Диссертация (Метод расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов), страница 4

Кусочно-непрерывныефункции определяются с помощью значений непрерывной величины вконечном числе точек рассматриваемой области [67].Методология решения задачи МКЭРешение задачи с помощью метода конечных элементов можнопредставить в виде последовательности этапов, представленных в видесхемы (рис. 5):25рис. 5Схема решения задач МКЭГотовая модель делится на конечные элементы простой формы.Существуют несколько типовых форм конечных элементов, в которыхполе смещений определяется по смещениям узлов с помощью некоторыхинтерполяционныхфункций.Полянапряженийидеформацийопределяются по вычисленным таким образом смещениям.Самый трудный этап решения задач с помощью метода конечныхэлементов — это создание конечно-элементной модели на стадиипрепроцессорной подготовки.

Это связано с тем, что автоматическоепостроение сетки элементов приводит к появлению ошибок.Этап - численное решение системы уравнений - выполняетсяавтоматически.Этап-анализрезультатовзначительно-облегчаетсясуществующими мощными инструментальными средствами визуализациирезультатов.Численныйанализ,ккоторомуотноситсяметодконечныхэлементов, требует своего рода идеализации реальной конструкции. Тогда,несмотря на значительное развитие ресурсов вычислительной техники,результаты вычислений по методу конечных элементов могут бытьошибочны.Использованиекомпьютернойтехникидляполучения26результатовэффективностиметодомконечныэлементов,должнопроизводиться с пониманием основных процессов и этапов вычислений,иначе можно получить ошибочные результаты.

Но и могут быть ошибкиоператоров: при постановке задачи, построении модели численномрешении. Причём ошибки, связанные с численным решением системуравнений, имеют небольшую погрешность.Приступая к конечно-элементному анализу, специалист долженпонять:область анализа, к которой относится поставленная задача,Выбрать часть конструкции, которую следует изучить как можноболее тщательноПопробовать каким-нибудь образом упростить поставленную задачу.Всё это ведёт к тому, что требуется высокая квалификацияпользователя.Методконечныхэлементовневозможенбезпрограммныхкомплексов, которых на сегодняшний день реализовано огромноеколичество.

Рассмотрим наиболее основные.Программные комплексыEMProРешаемые задачи:Для разработчиков МИС, РЧИС• Моделирование ИС, корпусов, кристаллов• Анализ переходов и разъемов• Учетэкранов,проверкакачестваэкранированиянаэтапемоделированияДля разработчиков антенн и антенных систем• Анализ антенн, антенных систем, волноводов, переходов• Моделирование антенн совместно с объектами, на которые ониустанавливаются (машины, корабли, самолеты и т.п.)27• Оптимизация качества работы конечного изделия путём анализаMIMO и пространственного разнесения антенн с помощью введенияреального взаимодействия близости тела человека к антенне• Возможность изучения влияния электромагнитного поля на организм(BIO EM)• EMPro позволяет создавать параметризированные компоненты,такиекакметаллическиеэкраны,элементыкорпусирования,многослойные подложки, диэлектрические блоки и переходныеразъемы для последующего экспорта в САПР ADS.

Выявлениевзаимодействия между отдельными компонентами схемы.HFSSРешаемые задачиСВЧ и радиочастоты• Пассивные компоненты (ответвители, мультиплексоры, фильтры,ферритовые фазовращатели)• Антенны (рупорная, щелевая, patch-, Vivaldi-, рефлектор)• Многополосные антенны• Фазированные антенные решетки• Антенно-фидерные сети• Частотно-избирательные поверхности (FSS)• Электромагнитные band-gap-структуры (EBG)• Радиочастотные катушки• Экранирование• Уменьшенный профиль (Reduced Cross Section, RDS)Целостность сигналов• Пассивныекомпонентынапластине(например,индуктивности) и соединения• Современные корпуса, включая BGA, MCM, LTCC и SiPспиральные28• Критические участки печатных плат, например, сквозные отверстия,контактные площадки, линии передачи, решетчатые мощные изаземляющие панели• Разъемы• Соединительные панелиCST Microwave StudioРешаемые задачиПрограмма, предназначена для быстрого и точного численногомоделированиявысокочастотныхустройств(антенн,фильтров,ответвителей мощности, планарных и многослойных структур), а такжеанализапроблемцелостностисигналовиэлектромагнитнойсовместимости во временной и частотных областях с использованиемпрямоугольной или тетраэдральной сеток разбиения.Типичные устройства, моделируемые в данной программе:• волноводныеимикрополосковыенаправленныеответвителимощности;• делители и сумматоры мощности;• волноводные, микрополосковые и диэлектрические фильтры;• одно- и многослойные микрополосковые структуры;• различные линии передачи;• коаксиальные и многовыводные соединители;• коаксиально-волноводные и коаксиально-полосковые переходы;• оптические волноводы и коммутаторы;• различные типы антенн - рупорные, спиральные, планарные.• расчет параметров рассеяния в полосе частот для трехмерныхэлектромагнитных систем;• расчет параметров излучения для открытых систем;29• расчет собственных частот и полей собственных мод трехмерныхрезонаторовELCUTРешаемые задачи:Высоковольтные системы, громкоговорители датчики, изоляция,исполнительные механизмы, кабели, конденсаторы, линии электропередач,магнитопроводы, механические системы, сверхпроводники, тепловыесистемы,трансформаторы,установкииндукционногонагрева,электрические машины, электромагнитная совместимость, электроннаяоптика.Анализ численных методов показал, что при расчёте эффективностиэкранированияэлектромагнитныхэкрановониимеютосновныепреимущества:• Высокая точность расчёта• Возможность учёта неоднородных сред• Возможность учёта определённого типа апертурТакже можно выделить и недостатки:• Необходимость иметь в своём вооружении дорогих программныхпродуктов(илисерьёзныхдорогостоящихкоммерческихпредложений)• Необходимость в высокой квалификации пользователей этимипрограммными продуктами• Длительность процессов задания исходных данных и длительностьсамого расчёта1.4.Постановка задачиПроведённый анализ проблем электромагнитной совместимости,создания и расчёта электромагнитных экранов, как одного из основных30средствобеспеченияэлектромагнитнойсовместимости,позволяетсформулировать цели и задачи работы.Цельюпроектныхданнойработыработприявляетсясозданииповышениеэффективностиэлектромагнитныхэкрановрадиоэлектронной аппаратуры за счёт совершенствования метода расчётаи визуализации конструкторского этапа проектирования экрана ивнедрения «облачных» технологий.Для достижения поставленной цели в работе сформулированыследующие задачи:1.

