УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ КАСКАДНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРЕХПРОВОДНОГО МОДАЛЬНОГО ФИЛЬТРА И ВИТКА МЕАНДРОВОЙ ЛИНИИ С ЛИЦЕВОЙ СВЯЗЬЮ
DEVICE FOR PROTECTION AGAINST ULTRASHORT PULSES BASED ON A CASCADE CONNECTION OF A THREE-WIRE MODAL FILTER AND A TURN OF A MEANDER LINE WITH A FACE CONNECTION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ).
В настоящее время актуальной задачей является защита РЭА от импульсов наносекундного и субнаносекундного диапазонов, которые способны проникать в различные узлы РЭА, минуя электромагнитные экраны устройств. Традиционными схемотехническими средствами защиты от таких СКИ являются фильтры, устройства развязки, ограничители помех, разрядные устройства, а конструктивными - защитные экраны и методы повышения однородности экранов, заземление и методы уменьшения импедансов цепей питания. Известно, что включаемые на входе аппаратуры устройства защиты обладают рядом недостатков (малая мощность, недостаточное быстродействие, паразитные параметры), затрудняющих защиту от мощных СКИ. Эффективная защита в широком диапазоне воздействий требует сложных многоступенчатых устройств. Между тем, наряду с высокими характеристиками, практика требует простоты и дешевизны устройств защиты, поэтому необходима разработка новых устройств защиты от СКИ.
Аналогом к заявляемому устройству является трехпроводный модальный фильтр [Белоусов А.О. Многопроводная микрополосковая линия как модальный фильтр для защиты от сверхкоротких импульсов / А.О. Белоусов, Т.Р. Газизов, А.М. Заболоцкий // Докл. Том. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники. - 2015. - №3 (37). - С. 124-128], состоящий из трех проводников на одной стороне диэлектрической подложки и опорного проводника на ее обратной стороне, второй и третий сигнальные проводники являются пассивными и с обоих концов электрически соединены с опорным проводником через сопротивления по 50 Ом, а первый проводник на ближнем конце электрически соединен с цепью источника э.д.с., а на дальнем - с приемным устройством с внутренними сопротивлениями по 50 Ом, при этом выбором параметров поперечного сечения устройства обеспечиваются: волновое сопротивление линии 50 Ом, разложение сверхкороткого импульса и минимизация его амплитуды на выходе линии.
Близким техническим решением является линия задержки [Патент на изобретение №2724972. Меандровая микрополосковая линия задержки из двух витков, защищающая от сверхкоротких импульсов / А.В. Носов, Р.С. Суровцев, Т.Р. Газизов - Заявка №2019138487; заявлен 27.11.2019; опубликован 29.06.2020], состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды с выбором параметров линии такими, что обеспечивается равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод значению максимальной из этих задержек, конец второго проводника которой последовательно соединен с началом первого проводника второй линии задержки, состоящей из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды, а выбором параметров первой и второй линий обеспечивается ряд условий: равенство среднего геометрического значений волновых сопротивлений четной и нечетной мод первой и второй линий значениям волнового сопротивления генератора и приемного устройства соответственно, а также значение произведения удвоенной длины второй линии и погонной задержки ее нечетной моды, значение произведения удвоенной длины второй линии и модуля разности погонных задержек ее четной и нечетной мод, значение разности произведений удвоенной длины первой линии на погонную задержку ее нечетной моды и произведения удвоенной длины второй линии на погонную задержку ее четной моды, значение разности произведения удвоенной длины первой линии и разности погонных задержек ее четной и нечетной мод и значение произведения удвоенной длины второй линии и погонной задержки ее нечетной моды не меньше, чем длительность воздействующего импульса.
Недостатком устройства прототипа является недостаточное ослабление СКИ.
отличающееся тем
Заявляется устройство защиты от сверхкоротких импульсов, состоящее из трех проводников на одной стороне диэлектрической подложки и опорного проводника на ее обратной стороне, второй и третий сигнальные проводники являются пассивными и с обоих концов электрически соединены с опорным проводником через сопротивления по 50 Ом, а первый проводник на ближнем конце электрически соединен с цепью источника э.д.с., , что устройство является первым в схеме и на дальнем конце его первый проводник соединен с ближним концом первого проводника второго устройства, состоящего из проводника и опорного проводника на диэлектрической подложке и второго проводника на ее обратной стороне, первый и второй проводники второго устройства на дальнем конце электрически соединены между собой, второй проводник на ближнем конце соединен с внутренним сопротивлением 50 Ом, а выбором параметров поперечных сечений первого и второго устройств обеспечиваются: произведение удвоенной длины второго устройства и погонной задержки его четной моды, а также произведение его длины и разности погонных задержек его нечетной и четной мод не меньше общей длительности воздействующего импульса; произведение длины первого устройства и разности погонных задержек его второй и первой мод, а также произведение его длины и разности погонных задержек его третьей и второй мод не меньше произведения удвоенной длины второго устройства и погонной задержки его нечетной моды, просуммированной с общей длительностью воздействующего импульса.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное ослабление СКИ.
Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ за счет его разложения на последовательность из двенадцати импульсов меньшей амплитуды. Технический результат достигается за счет выбора параметров устройств такими, чтобы обеспечить ряд условий, представленных ниже. Выполнение этих условий позволяет разложить СКИ на последовательность из двенадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончанию предыдущего: первый, пятый и девятый импульсы - перекрестные наводки от первой, второй и третьей моды первого устройства (3-х проводной линии); второй, шестой и десятый импульсы - импульсы четной моды второго устройства (2-х проводной линии) от первой, второй и третьей моды первого устройства; третий, седьмой и одиннадцатый импульсы - дополнительные импульсы второго устройства от первой, второй и третьей моды первого устройства; четвертый, восьмой и двенадцатый импульсы - импульсы нечетной моды второго устройства от первой, второй и третьей моды первого устройства. Дополнительные импульсы возникают из-за асимметрии поперечного сечения второго устройства. Первые двенадцать импульсов разложения являются основными и имеют наибольшую амплитуду. Также среди основных импульсов присутствуют импульсы меньшей амплитуды, вызванные отражениями. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
l
R
R
E
R
l
R
2
5
1
6
На фиг. 1 приведена эквивалентная схема заявляемого устройства. Оно состоит из двух устройств, соединенных между собой. Первое устройство состоит из трех параллельных проводников, каждый длиной =2,6 м, два из которых пассивные и соединены через резисторы –по 50 Ом с опорным проводником и один сигнальный, соединенный на одном конце с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с.  и внутренним сопротивлением , а на другом - со вторым устройством. Второе устройство состоит из двух параллельных проводников, каждый длиной =0,05 м, соединенных между собой на одном конце, а на другом - один из проводников соединен с первым устройством, а второй - с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением . Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 1 В, длительность плоской вершины 0,1 нс, а фронта и спада - по 0,05 нс.
а
б -
w
w
w
t
s
s
s
h -
A
P
G
1
2
r
На фиг. 2 приведено поперечное сечение первого устройства, а на фиг. 2 второго, где: , и - ширины активного, пассивного и опорного проводников соответственно;  - толщина проводников; ,  и - расстояния между соответствующими в поперечном сечении проводниками; толщина диэлектрической подложки; ε– диэлектрическая проницаемость подложки. Параметры поперечных сечений устройств на фиг. 2 выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия:
l
t
мл
e
∑
2τ≥, (1)
l
t
мл
o
e
∑
(τ–τ)≥, (2)
l
l
t
мф
2
1
мл
o
∑
(τ–τ)≥2τ+, (3)
l
l
+t
мф
3
2
мл
o
∑
(τ–τ)≥2τ, (4)
1
2
3
e
o
∑
мф
мл
,
t
l
l
где τ τ и τ – погонные задержки мод первого устройства, τ и τ– погонные задержки четной и нечетной мод второго устройства,  – общая длительность воздействующего импульса, а  и  – длины первого и второго устройства соответственно. Выполнение условия (1) обеспечивает прохождение импульса к концу второго устройства без искажения его формы перекрестной наводкой от фронта сигнала на его ближнем конце. Выполнение условия (2) обеспечивает разложение импульсов, пришедших на вход второго устройства из первого, на импульсы четной и нечетной мод, и дополнительный импульс, возникающий из-за асимметрии поперечного сечения второго устройства. Выполнение условий (3) и (4) обеспечивает разложение воздействующего импульса в первом устройстве на импульсы ее первой, второй и третьей мод.
а
w
s
s
t
h
б
w
s
t
h
1
2
r
r
C
L
Z
Для подтверждения возможности выполнения условий (1)-(4) рассмотрим устройство, представленное на фиг. 1. Параметры поперечного сечения первого устройства (фиг. 2): =870 мкм, =1200 мкм, =1620 мкм,=315 мкм, =570 мкм, ε=50. Параметры поперечного сечения второго устройства (фиг. 2): =300 мкм, =300 мкм,=105 мкм, =510 мкм, ε=13. Вычисленные матрицы  и , а также  первой линии:
С
L
пФ/м, нГн/м,
Z
Ом.
C
L
Z
Вычисленные матрицы  и , а также  второй линии:
С
L
пФ/м, нГн/м,
Z
Ом.
1
2
3
e
o
Полученные погонные задержки мод первого устройства - τ=16,31 нс/м, τ=17,11 нс/м, τ=18,44 нс/м, а второй - =13,87 нс/м, τ=18,06 нс/м. При подстановке известных переменных в (1)-(4) они выполняются с запасом. Таким образом, полученные значения больше общей длительности воздействующего импульса.
U=
На фиг. 3 представлен вычисленный отклик на заданное импульсное воздействие. Из фиг. 3 видно, что основные двенадцать импульсов имеют положительную полярность и не превышают 46 мВ, что составляет 9% от уровня половины амплитуды э.д.с. источника. Также среди основных импульсов присутствуют импульсы меньшей амплитуды, вызванные отражениями. Между тем в прототипе заявляемого устройства напряжение на выходе достигало 33,6% от уровня половины амплитуды э.д.с. источника. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.