Моделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств что это

Обновлено: 04.07.2024

Цель лекции заключается в необходимости изложения методики, которая позволяет применение общих идей информационных технологий для проектирования электронных средств.

11.1. Пакеты прикладных программ электронного проектирования

На первом этапе в 60-70-е годы решались принципиальные вопросы создания математического обеспечения ECAD. До этого в электронике господствовали экспериментальные методы проектирования . Переход к компьютерным расчетам и моделированию требовал разработки адекватных математических моделей схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры и численных методов исследования этих моделей. Поэтому для первого поколения средств EDA , представлявших собой не связанные друг с другом программы расчета печатных плат и электронных схем, главными были формализация постановок проектных задач и выбор соответствующего математического аппарата. Уже с конца 60-х годов развитие EDA в основном определяется прогрессом микроэлектроники.

Проектирование СВЧ-устройств

Принципиально иной уровень сложности задач решают системы проектирования СВЧ-устройств. Как правило, для получения характеристик объемных структур здесь требуется решение уравнений Максвелла, а для моделирования линейных и нелинейных схем привычных моделей и методов, используемых ядром SPICE , недостаточно.

Пакет RF Design System Suite - (сокращенно RFDS ) фирмы HP EEsof/HPHighFreqency Design позволяет проектировать радиочастотные цепи сотовых радиотелефонов, других персональных подвижных коммуникационных систем, универсальные процессоры, цепи радиовещательных спутников, видеосистемы и беспроводные локальные вычислительные сети. Программное обеспечение включает анализатор линейных и нелинейных цепей, который имеет двунаправленную связь с векторным анализатором цепей, анализатором спектра и цифровым осциллографом. RFDS Suite имеет инструменты для анализа переходных процессов в цепях и электромагнитного анализа, системную библиотеку, инструмент для компоновки. Кроме того, возможна интеграция с программными продуктами других фирм.

Система Sonnet Software Suite of 3D Planar High-Frequence Electromagnetic Software (коротко - Sonnet Suite ) служит для исследования высокочастотных электромагнитных полей современных 3DnnaHapHbix цепей и антенн. Для исследования резонанса оболочки включено исследование поля шестиугольного короба.

Пакет AppCad (полное название AppCad Design Software) фирмы Hewlett-Packard предназначен для быстрых инженерных расчетов изделий ВЧ- и СВЧ-диапазонов, от схем с дискретными диодами и транзисторами до СВЧ-интегральных схем. Работает в диалоговом режиме и позволяет рассчитывать: смещенные током и напряжением интегральные схемы, схемы с диодами Шоттки в режимах большого и малого сигналов, коэффициент усиления усилителей, коэффициенты передачи и отражения линий, десять типов линий, цепи смещения биполярных транзисторов, эмиттерную обратную связь и делители напряжения, надежность и тепловой режим.

Имитационное моделирование на уровне структурных схем

Эта категория продуктов нацелена на моделирование электронных систем на поведенческом уровне. Здесь от программы требуется большая гибкость, наличие точных библиотек функциональных модулей, возможность сопряжения с другими системами моделирования .

Главным расширением системы MATLAB является программный пакет Simulink. Уже в силу своего названия Simulink выполняет как бы симуляцию работы моделируемых систем и устройств, которую также называют имитационным моделированием . Для построения функциональной блок-схемы Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования : он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему, обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства.

Ценность Simulink заключается и в обширной, открытой для изучения и модификации библиотеке компонентов. Она включает источники сигналов с практически любыми временными зависимостями, масштабирующие, линейные и нелинейные преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, квантующее устройство, интегрирующие и дифференцирующие блоки и т. д. В библиотеке имеется целый набор виртуальных регистрирующих устройств - от простых измерителей типа вольтметра или амперметра до универсальных осциллографов, позволяющих просматривать временные зависимости выходных параметров моделируемых систем - токов, напряжений, перемещений, давлений и т. п. Имеется графопостроитель для создания фигур в полярной системе координат , например, фигур Лиссажу и фазовых портретов колебаний. Simulink имеет средства анимации и звукового сопровождения. А в дополнительных библиотеках можно отыскать и такие "приборы", как анализаторы спектра сложных сигналов, многоканальные самописцы и средства анимации графиков.

