ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
DELAY LINE PROTECTING FROM ULTRASHORT PULSES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ).
В настоящее время актуальной задачей является обеспечение защиты 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.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является меандровая линия, неискажающая импульс [Суровцев P.C., Заболоцкий A.M., Газизов Т.Р. Меандровая линия, неискажающая импульс. Решение о выдаче патента РФ. Заявка №2013159347/08(092269)], состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды.
Недостатком устройства-прототипа является отсутствие у него возможности защиты от СКИ.
Предлагается линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, имеющая произведение суммы погонных задержек четной и нечетной мод линии на ее длину не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульсного сигнала, отличающаяся тем, что проводники помещены в воздух, а выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, и минимизируется амплитуда сигнала на выходе линии.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является возможность его использования для защиты от СКИ.
Техническим результатом является разложение сверхкороткого импульса на импульсы меньшей амплитуды за счет выбора параметров линии. Технический результат достигается за счет выбора, прежде всего, длины линии такой, чтобы общая задержка в линии была не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса. За счет этого, импульс приходит к концу линии по окончании ближней перекрестной наводки от его фронта. По сути, первая часть импульса приходит к концу линии более коротким путем, чем вторая. Также выбором параметров поперечного сечения необходимо обеспечить равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод волновому сопротивлению тракта для минимизации отражений сигнала на концах проводников линии. Наконец, важным условием разложения СКИ в линии является сильная торцевая связь между полувитками линии. Она может достигаться, например, за счет уменьшения расстояния между проводниками. Выбором его оптимального значения можно выровнять и минимизировать амплитуды первых двух импульсов. Так, уменьшение расстояния между проводниками приводит к увеличению положительного уровня перекрестной помехи от фронта (первого импульса), а уровень основного сигнала (второго импульса), наоборот, уменьшается. Позже, к концу линии будут приходить импульсы чередующейся полярности, вызванные отражениями. Первые два импульса имеют максимальные амплитуды из всех импульсов последовательности. Таким образом, минимизируется максимальная амплитуда выходного сигнала. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
Г
Г
H
Г
H
На фиг. 1,а приведена эквивалентная схема заявляемой линии. Она состоит из двух параллельных проводников длиной l каждый, находящихся в воздухе и соединенных между собой на одном конце. Один из проводников линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. Ε и внутренним сопротивлением R. Другой проводник линии соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R. Значения R и R для минимизации отражения сигнала на концах проводников линии приняты равными среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод линии. На фиг.1,б приведены формы э.д.с. источника и напряжения в начале лини. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 1В, длительность плоской вершины 100 пс, а фронта и спада - по 50 пс.
Реализуемость линии задержки, защищающей от СКИ, показана на фиг. 2. На фиг. 2,а приведено поперечное сечение заявляемой линии, а на фиг. 2,б приведена форма сигнала в конце линии, максимальный уровень которого составляет 60% от уровня сигнала в начале линии. Параметры поперечного сечения: w и t - ширина и толщина проводника соответственно, s - расстояние между проводниками, h - расстояние от слоя земли до сигнального проводника. (Параметры линии, для которых получена форма сигнала на фиг. 2,б: w=100 мкм, t=100 мкм, s=7,7 мкм, h=200 мкм, l=30 мм.)
Для пояснения реализуемости устройства сначала рассмотрим линию со следующими параметрами поперечного сечения: w=100 мкм, t=100 мкм, s=100 мкм, h=200 мкм. Параметры поперечного сечения и длина линии подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось условие
r
d
f
где τ - погонная задержка четной или нечетной моды линии при условии их равенства, а t, t и t - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно. Так как сигнальные проводники помещены в воздух, то для них справедливо условие:
е
o
где τ и τ - погонные задержки четной и нечетной мод.
Выполнение условий (1) и (2) обеспечивает прохождение импульсного сигнала без искажения его формы перекрестными наводками.
Условие (1) для сигнала на фиг. 2,б выполняется при l=29,98 мм. Последовательное изменение формы сигнала в конце меандра при изменении l от 25 до 35 мм показано на фиг. 3. Видно, что при l>30 мм условие (1) выполняется. Значение l=25 мм не достаточно для выполнения условия (1) из-за наложения наводки на ближнем конце на фронт сигнала, а значение l=35 мм избыточно, поэтому дальнейшее моделирование выполнено при l=30 мм.
opt
Для демонстрации достижения технического результата выполнено усиление торцевой связи между сигнальными проводниками за счет уменьшения расстояния между ними (s). На фиг. 4 приведены формы сигналов в конце меандровой линии при s=60, 20, 8, 6 мкм. Видно, что с уменьшением s увеличивается амплитуда первого положительного импульса (перекрестная наводка от фронта), а амплитуда второго положительного импульса (основного сигнала), наоборот, уменьшается. Из фиг. 4,в видно, что амплитуда основного сигнала (0,313 В) выше амплитуды наводки от фронта (0,305 В), а на фиг. 4,г соотношение меняется и амплитуда основного сигнала (0,29 В) уже ниже амплитуды наводки от фронта (0,324 В). Очевидно, что в диапазоне между 8 и 6 мкм существует такое оптимальное значение s (получено значение s=1,1 мкм), при котором сигнал и наводка имеют одинаковую амплитуду, являющуюся минимальной.
opt
opt
В итоге, при S=7,7 мкм в конце линии наблюдается разложение исходного сигнала на последовательность импульсов меньшей амплитуды. Первые два импульса имеют положительную полярность и одинаковый уровень (V=0,309 В), составляющий 60% от уровня сигнала в начале линии. Остальные импульсы вызваны отражениями в линии из-за различия значений волнового сопротивления четной и нечетной мод линии. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.