Электромагнитная совместимость в электронной аппаратуре

В.Г. Костиков, Р.В. Костиков, В.А. Шахнов

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
В ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана




В.Г. Костиков, Р.В. Костиков, В.А. Шахнов




ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ В ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия по дисциплине «Теоретические основы конструирования и надежности электронных средств»













Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2012

      УДК 621.314
      ББК 30.61

         К72



Рецензенты: Л.Д. Певзнер, В.Д. Шашурин

         Костиков В.Г.
     К72 Электромагнитная совместимость в электронной аппаратуре : учеб. пособие / В.Г. Костиков, Р.В. Костиков, В.А. Шах-нов. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 125, [3] с. :

           ил.


               Рассмотрены особенности электромагнитных помех в устройствах электронной аппаратуры, различающихся функциональным назначением и схемотехническим исполнением. Приведены результаты исследований, позволяющие обеспечить электромагнитную совместимость в радиоприемных, радиопередающих, вычислительных и других устройствах электронной аппаратуры.
               Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих электронную, радиотехническую и электротехническую аппаратуру.


УДК 621.314
ББК 30.61


















© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

        Проектирование электронной аппаратуры (ЭА) сопровождается решением задачи устойчивого функционирования при воздействии на радиоэлектронные средства (РЭС) влияющих величин как внешнего, так и внутреннего происхождения. При этом необходимо обеспечить прочность конструкции и устойчивость схемы при механических воздействиях, заданные температурные режимы, устойчивость к воздействию радиации, электромагнитную совместимость (ЭМС). Перечисленные требования в определенной степени взаимосвязаны, особенно в мобильных РЭС при жестких условиях эксплуатации. Совместное рассмотрение всех этих требований выходит за рамки учебного курса, поэтому в настоящем пособии уделено внимание лишь вопросам ЭМС в составе ЭС.
        Для упрощения изложения ЭА условно разделена на основные составные части по функционально-конструктивным признакам: устройства вычислительной техники, радиоприемные и антеннофидерные устройства, радиопередающие устройства, системы радиосвязи, устройства отображения информации, источники электропитания. Такое разделение принято на многих предприятиях, проектирующих и изготавливающих ЭА.
        Учебное пособие рассчитано на студентов, изучающих электротехнику, электронику, конструкторское проектирование ЭА и др.
        Ввиду ограниченного объема не удалось рассмотреть ряд вопросов, связанных с влиянием на характеристики ЭА ионизирующего излучения в диапазоне температур, а также с улучшением ЭМС преобразователей напряжения при использовании генераторов динамического хаоса и специальных видов модуляции. Указанные вопросы освещены в достаточном объеме в технической и учебно-методической литературе по ЭА.

3

        Выражаем благодарность сотрудникам кафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н.Э. Баумана, оказавшим помощь в подготовке издания, а также рецензентам.
        Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию учебного пособия.

     ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ                            
АЦП  - аналого-цифровой преобразователь             
ВУМ  - вакуумный усилитель мощности                 
дкш  - двухсигнальный коэффициент шума              
ИМС  - интегральная микросхема                      
ки   - комплексированное изделие                    
КМОП - комплементарная логика на структурах металл- 
     оксид-полупроводник                            
ЛБВ  - лампа бегущей волны                          
МП   - микропроцессор                               
НО   - направленный ответвитель                     
ОКП  - основной канал приема                        
ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема
ПН   - преобразователь напряжения                   
РЛС  - радиолокационная станция                     
РЭА  - радиоэлектронная аппаратура                  
РЭС  - радиоэлектронные средства                    
СВЧ  - сверхвысокая частота                         
СИМ  - специализированная интегральная микросхема   
ТТУ  - твердотельный усилитель                      
УМ   - усилитель мощности                           
УПТ  - усилитель постоянного тока                   
УПЧ  - усилитель промежуточной частоты              
УУ   - устройство управления                        
ЦСП  - цифровой сигнальный процессор                
ШИМ  - широтно-импульсный модулятор                 
ЭВП  - электровакуумный прибор                      
ЭМС  - электромагнитная совместимость               

5

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ПОМЕХИ

1.1. Основные понятия

   Передача электромагнитной энергии в одних случаях оценивается как явление положительное, в других - как отрицательное. Так, положительным считается передача электроэнергии от источника к нагрузке, передача факсимильного сообщения, направленное излучение радиосигналов локатора на определенный объект, передача аудио- и видеосигналов, применение электрических разрядов для технологических целей и др. В качестве отрицательных расценивают воздействия электромагнитной энергии на устройства и живые организмы, приводящие к искажению информации, отрицательному влиянию на здоровье, сбоям и отказам радиоэлектронных средств, иным негативным последствиям.
   Негативное влияние электромагнитной энергии называют электромагнитной помехой. Наиболее важной характеристикой электромагнитной помехи является запас энергии, которым она обладает. Соотношение энергии помехи и энергии полезного сигнала определяет степень опасности помехи и электромагнитную совместимость. Под ЭМС понимают способность электрического устройства выполнять свои функции в условиях заданных электромагнитных воздействий со стороны других устройств и не создавать недопустимых электромагнитных воздействий на другие устройства и живые организмы.
   Различают источники электромагнитных влияний естественного (природного) и искусственного происхождения. К первым относят помехи: атмосферные (создаваемые грозовыми электрическими разрядами), космические (создаваемые флуктуациями энергии Солнца и других звезд), электростатические (создаваемые токами стекания и искровых разрядов накопленных электрических