System View 5.0 ( www.elanix.com) - программа компании Elanix представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных "кубиков" строится функциональная схема исследуемой электронной системы. Продукт предназначен для моделирования любых динамических систем и позволяет провести моделирование во временной области любой системы, будь то логическая или аналоговая схема или же вовсе некая математическая абстракция - главное, чтобы для этого имелась необходимая библиотека.

Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое. С пакетом поставляется большой набор библиотек функциональных блоков, имеется возможность создания пользовательских библиотек любой сложности.

Пакет Microwave Office описан в разделе " Проектирование СВЧ-уст-ройств".

Так как пакет Visual System Simulator ориентирован на моделирование именно телекоммуникационных систем, здесь имеется обширный набор моделей каналов. Сюда входят модели таких эффектов, как замирание, многолучевость, блокировка и импульсные помехи, позволяющие весьма точно оценивать работу систем в реальных условиях эксплуатации.

Проектирование печатных плат

Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.

Пакет Expedition PCB представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат.

Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учетом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений , накладываемых использованием современной элементной базы. Единая среда позволяет моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня.

У данного продукта отмечают только один недостаток - его высокую стоимость.

Система P-CAD 2002 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:

  • графический ввод электрических схем;
  • смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;
  • упаковку схемы на печатную плату;
  • интерактивное размещение компонентов;
  • интерактивную и автоматическую трассировку проводников;
  • контроль ошибок в схеме и печатной плате;
  • выпуск документации;
  • анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;
  • подготовку файлов Gerber и NC Drill для производства печатных плат;
  • подготовку библиотек символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов.

Основные возможности P-CAD 2002:

  • удобный пользовательский интерфейс для Windows;
  • хранение проектной информации в бинарных и текстовых файлах;
  • удобная справочная система;
  • проект схемы может содержать 999 листов, проект платы - до 999 слоев (11 из них стандартных);
  • число цепей в проекте - до 64000;
  • число вентилей в компоненте - до 5000;
  • максимальное число выводов у компонента - 10000;
  • максимальные размеры листа схемы или чертежа печатной платы 60х60 дюймов;
  • поддержка дюймовой и метрической систем мер;
  • предельное разрешение 0.0001 дюйма (0.1 мила), или 0.01 мм (10 микрон);
  • минимальный угол поворота компонентов на плате - 0.1 град.;
  • длина имен компонентов - до 30 символов, максимальный объем текстовых надписей и атрибутов - до 20000 символов;
  • механизм переноса изменений печатной платы на схему и наоборот;
  • библиотеки компонентов, содержащие более 27000 элементов и сертифицированные по стандарту ISO 9001 .

CircuitMaker ,разработанный фирмой MicroCode Engineering, после слияния ее с компанией Protel стал предлагаться как самое дешевое решение для проектирования несложных печатных плат. Стандартная версия позволяет разрабатывать платы, содержащие до шести сигнальных слоев и до двух слоев металлизации. Этот продукт имеет удобный и гибкий редактор схем, а также программу моделирования .

Автоматическое размещение и трассировка реализуются и в ряде других систем проектирования печатных плат, в частности, в отечественной САПР RELIEF с оригинальным алгоритмом быстрой плотной упаковки разногабаритных элементов. Алгоритм основан на многократном дихотомическом делении множества размещаемых элементов


В мире IT-индустрии, где программное обеспечение создано практически для всех информационных систем и проектов, развитие экономики порождает неудовлетворенный спрос на кадры в отраслях связанных с компьютерным моделированием и проектированием радиоэлектронных средств. На рынке труда ощущается острый спрос на квалифицированных специалистов в совершенстве владеющих пакетами прикладных программ и системами автоматизированного проектирования и моделирования. Эту нишу и заполняют специалисты по компьютерному проектированию, заработная плата которых уже сейчас превышает заработную плату программистов.

