МЕАНДРОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ С ЛИЦЕВОЙ СВЯЗЬЮ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ С УВЕЛИЧЕННОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ
MEANDER LINE DELAY WITH FACE COMMUNICATION, PROTECTING FROM ULTRASHORT PULSES WITH INCREASED DURATION

В настоящее время актуальной задачей является защита радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ) наносекундного и субнаносекундного диапазонов, которые способны проникать в различные узлы РЭА, минуя электромагнитные экраны устройств. Традиционными схемотехническими средствами защиты от таких импульсов 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 должную 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 задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2606709. Меандровая линия задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов / А.Т. Газизов, А.М. Заболоцкий, С.П. Куксенко - Заявка №2015137545; заявлен 02.09.2015; опубликован 10.01.2017], 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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первому относительно диэлектрической подложки, причем параметры поперечного сечения линии выбраны такими, что среднее геометрическое значение волновых сопротивлений четной и нечетной мод равно волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, значение минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.
Недостатком устройства-прототипа является малая длительность СКИ, от которого может быть обеспечена защита РЭА.
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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первого относительно диэлектрической подложки, причем параметры поперечного сечения линии выбраны такими, что среднее геометрическое значение волновых сопротивлений четной и нечетной мод равно волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на удвоенную длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, отличающаяся тем, что выбором параметров поперечного сечения линии дополнительно обеспечиваются значение разности погонных задержек нечетной и четной мод линии, умноженных на длину линии, не меньшее, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, и равенство утроенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенная длительность СКИ, защита от которого может быть обеспечена.
Техническим результатом является увеличение длительности СКИ, который может быть полностью разложен в витке меандровой линии задержки с лицевой связью. Технический результат достигается за счет разноса по времени импульса четной моды, импульса, возникающего из-за асимметрии поперечного сечения линии (далее называемого дополнительным), и импульса нечетной моды на значение удвоенного произведения длины линии и минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии. Это обеспечивается равенством утроенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек. Обеспечение этого условия позволяет увеличить длительность исходного импульса, которой может быть разложен в линии. Первые четыре импульса (импульс перекрестной наводки, импульсы четной и нечетной мод и дополнительный импульс) являются результатом разложения исходного импульса и разнесены друг относительно друга по времени на одинаковое значение времени, равное удвоенному произведению длины линии и минимального из значений погонной задержки четной и нечетной мод. Позже, к концу линии будут приходить импульсы (пятый и последующие), вызванные отражениями, и отстоящие от первых четырех импульсов и друг относительно друга на значение, равное удвоенному произведению длины линии и минимального из значений погонной задержки четной и нечетной мод. Таким образом, за счет разложения исходного импульса на последовательность импульсов меньшей амплитуды обеспечивается защита от СКИ, а за счет разноса этих импульсов на величину, равную удвоенному произведению длины линии и минимального из значений погонной задержки четной и нечетной мод, обеспечивается увеличенная (по сравнению с устройством-прототипом) длительность СКИ, который может быть разложен в такой линии. При этом максимальная длительность полностью разлагаемого СКИ соответствует удвоенному произведению длины линии и значения наименьшей из погонных задержек четной или нечетной мод линии. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными в результате моделирования.
r
На фиг. 1a приведено поперечное сечение заявляемой линии, со следующими параметрами: w и t - ширина и толщина проводников соответственно, s - расстояние между сигнальным и опорным проводниками, h - толщина диэлектрической подложки, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. На фиг. 1б приведена схема соединений заявляемой линии. Линия состоит из двух параллельных проводников, каждый длиной , соединенных между собой на дальнем конце. Один из проводников на ближнем конце линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. с внутренним сопротивлением R1. Другой проводник соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R2. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 2 кВ, длительность плоской вершины 1 нс, а фронта и спада - по 0,5 нс.
Для минимизации отражений от концов линии, внутренние сопротивления источника э.д.с. и нагрузки приняты равными среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод линии.
