УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВА, ЗАЩИЩАЮЩЕГО ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ И СИНФАЗНОМ РЕЖИМАХ
IMPROVEMENT OF THE DEVICE PROTECTING AGAINST ULTRA-SHORT PULSES IN DIFFERENTIAL AND COMMON MODES

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для ограничения уровня кондуктивных эмиссий и защиты радиоэлектронных средств (РЭС) от импульсных помех с малой и сверхмалой длительностями, распространяющихся по цепям электропитания.
В настоящее время идет активный процесс миниатюризации электроники, что приводит к уменьшению толщины изолирующих слоёв, и как следствие увеличивает риск их пробоя при воздействии электромагнитных помех (ЭП) большой амплитуды. Тенденция роста рабочих частот приводит к тому, что длины волн ЭП, становятся сопоставимы с размерами элементов конструкции РЭС, что усиливает влияние электромагнитных воздействий на электронику. Также увеличивается потребность современного оборудования в электронике, растет плотность монтажа и ухудшается электромагнитная обстановка, что выводит электромагнитную совместимость на первый план при разработке РЭС. Среди опасных воздействий отдельно следует выделить импульсные помехи наносекундного и субнаносекундного диапазонов. Спектр такого сверхкороткого импульса (СКИ) перекрывает широкий диапазон частот, в следствие чего он способен преодолевать традиционные средства защиты от ЭП. Распространяясь по проводникам, СКИ способен приводить к сбоям работы РЭС, и выводу из строя полупроводников. Для борьбы с импульсными помехами эффективно применяют модули устройств защиты от импульсных перенапряжений «УЗИП», фильтры на сосредоточенных компонентах, полупроводниковые ограничители импульсов, устройства гальванической развязки, и разрядные устройства. Такие устройства защиты обладают набором недостатков, среди которых малая рассеиваемая мощность, недостаточное быстродействие и паразитные параметры. Эти факторы позволяют СКИ с небольшой потерей мощности преодолевать традиционные устройства защиты. Что бы ослабить воздействие СКИ применяют устройства, работающие по принципу модального разложения, которые лишены указанных недостатков, но такие устройства не способны осуществлять защиту в случае если длительность помехового импульса больше разности задержек мод, создаваемых модальным фильтром (МФ). Справедливо отметить, что по стандартам ослабление помеховых импульсов требуется как в дифференциальном, так и в синфазном режимах. Необходима разработка новых устройств защиты от импульсных помех, малой и сверхмалой длительности в дифференциальном и синфазном режимах.
Наиболее близким к заявляемому устройству является Полосковая структура, защищающая от сверхкоротких импульсов в дифференциальном и синфазном режимах [Костелецкий В.П., Заболоцкий А.М. Полосковая структура, защищающая от сверхкоротких импульсов в дифференциальном и синфазном режимах // Заявка №2020126543. Приоритет изобретения 10.08.2020. Опубликовано:25.05.2021. Бюл. №15], состоящая из опорного проводника и двух параллельных ему проводников, а также диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, так что опорный и активный проводники расположены на одной стороне диэлектрической подложки, а пассивный проводник расположен симметрично активному проводнику на другой стороне диэлектрической подложки, со стороны пассивного проводника через воздушный зазор расположена аналогичная структура центрально-симметрично относительно центра поперечного сечения всей полосковой структуры, добавлен прямоугольный в поперечном сечении электрический экран, ширина опорных проводников больше ширины остальных, а их внешняя торцевая сторона соединена по всей длине с экраном, между экраном и проводниками в верхней и нижней частях структуры есть одинаковые воздушные зазоры, на дальнем конце пассивные проводники соединены с экраном, все проводники расположены на одинаковом расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр симметрии.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление импульсов длительность которых больше, чем разность задержек мод.
,
Заявляется устройство защиты, состоящее из полосковой структуры, состоящей из опорного проводника и двух параллельных ему проводников, а также диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, так что опорный и активный проводники расположены на одной стороне диэлектрической подложки, а пассивный проводник расположен симметрично активному проводнику на другой стороне диэлектрической подложки, со стороны пассивного проводника через воздушный зазор расположена аналогичная структура центрально-симметрично относительно центра поперечного сечения всей полосковой структуры, добавлен прямоугольный в поперечном сечении электрический экран, ширина опорных проводников больше ширины остальных, а их внешняя торцевая сторона соединена по всей длине с экраном, между экраном и проводниками в верхней и нижней частях структуры есть одинаковые воздушные зазоры, на дальнем конце пассивные проводники соединены с экраном, все проводники расположены на одинаковом расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр симметрии отличающееся тем что на ближнем конце активные проводники полосковой структуры последовательно подключены к входным клеммам для подключения защитного устройства в разрыв 2-проводной линии сети, на дальнем конце активные проводники последовательно соединены с входными контактами, синфазного дросселя, имеющего две индуктивно-связанные обмотки на общем тороидальном ферромагнитном сердечнике, подключенные параллельно между собой, но последовательно относительно полосковой структуры, между выходными контактами синфазного дросселя подключен конденсатор, при этом каждый выходной контакт синфазного дросселя подключен к корпусной земле через конденсатор, последовательно каждой обмотке синфазного дросселя подключена одним контактом индуктивность на тороидальном ферромагнитном сердечнике, свободные концы этих индуктивностей последовательно подключены к выходным клеммам, между которыми подключен конденсатор.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное ослабление СКИ, длительность которых больше, чем разность задержек мод.
Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ, длительность которых больше, чем разность задержек мод. Технический результат достигается за счет разложения СКИ полосковой структурой на импульсы меньшей амплитуды с помощью выбора параметров устройства и компоновки проводников, а также благодаря выбору номиналов компонентов фильтра, обеспечивающих частотную селекцию помехового сигнала. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
w
w
s
t
h
–
h
–
h
–
w
w
t
s
h
h
h
1
1
2
3
1
1
2
3
r
1
r
2
На фиг. 1 приведено поперечное сечение заявляемой структуры. Параметры поперечного сечения:  – ширина активных и пассивных проводников, – ширина опорных проводников,  – расстояние между проводниками, – толщина проводников,,толщина воздушных зазоров в верхней и нижней частях структуры, ,толщина диэлектрических слоев исходной и добавленной структур, толщина воздушного зазора между структур. Значения параметров: = 10 мм,  = 18 мм, = 0,105 мм, = 2 мм, = 10 мм, = 0,330 мм, = 2,54 мм, ε = 1, ε = 4,5.
Активный и опорный проводники расположены на одной стороне диэлектрической подложки, а пассивный проводник расположен симметрично активному проводнику на другой стороне диэлектрической подложки, проводники и диэлектрическая подложка добавленной структуры расположены центрально-симметрично относительно точки Х, по контуру структуры расположен электрический экран, который сверху и снизу отделен воздушным зазором от проводников структуры.
l =
E
E
R
L
C
C
L
C
R
E
E
E
E
Г
Г
Г
C
Д
С
Д
Д
Н
Д
Г
Г
Г
Г
На фиг. 2приведена схема соединений заявляемого фильтра (электрическая принципиальная схема заявляемого защитного устройства). Она состоит из шести проводников одинаковой длины 100 мм, 2 из которых (опорные) представлены на схеме обозначением корпусной земли, источников импульсных сигналов, представленных идеальными источниками э.д.с. 1 и 2 с внутренними сопротивлениями , которые через входные клеммы подсоединены к активным проводникам на ближнем конце полосковой структуры. Опорные проводники соединены с электрическим экраном вдоль всей длины, а пассивные проводники соединяются с экраном только на дальнем конце полосковой структуры. С активными проводниками полосковой структуры на дальнем конце соединен синфазный дроссель, имеющий две индуктивно-связанные обмотки  по 140 мкГн каждая, между выходными контактами синфазного дросселя подключен конденсатор , при этом каждый контакт синфазного дросселя подключен к корпусной земле через конденсатор  емкостью 33 нФ, к каждой обмотке синфазного дросселя подключена индуктивность  по 1200 мкГн, между выводами которых подсоединен конденсатор  выводы которого через выходные клеммы подсоединены к нагрузочным резисторам . Значения всех резисторов, представленных на схеме, равны 50 Ом, емкость конденсаторов C = 66 нФ. В качестве входного сигнала используется импульс, длительности фронта, спада и плоской вершины которого выбраны равными по 100 пс, а амплитуда э.д.с. источника – изменяется в зависимости от режима воздействия помехи. Для реализации дифференциального воздействия амплитуда э.д.с. источников 1 = 0,5 В, а 2 = –0,5 В. Для реализации синфазного воздействия амплитуда э.д.с. источников 1 = 1 В, а 2 = 1 В.
На фиг. 3 представлены результаты вычислительного эксперимента, из которых видно, ослабление сигнала на –3 дБ достигается на частоте 15 кГц для дифференциального и 12 кГц – для синфазного режимов. Амплитудно-частотная характеристика заявляемого защитного устройства в дифференциальном (….) и синфазном (–––) режимах
На фиг. 4 представлены результаты вычислительного эксперимента, из которых видно что ослабление воздействующего импульсного сигнала с помощью его разложения на импульсы меньшей амплитуды. Максимальные напряжения импульсов на выходе по модулю составили 30 мВ для дифференциального и 23 мВ – для синфазного режимов. Вносимые потери составили –24,4 дБ и –26,7 дБ для дифференциального и синфазного режимов соответственно. Формы напряжения на выходе заявляемого защитного устройства в дифференциальном (….) и синфазном (–––) режимах.
LC
L
C
, C
LC
L
C
Д
Д
С
Д
С
Устройство работает следующим образом: в дифференциальном режиме на вход устройства между активными проводниками подается помеховый импульсный сигнал малой длительности, который, распространяясь вдоль заявляемой структуры раскладывается на последовательность импульсов, амплитуда которых становится меньше за счет модального разложения сигнала, после полосковой структуры токи импульсной помехи, протекающие через обмотки синфазного дросселя, индуцируют магнитные потоки, которые взаимно компенсируют друг друга, не приводя к насыщению магнитопровода, в результате синфазный дроссель обладает низким индуктивным сопротивлением, а дальнейшее ослабление помех определяется передаточной характеристикой -звеньев фильтра, образуемых катушками индуктивности  и конденсаторами ; в синфазном режиме на вход устройства на активные проводники относительно опорных подается помеховый импульсный сигнал малой длительности, который, распространяясь вдоль структуры, раскладывается на последовательность импульсов, амплитуда которых также становится меньше за счет модального разложения сигнала, после полосковой структуры токи импульсной помехи, протекающие через обмотки синфазного дросселя, индуцируют магнитные потоки одной направленности, которые накладываются друг на друга в результате чего растет индуктивное сопротивление синфазного дросселя, так же на помеху воздействуют -звенья фильтра, образуемые катушками индуктивности  и конденсаторами. Таким образом, устройство способно ослаблять помеховый сигнал в дифференциальном и синфазном режимах воздействия помехи.