Специфика специальности состоит в разработке и использовании прикладного программного обеспечения для моделирования физических процессов, протекающих в РЭС, и проектирования современных электронных систем.

Чему вы научитесь

  • компьютерным информационным технологиям;
  • языкам программирования;
  • системам автоматизированного проектирования;
  • компьютерному моделированию;
  • компьютерному дизайну и графике.
  • на научной основе организовать свой труд, применять компьютерные методы обработки информации, приобретать новые знания, используя современные информационные технологии;
  • грамотно сочетать возможности программной и аппаратной реализаций выбранных алгоритмов и методов компьютерного моделирования, анализа и проектирования радиоэлектронных средств;
  • проводить моделирование и теоретические исследования при разработке новых радиоэлектронных средств с использованием современных математических методов, алгоритмических и технических средств, методов автоматизации научных исследований;
  • разрабатывать радиоэлектронные средства с использованием САПР;
  • руководить соответствующими отделами, службами и организациями, самостоятельно принимать творческие и нестандартные решения при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Что дальше?

Мы можем с уверенностью утверждать, что готовим высококвалифицированных специалистов, обладающих обширными знаниями не только в своей области, но и в смежных областях, включая широкое использование компьютерной техники, специальных программных средств и систем автоматизированного проектирования.

Наиболее подготовленные выпускники после окончания университета могут продолжить обучение в магистратуре, а затем в аспирантуре.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Моделирование − построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

Радиоэлектронные средства – собирательный термин, используемый для обозначения изделия или его составных частей, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники.

Подготовка специалиста по данной специальности предполагает формирование определенных профессиональных компетенций, включающих знания и умения по разработке современных радиоэлектронных средств различного назначения с использованием новейших достижений радиоэлектроники, нано- и микроэлектроники, информатики и компьютерных технологий; разработке программного обеспечения для радиоэлектронных средств, мобильных систем, а также электронных систем на базе микроконтроллеров и микропроцессорных устройств; компьютерному проектированию отдельных элементов и радиоэлектронных средств, мобильных и электронных систем в целом на базе современных информационных технологий; моделированию физических процессов, протекающих в конструкциях радиоэлектронных средств, мобильных и электронных систем; разработке и освоению нового технологического оборудования и новых технологических процессов; монтажу, техническому обслуживанию и ремонту радиоэлектронных средств, мобильных и электронных систем и др.

Специальность обеспечивает получение квалификации специалиста «Инженер по радиоэлектронике».

Объектами профессиональной деятельности специалиста являются: радиоэлектронные средства различного назначения, радиотехнические системы, радиоприемные и передающие станции, мобильные средства, микропроцессорные системы, аппаратура связи и вычислительной техники на промышленных и ремонтных предприятиях, в проектных, научно-исследовательских, монтажно-наладочных и других организациях.


После окончания обучения выпускники вышеназванной специальности могут занимать следующие должности:

Цель лекции заключается в необходимости изложения методики, которая позволяет применение общих идей информационных технологий для проектирования электронных средств.

11.1. Пакеты прикладных программ электронного проектирования

На первом этапе в 60-70-е годы решались принципиальные вопросы создания математического обеспечения ECAD. До этого в электронике господствовали экспериментальные методы проектирования . Переход к компьютерным расчетам и моделированию требовал разработки адекватных математических моделей схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры и численных методов исследования этих моделей. Поэтому для первого поколения средств EDA , представлявших собой не связанные друг с другом программы расчета печатных плат и электронных схем, главными были формализация постановок проектных задач и выбор соответствующего математического аппарата. Уже с конца 60-х годов развитие EDA в основном определяется прогрессом микроэлектроники.

Проектирование СВЧ-устройств

Принципиально иной уровень сложности задач решают системы проектирования СВЧ-устройств. Как правило, для получения характеристик объемных структур здесь требуется решение уравнений Максвелла, а для моделирования линейных и нелинейных схем привычных моделей и методов, используемых ядром SPICE , недостаточно.

