УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МЕАНДРОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ С ЛИЦЕВОЙ СВЯЗЬЮ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
IMPROVED MEANDER DELAY LINE WITH FACE CONNECTION, WHICH PROTECTS FROM ULTRASHORT PULSES

В настоящее время актуальной задачей является защита радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ) наносекундного и субнаносекундного диапазонов, которые способны проникать в различные узлы РЭА, минуя электромагнитные экраны устройств. Традиционными схемотехническими средствами защиты от таких импульсов 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 должную 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 среднее геометрическое значение волновых сопротивлений четной и нечетной мод равно 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, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление СКИ из-за его неполного разложения на последовательность импульсов.
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 первому относительно диэлектрической подложки, причем параметры поперечного сечения линии выбраны такими, что среднее геометрическое значение волновых сопротивлений четной и нечетной мод равно волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на удвоенную длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, отличающаяся тем, что выбором параметров линии дополнительно обеспечивается значение разности погонных задержек нечетной и четной мод линии, умноженной на длину линии, не меньше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное ослабление СКИ.
Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ за счет его полного разложения в витке меандровой линии задержки с лицевой связью. Технический результат достигается за счет выбора параметров линии такими, чтобы обеспечить указанные условия. Выполнение этих условий позволяет разложить СКИ на последовательность из четырех основных 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 и четвертый импульсы - импульсы четной и нечетной мод линии; а третий импульс будем называть дополнительным импульсом. Дополнительный импульс возникает из-за асимметрии поперечного сечения линии. Первые четыре импульса являются основными, поскольку имеют наибольшую амплитуду из всех импульсов. Первый, второй и четвертый импульсы имеют максимальные амплитуды из всех импульсов последовательности. Поскольку наложение третьего импульса на второй и четвертый импульсы увеличивает общую амплитуду сигнала на выходе линии, то разложением СКИ на последовательность из четырех импульсов минимизируется эта амплитуда. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.
r
На фиг. 1а приведено поперечное сечение заявляемой линии, со следующими параметрами: w и t - ширина и толщина проводников соответственно, s - расстояние между сигнальным и опорным проводниками, h - толщина диэлектрической подложки, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. На фиг.1б приведена схема соединений заявляемой линии. Линия состоит из двух параллельных проводников, каждый длиной  соединенных между собой на дальнем конце. Один из проводников на ближнем конце линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. с внутренним сопротивлением R1. Другой проводник соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R2. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 2 кВ, длительность плоской вершины 1 нс, а фронта и спада - по 0,5 нс.
Для минимизации отражений от концов линии, внутренние сопротивления источника э.д.с.и нагрузки приняты равными среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод линии.
Параметры поперечного сечения линии на фиг. 1а выбраны так, чтобы выполнялись условия
е
0
r
d
f
где τ - наименьшее из значений погонных задержек четной (τ) и нечетной (τ) мод линии, a t, t, t -длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.
Выполнение условия (1) обеспечивает разложение СКИ на импульс перекрестной наводки и основной сигнал, выполнение условия (2) - разложение основного сигнала на импульсы нечетной и четной мод, а выполнение условия (3) - разложение основного сигнала на импульсы четной и нечетной мод линии и дополнительный импульс между ними.
r
Сначала рассмотрим разложение СКИ в линии при выполнении условий (1), (2). Параметры поперечного сечения такие же, как в прототипе: w=15 мм, t=105 мкм, s=1 мм, d=w, h=6 мм, ε=4. Вычисленные матрицы С, L и Z линии:
Значения сопротивлений R1 и R2 получились равным 61,921 Ом.
е
о
Полученные погонные задержки четной и нечетной мод линии: τ=4,77 нс/м, τ=6,02 нс/м. При подстановке известных значений переменных в условия (1) и (2) получим 9,54 нс≥2 нс и 2,5 нс≥2 не соответственно. Таким образом, условия (1) и (2) выполняются. На фиг. 2а представлена форма сигнала в конце исследуемой линии из двух витков при выполнении условий (1) и (2), из которой видно, что СКИ в конце первого витка представлен последовательностью из трех импульсов меньшей амплитуды (перекрестной наводки, импульсов четной и нечетной мод линии). Также после основных импульсов на графике присутствуют и другие импульсы, вызванные отражениями. При этом, максимальная амплитуда сигнала на выходе линии не превышает 0,414 кВ.
Отметим, что на спаде второго и фронте третьего импульса наблюдается выброс сигнала амплитудой 0,014 кВ, свидетельствующий о присутствии дополнительного импульса между импульсами мод и вызванный асимметрией структуры. Для исключения влияния дополнительного импульса на амплитуду сигнала необходимо выбором параметров линии обеспечить условие (3). Подставив известные значения переменных для рассмотренного случая в выражение (3), получим 1,25 нс≤2 нс. Таким образом, условие (3) не выполняется. Для обеспечения условия (3), увеличим длину линии до  При подстановке известных значений переменных в условие (3) получим 2,125 нс≥2 нс. Таким образом, условие (3) выполняется. На фиг. 2б представлена форма сигнала в конце исследуемой линии при выполнении условия (3), из которой видно, что СКИ в конце линии представлен последовательностью уже из четырех импульсов меньшей амплитуды (перекрестной наводки, импульса четной моды, дополнительного импульса и импульса нечетной моды). При этом, максимальная амплитуда сигнала на выходе линии не превышает 0,4 кВ. В результате, за счет выполнения условия (3) амплитуда СКИ на выходе меандровой линии с лицевой связью уменьшилась на 0,014 кВ.
Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство - увеличенное ослабление СКИ, за счет его разложения на последовательность из четырех импульсов меньшей амплитуды: перекрестную наводку, импульс четной моды, дополнительный импульс и импульс нечетной моды.