Меандровая линия задержки с лицевой связью из четырёх витков, защищающая от сверхкоротких импульсов
FOUR-TURN FACE-COUPLED SQUARE WAVE DELAY LINE THAT PROTECTS 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 близким к заявляемому устройству является меандровая линия задержки с лицевой связью из двух витков, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2724970], 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 первому относительно диэлектрической подложки, при этом конец второго сигнального проводника линии последовательно соединен с началом первого сигнального 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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первого относительно диэлектрической подложки, а выбором параметров первой и второй линии 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 равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод первой линии значению максимальной из этих задержек, значение произведения удвоенной длины второй линии и погонной задержки ее четной 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 четной моды и произведения удвоенной длины второй линии на погонную задержку ее нечетной моды, значение разности произведения удвоенной длины первой линии и разности погонных задержек ее нечетной и четной мод и произведения удвоенной длины второй линии и погонной задержки ее нечетной моды не меньше, чем длительность воздействующего импульса.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление СКИ: недостаточное ослабление СКИ: меньшее в 13,1 раза, в отличие от заявляемого устройства.
отличающаяся тем
l
t
l
l
t
l
l
t
l
l
l
t
l
l
l
t
l
l
l
l
t
l
l
l
l
t
l
l
l
l
l
t
l
l
l
l
t
4
e
4
∑
4
o
4
4
e
4
∑
3
e
3
4
o
4
∑
3
o
3
3
e
3
4
o
4
∑
2
e
2
3
o
3
4
o
4
∑
2
o
2
2
e
2
3
o
3
4
o
4
∑
1
e
1
2
o
2
3
o
3
4
o
4
∑
1
o
1
1
e
1
2
o
2
3
o
3
4
o
4
∑
1
2
3
4
o
1
o
2
o
3
o
4
е
1
е
2
е
3
е
4
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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первому относительно диэлектрической подложки, при этом конец второго сигнального проводника линии последовательно соединен с началом первого сигнального 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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первого относительно диэлектрической подложки, ,что конец второго сигнального проводника второй линии задержки соединен с началом первого сигнального 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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первого относительно диэлектрической подложки и его конец соединен с началом первого сигнального проводника четвертой 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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первого относительно диэлектрической подложки, а выбором параметров первой, второй, третьей и четвертой линий одновременно обеспечивается ряд условий: 2τ≥, τ-τ≥, 2τ-2τ≥, τ-τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ≥,τ-τ-2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ-2τ≥, τ-τ-2τ-2τ-2τ≥, где , , ,  – длины первого, второго, третьего и четвертого витков соответственно, τ, τ, τ, τ – погонные задержки нечетной моды первого, второго, третьего и четвертого витков соответственно, τ, τ, τ, τ – погонные задержки четной моды первого, второго, третьего и четвертого соответственно, а  – общая длительность воздействующего импульса.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное в 13,1 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
l
t
l
l
l
l
l
t
l
l
l
l
t
4
e
4
∑
4
o
4
4
e
4
∑
3
e
3
4
o
4
∑
3
o
3
3
e
3
4
o
4
∑
2
e
2
3
o
3
4
o
4
∑
2
o
2
2
e
2
3
o
3
4
o
4
∑
1
e
1
2
o
2
3
o
3
4
o
4
∑
1
o
1
1
e
1
2
o
2
3
o
3
4
o
4
∑
1
2
3
4
o
1
o
2
o
3
o
4
е
1
е
2
е
3
е
4
Σ
Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ за счет его разложения на последовательность из двухсот пятидесяти шести импульсов меньшей амплитуды. Далее для простоты изложения первая, вторая, третья и четвертая линии заявляемого устройства будут называться первым, вторым, третьим и четвертым витками, а заявляемое устройство целиком будет называться линией. Технический результат достигается за счет выбора параметров линии такими, чтобы одновременно обеспечить ряд условий: 2τ≥, τ-τ≥, 2τ-2τ≥, τ-τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ≥,τ-τ-2τ-2τ≥, 2τ-2τ-2τ-2τ≥, τ-τ-2τ-2τ-2τ≥, где , , ,  – длины первого, второго, третьего и четвертого витков соответственно, τ, τ, τ, τ – погонные задержки нечетной моды первого, второго, третьего и четвертого витков соответственно, τ, τ, τ, τ – погонные задержки четной моды первого, второго, третьего и четвертого витков соответственно, а  – общая длительность воздействующего импульса. Выполнение этих условий позволяет разложить СКИ на последовательность из двухсот пятидесяти шести импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии не раньше предыдущего. Также к концу линии будут приходить импульсы разной полярности и меньшей амплитуды, вызванные отражениями. Двести пятьдесят шесть основных импульсов имеют максимальную амплитуду из всей последовательности импульсов. Поэтому разложением СКИ на последовательность импульсов минимизируется максимальная амплитуда выходного сигнала. 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
l
V
R
r
1
2
3
4
На фиг. 1 приведена схема соединений заявляемой линии, а на фиг. 2 – поперечное сечение одного витка (одинаковое для первого, второго, третьего и четвертого 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 с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первому относительно диэлектрической подложки. Начало первого витка длиной =40,96 м соединено с генератором импульсных сигналов (1 на фиг. 1), представленным на схеме идеальным источником э.д.с. и внутренним сопротивлением 1=50 Ом. Конец первого витка соединен последовательно с началом второго витка (3 на фиг. 1) длиной =5,12 м, второго витка – с началом третьего витка (5 на фиг. 1) длиной =0,64 м, третьего витка – с началом четвертого витка (7 на фиг. 1) длиной =0,08 м а конец четвертого – с приемным устройством (9 на фиг. 1), представленным на схеме сопротивлением 2=50 Ом. 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.
Параметры поперечных сечений первого, второго, третьего и четвертого витков на фиг. 2 выбраны так, чтобы выполнялись следующие условия:
l
l
l
l
t
1
2
3
4
o
1
o
2
o
3
o
4
е
1
е
2
е
3
е
4
Σ
где , , ,  – длины первого, второго, третьего и четвертого витков соответственно, τ, τ, τ, τ – погонные задержки нечетной моды первого, второго, третьего и четвертого витков соответственно, τ, τ, τ, τ – погонные задержки четной моды первого, второго, третьего и четвертого соответственно,  – общая длительность воздействующего импульса. Выполнение условий (1)–(8) обеспечивает разложение СКИ в меандровой линии задержки с лицевой связью из четырех витков на последовательность из двухсот пятидесяти шести импульсов меньшей амплитуды.
w
s
t
h
r
C
L
Для подтверждения возможности выполнения условий (1)–(8) рассмотрим линию, схема соединений которой представлена на фиг. 1, а поперечное сечение на фиг. 2. Для простоты параметры поперечных сечений первого, второго, третьего и четвертого витков выбраны одинаковыми: =8447 мкм, =2482 мкм,=4846 мкм, =9118 мкм, ε=10,6. Вычисленные матрицы погонных коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции (матрицы  и ) первого, второго, третьего и четвертого витков:
С
L
пФ/м,  нГн/м.
e
1
e
2
e
3
e
4
o
1
o
2
o
3
o
4
Полученные погонные задержки четной и нечетной мод первого, второго, третьего и четвертого витков: τ=τ=τ=τ=5,86 нс/м, τ=τ=τ=τ=8,44 нс/м (где нижние индексы «1», «2», «3» и «4» введены для обозначения первого, второго, третьего и четвертого витков). Теперь при подстановке известных переменных в условия (1)–(8) они выполняются с запасом: условие (1) – 0,94 нс≥0,2 нс, условие (2) – 0,21 нс≥0,2 нс, условие (3) – 6,15 нс≥0,2 нс, условие (4) – 0,29 нс≥0,2 нс, условие (5) – 47,9 нс нс≥0,2 нс, условие (6) – 1,04 нс≥0,2 нс, условие (7) – 381,6 нс≥0,2 нс и условие (8) – 6,9 нс≥0,2 нс.
U=
На фиг. 3 представлен вычисленный отклик на заданное импульсное воздействие. Из фиг. 3 видно, что отклик представлен последовательностью из множества импульсов, среди которых двести пятьдесят шесть являются основными, максимальная амплитуда которых не превышает 7 мВ, что составляет 1,4% от половины э.д.с. Также среди основных импульсов присутствует множество импульсов меньшей амплитуды, вызванных отражениями. В прототипе заявляемой линии амплитуда импульсов на выходе линии не превышает 92 мВ, что составляет 18,7% от уровня половины амплитуды э.д.с. источника. Максимальная амплитуда импульсов разложения на выходе заявляемой линии уменьшилась в 13,1 раза относительно прототипа. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.