронтов импульсных токов в шинах «питание» с по-
мощью помехоподавляющих конденсаторов;

рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к
уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их ак-
тивное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины «зем-
ля», которая является обратным проводником для сигнальных цепей.
Поэтому в многослойных печатных платах желательно выполнять ши-
ны «питание» в виде проводящих плоскостей, расположенных в сосед-
них слоях (рис. 6.12, а).

Навесные шины питания, применяемые в печатных узлах на цифро-
вых ИС, имеют большие поперечные размеры по сравнению с шинами,
выполненными в виде печатных проводников, а следовательно, и мень-
шие индуктивность и сопротивление. Дополнительными преимущест-

261

Рис. 6.12. Конструкции шин питания: а — в виде проводящей плоскости;

б — навесные; в — двухслойная навесная; г —комбинированная навесная;

/ — шина питания; 2 — изоляция; 3 — медные проводники

вами навесных шин являются: упрощение трассировки сигнальных це-
пей, повышение жесткости печатных плат за счет создания дополни-
тельных ребер, выполняющих также роль ограничителей, которые пре-
дохраняют ИС и навесные ЭРЭ от механических повреждений при мон-
таже и настройке изделия (рис. 6.12, б).

Высокой технологичностью отличаются шины «питание», изготов-
ленные печатным способом и крепящиеся на печатной плате верти-
кально (рис. 6.12, в). Известны конструкции навесных шин, устанавли-
ваемых под корпусами ИС, которые располагаются на плате рядами
(рис. 6.12, г) и играют роль дополнительного теплоотвода. Рассмотрен-
ные конструкции шин «питание» обеспечивают также большую погон-
ную емкость, что приводит к уменьшению волнового сопротивления
линии «питание» и, следовательно, снижению уровня им-
пульсных помех.

Разводка питания ИС на печатной плате должна осуществляться
не последовательно (рис. 6.13, а), а параллельно (рис. 6.13, б). Необ-
ходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров
(рис. 6.13, в). Такая конструкция приближается по своим электриче-
ским параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от вли-

262

Рис. 6.13. Разводка шин питания: а — последовательная;
б — параллельная; в — в виде замкнутых контуров

яния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру печат-
ной платы следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

6.4. Заземление

Система заземления — это электрическая цепь, обладающая свой-
ством сохранять минимальный потенциал, являющийся уровнем отсче-
та в конкретном изделии. Система заземления в РЭС должна обеспечи-
вать сигнальные и силовые цепи возврата, защищать людей и оборудо-
вание от неисправностей в цепях источников питания, снимать статиче-
ские заряды.

К системе заземления предъявляются следующие основные требо-
вания:

минимизация общего импеданса шины «земля»;

отсутствие замкнутых контуров заземления, чувствительных к воз-
действию магнитных полей.

В РЭС требуются как минимум три раздельные цепи заземления:

для сигнальных цепей с низкими уровнями токов и напряжения;

для силовых цепей с высокими уровнями потребляемой мощности
(источники питания, выходные каскады РЭС и т.д.);

для корпусных цепей (шасси, панелей, экранов и металлизации).

Электрические цепи в РЭС заземляются следующими способами: в
одной точке и в нескольких точках, ближайших к опорной точке зазем-
ления (рис. 6.14). Соответственно системы заземления могут быть на-
званы одноточечной и многоточечной.

Наибольший уровень помех возникает в одноточечной системе
заземления с общей последовательно включенной тиной «земля»
(рис. 6.14, а).

Чем дальше удалена точка заземления от опорной, тем выше ее по-
тенциал. Его не следует применять для цепей с большим разбросом по-

263

Рис. 6.14. Системы заземления цепей в РЭС: а — одноточечная последовательная;
б — одноточечная параллельная; в — многоточечная

требляемой мощности, так как мощные функциональные узлы (ФУ) со-
здают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на
малосигнальные ФУ. При необходимости наиболее критичный ФУ сле-
дует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.