Пакет RF Design System Suite - (сокращенно RFDS ) фирмы HP EEsof/HPHighFreqency Design позволяет проектировать радиочастотные цепи сотовых радиотелефонов, других персональных подвижных коммуникационных систем, универсальные процессоры, цепи радиовещательных спутников, видеосистемы и беспроводные локальные вычислительные сети. Программное обеспечение включает анализатор линейных и нелинейных цепей, который имеет двунаправленную связь с векторным анализатором цепей, анализатором спектра и цифровым осциллографом. RFDS Suite имеет инструменты для анализа переходных процессов в цепях и электромагнитного анализа, системную библиотеку, инструмент для компоновки. Кроме того, возможна интеграция с программными продуктами других фирм.

Система Sonnet Software Suite of 3D Planar High-Frequence Electromagnetic Software (коротко - Sonnet Suite ) служит для исследования высокочастотных электромагнитных полей современных 3DnnaHapHbix цепей и антенн. Для исследования резонанса оболочки включено исследование поля шестиугольного короба.

Пакет AppCad (полное название AppCad Design Software) фирмы Hewlett-Packard предназначен для быстрых инженерных расчетов изделий ВЧ- и СВЧ-диапазонов, от схем с дискретными диодами и транзисторами до СВЧ-интегральных схем. Работает в диалоговом режиме и позволяет рассчитывать: смещенные током и напряжением интегральные схемы, схемы с диодами Шоттки в режимах большого и малого сигналов, коэффициент усиления усилителей, коэффициенты передачи и отражения линий, десять типов линий, цепи смещения биполярных транзисторов, эмиттерную обратную связь и делители напряжения, надежность и тепловой режим.

Имитационное моделирование на уровне структурных схем

Эта категория продуктов нацелена на моделирование электронных систем на поведенческом уровне. Здесь от программы требуется большая гибкость, наличие точных библиотек функциональных модулей, возможность сопряжения с другими системами моделирования .

Главным расширением системы MATLAB является программный пакет Simulink. Уже в силу своего названия Simulink выполняет как бы симуляцию работы моделируемых систем и устройств, которую также называют имитационным моделированием . Для построения функциональной блок-схемы Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования : он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему, обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства.

Ценность Simulink заключается и в обширной, открытой для изучения и модификации библиотеке компонентов. Она включает источники сигналов с практически любыми временными зависимостями, масштабирующие, линейные и нелинейные преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, квантующее устройство, интегрирующие и дифференцирующие блоки и т. д. В библиотеке имеется целый набор виртуальных регистрирующих устройств - от простых измерителей типа вольтметра или амперметра до универсальных осциллографов, позволяющих просматривать временные зависимости выходных параметров моделируемых систем - токов, напряжений, перемещений, давлений и т. п. Имеется графопостроитель для создания фигур в полярной системе координат , например, фигур Лиссажу и фазовых портретов колебаний. Simulink имеет средства анимации и звукового сопровождения. А в дополнительных библиотеках можно отыскать и такие "приборы", как анализаторы спектра сложных сигналов, многоканальные самописцы и средства анимации графиков.

System View 5.0 ( www.elanix.com) - программа компании Elanix представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных "кубиков" строится функциональная схема исследуемой электронной системы. Продукт предназначен для моделирования любых динамических систем и позволяет провести моделирование во временной области любой системы, будь то логическая или аналоговая схема или же вовсе некая математическая абстракция - главное, чтобы для этого имелась необходимая библиотека.

Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое. С пакетом поставляется большой набор библиотек функциональных блоков, имеется возможность создания пользовательских библиотек любой сложности.

Пакет Microwave Office описан в разделе " Проектирование СВЧ-уст-ройств".

Так как пакет Visual System Simulator ориентирован на моделирование именно телекоммуникационных систем, здесь имеется обширный набор моделей каналов. Сюда входят модели таких эффектов, как замирание, многолучевость, блокировка и импульсные помехи, позволяющие весьма точно оценивать работу систем в реальных условиях эксплуатации.

