Использование зеркальной симметрии для совершенствования модальной фильтрации

А.М. Заболоцкий. Использование зеркальной симметрии для совершенствования модальной фильтрации 41

УДК 621.391.825

А.М.Заболоцкий

Использование зеркальной симметрии

для совершенствования модальной фильтрации

Предложен новый подход к совершенствованию модальной фильтрации за счет зеркального добавления к существующей структуре дополнительных слоев диэлектрика и проводников. Рассмотрена четырехпроводная зеркально-симметричная структура, в которой амплитуды импульсов разложения одинаковы и в 8 раз меньше амплитуды источника ЭДС. Кроме того, длина одиночного отрезка четырехпроводной структуры короче, чем общая длина двухкаскадной двухпроводной структуры, в 1,2 раза при одинаковых амплитудах на выходе. Ключевые слова: связанная линия, модальный фильтр, устройства защиты.

Для защиты радиоэлектронной аппаратуры от мощного сверхкороткого импульса (СКИ) [1] предложена технология модальной фильтрации [2, 3], основанная на использовании явления модального разложения импульсного сигнала в многопроводных линиях передачи из-за различия задержек мод. При создании модального фильтра как средства защиты аппаратуры от СКИ необходимо выбрать структуры поперечных сечений многопроводных линий передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением, обладающие эффектом модального разложения [4]. Практическая реализация модальной фильтрации представляется возможной на разных структурных уровнях аппаратуры, например с помощью кабелей [5-7], в виде отдельных блоков, а также компонентов [8], в том числе печатных [9]. Общие подходы к созданию печатного модального фильтра в виде связанной линии передачи представлены в [10-12]. Однако на данный момент не исследовались многопроводные зеркально-симметричные структуры для реализации модальной фильтрации. Цель работы - восполнить этот пробел.

При выполнении исследования за основу взята структура печатного модального фильтра [11], в которой печатные проводники расположены на двух сторонах подложки из стеклотекстолита (рис. 1, а, далее структура 1). Данная структура обеспечивает разность погонных задержек мод 1 нс/м при следующих параметрах: расстояние между проводниками 5 = 0,4 мм, ширина проводников w = 0,3 мм, толщина проводников t = 105 мкм, толщина диэлектрика h = 0,5 мм, относительная диэлектрическая проницаемость бг = 5 [11]. Зеркально-симметричная структура относительно плоскости а, которая проходит через проводник 3, представлена на рис. 1, б (далее структура 2). Она отличается от структуры 1 (рис. 1, а) тем, что напротив проводников 1 и 2 добавлены проводники 1* и 2*, увеличена толщина диэлектрика h1 = 2h + t и проводник 3 расположен в диэлектрике.

а

3

а

w

w

d

5

t

2

1

Б

h

w

W t 5 . W . d

h1 1 w 2

1* 3 2* Бг

W A w

б

Рис. 1. Поперечные сечения структур 1

Вычисление параметров и форм сигнала выполнялось в программном продукте TALGAT [13] при допущении, что в рассматриваемых структурах распространяются только квази-T-волны. Потери в проводниках и диэлектриках не учитывались.

В общем случае структура 2 рассматривается как четырехпроводная линия передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением в поперечном сечении. Следовательно, в данной структуре распространяются четыре моды с соответствующими им характеристиками. Для выполнения анализа вычислены матрицы погонных коэффициентов электростатической и электромагнитной индукций при 5 = 0,4 мм, w = 0,3 мм, t = 105 мкм, h\ = 1,105 мм, er = 5:

С =

75 -11,4 -18,6 -2,4

-11,4 75 -2,4 -18,6

-18,6 -2,4 75 -11,4

-2,4 -18,6 -11,4 75

пФ/м,

580,3

247,5

206,2

168,2

247,5

580,3

168,2

206,2

206,2

168,2

580,3

247,5

168,2

206,2

247,5

580,3

нГн/м.

Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015

42

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Затем из (1) вычислены вектор погонных задержек мод, матрицы характеристического импеданса и собственных векторов произведения матриц L и C:

т =

7,2

5.1 5,5

6.2

нс/м;

Z =

92

29

28,5

19

29

92

19

28,5

28,5

19

92

29

19

28,5

29

92

, Ом;

Sv =

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

-0,5

0,5

-0,5

-0,5

0,5

0,5

-0,5

0,5

0,5

-0,5

-0,5

Из вектора т видно, что погонные задержки мод различны. Однако из Sv видно, что значения напряжений мод в проводниках равны по модулю. Кроме того, выявлено, что изменения параметров структуры 2 изменяют значения погонных задержек, но не влияют на элементы Sv. Учет этого может быть полезен при оптимизации.