Провести анализ проблемы ЭМС и экранирования, как средстваобеспечения ЭМС.2. Выполнить анализ методов расчёта эффективности экранированияэлектромагнитных экранов.3. Разработать алгоритм расчёта эффективности экранирования дляперфорированныхэлектромагнитныхэкранов,пригодныйдляоперативной оценки эффективности экранирования на стадииконструкторского проектирования.4. Разработать программное обеспечение по расчёту эффективностиэкранирования для перфорированных электромагнитных экранов,встроенное в процедуру конструирования аппаратуры.5. Внедрение программного обеспечения в технологии «облачных»вычисленийдлясозданияпроцедурыкорпоративногопроектирования.Научная новизна работы1.

Развит аналитический метод расчёта эффективности экранированиянеоднородногоэлектромагнитногоэкранаприменительнокоперативной оценки эффективности экранирования на стадииконструкторского проектирования.312. Разработаналгоритмнеоднородногорасчётаэффективностиэлектромагнитногоэкранаэкранированиякакпроцедурыинтегрированного проектирования экрана.3.

Разработан алгоритм визуализации как процедуры интегрированногоэтапа проектирования.4. Предложен метод нахождения резонансной зоны эффективностиэкранирования неоднородных экранов на основе экспериментальныхданных.5. Разработан алгоритм корпоративного проектирования на базе«облачных» вычислений.Теоретическая значимостьВ настоящей работе имеет место развитие оперативных методоврасчета неоднородных экранов, встроенных в процедуру конструкторскогопроектированияаппаратуры,чтопозволяетсократитьвремяпроектирования и обеспечить более полное выполнение требований поэффективности экранирования.Разработаналгоритминтегрированногопроектированияэлектромагнитных экранов, встроенный в стадию конструкторскогопроектирования, позволяющий получать данные по эффективностиэкранирования непосредственно при визуальном проектировании экрана.Разработаны подходы к созданию корпоративной вычислительнойсреды на основе «облачных» вычислений, что позволяет объединятьусилия проектировщиков и специалистов различных направлений.Полученные в работе результаты вносят существенный вклад вповышениеэффективностиконструкторскихработприсозданиипомехозащищённой аппаратуры.Данное диссертационное исследование способствует дальнейшемуразвитиюисследованийпосовершенствованиюпроектныхконструкторских работ при разработке электромагнитных экранов.и32Практическая значимостьПолученные результаты способствуют повышению эффективностиконструкторскихработприконструированиипомехозащищённойаппаратуры, работающей в сложной электромагнитной обстановке.Программный продукт защищен свидетельством №2010617918Разработанный программный продукт, по расчёту эффективностиэкранирования перфорированного электромагнитного экрана, был внедренв «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт»дляоценкиэффективностиэкранированияузловаппаратурыперспективных систем связи.А также разработанный программный продукт был внедрён вучебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ, в качестве материала для проведенияпрактическихзанятийдлястудентовподисциплине«Основыпроектирования электронных средств».

(дата по акту)Обоснованность научных положенийДостоверностьподтверждаетсянаучныхположений,сравнениемвыводов,результатоврекомендацийтеоретическихиэкспериментальных исследований, сравнением полученных результатов срезультатами,опубликованнымиранеевавторитетныхнаучныхпубликациях, результатами внедрения разработанных рекомендаций впроцессы проектирования и конструирования электромагнитных экранов.Апробация работыОсновные положения ирезультатыдиссертационнойработыдокладывались и обсуждались на международных, всероссийских ивузовских научных конференциях:• нанаучныхсеминарахкафедры«Радиоэлектроникиителекоммуникаций» МИЭМ НИУ ВШЭ;• в 2011, 2012 и 2013 г. на научно-технических конференцияхстудентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ;33• на9-оммеждународномсимпозиумепоэлектромагнитнойсовместимости и электромагнитной экологии (2011 г.);• на II всероссийской научно-технической конференции «Системыуправлениябеспилотнымикосмическимииатмосфернымилетательными аппаратами» (2012 г.)Полнота изложения материалов диссертации в публикацияхОсновные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в11 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых изданиях,рекомендованныхВАК.Получено1авторскоесвидетельствонапрограмму для ЭВМ.