Space, ecology, nanotechnology, safety

SPACE, ECOLOGY, NANOTECHNOLOGY, SAFETY

Въведение

Обектът на изследване в настоящата работа са електромагнитното излъчване (EMI), електромагнитната съвместимост (EMC) и радиочестотните смущения (RFI) на интелигентни бордови системи с космическо базиране. Измерванията на (EMC) и (RFI) могат да се извършат според методите и стандартите [1÷4]. Теорията, методиките и инструментите чрез които се решават проблеми на електромагнитната съвместимост са изложени в [5]. Оптимизацията при проектиране на топологията на елекронни модули е подробно разгледана в [6,7]. Особеностите на електронни инструменти с аерокосмическо приложение и техните EMC и EMI при имитация на реален бордови комплекс са описани в [8]. Една работа с практична насоченост, обсъждаща в комлексен аспект проблемите при дизайна на сложни интелигентни аналого-цифрови системи е [9]. Натрупаният опит в реализация на космически прибори [10] показа, че изследването на EMC, EMI и RFI е препоръчително да се започне на по-ранен етап - лабораторен или технологичен образец.

Индуцираните токове в използваните за екраниране материали и структури могат да бъдат разглеждани като източници на електромагнитни вълни. Взаимодействието им води както до подобряване, така и до влошаване на EMC и EMI в зависимост от реализираната конфигурация.

Експерименталните условия, теорията и методиките, на които е основано настоящото изследване са сходни с тези от серията публикации в конференцията SENS. Подробно описание на постановката на експеримента може да бъденамерена в [11].
Експериментални резултати
Проведените измервания са направени в съответствие с процедурите описани в [2], [3], [8]. На фиг. 2 е представен резултатът от измерването на спектъра на излъчените радиошумо-ве E_QP1 на отворени неекранирани базови блокове BDU и ISU от 300 до 400 MHz, където E_QP са измерените стойности за амплитудите на напрегнатостта на електическото поле за конкретни честоти в [dBmicroV/m].

Както се вижда на фиг. 2, най-високи амплитуди на шумовете се наблюдават на честоти от 300÷310 MHz, 325 MHz и в диапазона 345÷395 MHz. Профилът на амплитудите на E_QP2 от фиг.3 в диапазона 400 MHz до 1000 MHz показва сравнително по-ниски амплитуди спрямо E_QP1 - фиг. 2. На честоти по-високи от 800 MHz, излъчените шумове са пренебрежимо малки -

– съизмерими със собствените шумове на използвания измервателен уред. Измерените стойности на E_QP1 и E_QP2 на неекранираните цифрови модули BDU и ISU са използвани като базови за нуждите на проведеното изследване.

Приложени бяха различни средства за подтискане на EMC и RFI, като еднослойни многослойни магнитни и немагнитни екрани с различни геометрични форми и структури. Изследвано бе влиянието на разстоянието между екрана и платката, видът и мястото на заземяването на екрана. По-долу са обсъдени три експеримента с плоски локални, немагнитни екрани, съизмерими с размерите на базовите блокове BDU и ISU.

Първият експеримент бе проведен при монтиран заземен екран на BDU и резултатите от него са представени на фиг.4÷7. Амплитудите на E_QP3 са показани на фиг. 4 в диапазона от 300÷400 MHz, а на E_QP4 - фиг. 5 от 400÷1000 MHz. На фиг. 6 е представена разликата в напрегнатостта на електрическото поле на излъчените радиошумове Δ E_QP1 на BDU и ISU и заземен екран на BDU от 300÷400 MHz, където :

(1)

ΔE_QP1 = E_QP2 - E_QP1 [dBmicroV/m]
Анализът на фиг.4 и фиг.6 показа влошаване на параметрите на RFI в честотния диапазон от 310÷330 MHz и от 360÷400 MHz. Голям положителен ефект е понижението на ΔE_QP1 (фиг. 6) в обхвата 300÷310 MHz, а относително по-малък е този в диапазона 330÷340MHz. В условията на първият експеримент (фиг.3, фиг. 5) в честотния диапазон 400÷1000MHz се наблюдава изчезването на няколко спектрални съставящи на честота 560 MHz и в диапазоните 620÷730 MHz, което подобрява общата картина на RFI и EMI.

