МЕАНДРОВАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
MEANDER MICRO-STRIP DELAY LINE, PROTECTING AGAINST ULTRASHORT 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. 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, неискажающая импульс [Суровцев Р.С., Заболоцкий A.M., Газизов Т.Р. Меандровая линия, неискажающая импульс. Решение о выдаче патента РФ. Заявка №2013159347/08 (092269)], состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды.
Недостатком устройства-прототипа является отсутствие у него возможности защиты от СКИ.
Линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, отличающаяся тем, что параметры поперечного сечения линии выбраны такими, 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; минимальная амплитуда сигнала на выходе линии.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является возможность его использования для защиты от СКИ.
Техническим результатом является разложение СКИ на импульсы меньшей амплитуды за счет выбора параметров линии. Технический результат достигается, прежде всего, за счет минимизации отражений сигнала на концах проводников меандра. Для этого необходимо обеспечить равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод волновому сопротивлению тракта. Также необходимо выбором длины линии обеспечить произведение минимального из значений погонных задержек четной и нечетной мод линии на ее удвоенную длину, большее, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса. За счет этого, импульс приходит к концу линии по окончании ближней перекрестной наводки от его фронта. По сути, первая часть импульса приходит к концу линии более коротким путем, чем вторая и третья. Наконец, важным условием разложения СКИ в линии является произведение модуля разности погонных задержек четной и нечетной мод линии на ее удвоенную длину, большее, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса. За счет этого исходный импульс разлагается на импульсы четной и нечетной мод, которые имеют тем меньшую амплитуду, чем больше связь между сигнальными проводниками.
Последнее условие может быть обеспечено за счет сильной торцевой связи между сигнальными проводниками линии, например, за счет уменьшения расстояния между ними, выбором оптимального значения которого можно выровнять и минимизировать амплитуды первых трех импульсов сигнала на выходе: импульса перекрестной наводки от фронта, импульса нечетной моды и импульса четной моды. Так, уменьшение расстояния между проводниками приводит к увеличению положительного уровня перекрестной помехи от фронта (первого импульса), а уровень четной и нечетной мод сигнала (второго и третьего импульса), наоборот, уменьшается. Позже, к концу линии будут приходить импульсы чередующейся полярности, вызванные отражениями. Первые три импульса имеют максимальные амплитуды из всех импульсов последовательности. Таким образом, минимизируется максимальная амплитуда выходного сигнала. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
Г
Г
Н
На фиг. 1а приведена эквивалентная схема заявляемой линии. Она состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников длиной l=45 мм каждый, находящихся на диэлектрической подложке и соединенных между собой на одном конце. Один из проводников линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником ЭДС E и внутренним сопротивлением R. Другой проводник линии соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R. На фиг. 1б приведены формы ЭДС источника и напряжения в начале лини. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда ЭДС 1 В, длительность плоской вершины 100 пс, а фронта и спада - по 50 пс.
r
Реализуемость линии задержки, защищающей от СКИ, показана на фиг. 2. На фиг. 2а приведено поперечное сечение заявляемой линии, со следующими параметрами: w и t - ширина и толщина проводников соответственно, s - расстояние между проводниками, h - толщина диэлектрической подложки, ε - диэлектрическая проницаемость подложки. На фиг. 2б приведена форма сигнала в конце линии, максимальный уровень которого составляет 40% от уровня сигнала в начале линии.
Г
Н
Значения R и R для минимизации отражения сигнала на концах проводников линии приняты равными среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод линии:
11
12
где Z и Z - соответствующие коэффициенты матрицы погонных импедансов Z.
Параметры поперечного сечения на фиг. 2а выбраны еще и таким образом, чтобы выполнялись условия:
e
o
r
d
f
где τ и τ - погонные задержки четной и нечетной мод, τ - наименьшее значение погонной задержки четной и нечетной мод линии, a t, t и t - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.
Выполнение условия (2) обеспечивает прохождение импульса сигнала к концу линии без искажения его формы ближней перекрестной наводкой от фронта сигнала. Условие (3) обеспечивает разложение импульса в конце линии на импульсы четной и нечетной мод.
Погонные задержки четной и нечетной мод для симметричной, относительно опорного проводника, структуры связанных линий передачи вычисляются как [Малютин Н.Д. Многосвязные полосковые структуры и устройства на их основе / Н.Д. Малютин. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. - 164 с.]
11
12
11
12
где С и С, L и L - соответствующие элементы матриц (коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции) L и С.
r
Для подтверждения возможности выполнения условий (1), (2) и (3) рассмотрим линию, представленную на фиг. 1а. Параметры поперечного сечения: w=300 мкм, t=105 мкм, s=23 мкм, d=900 мкм, h=510 мкм, ε=10. Вычисленные матрицы:
H
Г
Значения сопротивлений R и R, вычисленные по (1) с помощью соответствующих коэффициентов матрицы Z, получились равными 32,06 Ом.
e
o
По выражению (4) с помощью соответствующих коэффициентов матриц С и L получим τ=8,10 нс/м, τ=5,46 нс/м. Так как погонная задержка нечетной моды имеет наименьшее значение, то ее произведение на удвоенную длину линии составляет 491,4 пс. Сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульсного сигнала составляет 200 пс. Таким образом, условие (2) выполняется с запасом. Произведение модуля разности погонных задержек четной и нечетной мод линии на ее удвоенную длину составляет 237,6 пс. Таким образом, условие (3) выполняется.
opt
opt
Сильная торцевая связь между сигнальными проводниками линии обеспечивается за счет малого расстояния между ними (s). Его оптимальное значение составляет s=23 мкм, что в совокупности с выбранными параметрами и длиной линии обеспечивает разложение исходного сигнала на последовательность импульсов. Первые три импульса (перекрестной помехи от фронта, четной и нечетной мод сигнала) имеют положительную полярность и одинаковый уровень (V=0,208 В), составляющий 40% от уровня сигнала в начале линии. Остальные импульсы вызваны отражениями в линии из-за различия значений волнового сопротивления четной и нечетной мод линии. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.