6

зарядов на поверхностях конструкционных материалов). Ко вторым относят помехи, создаваемые электротехническими и радиоэлектронными устройствами. Совокупность электромагнитных полей и переотраженных волн и излучений естественного проис-хож-дения определяет электромагнитную обстановку.
    Помехи искусственного происхождения могут быть преднамеренными и непреднамеренными. Преднамеренные помехи создают для того, чтобы воспрепятствовать нормальному функционированию устройств. Основное применение преднамеренные помехи находят в области вооружения и военной техники. Непреднамеренные помехи возникают при функционировании электротехнических и радиоэлектронных устройств. В пособии основное внимание уделяется непреднамеренным помехам в радиоэлектронных средствах.
    Обеспечение ЭМС в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) затрудняется в связи с ее непрерывным усложнением, миниатюризацией, повышением мощности и расширением диапазона рабочих частот. Проблема ЭМС наиболее трудно решается в мобильных объектах вооружения и военной техники, в системах, используемых в чрезвычайных ситуациях и других объектах, предназначенных для жестких условий эксплуатации. Стремление уменьшить расстояния между элементами в кристаллах полупроводниковых приборов (микросхем, транзисторов) приводит к снижению электрической прочности изолирующих промежутков и увеличению токов утечки, что усиливает влияние помех и ухудшает ЭМС. Совместная работа составных частей РЭА может быть обеспечена разными способами, но их эффективность достигается лишь комплексным подходом к решению проблемы.
    Для количественной оценки ЭМС используют логарифмические масштабы напряжения, тока, напряженности поля, мощности в относительных единицах, что позволяет наглядно представить соотношения величин, отличающихся на много порядков. Существует два вида логарифма отношений - уровень и степень передачи.
    Уровни определяют отношение физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную. Например, усиление, ослабление и т. п. При этом значение физической величины (единица измерения - бел, Б) определяют следующими зависимостями:
1Б = lg (Р₂/ 71) при Р₂ = 10 Pi,

7

где P1 и P2 - одноименные энергетические величины (мощность, энергия);
1 Б - 2lg(F₂/F1) при F₂ - -ЛОF1,

где F1 и F2 - одноименные «силовые» величины (напряжение, сила тока, напряженность поля).
    Степень передачи определяется отношением выходных и входных физических величин системы и служит характеристикой ее трансляционных свойств. Например, в системах автоматического регулирования часто определяют логарифм отношения Fвых /Fjx. В этом случае принято единицу измерения определять следующим образом:
1Б - lg (Рвых/ Рвх) при Рвьк = 10 Рвх, ‘ вых вх              вых вх
1 Б - 2lg(^вых/Дх) при FBbк - -ЛОFBх.
*—' \ вых / вх / А вых.   вх


   При помощи десятичного логарифма log₁₀ - lg определяют

следующие основные величины в децибелах (дБ):

напряжение U Б - 20lg I -^-x д                   I Uо

при значении исходного напряжения Uо -1 мкВ;

силу тока IдБ - 20lg I —

при значении исходного

тока

10 -1 мкА;

        < E ^

напряженность электрического поля E Б - 20lgI —x д                                            IE0 )
E0 -1 мкВ/м;

        < H ^

напряженность магнитного поля H Б - 20lgI —— дБ                                         Д H0 )
H0 -1 мкА/м;

при

при

мощность РдБ - 20lg I —

при Р₀ -1 пВт.

8

   Например, для напряжения, тока и напряженности поля значения уровней соответствуют следующим отношениям: 3 дБ = V2 , 6 дБ = 2 . Для мощности имеем соотношение 10 дБ ® 10.

1.2. Характеристики электромагнитного поля
   В составе радиоэлектронных систем одни компоненты создают преимущественно электрическое поле, другие - преимущественно магнитное. К первым относят слаботочные компоненты (как правило, компоненты устройств управления и маломощных высоковольтных устройств), ко вторым - сильноточные компоненты (трансформаторы, выпрямители, фильтры и т. д.).
   Связь между напряженностями электрического Е и магнитного Н полей выражается через волновое сопротивление z = E/H. При нормальном падении волны электрическое волновое сопротивление zE и магнитное волновое сопротивление zH определяются зависимостями Ze = Ee/He ; Zh = Ен/Hh , где Ee , Eh , He ,
  •
HH - комплексные амплитуды соответственно электрической и магнитной составляющих поля. Значения волновых сопротивлений рассчитывают по следующим выражениям:

               Ze = z оф + (р r )6/[1 + (р r )² ] р r, (1.1)

               Zh = zо [1 + (рr)² ]рr/д/1 + (Рr)6 ,    (1.2)

где z₀ - базовое волновое сопротивление, Ом, z ₀ = 120л; Р = 2л/Х; X - длина волны; r - расстояние до точки возникновения поля.
   На рис. 1.1 приведены зависимости функций zE и zH от 2лr/X, соответствующие выражениям (1.1) и (1.2).
   По мере удаления от точки возникновения волны и приближения расстояния к Х/2л (на рис. 1.1 соответствует точке 1 на оси абсцисс) отношение E/H стремится к значению 377 Ом (на рис. 1.1


9