Проектирование печатных плат

Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.

Пакет Expedition PCB представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат.

Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учетом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений , накладываемых использованием современной элементной базы. Единая среда позволяет моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня.

У данного продукта отмечают только один недостаток - его высокую стоимость.

Система P-CAD 2002 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:

  • графический ввод электрических схем;
  • смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;
  • упаковку схемы на печатную плату;
  • интерактивное размещение компонентов;
  • интерактивную и автоматическую трассировку проводников;
  • контроль ошибок в схеме и печатной плате;
  • выпуск документации;
  • анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;
  • подготовку файлов Gerber и NC Drill для производства печатных плат;
  • подготовку библиотек символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов.

Основные возможности P-CAD 2002:

  • удобный пользовательский интерфейс для Windows;
  • хранение проектной информации в бинарных и текстовых файлах;
  • удобная справочная система;
  • проект схемы может содержать 999 листов, проект платы - до 999 слоев (11 из них стандартных);
  • число цепей в проекте - до 64000;
  • число вентилей в компоненте - до 5000;
  • максимальное число выводов у компонента - 10000;
  • максимальные размеры листа схемы или чертежа печатной платы 60х60 дюймов;
  • поддержка дюймовой и метрической систем мер;
  • предельное разрешение 0.0001 дюйма (0.1 мила), или 0.01 мм (10 микрон);
  • минимальный угол поворота компонентов на плате - 0.1 град.;
  • длина имен компонентов - до 30 символов, максимальный объем текстовых надписей и атрибутов - до 20000 символов;
  • механизм переноса изменений печатной платы на схему и наоборот;
  • библиотеки компонентов, содержащие более 27000 элементов и сертифицированные по стандарту ISO 9001 .

CircuitMaker ,разработанный фирмой MicroCode Engineering, после слияния ее с компанией Protel стал предлагаться как самое дешевое решение для проектирования несложных печатных плат. Стандартная версия позволяет разрабатывать платы, содержащие до шести сигнальных слоев и до двух слоев металлизации. Этот продукт имеет удобный и гибкий редактор схем, а также программу моделирования .

Автоматическое размещение и трассировка реализуются и в ряде других систем проектирования печатных плат, в частности, в отечественной САПР RELIEF с оригинальным алгоритмом быстрой плотной упаковки разногабаритных элементов. Алгоритм основан на многократном дихотомическом делении множества размещаемых элементов

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Макаров О.Ю., Турецкий А.В., Ципина Н.В., Шуваев В.А.

Рассматривается комплексный подход к процессу анализа и оптимизации характеристик конструкций радиоэлектронных средств , охватывающий такие виды характеристик, как тепловые, механические, электромагнитной совместимости, надежность. Предлагается структура решаемых задач моделирования и оптимизации , соответствующих моделей и методик, необходимых для реализации этого подхода

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Макаров О.Ю., Турецкий А.В., Ципина Н.В., Шуваев В.А.

Структура, основные задачи и математическое обеспечение процесса оптимального теплового проектирования радиоэлектронных средств Оптимальное проектирование радиоэлектронных модулей с учетом механических воздействий Средства инженерного анализа механических характеристик многослойных печатных плат Средства автоматизированного проектирования и анализа механических и тепловых процессов конструкций РЭС Средства инженерного анализа конструкций радиоэлектронных модулей третьего уровня i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

COMPLEX MODELLING AND OPTIMIZATION OF CHARACTERISTICS IN THE COURSE OF DESIGN DESIGN OF RADIO-ELECTRONIC MEANS

In this article we propose a comprehensive approach in defining and optimizing the characteristics of REM in the design process. This is such as thermal characteristics, mechanical characteristics, the characteristics of the electromagnetic compatibility (EMC), and reliability. Proposed structure of the techniques necessary for the implementation of this approach. The structure of the process of optimization of designs REMs and the complex of mathematical models to analyze the characteristics of structures REM

