Меандровая микрополосковая линия задержки из трех витков, защищающая от сверхкоротких импульсов
THREE-TURN SQUARE WAVE MICROSTRIP DELAY LINE PROTECTING AGAINST ULTRA-SHORT PULSES

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 [Носов, А.В. Совершенствование защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов за счет меандровых линий задержки: дис. ... канд. техн. наук: 05.12.04 / Носов Александр Вячеславович – Томск, 2018, 185 с.]. 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 микрополосковая линия задержки из двух витков, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2724972], которая состоит 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, при этом конец второго проводника линии 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: меньшее в 2 раза, в отличие от заявляемого устройства.
l
t
l
l
t
l
l
t
l
l
l
t
l
l
l
t
l
l
l
l
t
l
l
l
t
3
o3
∑
3
e3
3
o3
∑
2
o2
3
e3
∑
2
e2
2
o2
3
e3
∑
1
o1
2
e2
3
e3
∑
1
e1
1
o1
2
e2
3
e3
∑
1
2
3
o
1
o
2
o
3
е
1
е
2
е
3
Σ
Заявляется линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце и диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, опорный проводник которой расположен на одной стороне диэлектрической подложки, а сигнальные проводники расположены симметрично ему на другой стороне диэлектрической подложки, при этом конец второго проводника линии 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 и диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, опорный проводник которой расположен на одной стороне диэлектрической подложки, а сигнальные проводники расположены симметрично ему на другой стороне диэлектрической подложки, отличающаяся тем, что конец второго проводника второй линии последовательно соединен с началом первого проводника третьей линии задержки, состоящей из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце и диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, опорный проводник которой расположен на одной стороне диэлектрической подложки, а сигнальные проводники расположены симметрично ему на другой стороне диэлектрической подложки, а выбором параметров первой, второй и третьей линий одновременно обеспечивается ряд условий: 2τ≥, 2τ-2τ≥, 2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ-2τ≥, где , ,  – длины первого, второго и третьего витков соответственно, τ, τ, τ – погонные задержки нечетной моды первого, второго и третьего витков соответственно, τ, τ, τ – погонные задержки четной моды первого, второго и третьего витков соответственно, а  – общая длительность воздействующего импульса.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное в 2 раза ослабление СКИ.
l
t
l
l
t
l
l
t
l
l
l
t
l
l
l
t
l
l
l
l
t
l
l
l
t
3
o3
∑
3
e3
3
o3
∑
2
o2
3
e3
∑
2
e2
2
o2
3
e3
∑
1
o1
2
e2
3
e3
∑
1
e1
1
o1
2
e2
3
e3
∑
1
2
3
o
1
o
2
o
3
е
1
е
2
е
3
Σ
Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ за счет его разложения на последовательность из двадцати семи импульсов меньшей амплитуды. Далее для простоты изложения первая, вторая и третья линии заявляемого устройства будут называться первым, вторым и третьим витками, а заявляемое устройство целиком будет называться линией. Технический результат достигается за счет выбора параметров линии такими, чтобы одновременно обеспечить ряд условий: 2τ≥, 2τ-2τ≥, 2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ-2τ≥, где , ,  – длины первого, второго и третьего витков соответственно, τ, τ, τ – погонные задержки нечетной моды первого, второго и третьего витков соответственно, τ, τ, τ – погонные задержки четной моды первого, второго и третьего витков соответственно, а  – общая длительность воздействующего импульса. Одновременное выполнение этих условий позволяет разложить СКИ на последовательность из двадцати семи импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии не раньше предыдущего. За счет одновременного выполнения этих условий, сначала СКИ раскладывается на три основных импульса в первом витке, затем каждый из трех основных импульсов с выхода первого витка раскладывается еще на три импульса во втором витке так, что на его выход приходят девять основных импульсов, и, наконец, каждый из девяти основных импульсов с выхода второго витка раскладывается в третьем витке еще на три импульса так, что на выход линии приходят двадцать семь основных импульсов меньшей амплитуды. Также на выход линии будут приходить импульсы разной полярности меньшей амплитуды, вызванные отражениями. Первые двадцать семь импульсов являются основными, поскольку имеют наибольшую амплитуду. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
w
t
s
h
d
l
V
R
V
l
V
l
V
R
R
R
r
1
2
3
На фиг. 1 приведена схема соединений заявляемой линии, а на фиг. 2 – поперечное сечение одного витка (одинаковое для первого, второго и третьего витков) со следующими параметрами:  – ширина проводников,  – толщина проводников,  – расстояние между проводниками, – толщина диэлектрической подложки, ε– диэлектрическая проницаемость подложки, –расстояние от края структуры до ближайшего к нему проводника. Каждый из витков линии состоит из одного опорного проводника (О на фиг. 2), двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников (А1 и А2 на фиг. 2), соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, опорный проводник которой расположен на одной стороне диэлектрической подложки, а сигнальные проводники расположены симметрично ему на другой стороне диэлектрической подложки. Начало первого витка длиной =0,15 м соединено с генератором импульсных сигналов (1 на фиг. 1), представленным на схеме идеальным источником э.д.с. и внутренним сопротивлением 1. Конец первого витка соединен последовательно с началом второго витка (3 на фиг. 1) длиной =0,06 м. Конец второго витка соединен последовательно с началом третьего витка (5 на фиг. 1) длиной =0,015 м, а конец третьего – с приемным устройством (7 на фиг. 1), представленным на схеме сопротивлением 2. 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. Для минимизации отражений от концов линии, внутреннее сопротивление источника э.д.с. (1) принято равным среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод первого витка, а нагрузки (2) – третьего витка.
