УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МЕАНДРОВАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ С ДВУМЯ ПАССИВНЫМИ ПРОВОДНИКАМИ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
ADVANCED MEANDER MICROSTRIP LINE WITH TWO PASSIVE CONDUCTORS, PROTECTING AGAINST ULTRASHORT PULSES

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 микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2607252. Меандровая микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов / Р.С. Суровцев, Т.Р. Газизов, А.В. Носов, А.М. Заболоцкий, С.П. Куксенко - Заявка №2015129255; заявлен 16.07.2015; опубликован 10.01.2017], состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, с таким выбором параметров поперечного сечения линии, что одновременно обеспечиваются: равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод волновому сопротивлению тракта, в который включена линия; значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на длину линии, большие, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление СКИ.
отличающаяся тем
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, , что сигнальные проводники расположены слева от двух дополнительно введенных пассивных проводников на одной стороне диэлектрической подложки, каждый из которых расположены параллельно им и опорному проводнику, и резисторами, соединяющими каждый конец пассивных проводников с опорным, расположенном на обратной стороне диэлектрической подложки, при этом тракт, в который включена линия, имеет сопротивление 50 Ом, а резисторы ближнего к сигнальным проводникам пассивного проводника имеют сопротивления близкие к сопротивлению короткого замыкания, резисторы дальнего пассивного проводника - к сопротивлению холостого хода, при этом выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается разложение на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего.
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 одиннадцати импульсов: четырех основных импульсов меньшей амплитуды и семи дополнительных импульсов, возникающих из-за асимметрии поперечного сечения линии. Технический результат достигается за счет асимметрии поперечного сечения линии и выбора ее параметров такими, чтобы выполнить ряд условий, обеспечивающих разложение СКИ на последовательность из одиннадцати основных импульсов, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего: первый импульс – перекрестная наводка, наведенная с входа линии на ее выход; второй, четвертый, восьмой и одиннадцатый – импульсы первой, второй, третьей и четвертой мод линии; третий, пятый, шестой, седьмой, девятый и десятый импульсы – дополнительные, возникающие из-за асимметрии поперечного сечения линии. Разложением СКИ на последовательность импульсов уменьшается максимальная амплитуда выходного сигнала. Также к концу линии будут приходить импульсы разной полярности меньшей амплитуды, вызванные отражениями. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
l
R
R
R
R
R
R
R
R
На фиг. 1представлена схема соединений заявляемой линии. Она состоит из четырех проводников длиной , расположенных на одной стороне диэлектрической подложки, первый и второй из которых сигнальные, соединенные между собой на одном конце и расположенные слева от двух пассивных проводников. Один из сигнальных проводников соединен с источником э.д.с, имеющим внутреннее сопротивление 1, а второй - с приемным устройством, представленным на схеме резистором 2. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 1 В, длительность плоской вершины 100 пс, а фронта и спада – по 50 пс. Значения сопротивлений на схеме приняты следующими: 1=2=50 Ом, 3=5=КЗ, а 4=6=ХХ. На фиг. 2 представлено поперечное сечение заявляемой линии. Его параметры выбраны таким образом, чтобы выполнялись вышеописанные условия:
l
t
1
СКИ
2τ≥, (1)
l
l
t
2
1
СКИ
τ≥τ+, (2)
l
l
t
1
3
2
СКИ
(τ+τ)≥2τ+, (3)
l
l
t
3
2
СКИ
τ≥τ+, (4)
l
l
t
1
4
2
3
СКИ
(τ+τ)≥(τ+τ)+, (5)
l
l
t
3
1
4
СКИ
2τ≥(τ+τ)+, (6)
l
l
t
4
3
СКИ
τ≥τ+, (7)
l
t
1
4
USP
где  – длина отрезка линии передачи, τ–τ – погонные задержки мод линии, а  – общая длительность сверхкороткого импульса.
w
t
s
s
s
h
l
1
2
3
r
C
L
Z
Для подтверждения возможности выполнения условий (1)-(7) рассмотрим линию, представленную на фиг. 1, со следующими параметрами поперечного сечения (фиг. 2): =2000 мкм, =18 мкм, ==50 мкм,=105 мкм,=300 мкм, ε=20, =1,2 м. Вычисленные матрицы  и , а также :
С
пФ/м,
L
нГн/м,
Z
Ом.
1
2
3
4
Вычисленные погонные задержки мод:τ=11,34 нс/м, τ=12,11 нс/м, τ=13,05 нс/м, τ=14,20 нс/м. При подстановке известных переменных в (1)-(7) они выполняются с запасом. На фиг. 3 представлена форма напряжения на выходе заявляемой линии. Из нее видно, что СКИ представлен последовательностью из 11 импульсов с амплитудой, не превышающей 47 мВ, что составляет 9,4% от половины э.д.с. Также к концу линии приходят импульсы с меньшей амплитудой, вызванные отражениями. Между тем в прототипе она составляет 40%. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.