Текст научной работы на тему «Комплексное моделирование и оптимизация характеристик в процессе конструкторского проектирования радиоэлектронных средств»

КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК В ПРОЦЕССЕ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

О.Ю. Макаров, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина, В.А. Шуваев

Рассматривается комплексный подход к процессу анализа и оптимизации характеристик конструкций радиоэлектронных средств, охватывающий такие виды характеристик, как тепловые, механические, электромагнитной совместимости, надежность. Предлагается структура решаемых задач моделирования и оптимизации, соответствующих моделей и методик, необходимых для реализации этого подхода

Ключевые слова: радиоэлектронные средства, конструкторское проектирование, комплексное моделирование, оптимизация

При проектировании современных радиоэлектронных средств (РЭС) необходимым является анализ характеристик конструкций различной физической природы, а также возможность их оптимизации. При этом на современном этапе актуальным является комплексный подход к процессу такого моделирования, основанный на применении современных систем и средств автоматизированного проектирования. Комплексное моделирование характеристик конструкций должно включать в себя анализ их основных типов: тепловые характеристики, механические характеристики, характеристики электромагнитной совместимости (ЭМС), надежность 2.

По результатам исследований и анализа современных подходов, методов и средств автоматизации

проектирования предлагается следующая структура процесса комплексного моделирования характеристик конструкций РЭС (рис. 1). Особенностью применения этих средств является возможность комплексного моделирования характеристик, относящихся к различной природе (например, термомеханической). При применении такого смешанного моделирования учитывается взаимосвязь и взаимовлияние разных физических процессов в конструкциях РЭС, а также, что особенно важно, их совместное влияние на надежность. Поэтому целесообразно в этой структуре рассматривать и задачи моделирования показателей надежности.

В процессе такого комплексного моделирования определяются параметры различных физических полей (температурных, механических, электромагнитных, электрических и магнитных), формирующих разные характеристики, что позволяет в дальнейшем приступить к решению задач оптимизации конструкции РЭС по соответствующим критериям. Указанные программные комплексы имеют встроенные возможности оптимизации параметров РЭС, однако для более полного использования их возможностей, как показывает опыт, часто необходима разработка и интеграция дополнительного математического и специализированного программного обеспечения. При использовании рассматриваемого комплексного подхода к моделированию различных параметров РЭС предлагается структурная схема процесса их оптимизации, которая представлена на рис.2.

Для получения максимально точных и адекватных результатов моделирования, а соответственно и наиболее оптимальных образцов конструкций РЭС, требуется проводить анализ физических процессов в объеме, что требует представление конструкций проектируемых РЭС в виде 3D-моделей. Современные CAD/CAM/CAE системы, такие, например, как Creo Parametric обеспечивают эту возможность.

Для ускорения процесса моделирования простых конструкций или на начальных этапах разработки целесообразен переход к 2D и одномерным моделям. К таким случаям можно отнести процессы создания

Рис. 1. Основные задачи комплексного моделирования характеристик РЭС

Формирование и расчет критериев оптимальности

[конструктивных и физических) ограничений

Рис. 2. Структура процесса задач оптимизации конструкций РЭС

элементов нижней конструктивной иерархии, например, платы, радиаторов, металлических каркасов, тепловых шин и т.д.

Для практической реализации рассмотренных выше положений предлагаемого комплексного подхода необходимо разработать ряд методик, охватывающих все соответствующие проектные задачи и ориентированных на конкретные программные пакеты, в частности, Creo Parametric и ANSYS. В общем виде структура такого процесса разработки требуемого методического обеспечения должна включать следующие основные этапы.

1. Формализация и постановка задач, отражающих типовые случаи моделирования и оптимизации характеристик конструкций РЭС различной природы (механических, тепловых, ЭМС), основанные на применении существующих комплексов (Creo Parametric и ANSYS).

1.1. Составление перечня и описания основных характеристик конструкций РЭС, которые отражают физические процессы, протекающие при эксплуатации и которые влияют на надежность и работоспособность РЭС.