Параметры поперечного сечения на фиг. 1а выбраны так, чтобы выполнялись условия
max
min
е
o
r
d
ƒ
где τ и τ - наибольшее и наименьшее из значений погонных задержек четной (τ) и нечетной (τ) мод соответственно, a t, t и t - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.
min
Выполнение условия (1) обеспечивает разложение СКИ на импульс перекрестной наводки и основной сигнал, выполнение условия (2) - разложение основного сигнала на импульсы четной и нечетной мод, выполнение условия (3) - разложение основного сигнала на импульс четной и нечетной мод линии и дополнительный импульс между импульсами мод, а выполнение условия (4) - обеспечивает разложение СКИ с большей длительностью (до 3/τ), в отличие от устройства-прототипа.
r
Сначала рассмотрим разложение СКИ в линии при выполнении условий (1-3) Параметры поперечного сечения, обеспечивающие эти условия: w=15 мм, t=105 мкм, s=1 мм, d=w, h=6 мм, ε=4. Длина проводников линии . Вычисленные матрицы С, L и Z линии:
Значения сопротивлений R1 и R2 получились равным 61,921 Ом.
е
o
Полученные погонные задержки четной и нечетной мод линии: τ=4,77 нс/м, τ=6,02 нс/м. При подстановке известных значений переменных в условия (1), (2) и (3) получим 16,22 нс ≥ 2 нс, 4,25 нс ≥ 2 нс и 2,125 нс ≥ 2 нс соответственно. Таким образом, условия (1-3) выполняются, однако условие (4) не выполняется, поскольку утроенное значение погонной задержки четной моды не равно значению погонной задержки нечетной моды. Форма сигнала в конце такой линии при воздействии импульсом в виде трапеции с длительностью 2 нс представлена на фиг. 2а, из которой видно, что СКИ в конце линии представлен последовательностью из четырех импульсов меньшей амплитуды (перекрестной наводки, импульса четной моды, дополнительного импульса и импульса нечетной моды). При этом максимальная амплитуда сигнала на выходе линии не превышает 0,4 кВ. При увеличении длительности воздействующего импульса до 11 нс его прохождение по витку меандровой линии приводит к полному разложению исходного сигнала лишь на два основных импульса (фиг. 2б): импульс перекрестной наводки на ближнем конце и импульс, который является результатом суперпозиции импульсов четной моды, дополнительного и нечетной моды. При этом амплитуда сигнала увеличивается до 0,8 кВ. Таким образом, устройство не обеспечивает должную защиту от СКИ с длительностями более 2 нс.
r
Для доказательства реализуемости заявляемого устройства рассмотрим линию задержки с параметрами поперечного сечения, обеспечивающими условие (4): w=1000 мкм, t=137 мкм, s=5 мкм, d=3w, h=1200 мкм, ε=500. Длина проводников линии . Вычисленные матрицы погонных параметров:
Значения сопротивлений R1 и R2 получились равными 4,25 Ом.
е
o
Полученные погонные задержки четной и нечетной мод линии: τ=19,49 нс/м, τ=58,61 нс/м. При подстановке известных значений переменных в условия (1), (2) и (3) получим 15,59 нс ≥ 11 нс, 31,3 нс ≥ 11 нс и 15,65 нс ≥ 11 нс соответственно. Таким образом, условия (1-3) выполняются. Условие (4) также выполняется, поскольку отношение задержек четной и нечетной мод составляет 3,007. Таким образом, условие (4) выполняется с точностью до второго знака.
На фиг. 3 приведены формы сигнала на выходе заявляемого устройства при воздействии импульсом в виде трапеции с длительностью 2 и 11 нс. Как видно из фиг. 3а, при воздействии импульсом с малой длительностью (2 нс) его прохождение по витку меандровой линии также приводит к разложению сигнала на 4 основных импульса (импульс перекрестной наводки, импульс четной моды, дополнительный импульс и импульс нечетной моды). Позже к концу линии приходят импульсы, вызванные отражениями в линии. При этом максимальная амплитуда сигнала на выходе линии не превышает 0,293 кВ, в отличие от устройства прототипа. Из фиг. 3б видно, что прохождение по витку меандровой линии импульса с длительностью 11 нс также приводит к его разложению на 4 основных импульса, максимальная амплитуда которых также не превышает 0,293 кВ. При этом задержка между импульсами разложения равна значению, равному произведению удвоенной длины линии и минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии.
Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия - увеличение длительности СКИ, защита от которого может быть обеспечена.