На фиг. 7 е показана разликата в напрегнатостта на електрическото поле на излъчените радиошумове Δ E_QP2 на BDU и ISU при заземен екран на BDU от 400 до 1000 MHz, където :

(2)

ΔE_QP2 = E_QP4 - E_QP1 [dBmicroV/m]
На фиг.7 в диапазона от 400÷600 MHz се забелязва повишаване на амплитудата на 5 хармонични честоти, а в обхвата 560÷800 MHz понижаване в 6 отделни честоти.

Вторият експеримент е проведен при монтирани два заземени екрана на BDU и ISU. Резултатите за ΔE_QP3 са представени на фиг.8. Сравняването на кривите, показани на фиг.6 и фиг.8 води до извода, че вторият експеримент е по-неуспешен в сравнение с първия.

Третият експеримент е проведен при монтирани два незаземени екрана на BDU и ISU. Резултатите за ΔE_QP4 са представени на фиг.9. Анализът на кривите от фиг.6, фиг.8 и фиг.9 извежда като най-успешен третия експеримент, защото в относително широк диапазон 330÷380MHz е постигнато най-добро подтискане на излъчените радиошумове. За отделни честоти е получено сравнително високо понижаване в границите от -10 [dBmicroV/m] до - 15 [dBmicroV/m].

Заземяването на екрани като единствен фактор и разлика между втори и трети експеримент показа съществени промени в измерената напрегнатост на електрическото поле на радиошумовете. Противно на очакванията, незаземените екрани дадоха по-добри резултати.

1. 
   Space systems - Electromagnetic compatibility requirements. Draft International Standard ISO/DIS 14302, International Organization for Standardization, 2001.
   
2. 
   International Space Station Program. NASA/RSA Joint Specifications/Standards Document for the ISS Russian Segment, SSP 50094, Revision A, NASA, Johnson Space Center Houston, Texas, March 10, 2000. 551pgs.
   
3. 
   Исходные технические требования к аппаратуре и оборудованию - ИТТ2. Комплекс целевых нагрузок. ИТТ КЦН РС МКС П 34240-515, Ракетно–космическая корпорация “Энергия” имени С. П. Королева, сентябрь 2000г. 111стр.
   
4. 
   V. S m i t h. Comparison of Commercial Electromagnetic Interference Test Techniques to NASA Electromagnetic Interference Test Techniques. NASA/CR—2000–210400. NASA Marshall Space Flight Center, November 2000.
   
5. 
   Archambeault B., Ramahi O., Brench C., EMI/EMC Computational Modeling Handbook (2nd Edition), Springer; 2001, 336 p.
   
6. 
   K i n g, M i c h a e l W., EMCT: High Speed Design Tutorial (ISBN 0-7381-3340-X), Module 3, Sections A and B, Published by Elliott Laboratories, Sunnyvale California, August, 2002
   
7. 
   E v e r e t t III, W. W o o d r o w et. all, "Experimental Evaluation of Microprocessor Susceptibility in the 300 MHz to 1.0 GHz Range," 1984 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Vol. 1, Tokyo, Japan, Oct. 16-18, 1984, pp. 216-221.
   
8. 
   S k e t o e J. G. Integrated circuit electromagnetic immunity handbook, Tech. Rep. NASA/CR-2000 -210017, Boing Information, Space and Defense Systems, Seattle, WA, 2000
   
9. 
   B r o e d e r s J a n – H e i n, M a r k M e y w e s, and B o n n i e B a k e r. “Noise and Interference,” Burr-Brown Design Seminar, (www.conformity.com/2261).
   
10. 
    Television observations of Phobos G. A. A v a n e s o v, ….P. G r a m a t i k o v,….et all. Nature V.341, 1989, 585-587p
    
11. 
    G r a m a t i k o v P., R. S h k e v o v. Electromagnetic interference optimization of the digital units for space applications. Proceedings of the Second Scientific Conference with International Participation SPACE, ECOLOGY, NANOTECHNOLOGY, SAFETY, 27–29 June 2007, Varna, Bulgaria, 126-131pp.