1.2. Создание описания и постановка типовых задач моделирования различных характеристик конструкций РЭС, основанные на действии полей разной природы.

1.3. Разработка математического обеспечения для решения поставленных задач.

1.4. Проведение анализа и классификации задач, которые решаются средствами Creo Parametric или ANSYS и задач, требующих применения иных пакетов или разработки нового программного обеспечения.

2. Разработка методик и алгоритмов, реализующих комплексное моделирование и анализ характеристик РЭС разной природы с применением 3D-моделей и использованием пакета Creo Parametric Mechanica. Это такие характеристики, как тепловые (температурные воздействия, внутреннее тепловыделение, внешние тепловые потоки и др.), механические (механические напряжения, вибрации, удары, резонансные частоты).

2.1. Разработка алгоритмов для моделирования тепловых и механических характеристик конструкций:

получение исходных данных для моделирования;

ввод исходных данных в Creo Parametric Mechanica;

решение задач оптимизации в рамках Creo Parametric;

подробный анализ результатов, с применением средств Creo Parametric.

2.2. Разработка методических рекомендаций по эффективному использованию возможностей и преимущества Creo Parametric Mechanica.

3. Анализ и выбор оптимальных методов разработки конструкций РЭС с учетом ЭМС, повышение их эффективности и адаптация для решения существующих задач.

3.1. Выбор и формирование теоретической базы анализа и учета ЭМС блоков и узлов РЭС.

3.2. Разработка методов решения и постановка задач анализа и обеспечения требуемых параметров ЭМС конструкций РЭС.

3.3. Разработка библиотеки моделей компонентов, входящих в РЭС, отражающей протекающие в них электромагнитные процессы с применением программного комплекса ANSYS. Библиотека должна обеспечивать совместимость моделей и совместную работу с пакетом Creo Parametric при разработке РЭС.

3.4. Разработка методических рекомендаций по использованию средств автоматизации решения таких задач, возможностей ANSYS.

3.5. Разработка методик и соответствующих алгоритмов, отражающих процесс электромагнитного моделирования в высокочастотный и низкочастотный области с применением пакета ANSYS для решения задач обеспечения ЭМС блоков РЭС.

3.6. Разработка алгоритмов моделирования характеристик ЭМС конструкций:

получение исходных данных для моделирования;

ввод данных в пакет ANSYS с подробным пошаговым описанием;

моделирование процессов ЭМС с подробным пошаговом описании;

решение задач оптимизации;

подробный анализ результатов, с применеием средств ANSYS и Creo Parametric.

4. Оценка эффективности пакетов Creo Parametric и ANSYS в части моделирования и оптимизации комплекса механических, тепловых характеристик и характеристик ЭМС блоков РЭС, а также обоснование рекомендаций по улучшению их функционала.

4.1. Выводы, отражающие применение Creo Parametric и ANSYS для моделирования и оптимизации конструкций РЭС.

4.2. Разработка рекомендаций по использованию этого программного обесечения, выявление его ограничений, перспектив развития, а также обоснование необходимости применения других пакетов.

Чтобы реализовать предложенный подход необходимо наличие комплекса математических моделей, описывающих поля разной природы в конструкциях РЭС. Предлагаемая структура такого математического обеспечения представлена на рис.3. При его формировании необходимо учитывать, что в качестве исходной формы для постановки задач моделирования используется их представление в виде краевых задач. При этом следует учитывать, что применяемые краевые условия необходимо приспособить к правилам представления, принятым в системах Creo Parametric и ANSYS, что требует соответствующей квалификации проектировщика и разработки подробных методических рекомендаций. Поэтому целесообразно использовать и аналитические модели 2. Эти аналитические решения удобны для уточнения граничных и начальных условий, а также полезны на начальных этапах оптимизации [16].

ММ процессов мас:о(благо)перенаса

Рис. 3. Комплекс математических моделей для анализа характеристик конструкций РЭС

Таким образом, применение предлагаемого комплексного подхода к анализу и оптимизации характеристик РЭС, обеспеченного разработкой набора соответствующих моделей, методик и рекомендаций, позволит сократить процесс проектирования на базе полного использования функциональных возможностей современных программных пакетов.

