ЗЕРКАЛЬНО-СИММЕТРИЧНАЯ МЕАНДРОВАЯ ЛИНИЯ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
MIRROR-SYMMETRIC MEANDER LINE, WHICH PROTECTS FROM ULTRASHORT PULSES

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ).
В настоящее время наблюдается ужесточение требований электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭА всех видов и назначений, подверженных воздействию электромагнитных помех и являющихся их источниками. Это вызвано тем, что во все отрасли жизнедеятельности общества возрастающими темпами стали внедряться электронные системы. Они, в свою очередь, обладают повышенной восприимчивостью к электромагнитным помехам ввиду тенденции к уменьшению размеров микросхем, увеличению скоростей передачи данных, уменьшению потребляемой мощности и т.д. Одной из задач ЭМС является защита РЭА от кондуктивных помех. Их опасность объясняется непосредственным проникновением в аппаратуру по проводникам. Особо опасным примером такого воздействия является СКИ, т.е. мощные сверхширокополосные импульсы, воздействие которых может привести к некорректному функционированию аппаратуры и являться причиной ее выхода из строя. СКИ способны вызвать сбой электроустановок, кабелей, аналоговых и цифровых устройств и другой аппаратуры, уровень защиты которой от импульсных перенапряжений и помех не высок. С учетом особенностей временных и энергетических характеристик СКИ различной природы в условиях современной электромагнитной обстановки, традиционные методы ограничения и фильтрации зачастую оказываются неэффективными и недостаточными, что, в свою очередь, требует применения дополнительных мер защиты РЭА.
Наиболее близким к заявляемому устройству является «Четырехпроводная зеркально-симметричная структура, защищающая от сверхкоротких импульсов» [Патент на изобретение №2624465. Четырехпроводная зеркально-симметричная структура, защищающая от сверхкоротких импульсов / А.М. Заболоцкий, Т.Р. Газизов, С.П. Куксенко - Заявка № 2015137546; заявлен 02.09.2015; опубликован 04.07.2017], состоящая из пяти в поперечном сечении одинаковых и прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, и третий - между ними по центру, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрического слоя, третий проводник расположен в диэлектрическом слое на равном расстоянии от внешних проводников, толщина и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя равны 1,105 мм и 5, ширина всех проводников одинакова и равна 0,3 мм, толщина проводников равна 105 мкм, расстояние между проводниками равно 0,4 мм, на обоих концах устройства подключены резисторы сопротивлением 92 Ом между вторым и третьим проводниками, а также между двумя дополнительными и третьим проводниками, значение минимального модуля разности погонных задержек мод линии, умноженное на длину линии, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между первым и третьим проводниками.
Недостатками устройства-прототипа являются малое значение интервалов времени между импульсами разложения из-за их одного прохода вдоль линии от ее входа до выхода и необходимость резисторов на обоих концах всех проводников.
Предлагается устройство, состоящее из пяти в поперечном сечении одинаковых и прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, третий - между ними по центру, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрического слоя, третий проводник расположен в диэлектрическом слое на равном расстоянии от внешних проводников, а между концами проводников и третьим проводником подключены резисторы со значением сопротивления, равным волновому сопротивлению тракта, отличающееся тем, что проводники соединены между собой попарно на одном конце, выбором параметров поперечного сечения линии обеспечиваются равенство интервалов времени между вторым и пятым импульсами разложения и минимизация амплитуды сигнала на выходе линии, а значение минимального модуля разности погонных задержек мод линии, умноженное на её длину, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между первым и третьим проводниками.
Техническим результатом является увеличенное значение интервалов времени между вторым и пятым импульсами разложения при отсутствии резисторов на одном из концов линии. Технический результат достигается, в первую очередь, за счет выбора параметров поперечного сечения линии и попарным соединением проводников между собой на одном конце перемычками. Такая конфигурация устройства защиты позволяет разложить СКИ на пять импульсов меньшей амплитуды: первый импульс - перекрестная наводка на ближнем конце линии, а второй-пятый импульсы - последовательность из основных четырех импульсов, пришедших в конец линии с попарно выравненными амплитудами, а также увеличенным значением интервалов времени между ними. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются количественными оценками, приведенными ниже, полученными с помощью моделирования.
r
На фиг. 1 представлено поперечное сечение заявленной линии, где w - ширина проводников, s - расстояние между проводниками, t - толщина проводников, h - толщина диэлектрика, d - расстояние от края до проводника, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Проводники 1 и 2 расположены на одной стороне диэлектрического слоя, третий (опорный) расположен между ними по центру, а проводники 1* и 2* расположены зеркально-симметрично на обратной стороне диэлектрического слоя, и могут быть попарно соединены между собой на конце тремя способами: на одном слое (1-2 и 1*-2*); на разных слоях (1-1* и 2-2*); диагонально (1-2* и 2-1*).
Г
Г
Н
Г
Н
На фиг. 2 приведена эквивалентная схема заявленной линии. Линия состоит из четырех (не считая опорного) проводников длиной l, равной 1 м, по два на каждой стороне диэлектрического слоя, попарно соединенных между собой на дальнем конце перемычками тремя способами. Первый проводник соединен на одном конце с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. Е с внутренним сопротивлением R, а на другом конце соединен с защищаемой цепью, представленной на схеме эквивалентным сопротивлением R. Резисторы R подсоединены в начале и конце пассивного витка. Значения сопротивления резисторов R, R и R приняты равными волновому сопротивлению тракта. Воздействующий СКИ имеет форму трапеции с э.д.с. 5 В и длительностями фронта, спада и плоской вершины по 50 пс.
На фиг. 3 показаны формы выходного напряжения для трех вариантов исполнения зеркально-симметричной меандровой линии. Видно, что СКИ раскладывается на 4 импульса, которые испытывают два прохода вдоль линии от входа до выхода. Максимальная амплитуда определяется амплитудой первого импульса и не превышает 25% от половины э.д.с.
Параметры поперечного сечения и длина линии обеспечивают условие
min(∆τ<sub>i</sub>)l ≥ t<sub>r</sub> + t<sub>d</sub> + t<sub>f</sub>,
(1)
i
r
d
где min(Δτ) - минимальный модуль разности погонных задержек мод линии,i = 1, 2, 3, а t, t, t - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.
Выполнение условия (1) обеспечивает разложение исходного сигнала на импульсы мод, погонные задержки которых равны 10,95, 11,92, 12,95 и 13,94 нс/м (вычисленные как корень квадратный из собственных значений произведения матриц погонных коэффициентов электромагнитной (L) и электростатической (C) индукции). Минимальное значение разности погонных задержек мод равно 0,977 нс/м, следовательно, полное разложение СКИ длительностью t<sub>Σ</sub> в отрезке линии передачи длиной l возможно при условии t<sub>∑</sub> ⁄ l < 0,977 нс/м.
(2)
∑
Учитывая условия (1) и (2), при указанных значениях параметров линии максимальная длительного входного сигнала t при длине линии 1 м равна 0,977 нс.
Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия - увеличенное значение интервалов времени между импульсами разложения при отсутствии резисторов на одном конце линии.