Параметры поперечных сечений на фиг. 2 выбраны таким образом, чтобы одновременно выполнялись условия:
2<i>l</i><sub>3</sub>τ<sub>o3</sub>≥<i>t</i><sub>∑</sub>,
(1)
2<i>l</i><sub>3</sub>τ<sub>e3</sub>-2<i>l</i><sub>3</sub>τ<sub>o3</sub>≥<i>t</i><sub>∑</sub>,
(2)
2<i>l</i><sub>2</sub>τ<sub>o2</sub>-2<i>l</i><sub>3</sub>τ<sub>e3</sub>≥<i>t</i><sub>∑</sub>,
(3)
2<i>l</i><sub>2</sub>τ<sub>e2</sub>-2<i>l</i><sub>2</sub>τ<sub>o2</sub>-2<i>l</i><sub>3</sub>τ<sub>e3</sub>≥<i>t</i><sub>∑</sub>,
(4)
2<i>l</i><sub>1</sub>τ<sub>o1</sub>-2<i>l</i><sub>2</sub>τ<sub>e2</sub>-2<i>l</i><sub>3</sub>τ<sub>e3</sub>≥<i>t</i><sub>∑</sub>,
(5)
2<i>l</i><sub>1</sub>τ<sub>e1</sub>-2<i>l</i><sub>1</sub>τ<sub>o1</sub>-2<i>l</i><sub>2</sub>τ<sub>e2</sub>-2<i>l</i><sub>3</sub>τ<sub>e3</sub>≥<i>t</i><sub>∑</sub>,
(6)
l
l
l
t
1
2
3
o
1
o
2
o
3
е
1
е
2
е
3
Σ
где , ,  – длины первого, второго и третьего витков соответственно, τ, τ, τ – погонные задержки нечетной моды первого, второго и третьего витков соответственно, τ, τ, τ – погонные задержки четной моды первого, второго и третьего витков соответственно, а  – общая длительность воздействующего импульса. Выполнение условий (1)–(6) обеспечивает разложение СКИ в меандровой микрополосковой линии задержки из трех витков на последовательность из двадцати семи импульсов меньшей амплитуды.
w
s
t
h
w
s
t
h
w
s
t
h
r
r
r
C
L
Для подтверждения возможности выполнения условий (1)–(6) рассмотрим линию, схема соединений которой представлена на фиг. 1, а поперечное сечение на фиг. 2. Параметры поперечного сечения: первого витка – =100 мкм, =20 мкм,=160 мкм, =400 мкм, ε=480; второго – =400 мкм, =20,3 мкм,=400 мкм, =400 мкм, ε=120; третьего – =400 мкм, =20,3 мкм,=400 мкм, =200 мкм, ε=120. Вычисленные матрицы погонных коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции (матрицы  и ) первого витка:
С
L
пФ/м,  нГн/м.
C
L
Матрицы  и  второго витка:
С
L
пФ/м,  нГн/м.
C
L
Матрицы  и  третьего витка:
С
L
пФ/м,  нГн/м.
o
1
o
2
o
3
e
1
e
2
e
3
И
И
И
И
И
И
U
Полученные погонные задержки четной и нечетной мод первого, второго и третьего витков: τ=24,16 нс/м, τ=10,36 нс/м, τ=11,06 нс/м, τ=48,30 нс/м, τ=27,52 нс/м, τ=29,10 нс/м (где нижние индексы «1», «2» и «3» введены для обозначения первого, второго и третьего витка соответственно). Теперь при подстановке известных переменных в условия (1)–(6) они выполняются с запасом: условие (1) – 0,33 нс≥0,2 нс, условие (2) – 0,54 нс≥0,2 нс, условие (3) – 0,37 нс≥0,2 нс, условие (4) – 1,19 нс≥0,2 нс, условие (5) – 3,07 нс≥0,2 нс и условие (6) – 3,07 нс≥0,2 нс. За счет одновременного выполнения условий (1)–(6), сначала СКИ раскладывается на три основных импульса в первом витке, затем каждый из трех основных импульсов с выхода первого витка раскладывается еще на три импульса во втором витке так, что на его выход приходят девять основных импульсов, и наконец, каждый из девяти основных импульсов с выхода второго витка раскладывается в третьем витке еще на три импульса так, что на выход линии приходят двадцать семь основных импульсов меньшей амплитуды. На фиг. 3представлена форма сигнала на выходе первого витка, на фиг. 4 – на выходе второго витка, а на фиг. 5 – третьего витка, при выполнении условий (1)–(6). Видно, что сначала СКИ раскладывается на три основных импульса меньшей амплитуды в первом витке (1–3 на фиг. 3). Затем, в результате разложения каждого из этих трех импульсов на три импульса во втором витке, они раскладываются на девять основных импульсов во втором витке (1–9 на фиг. 4). Наконец, в результате разложения каждого из этих девяти импульсов на три импульса в третьем витке, они раскладываются на двадцать семь основных импульсов в конце линии (1–27 на фиг. 5). Из фиг. 5 видно, что основные двадцать семь импульсов имеют положительную полярность и не превышают =47 мВ, что составляет 9,4% от уровня половины амплитуды э.д.с источника. Также среди основных импульсов присутствуют импульсы меньшей амплитуды, вызванные отражениями. В прототипе заявляемой линии амплитуда импульсов на выходе не превышает 94 мВ, что составляет 18,8% от уровня половины амплитуды э.д.с. источника. Максимальная амплитуда импульсов разложения на выходе заявляемой линии уменьшилась в 2 раза относительно прототипа. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.