СПОСОБ ТРАССИРОВКИ ПРОВОДНИКОВ МОДАЛЬНОГО ФИЛЬТРА
METHOD FOR TRACING MODAL FILTER CONDUCTORS

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ).
Непрерывно растущая сложность современной РЭА приводит к обострению проблемы обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Защита РЭА от кондуктивных помех является одной из основных задач ЭМС. Кондуктивный способ распространения помеховых сигналов подразумевает их проникновение в РЭА непосредственно по проводникам. Особо опасны СКИ, которые представляют собой мощные импульсные сигналы малой длительности (нано- и субнаносекундный диапазон) с широким спектром, воздействие которых может привести к различным негативным последствиям в работе РЭА. Между тем традиционные средства защиты от импульсных помех обладают рядом недостатков (уязвимость к радиации, малый срок службы, отказ в работе при высоких напряжениях, недостаточное быстродействие и т.д.), затрудняющих защиту от мощных СКИ, что, в свою очередь, требует исследования дополнительных мер защиты РЭА. Кроме того, известны устройства, функционирующие по принципу модальной фильтрации: модальные фильтры (МФ) и меандровые линии задержки (или защитные меандры). Из-за сильной связи между активным и пассивным(-и) проводниками, в таких устройствах существует возможность разложения воздействующего СКИ на последовательность импульсов меньшей амплитуды. Между тем, наряду с высокими характеристиками, практика требует простоты реализации, малой массы и дешевизны устройств защиты, поэтому актуально их дальнейшее совершенствование.
Наиболее близким по техническому решению является способ трассировки печатных проводников цепей с резервированием [Патент РФ на изобретение №2603850. Газизов Т.Р., Орлов П.Е., Шарафутдинов В.Р., Кузнецова-Таджибаева О.М., Заболоцкий А.М., Куксенко С.П., Буичкин Е.Н. Способ трассировки печатных проводников цепей с резервированием. Заявка №2015129253. Приоритет изобретения 16.07.2015. Опубликовано: 10.12.2016], выбранный за прототип, когда выполняется трассировка резервируемых и резервных проводников с опорным проводником в виде отдельного слоя, так, что резервируемая и резервная цепи имеют один опорный проводник, резервируемые и резервные проводники одноименных цепей прокладываются парами, параллельно друг другу, на одном слое, с минимально технологически допустимым зазором между резервируемым и резервным проводниками.
Недостатком способа, взятого за прототип, является исполнение пассивного проводника в сплошном виде, что увеличивает массу изделия.
Предлагается способ трассировки проводников, включающий трассировку проводников с опорным проводником в виде отдельного слоя, так что первый и второй проводники прокладываются параллельно друг другу, на одном слое, отличающийся тем, что второй проводник выполнен полым, при этом в начале и конце второго проводника подключены резисторы со значениями, равными среднегеометрическому значению волновых сопротивлений четной и нечетной мод, а значение модуля разности погонных задержек мод, умноженное на длину проводников, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между первым проводником и опорной плоскостью.
Техническим результатом является уменьшенная масса проводников. Технический результат достигается за счет использования полого пассивного проводника. Такая конфигурация устройств защиты, открывает возможность разложения помехового импульса малой длительности на последовательность импульсов меньшей амплитуды, при уменьшенной массе защитного устройства, что крайне важно, например, для космической отрасли. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются количественными оценками, приведенными ниже, полученными с помощью моделирования.
r
Достижимость технического результата продемонстрирована на примере распространения импульсной помехи с ЭДС 1 В и длительностями фронта, спада и плоской вершины по 100 пс в структуре связанных линий длиной 1 м (фиг. 1), где w - ширина проводников, s - расстояние между проводниками, t - толщина проводников, h - толщина диэлектрика, d - расстояние от края до проводника, g - толщина стенки полого проводника, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Проводники 1 и 2 прокладываются парами, параллельно друг другу, на одном слое, а опорный проводник выполнен в виде отдельного слоя, при этом второй проводник - полый.
Г
Н
Г
Н
На фиг. 2 приведена эквивалентная схема структуры. Она состоит из двух (не считая опорного) проводников длиной l, равной 100 cм, на одной стороне диэлектрического слоя. Первый проводник соединен на одном конце с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником ЭДС E 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 второго (пассивного) проводника. Значения резисторов R, R и R приняты равными среднегеометрическому значению волновых сопротивлений четной (25,7 Ом) и нечетной (54,7 Ом) мод, равному 37,5 Ом.
На фиг. 3 показаны формы ЭДС, напряжения на входе и выходе структуры с полым пассивным проводником. Видно, что при прохождении по линии, СКИ раскладывается на 2 импульса. Максимальное напряжение на выходе составляет 0,242 В и не превышает 50% от половины ЭДС.
Параметры поперечного сечения и длина линии обеспечивают условие
r
d
f
|Δτ|l ≥ t + t + t,  (1)
r
d
f
где Δτ - разность погонных задержек мод линии, а t, t, t - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.
Σ
Выполнение условия (1) обеспечивает разложение исходного сигнала на импульсы мод, погонные задержки которых равны 5,43 и 6,55 нс/м (вычисленные как корень квадратный из собственных значений произведения матриц погонных коэффициентов электромагнитной (L) и электростатической (C) индукции). Значение разности погонных задержек мод равно 1,11 нс/м, следовательно, полное разложение СКИ длительностью t в отрезке линии передачи длиной l возможно при условии
Σ
t ⁄ l < 1,11 нс/м. (2)
Σ
Учитывая условия (1) и (2), при указанных значениях параметров линии максимальная длительность входного сигнала t при длине линии 1 м равна 1,11 нс.
3
При w=0,1 см, t=0,0105 см, g=0,002 см, l=100 cм и плотности меди ρ=8,96 г/см рассчитывается объем сплошного проводника с помощью выражения
V = lwt. (3)
3
Объем сплошного проводника составляет 0,105 см. Масса сплошного проводника вычисляется как
m = Vρ. (4)
Масса сплошного проводника составляет 0,941 г. Объем полости проводника вычисляется с помощью выражения
вн
V = (l - 2g)(w - 2g)(t - 2g). (5)
3
Объем полости проводника составляет 0,062 см. Тогда масса полого проводника вычисляется как
пол
вн
m = (V - V)ρ. (6)
Масса полого проводника составляет 0,382 г, что почти в 2,5 раза меньше массы сплошного проводника.
Таким образом, показан технический результат - уменьшенная масса проводников.