МЕАНДРОВАЯ ЛИНИЯ С ЛИЦЕВОЙ СВЯЗЬЮ И ПАССИВНЫМ ПРОВОДНИКОМ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
MEANDRA LINE WITH FACE COUPLING AND PASSIVE CONDUCTOR PROTECTING 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. 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 задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение № 2606709. Меандровая линия задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов / А.Т. Газизов, А.М. Заболоцкий, С.П. Куксенко - Заявка № 2015137545; заявлен 02.09.2015; опубликован 10.01.2017], 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, причем параметры поперечного сечения линии выбраны такими, что значения минимальной из погонных задержек мод линии, а также модуля их разности, умноженных на длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.
Недостатком устройства-прототипа является небольшое ослабление СКИ.
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 первого относительно диэлектрической подложки, отличающаяся тем, что параллельно опорному и сигнальным проводникам введен пассивный проводник, расположенный симметрично опорному относительно диэлектрической подложки и электрически соединенный с ним через резисторы, параметры поперечного сечения линии выбраны такими, чтобы значения удвоенного произведения погонной задержки первой моды на длину линии, произведения разности погонных задержек второй и первой мод на длину линии и произведения разности погонных задержек третьей и второй мод на длину линии были больше общей длительности воздействующего импульса, а внутреннее сопротивление источника сигналов, приемного устройства и резисторов пассивного проводника составляют 50 Ом.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное ослабление СКИ.
Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ за счет его разложения на последовательность из шести импульсов меньшей амплитуды. Технический результат достигается за счет выбора параметров линии такими, чтобы обеспечить ряд простых условий, приведенных ниже. Выполнение этих условий позволяет разложение СКИ на последовательность из шести импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии не раньше окончания предыдущего: первый импульс - перекрестная наводка от фронта сигнала на ближнем конце линии; второй, четвертый и шестой импульсы - импульсы мод линии; третий и пятый импульсы - дополнительные импульсы, которые возникают из-за асимметрии поперечного сечения линии и приходят к ее концу с задержкой, равной половине суммы задержек первой и второй (первый дополнительный импульс), а также второй и третьей (второй дополнительный импульс) мод линии. Первые шесть импульсов являются основными и имеют наибольшую амплитуду. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата ниже подтверждены количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
l
E
R
R
R
R
На фиг. 1 приведена эквивалентная схема заявляемой линии. Она состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных на одном конце, а также пассивного проводника, расположенного симметрично опорному проводнику, относительно диэлектрической подложки, и параллельно ему и сигнальным проводникам. Длина каждого проводника =0,5 м. Один из проводников линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником ЭДС.  и внутренним сопротивлением 1. Второй проводник линии соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением 2. Третий проводник является пассивным и электрически соединен с опорным через резисторы (3=4=50 Ом). Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда ЭДС. 1 В, длительность плоской вершины 0,1 нс, а фронта и спада - по 0,05 нс.
w
w
w
t
s
s
h
A
P
G
P
G
r
На фиг. 2 приведено поперечное сечение заявляемой линии со следующими параметрами: , и  - ширины активного, пассивного и опорного проводников соответственно,  - толщина проводников,  и  - расстояния между активным и пассивным, активным и опорным проводниками соответственно, - толщина диэлектрической подложки, ε- диэлектрическая проницаемость подложки. Параметры поперечного сечения на фиг. 2 выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия:
lτ
t
1
∑
2≥, (1)
l
τ
-τ
t
2
1
∑
()≥, (2)
l
τ
-τ
t
3
2
∑
()≥, (3)
τ
,
τ
τ
t
l
1
2
3
∑
где  и  - погонные задержки мод линии,  - общая длительность воздействующего импульса, а  - длина линии. Выполнение условия (1) обеспечивает прохождение импульса к концу линии без искажения его формы перекрестной наводкой от фронта сигнала на ближнем конце. Условия (2) и (3) обеспечивают разложение импульса в конце линии на импульсы первой, второй и третьей мод, а также на дополнительные импульсы, приходящие к концу линии между импульсами первой и второй, второй и третьей мод.
w
w
w
s
s
t
h
A
P
G
P
G
D
A
Для подтверждения возможности выполнения условий (1) и (2) рассмотрим линию, представленную на фиг. 1. Параметры поперечного сечения (фиг. 2): =2450 мкм, =3228 мкм, =2000 мкм, =58 мкм, =1000 мкм,=48 мкм, =4000 мкм, ε=4,5. Вычисленные матрицы C и L, а также Z:
СпФ/м, LнГн/м,Z Ом.
τ
τ
τ
1
2
3
Полученные погонные задержки мод: =4,9 нс/м, =5,38 нс/м, =6,15 нс/м. Произведение удвоенной длины линии на погонную задержку первой моды составляет 4,9 нс, разность погонных задержек второй и первой мод - 0,24 нс, а разность погонных задержек третьей и второй мод - 0,39 нс. Видно, что значение каждой из задержек больше длительности воздействующего импульса. Таким образом, условия (1)-(3) выполняются с запасом.
На фиг. 3 представлен вычисленный временной отклик на заданное импульсное воздействие. Видно, что первые шесть импульсов имеют положительную полярность и не превышают 93 мВ, что составляет 19% от половины амплитуды ЭДС источника. Между тем в прототипе напряжение на выходе достигало 40% от уровня половины амплитуды ЭДС источника. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.