1. Справочник конструктора РЭС: Общие принципы конструирования [Текст] / под ред. Р.Г. Варламова. -М.: Сов. Радио, 1980. - 480 с.

2. Дульнев, Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре [Текст] / Г.Н. Дульнев. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.

3. Талицкий, Е.Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. пособие [Текст] / Е.Н.Талицкий. -Владим. гос. ун-т. Владимир, 2001. - 256 с.

4. Князев, А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости [Текст] / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с. ил.

5. Левин, Б. Р. Теория надежности радиотехнических систем [Текст] / Б. Р. Левин. -М.: Сов. радио, 1978.

6. Wildfire 3.0. Первые шаги [Текст] / А. Буланов [и др.]. - М.: Изд-во «Поматур», 2008. - 240 с.

7. Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство [Текст] / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 269 с.

8. Турецкий, А.В. Методы тестирования и испытаний в системе качества ISO 9000 [Текст] / А.В. Турецкий, В.Н. Хорошилов, Н.В. Ципина // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2007. -Т. 3. -№ 4. -С. 130-135.

9. Лозовой, И.А. Методы испытания паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов на механические воздействия [Текст] / И.А. Лозовой, А.В.

Воронежский государственный технический университет

Турецкий, В.А. Шуваев // Радиотехника. - 2012. - №8. - С. 76-80.

10. Лозовой, И.А. Процедуры инженерного анализа механических воздействий на РЭС в системе PRO/ENGINEER [Текст] / И.А. Лозовой, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий, В.А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2011. -Т. 7. -№ 5. -С. 26-27.

11. Бобылкин, И.С. Применение программного комплекса Pro/Engineer Mechanica для моделирования механических воздействий на радиоэлектронные модули [Текст] / И.С Бобылкин, И.А. Лозовой, О.Ю. Макаров, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. -Т. 6. -№ 6. -С. 34-36.

12. Лозовой, И.А. Средства автоматизированного проектирования и анализа механических и тепловых процессов конструкций РЭС [Текст] / И.А. Лозовой, О.Ю. Макаров, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. -Т. 6. -№ 5. -С. 4-6.

13. Муратов, А.В. Анализ электромагнитных воздействий РЭС с помощью систем автоматизированного проектирования категории CAD/CAE [Текст] / А.В. Муратов, М.А. Ромащенко, А.В. Судариков // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. - Т. 6. - № 8. - С. 135-137.

14. Макаров, О.Ю. Основные принципы применения программных средств при решении задач обеспечения ЭМС и помехоустойчивости [Текст] / О.Ю. Макаров, М.А. Ромащенко // Радиотехника. - 2013. - № 3. - С. 98102.

15. Бобылкин, И. С. Основные методики решения задач оптимального теплового проектирования конструкций радиоэлектронных средств [Текст] / И.С. Бобылкин, О. Ю. Макаров, В. А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. № 2. С.47-52.

16. Турецкий, А.В. Оптимизация конструкций радиоэлектронных модулей [Текст] / А.В. Турецкий // Системы управления и информационные технологии. - 2014. -Т. 57. - №3.2. - С. 275-278.

COMPLEX MODELLING AND OPTIMIZATION OF CHARACTERISTICS IN THE COURSE OF DESIGN DESIGN OF RADIO-ELECTRONIC MEANS

O.Yu. Makarov, A.V. Turetsky, N.V. Tsipina, V.A. Shuvaev

In this article we propose a comprehensive approach in defining and optimizing the characteristics of REM in the design process. This is such as thermal characteristics, mechanical characteristics, the characteristics of the electromagnetic compatibility (EMC), and reliability. Proposed structure of the techniques necessary for the implementation of this approach. The structure of the process of optimization of designs REMs and the complex of mathematical models to analyze the characteristics of structures REM

Key words: radio electronics, design engineering, systems modeling, optimization

Читайте также: