Book6 (Конструирование РЭС (архив книг))

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: