Учебное пособие разработал

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

(ТУСУР)
Кафедра телевидения и управления

(ТУ)

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ТУ, профессор

_________________И.Н. Пустынский

«______»___________________2012 г.

Основы электромагнитной совместимости радиоэлектронной ап-паратуры

Учебное пособие

РАЗРАБОТАЛ

_________ Т.Р. Газизов

«______»_________2012 г.

2012

Газизов Т.Р. Основы электромагнитной совместимости радиоэлектронной ап-паратуры: Учебное пособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 245 с.

В первой части данного учебного пособия кратко рассмотрены общие вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС): стандартизация, нелинейные эффекты, неидеальное поведение компонентов, заземление, экранирование, фильтрация, помехи по цепям земля-питание, электростатический разряд. Вторая его часть посвящена уменьшению искажений электрических сигналов в межсоединениях. В ней рассмотрены основные причины этих искажений и способы их уменьшения по результатам экспериментального и компьютерного моделирования. Анализируются отрезки одиночных, связанных и многопроводных линий, а также последовательно соединённые отрезки связанных линий. Показаны возможности уменьшения искажений в таких структурах за счёт выбора параметров диэлектрического заполнения линий.

Пособие предназначено для студентов вузов радиотехнических специальностей.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общие вопросы ЭМС 9

1.1 Введение в ЭМС 10

1.1.1 Что такое электромагнитная совместимость? 10

1.1.2 Потребность в учебном курсе по ЭМС 10

1.1.3 Примеры электромагнитных помех 13

1.2 Аспекты и разделы ЭМС 15

1.3 Стандартизация в области ЭМС 21

1.3.1 Международные организации 21

1.3.2 Требования по ЭМС 24

1.3.3 Стандарты на излучаемые и кондуктивные эмиссии 24

1.3.4 Измерения на соответствие стандартам 30

1.4 Нелинейные эффекты и ЭМС РЭС 39

1.4.1 Причины обострения проблемы ЭМС РЭС 39

1.4.2 Аналитическое определение эффектов нелинейного преобразования сигналов при тестовых воздействиях 41

1.4.3 Способы обеспечения ЭМС РЭС 47

1.5 Неидеальное поведение компонентов 49

1.5.1 Резисторы 50

1.5.2 Конденсаторы 54

1.5.3 Индуктивности 58

1.5.4 Механические контакты 61

1.6 Заземление 65

1.6.1 Связь через общий импеданс земли 66

1.6.2 Влияние индуктивности проводника земли 68

1.6.3 Системы заземления 71

1.6.4 Паразитные контуры заземления 76

1.7 Экранирование 78

1.7.1 Ближняя и дальняя зоны 79

1.7.2 Экранирование металлической пластиной 80

1.7.3 Экранирование магнитного поля 81

1.7.4 Экранирование электрического поля 85

1.7.5 Коэффициент экранирования коаксиальных кабелей 86

1.7.6 Подсоединение экрана коаксиального кабеля 87

1.7.7 Витая пара 88

1.7.8 Экранирующие прокладки 95

1.8 Фильтрация 102

1.8.1 Синфазный и противофазный токи 103

1.8.2 Синфазный дроссель 106

1.8.3 Фильтр сетевого питания 107

1.8.4 Использование ферритов с потерями 110

1.9 Помехи по цепям земля-питание 116

1.10 Электростатический разряд 122

Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях 128

2.1 Суть проблемы и её актуальность 128

2.2 Основные причины искажений сигналов в межсоединениях и способы их уменьшения 134

2.3 Уменьшение искажений по результатам экспериментального моделирования 140

2.3.1 Помехозащищённая теплопроводная монтажная плата и качественная оценка её возможностей 145

2.3.2 Макетирование межсоединений 150

2.3.3 Распространение импульсных сигналов в одиночных линиях 156

2.3.4 Перекрёстные помехи в парах связанных линий 157

2.4 Уменьшение искажений по результатам теоретического моделирования 160

2.4.1 Уменьшение искажений по результатам оценки погонных параметров линий 164

2.4.2 Уменьшение искажений в структурах одиночных линий 186

2.4.3 Уменьшение дальней перекрёстной помехи в последовательно соединённых отрезках связанных линий 191

2.4.4 Уменьшение искажений в отрезке многопроводной линии 221

Методические указания по курсу «Основы электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры» 236

3.1 Введение 236

3.2 Краткая программа лекционного курса 237

3.3 Контрольная работа расчётного характера 238

3.4 Лабораторная работа №1 243

3.5 Лабораторная работа №2 244

ЛИТЕРАТУРА 246

Предисловие

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) всё больше используется в самых различных сферах инфраструктуры современного общества. Увеличение количества РЭА, часто работающей в ограниченном пространстве, приводит к увеличению плотности РЭА. Неуклонный рост производительности РЭА во многом обеспечивается за счёт роста верхней частоты спектра её сигналов.

Эти тенденции стали всё чаще приводить к нарушению работы РЭА из-за взаимных электромагнитных помех, что сделало необходимым обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС), способности удовлетворительно работать и не мешать работе других в заданной электромагнитной обстановке. Отметим, что «Обеспечение ЭМС» стало целым направлением в современной радиоэлектронике.

Литература по ЭМС представлена книгами, журналами, трудами симпозиумов и различными бюллетенями. Пожалуй, самым обширным в мире является двенадцатитомное американское издание по ЭМС 1995 года общим объёмом около 6800 страниц. Книга Пауля [¹], изданная в 1992 году, стала самым популярным зарубежным учебником по ЭМС. Предметом многочисленных ссылок стала книга 1997 года очень известных в ЭМС-сообществе учёных Теше, Яноза и Карлсона [²]. Известной отечественной книгой, которую используют в России в качестве учебника по ЭМС, стала книга Князева, Кечиева и Петрова [³]. Очень доступное и наглядное толкование широкого ряда проблем ЭМС содержится в популярной переводной книге Отта [⁴]. Много весьма полезных практических рекомендаций по самым различным вопросам ЭМС приведено в книге Барнса [⁵]. Отечественным специалистам известны книги Волина, например [⁶]. Весьма полезен для знакомства с отечественными нормами и стандартами на ЭМС справочник Бадалова и Михайлова [⁷].

Отметим, что существенный вклад в ЭМС сделан и учёными ТУСУРа. Основоположником исследований по ЭМС в ТУСУРе стал Базенков [⁸]. Появилась добротная книга Тихомирова и Ефанова [⁹]. Свой вклад в ЭМС удалось сделать и автору [¹⁰, ¹¹].

Должно отметить, что изложенные в книгах материалы, как правило, отличаются широтой охвата, высоким качеством, детальностью и ясностью изложения. Но поскольку подготовка книги занимает, как правило несколько лет, эти материалы успевают устареть. Поэтому, чтобы быть в курсе результатов свежих исследований по ЭМС высокого качества, необходимо читать журналы по ЭМС. Самым известным и высококачественным международным научным журналом по ЭМС является «IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility». Более практической направленностью отличается журнал «EMC Technology». Несколько лет назад стал издаваться отечественный журнал «Технологии ЭМС», включённый недавно в перечень ВАК.

Результаты самых свежих исследований в виде докладов объемом 4–6 страниц по самому широкому кругу вопросов ЭМС публикуются в Трудах международных симпозиумов по ЭМС, которые выпускались в виде толстых томов, а сейчас выходят на компакт-дисках. Самым авторитетным симпозиумом, отличающимся очень высококачественными докладами, является Цюрихский международный симпозиум по ЭМС, проходящий по нечётным годам. По чётным годам проходит старейший Вроцлавский международный симпозиум по ЭМС. Общество ЭМС IEEE ежегодно проводит свой очень большой симпозиум. Известен международный симпозиум по ЭМС, проходящий в различных городах Японии. Недавно сформировался Европейский Симпозиум по ЭМС, проходящий в различных городах Европы.

Наконец, существуют различные бюллетени и выпуски по ЭМС, регулярно издаваемые различными организациями и фирмами, в том числе с рекламными целями. Примерами являются Compliance Engineering фирмы Canon, солидный ежегодник Interference Technology, буклет EMC World фирмы Schaffner, одной из ведущих в мире по ЭМС.

Как построить учебное пособие, чтобы охватить весь спектр вопросов по ЭМС, касающихся РЭА различных структурных уровней, причём непрерывно совершенствующейся? В решении этого вопроса автор столкнулся с большими трудностями, поскольку имеющийся у него материал по известным и самым свежим достижениям по ЭМС огромен по объёму и большей частью на английском языке. Поэтому перевод, осмысление, изложение и подготовка даже части этого материала оказались весьма трудоёмкими.

Автор решил построить пособие из двух больших частей. Первая посвящена общим вопросам ЭМС в их традиционной, но очень краткой постановке и написана, используя, в основном, материалы упоминавшихся книг Отта, Барнса, Пауля, Базенкова, а также материалы книги Князева, Кечиева и Петрова.

Вторая часть посвящена одной из самых актуальных в ЭМС проблем уменьшения искажений при передаче высокочастотных сигналов, кратко называемой проблемой целостности сигналов (signal integrity problem). Она особенно обостряется с ростом электрической длины и плотности монтажа межконтактных электрических соединений, или межсоединений (interconnects), как правило, разветвлённых и произвольно ориентированных. При распространении в таких межсоединениях сигналы задерживаются по времени, отражаются от неоднородностей, затухают из-за потерь, испытывают влияние соседних межсоединений. Сложность учёта этих явлений состоит в том, что он требует анализа схем, состоящих не только из цепей с сосредоточенными параметрами, но и цепей с распределёнными параметрами, а при самом строгом подходе требуется сложный электродинамический анализ. На пути практической реализации уменьшения искажений сигналов в межсоединениях часто стоят физические и технологические ограничения. Поэтому именно проблема целостности сигнала становится одной из главных преград дальнейшему совершенствованию РЭА. Таким образом, знакомство со второй частью книги позволит прикоснуться к переднему краю исследований, хотя бы по одной из проблем ЭМС, но весьма важной и актуальной. Эта часть книги написана по материалам одной из глав докторской диссертации автора, но в очень доступной форме.

Автор далёк от того, чтобы быть довольным этой книгой, и непременно будет работать над её совершенствованием в следующих изданиях. Поэтому любые замечания читателей по её содержанию и пожелания для её улучшения будут восприняты автором с большой благодарностью. Их можно направить по адресу talgat@tu.tusur.ru .

Февраль 2005 года Т.Р. Газизов

Общие вопросы ЭМС

1.1 Введение в ЭМС

1.1.1 Что такое электромагнитная совместимость?

В самом кратком определении электромагнитная совместимость – это способность удовлетворительно функционировать и не мешать работе других в данной электромагнитной обстановке. Однако это определение надо детализировать.

Прежде всего, не совсем ясно, к чьей способности относится это определение. Отметим, что Программный комитет старейшего в Европе Вроцлавского симпозиума по ЭМС трактует это определение в самом широком смысле, т.е. как способность прибора (например, полупроводникового), устройства (например, усилителя), системы (например, радиолокационной, в т.ч. и живой, например, вместе с её оператором). Отсюда следует весьма широкий охват структурных уровней, рассматриваемых электромагнитной совместимостью.

Из определения следует, что система электромагнитно совместима, если она:

не создаёт помех другим системам;
не воспринимает помехи от других систем;
не создаёт помех себе.

1.1.2 Потребность в учебном курсе по ЭМС

В начале 90-х в ведущих технических университетах мира начался процесс постановки учебных курсов по электромагнитной совместимости. Рассмотрим кратко то, как обосновывалась потребность в учебном курсе по ЭМС, например в университетах США.

В начале 80-х Федеральная Комиссия Связи (FCC) США опубликовала в части 15, подчасти J её Правил и Нормативов требование, которое возымело и будет продолжать иметь значительное влияние на всю радиоэлектронику вообще и электронную промышленность в частности. FCC имеет авторитет в области систем радио- и проводной связи в США. В частности, FCC имеет право контролировать помехи от этих систем или им. При всё большем распространении компьютеров и других цифровых устройств FCC осознала, что необходимы определённые ограничения на электромагнитные излучения от этих устройств для того, чтобы минимизировать возможность помех между ними и устройствами радио- и проводной связи. С многочисленными примерами таких помех стали сталкиваться с возрастающей регулярностью. Это привело к изданию вышеуказанного норматива, который возымел силу закона. Он, по существу, устанавливает ограничения на излучаемые и кондуктивные эмиссии от цифрового устройства. FCC определяет цифровое устройство как «любой электронный прибор или систему, который генерирует и использует временные импульсы со скоростью 9000 импульсов в секунду и использует цифровые методы…». Этот норматив применим к любому электронному устройству, которое имеет цифровую схемотехнику и использует тактовый сигнал выше 9 кГц. Сюда относятся, например, электронные пишущие машинки, калькуляторы, кассовые аппараты, принтеры, модемы и т.д., а также персональные компьютеры. FCC далее подразделяет этот норматив на Класс А (промышленная среда) и Класс В (бытовая среда). Нормативы Класса В приблизительно на 10 дБ более строгие, чем нормативы Класса А. В США является незаконным маркетинг «вычислительного устройства», пока излучаемые и кондуктивные помехи не измерены и не установлено, что они не превышают пределов этого норматива. FCC рассматривает маркетинг как перевозку, продажу, предложение к продаже, импорт и т.д. При преднамеренном нарушении этих нормативов могут налагаться штрафы и/или тюремные сроки заключения. Компании-производители очень беспокоятся о последствиях таких нарушений, так как они являются разрушительной рекламой, следующей из малейшего нарушения. Они также беспокоятся о финансовом ударе из-за потенциального возврата устройства, если какие-либо изделия, случайно отобранные FCC для тестирования, превышают ограничения. Поэтому недостаточно сконструировать один образец, который соответствует нормативам, им должны соответствовать все продаваемые устройства. Поэтому разработчик цифровых устройств, дополнительно к обычным принципам функционального проектирования, должен учиться использовать принципы ЭМС в процессе своего проектирования, так чтобы изделие было нечувствительно к изменениям производства, таким как замена поставщиков комплектующих, которые могут привести к несоответствию изделия нормативам.

Фактически, можно смело сказать, что сегодня любое цифровое устройство, которое сконструировано без учёта принципов ЭМС, вероятно, не пройдёт контроль на соответствие ограничениям FCC.

Будущие разработчики цифровой техники, которых мы обучаем по учебным планам радиотехнических специальностей, не могут позволить себе оставаться игнорирующими это, пока они не столкнутся с этой проблемой на рабочем месте. Раз изделие сконструировано, проверено на соответствие и найдено превышающим эти ограничения, то его модификация для соответствия почти обязательно увеличит его себестоимость, которая превысит требуемую для целей обеспечения его функционирования. И чем на более позднем этапе проектирования делаются затраты на обеспечение ЭМС, тем резче рост этих затрат (рис. 1.1).

Рис. 1.1  Резкий рост затрат на ЭМС на более

поздних этапах проекта

Кроме того, корректная диагностика проблемы обычно вызывает задержку рабочего графика. Оба этих пункта – себестоимость и график – являются важными факторами успеха изделия на рынке. При жесткой конкуренции, компании не могут сегодня позволить себе затрат на ЭМС, которые не были бы необходимы, если бы разработчик знал определённые принципы проектирования с учётом ЭМС. Компании начинают осознавать, что ранний и регулярный учёт ЭМС в конструкции изделия минимизирует себестоимость и задержки графика, которые стали бы необходимыми в случае игнорирования ЭМС. Следовательно, ЭМС стала важным фактором в конкурентоспособности компаний, и они рассматривают её как важную часть базовой подготовки инженера.

Представляется, что указанное выше касается и России, и имеет место должное понимание этого. Так, например, на радиотехническом факультете ТУСУРа самый первый курс по ЭМС был поставлен на специальности «радиотехника» профессором Коваленко Е.С. ещё в начале 90-х, т.е. когда этот процесс только начался в ведущих технических университетах мира. Сейчас же ЭМС обучают на большинстве специальностей факультета.

Ряд же недавних фактов делает значимость ЭМС ещё более важной. Введение в силу в 2003 г. Федерального закона «О техническом регулировании» и принятие в соответствии с указанным законом Технического регламента по электромагнитной совместимости ведут к расширению сферы обеспечения ЭМС и установлению обязательных требований ЭМС для электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий всех назначений и видов. В этих условиях отечественные организации и предприятия-разработчики и изготовители электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий должны будут выполнять требования современных стандартов ЭМС при конструировании, изготовлении и испытаниях технических средств. В противном случае эти изделия не пройдут процедуру подтверждения соответствия требованиям ЭМС и будут неконкурентоспособны в условиях присоединения России к Всемирной торговой организации и усиления конкуренции с зарубежными фирмами.

1.1.3 Примеры электромагнитных помех

Известно много примеров электромагнитных помех, простирающихся от безобидных до катастрофических. Не будем говорить о грустном, а приведем лишь некоторые простые примеры.

Наверное, самым известным примером является появление линий на экране телевизора при включении миксера, пылесоса или другой бытовой техники с электродвигателем постоянного тока. Эта проблема возникает из-за искрения щёток двигателя. При замыкании и размыкании контактов щёток ток в обмотках двигателя прерывается, создавая на контактах высокое напряжение (Ldi/dt), приводящее к пробою промежутка между контактами. В результате имеет место весьма богатое по составу спектра искрение. Помеха создаётся из-за непосредственного излучения этого сигнала к антенне телевизора и из-за прохождения этого сигнала по проводам сетевого питания прибора, излучение которых влияет на антенну.

Изготовитель офисного оборудования поместил опытный образец своего нового копировального аппарата в своём главном здании. Служащий заметил, что, когда кто-либо делает копии, настенные электронные часы иногда сбрасываются или показывают нечто странное. Оказалось, что проблема возникает из-за тиристоров в источнике питания копира. Они открывались и запирались для получения из переменного напряжения регулируемого постоянного. Из-за резкого прерывания тока получался сигнал с богатым спектром, который через кабель сетевого питания копира проникал во всю сеть питания, к которой были подключены и часы. А поскольку эти офисные часы сбрасывались и синхронизировались посредством модулированного сигнала, налагаемого на сетевое питание, то помеха от тиристоров воспринималась часами как управляющий сигнал.

А вот пример помех из работы ТУСУРа. В 80-х годах в корпусе ФЭТ проверялась работа новой системы обработки данных из очень слабых сигналов. Контроль сигналов осциллографом сбивался с временными интервалами в доли секунды, и причина этого была непонятна. Присутствовавший специалист обратил внимание, что значения временных интервалов напоминают азбуку Морзе. Тогда руководитель проекта сразу вспомнил о коротковолновиках-любителях в студенческом общежитии на Южной. Телефонный звонок к ним прояснил то, что они в данный момент находились в эфире и работали телеграфным ключом. Когда их попросили приостановить работу, помехи прекратились. Похоже, в аппаратуру проникали сигналы, наведённые коротковолновой антенной в сети питания 220 В.

следующая страница >>