Одноточечная параллельная система заземления (рис. 6.14,6) иск-
лючает паразитную связь через общий импеданс, и уменьшается веро-
ятность образования низкочастотного паразитного контура с замыкани-
ем на шину «земля». Она может использоваться эффективно для час-
тот 1 МГц.

Многоточечную систему заземле-
ния (рис. 6.14, в) следует использо-
вать для высокочастотных схем
(f> 10 МГц), подключая ФУ РЭС в
точках, ближайших к опорной точке
заземления.

Рис. 6.15. Схема с плавающим
заземлением

Для чувствительных схем приме-
няется схема с плавающим заземле-
нием (рис. 6.15). Такая заземляющая
система требует полной изоляции
схемы от корпуса (высокого сопро-
тивления и низкой емкости), в про-
тивном случае она оказывается мало-
эффективной. В качестве источни-

ков питания схем могут использоваться солнечные элементы или акку-
муляторы, а сигналы должны поступать и покидать схему через транс-
форматоры или оптроны.

Пример реализации рассмотренных принципов заземления для де-
вятидорожечного цифрового накопителя на магнитной ленте показан
на рис. 6.16 [31]. Здесь имеются следующие шины земли: три сигналь-
ные, одна силовая и одна корпусная. Наиболее восприимчивые к поме-
хам аналоговые ФУ (девять усилителей считывания) заземлены с по-

Рис. 6.16. Система заземления девятидорожечного цифрового накопителя

на магнитной ленте

мощью двух раздельных сигнальных шин «земля». Девять усилителей
записи, работающих с большими, чем усилители считывания, уровнями

265

сигналов, а также ИС управления и схемы интерфейса с изделиями пе-
редачи данных подключены к третьей сигнальной шине «земля». Три
двигателя постоянного тока и их схемы управления, реле и соленоиды
соединены с силовой шиной «земля». Наиболее восприимчивая схема
управления двигателем ведущего вала подключена ближе других к
опорной точке заземления. Корпусная шина «земля» служит для под-
ключения корпуса и кожуха. Сигнальная, силовая и корпусная шины
«земля» соединяются вместе в одной точке в источнике вторичного
электропитания. Следует отметить целесообразность составления
структурных монтажных схем при проектировании РЭС.

6.5. Расчет конструкций экранов

В общем виде экран представляет собой несущий элемент конструк-
ции, изолирующий РЭС или ее часть от окружающего пространства.
Форма экрана определяется формой объекта защиты, способом уста-
новки и закрепления в общей конструкции или на месте эксплуатации.
Многообразие форм элементов и частей РЭС приводит к многообразию
форм и конструкций экранирующих оболочек. Навесные проводники
(провода, жгуты) при неудачном размещении могут оказаться антенна-
ми для приема и излучения помех. Для защиты от таких нежелательных
эффектов проводники необходимо помещать в гибкие металлические
оплетки, выполняющие функции экранов. В то же время экран, защи-
щающий проводник от помех, создает дополнительную емкостную
связь «проводник — экран», которую необходимо учесть при согласо-
вании цепей, соединенных этим проводником. Несколько проводников,
объединенных в жгут, могут иметь как общий экран, так и индивиду-
альные экраны в виде экранирующих оплеток.

Из компонентов элементной базы защиты экранированием требуют
чаще всего моточные изделия: катушки индуктивности, трансформато-
ры, дроссели, обмотки реле. Катушки индуктивности, работающие в
мегагерцевом диапазоне частот, обычно не имеют магнитных сердечни-
ков и обладают полем, распространяющимся далеко за габаритные раз-
меры катушки. Применение экранов позволяет ограничить объем про-
странства для нормального функционирования катушки, уменьшить
влияние ее поля на соседние элементы, повысить плотность компонов-
ки. Из-за поглощения части энергии материалом экрана параметры ка-
тушки необходимо скорректировать. Экранирование дросселей и
трансформаторов требуется при использовании повышенных рабочих
частот электропитания (более 100 Гц). Активные элементы в виде по-
лупроводниковых диодов, транзисторов, микросхем в большинстве
случаев нецелесообразно защищать индивидуальными экранами.