Для оценки возможности модального разложения необходимо вычислить минимальную разность погонных задержек мод и амплитуды импульсов разложения в конце активного проводника [8]. Матрица амплитуд импульсов разложения в конце активного проводника, вычисленная при условиях, что источник ЭДС амплитудой 1 В подключался между проводниками 1 (активный) и 3 (опорный) и согласования каждой моды отрезка линии передачи:

"0,125 0,125 -0,125 0,125 "

= 0,125 -0,125 0,125 0,125 В

V = 0,125 0,125 0,125 -0,125 , В.

0,125 -0,125 -0,125 -0,125

Из вектора т следует, что минимальное значение разности погонных задержек мод равно 0,4 нс/м. Следовательно, полное разложение импульсного сигнала длительностью t£ в отрезке линии передачи длиной l возможно при условии t£/l < 0,4 нс/м. Кроме того, согласно (3) амплитуды импульсов разложения одинаковы и в 8 раз меньше амплитуды источника ЭДС. Можно предположить, что эти амплитуды не изменяются значительно при нагрузках на концах проводников, равных диатональному значению Zc. Для подтверждения вычислены формы сигнала в начале и конце активного проводника (проводник 1, рис. 1, б).

При вычислении форм сигнала в структуре 2 использовалась схема из рис. 2. Она содержит восемь резисторов с сопротивлением 92 Ом и источник сигналов, который подключался между проводниками 1 (активный, верхний на схеме) и 3 (опорный, представленный обозначением схемной земли). Вычисленные формы сигналов в начале (V1) и конце (V6) проводника 1 при l = t£/0,4 нс/м = = 0,3 нс/0,4 нс/м = 0,75 м представлены на рис. 2, где источник импульсных сигналов представлен идеальным источником ЭДС (длительности фронта, спада и плоской вершины выбраны равными по 0,1 нс, так что t£ = 0,3 нс, а амплитуда - 1 В).

Из рис. 2 видно, что в конце проводника 1 четыре импульса с амплитудами: 0,123; 0,117; 0,123 и 0,114 В. Они несколько отличаются от 0,125 В из (3) из-за рассогласования каждой моды. В итоге результаты моделирования подтверждают возможность разложения импульсного сигнала на четыре импульса с одинаковыми амплитудами в 8 раз меньше, чем ЭДС.

Показательно сравнить результаты для структур 1 [8, 12] и 2. Для структуры 1 разложение сигнала возможно при условии t£/l < 1 нс/м и для уменьшения амплитуды разложенных импульсов в 8 раз относительно ЭДС необходимо использовать двухкаскадное соединение отрезков (рис. 3). При этом длина структуры 2 будет в 1,2 раза больше длины структуры 1. Например, при t£ = 0,3 нс общая длина для структуры 1 будет равна Д + l2 = 0,3 + 0,6 = 0,9 м (длины двух отрезков линий передачи), а длина для структуры 2 равна l = 0,75 м (длина одного отрезка линии передачи). Для сравнения также вычислены частотные отклики при гармоническом воздействии ЭДС амплитудой 1 В (рис. 4). Видно, что полоса пропускания структуры 2 примерно в 1,5 раза меньше, чем у структуры 1 (рис. 4, а).

Таким образом, исследована зеркально-симметричная структура для реализации модальной фильтрации. Получено, что минимальная разность погонных задержек мод в ней в 2,5 раза меньше, чем в исходной структуре. Однако амплитуды импульсов разложения в одном отрезке линии передачи одинаковы и в 8 раз меньше источника ЭДС. Кроме того, длина одиночного отрезка четырехпроводной структуры в 1,2 раза меньше, чем общая длина двухкаскадной двухпроводной структуры при одинаковых амплитудах на выходе.

В итоге предложен новый подход совершенствования структуры модального фильтра за счет зеркального добавления к существующей структуре дополнительных слоев диэлектрика и проводников. Используя подобный подход, в дальнейшем могут быть исследованы другие структуры.

Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015

А.М. Заболоцкий. Использование зеркальной симметрии для совершенствования модальной фильтрации 43

Рис. 2. Схема и формы сигнала в начале и конце проводника 1 для структуры 2

Рис. 3. Формы сигнала в конце активного проводника для структур 1 [8, 12]

Рис. 4. Модуль

Совершенствование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-1901232) в ТУСУРе, алгоритмы и программное обеспечение разработаны при поддержке гранта РФФИ 14-29-09254.

Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015

44

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Литература

1. Исследование функционирования локальной вычислительной сети в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов / К.Ю. Сахаров, А.А. Соколов, О.В. Михеев, В.А. Туркин, А.Н. Корнев, С.Н. Долбня, А.В. Певнев // Технологии ЭМС. - 2006. - №3 (18). - С. 36-45.

2. Газизов Т.Р. Исследование модальных искажений импульсного сигнала в многопроводных линиях с неоднородным диэлектрическим заполнением / Т.Р Газизов, А.М. Заболоцкий, О.М. Кузне -цова-Таджибаева // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2004. - Т. 11, № 11. - С. 18-22.

3. Заболоцкий А.М. Теоретические основы модальной фильтрации / А.М. Заболоцкий, Т.Р Газизов // Техника радиосвязи. - 2014. - №3. - С. 79-83.

4. Газизов Т.Р. Модальное разложение импульса в отрезках связанных линий как новый принцип защиты от коротких импульсов / Т.Р Газизов, А.М. Заболоцкий // Технологии ЭМС. - 2006. -№4 (19). - С. 40-44.

5. Заболоцкий А.М. Модальная фильтрация в отрезках кабелей силового питания / А.М. Заболоцкий, И.Е. Самотин //15-е Туполевские чтения: матер. междунар. молодёжной науч. конф., Казань, 9-10 ноября 2007 г. - Казань, 2008. - С. 189-191.

6. Заболоцкий А.М. Защита от короткого импульса в линиях передачи с различными граничными условиями / А.М. Заболоцкий, И.Е. Самотин //16-е Туполевские чтения: матер. междунар. молодёжной науч. конф., Казань, 28-29 мая 2008 г. - Казань, 2008. - С. 243-245.

7. Gazizov TR. Experimental results on ultra wide band pulse propagation in three-conductor power cables of flat and circular cross sections / TR. Gazizov, А.М. Zabolotsky, I.E. Samotin // Proceedings of International Siberian conference on control and communications (SIBCON-2009). - Russia, Tomsk. -March 27-28, 2009. - P 264-269.

8. Заболоцкий А.М. Временной отклик многопроводных линий передачи / А.М. Заболоцкий, Т.Р. Газизов. - Томск: Том. гос. ун-т, 2007. - 152 с.

9. Gazizov TR. New approach to EMC protection / TR. Gazizov, А.М. Zabolotsky // Proceedings of the 18-th International Zurich Symposium on EMC. - Germany, Munich. September 24-28 2007. -P. 273-276.

10. Самотин И.Е. Условие выравнивания амплитуд импульсов на выходе модального фильтра // Технологии ЭМС. - М., 2010. - № 4(35). - С. 31-34.

11. Самотин И.Е. Подходы к созданию модального фильтра для защиты от сверхкороткого импульса // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. науч. техн. конф. молодых специалистов «НПЦ «Полюс», Томск, 22-23 апреля 2010 г. - Томск, 2010. - С. 263-266.

12. Gazizov TR. Design of printed modal filters for computer network protection / TR. Gazizov, I.E. Samotin, А.М. Zabolotsky, A.O. Melkozerov // Proceedings of 30-th International Conference on lightning protection. - Cagliary, Italy. September 13-17, 2010. - P 1246-1-1246-3.

13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015614365. TALGAT 2013 / Т.Р Газизов, А.О. Мелкозеров, Т.Т. Газизов и др. - Заяв. №2015611288, дата поступления 3 марта 2015 г., зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 16 апреля 2015 г.

Заболоцкий Александр Михайлович

Ст. науч. сотрудник каф. телевидения и управления ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 90-01-45

Эл. почта: zabolotsky_am@mail.ru

Zabolotsky A.M.

Application of reflective symmetry for modal filtration improvement

The article proposes a new approach to modal filtration improvement, which is symmetrical adjunction of additional dielectric and conductor layers to the given structure. The article describes four-conductor reflection symmetric structure; amplitudes of decomposition pulses of this structure are equal and 8 times lower than EMF source amplitude. Besides, the length of a single segment of four-conductor structure is 1.2 times shorter than the total length of two-stage two-conductor structure, while output amplitudes are equal.

Keywords: coupled line, modal filter, protective devices.

Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015