ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2022, № 8 · СМЕЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Разработка устройства защиты от сверхкоротких импульсов для цепей электропитания бортовой радиоэлектронной аппаратуры

В.П. Костелецкий1, Е.Б. Черникова1, Е.С. Жечев1, А.М. Заболоцкий1

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Россия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2022.8.10 УДК 621.391.825 EDN YLLHOW

Аннотация

Правильная и бесперебойная работа бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), работающей в экстремальных условиях космического пространства, является важным требованием при разработке и эксплуатации космических аппаратов (КА), так как ее нарушение может нанести непоправимый ущерб. Рассматривается обеспечение помехозащищенности силовой шины электропитания (СШЭП) бортовой РЭА КА. При проектировании СШЭП решалась задача обеспечения целостности питания путем разработки устройства защиты от кондуктивных помех, включая защиту от сверхкоротких импульсов (СКИ). Длительность таких воздействий лежит в наносекундном и субнаносекундном диапазонах. Из-за широкого спектра такие помехи преодолевают традиционные средства защиты. Для защиты от СКИ, предложены устройства, называемые модальными фильтрами (МФ). Конструкция МФ позволяет интегрировать его в СШЭП и обеспечить эффективную защиту от СКИ. Между тем для получения комплексного эффекта защиты КА от излучаемого и кондуктивного СКИ большой амплитуды предлагается совместное использовать МФ и помехозащитный фильтр (ПФ) на элементах с сосредоточенными параметрами. Впервые представлены рекомендации по поэтапной разработке устройства защиты СШЭП от СКИ, которое представляет из себя гибрид, состоящий из МФ и ПФ. Экспериментальные исследования показали, что такой гибрид ослабляет синфазные и дифференциальные помехи в диапазоне частот до 5 ГГц в 5,81 и 11,9 раз, соответственно. Кроме того, устройство обладает небольшими размерами и весом, что важно при использовании в космической отрасли.

  • электромагнитная совместимость
  • силовая шина электропитания
  • устройство защиты
  • модальный фильтр
  • сверхкороткий импульс
  • синфазный и дифференциальный режимы
Abstract (in English)

Development of an ultrashort pulse protection device for the power supply circuits of on-board radio-electronic equipment

Correct and uninterrupted operation of on-board radio-electronic equipment (REE) operating in extreme space conditions is an important requirement in spacecraft (SC) development and operation, since its violation can cause irreparable damage. Ensuring interference immunity of power supply bus (PSB) of on-board REE of SC. When designing the PSB, the task of ensuring the integrity of the power supply was solved by developing a protection device against conductive interference, including protection against ultra-short pulses (USP). The duration of such interference is in the nanosecond and subnanosecond range. Due to their wide range, such interference overcomes traditional means of protection. To protect against USP, devices called modal filters (MF) have been proposed. MFs are designed to be integrated into PSBs and provide effective protection against USP. Meanwhile, in order to obtain a complex protection effect of a spacecraft against radiated and conductive large-amplitude USP, a joint use of MF and an electromagnetic interference (EMI) filter on elements with concentrated parameters is proposed. For the first time, recommendations on step-by-step development of an PSB protection device against USP, which is a hybrid consisting of MF and EMI-filter, are presented. Experimental studies have shown that such a hybrid attenuates common and differential interference in the frequency range up to 5 GHz by 5.81 and 11.9 times, respectively. In addition, the device is small and lightweight, which is important for space applications.

Для цитирования

Костелецкий В.П., Черникова Е.Б., Жечев Е.С., Заболоцкий А.М. Разработка устройства защиты от сверхкоротких импульсов для цепей электропитания бортовой радиоэлектронной аппаратуры // Журнал радиоэлектроники. – 2022. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.10

Литература

  1. Ковалев А.П., Алексеев В.П. Факторы, определяющие надежность и долговечность конструкций бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (информационное исследование). Научно-методический электронный журнал "Концепт". 2015. Т.13. С.1006-1010.
  2. Kučera M., Šebök M. Electromagnetic compatibility analysing of electrical equipment. Diagnostic of electrical machines and insulating systems in electrical engineering. 2016. P.1-6. https://www.doi.org/10.1109/DEMISEE.2016.7530476
  3. Huiqing W., Jun L., Xuhui Z., Xuhui W. Electric vehicle drive inverters simulation considering parasitic parameters. 13th Power Electronics and Motion Control Conference. Poznan, Poland. 2008. P.417-421. https://www.doi.org/10.1109/EPEPEMC.2008.4635301
  4. Lehr J., Pralhad R. Foundations of Pulsed Power Technology. NY, Wiley-IEEE Press. 2017. 664 p.
  5. Baisden A.C., Boroyevich D., van Wyk J.D. Enhanced design of an integrated transmission-line bus filter. Power Electronics Specialists Conference (PESC). Orlando, USA. 2007. P.3029-3033. https://www.doi.org/10.1109/PESC.2007.4342507
  6. Mora N., Vega F., Lugrin G., Rachidi F., Rubinstein M. Study and classification of potential IEMI sources. System and assessment notes. 2014. №41. 92 p.
  7. Mojert C. UWB and EMP susceptiblity of microprocessors and networks. Proc. of the 14th International Zurich symposium on electromagnetic compatibility. Zurich, Switzerland. 2001. P.47-52.
  8. Zhechev Y.S., Kosteletskii V.P., Zabolotsky A.M., Gazizov T.R. Electromagnetic interference filter for spacecraft power bus. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. V.560. №012133. P.1-6. https://www.doi.org/10.1088/1757-899X/560/1/012133
  9. Gazizov A.T., Zabolotsky A.M., Gazizov T.R. UWB pulse decomposition in simple printed structures. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2016. V.58. №4. P.1136-1142. https://www.doi.org/10.1109/TEMC.2016.2548783
  10. Khazhibekov R.R., Zabolotsky A.M., Zhechev Y.S., Kosteletskii V.P., Gazizov T.R. Development of modal filter prototype for spacecraft busbar protection against ultrashort pulses. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. V.560. №012145. P.1-6. https://www.doi.org/10.1088/1757-899X/560/1/012145
  11. Khazhibekov R.R., Zhechev Y.S., Kosteletskii V.P., Zabolotsky A.M. A device for an ultrashort pulse attenuation in common and differential modes in the highvoltage power supply circuits of the spacecraft. 21st International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices EDM. Erlagol, Altai. 2020. P.179-182. https://www.doi.org/10.1109/EDM49804.2020.9153483
  12. Заболоцкий А.М., Газизов Т.Р. Электромагнитная совместимость: модальные технологии. Томск, Издательство Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2018. 132 с.
  13. Richard L., Timothy M. EMI filter design. CRC Press. 2012. 264 p.
  14. Zhechev Y.S., Zabolotsky A.M. The analysis of shielding effectiveness of the enclosure of an EMI-filter for a spacecraft power bus.International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing. 2021. V.15. P.470-475. https://doi.org/10.46300/9106.2021.15.51