УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ ИЗ ДВУХ ОТРЕЗКОВ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2024 года по МПК H03H7/30 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронных средств (РЭС) от сверхкоротких импульсов (СКИ).

Современное стремление к увеличению верхних граничных частот и уменьшению рабочих напряжений используемых сигналов в совокупности с уменьшением габаритов устройств ведут к повышению чувствительности РЭС к электромагнитным воздействиям (ЭМВ). Причины их возникновения могут быть разнообразны, но наибольшую опасность представляют мощные сверхширокополосные одиночные импульсы наносекундного и субнаносекундного диапазонов. Широкий спектр таких сверхкоротких импульсов (СКИ) позволяет проникать значительной части частотных компонент внутрь РЭС и нарушать цифровой обмен. Распространяясь по проводникам, СКИ приводят к электрическому пробою полупроводников и диэлектриков, что влечет за собой ранний выход из строя электронных компонентов и, как следствие, всего устройства. К схемотехническим средствам защиты относятся различные фильтры, ограничители помех, развязывающие и газоразрядные устройства, а к конструктивным средствам относятся методы заземления, защитные экраны и методы повышения их однородности, уменьшение импеданса цепей питания. Часто традиционные решения не могут обеспечить должную защиту в диапазоне воздействий из-за недостатка быстродействия или мощности. Одним из подходов к защите от СКИ являются полосковые устройства, лишенные большей части недостатков.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является меандровая микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2607252. Меандровая микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов / Р.С. Суровцев, Т.Р. Газизов, А.В. Носов, А.М. Заболоцкий, С.П. Куксенко - Заявка № 2015129255; заявлен 16.07.2015; опубликован 10.01.2017], состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды с таким выбором параметров поперечного сечения линии, что одновременно обеспечиваются: равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод 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, большие, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию; минимальная амплитуда сигнала на выходе линии.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление СКИ.

Заявляется меандровая микроплосковая линия задержки, отличается тем, что состоит из двух электрически соединенных отрезков, второй из которых покрыт диэлектрическим слоем с диэлектрической проницаемостью большей, чем у подложки линии, а выбором параметров первого и второго отрезков одновременно обеспечиваются: равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод первого отрезка волновому сопротивлению тракта, в который включается линия; значение погонной задержки нечетной моды первого отрезка, а также разности погонных задержек чётной и нечётной мод первого отрезка, умноженных на его удвоенную длину, большие, чем сумма длительностей импульсного сигнала, подающегося в линию; равенство произведения разности погонных задержек чётной и нечётной мод первого отрезка, умноженного на его длину, произведению погонной задержки нечётной моды второго отрезка, умноженного на его длину; равенство погонных задержек чётной и нечётной мод второго отрезка и минимальная амплитуда выходного сигнала.

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 четырех основных импульсов и минимизации их амплитуд. Для удобства опишем эти импульсы. Первый импульс является импульсом нечётной моды, отраженным от стыка между отрезками и пришедшим на выход линии. Второй импульс является результатом наложения (взаимной компенсации), одновременно пришедших на выход линии, импульса нечётной моды и импульса чётной моды отрицательной полярности, отраженного от стыка между отрезками. Третий импульс является результатом наложения (взаимной компенсации), одновременно пришедших на выход линии, импульса чётной моды и импульса нечётной моды отрицательной полярности, дважды отраженного от стыка между отрезками. Четвертый импульс является импульсом чётной моды, дважды отраженным от стыка между отрезками и пришедшим на выход линии. Для достижения технического результата нужно минимизировать отражения на входе и выходе линии, обеспечив согласование первого отрезка с измерительным трактом, в который включена линия. Также нужно обеспечить приход первого импульса основной последовательности (нечётной моды отраженной от стыка между отрезками) не раньше окончания перекрестной наводки, чтобы исключить их наложение. Также нужно обеспечить приход каждого из основных импульсов (кроме первого) последовательности (описаны выше) после окончания предыдущего импульса. Поскольку второй и третий импульсы последовательности являются результатом наложения (взаимной компенсации) основных (положительной полярности) и отраженных (отрицательной полярности) импульсов мод, то нужно обеспечить одновременный приход на выход линии импульса нечётной моды положительной полярности и импульса чётной моды отрицательной полярности, отраженного от стыка между отрезками, а также импульса чётной моды положительной полярности и импульса нечётной моды отрицательной полярности, дважды отраженного от стыка между отрезками. Наконец за счёт выравнивания амплитуд четырех основных импульсов разложения нужно обеспечить минимальную амплитуду сигнала на выходе линии. Таким образом, только обеспечение одновременно всех указанных условий за счёт выбора параметров отрезков обеспечивает технический результат - увеличенное ослабление СКИ. После основных импульсов разложения на выход линии также будут приходить разнополярные импульсы, вызванные отражениями. Поскольку их амплитуда ниже амплитуд основных импульсов, то они не влияют на ослабление СКИ. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками.

На фиг. 1а (Схема соединений заявленной линии (а) и форма э.д.с. источника (б)) приведена эквивалентная схема заявляемой линии, состоящей из двух отрезков. Первый отрезок длиной l₁ состоит из одного опорного проводника на одной стороне диэлектрической подложки, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников на её обратной стороне. Второй отрезок длиной l₂ состоит из одного опорного проводника на одной стороне диэлектрической подложки, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, покрытых диэлектрическим слоем с диэлектрической проницаемостью большей, чем у подложки линии, на её обратной стороне, электрически соединенных между собой на дальнем конце. Дальний конец проводников первого отрезка электрически соединен с ближним концом проводников второго отрезка. Первый проводник первого отрезка линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником электродвижущей силы (э.д.с.) E и внутренним сопротивлением R₁. А второй проводник первого отрезка соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R₂. На фиг. 1б показана форма э.д.с. источника. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 1 В, длительность плоской вершины, фронт и спада по 300 пс (t_Σ=900 пс). Сопротивления R₁ и R₂ приняты равными по 50 Ом. На фиг. 2а представлено поперечное сечения отрезка 1 заявляемой линии, а на фиг. 2б - отрезка 2. Одинаковые параметры отрезков: h₁ – толщина диэлектрической основы, t - толщина фольги, ε_r1 - относительная диэлектрическая проницаемость основы. Разные параметры отрезков: w₁ и w₂ - ширина сигнальных проводников первого и второго отрезков, s₁ и s₂ - расстояние между сигнальными проводниками первого и второго отрезков. В качестве слоя покрывающего отрезок 2 на фиг. 2б выбран диэлектрик с толщиной h₂ и относительной диэлектрической проницаемостью ε_r2. Первым условием достижения технического результата является согласование первого отрезка с трактом

$$R_1=R_2=\sqrt{(Z_1{}_{(11)}+Z_{1(}{}_{12)})\cdot (Z_1{}_{(11)}-Z_{1(}{}_{12)})},$$ (1)

где Z₁₍₁₁₎ и Z₁₍₁₂₎ - соответствующие коэффициенты матрицы импедансов Z₁ первого отрезка.

Также для достижения технического результата необходимо обеспечить приход первого из основных импульсов последовательности не раньше окончания импульса перекрестной наводки. Поскольку заявляется линия на основе микрополосковой структуры, то в ней нечётная мода распространяется быстрее чётной, поэтому выбором параметров поперечного сечения и длины первого отрезка нужно обеспечить условие во временной области

2l₁τ_o1 ≥ t_Σ, (2)

где τ_o1 - погонная задержка нечётной моды первого отрезка.

Кроме того необходимо обеспечить приход каждого из основных импульсов последовательности (кроме первого) после окончания предыдущего импульса. Поскольку второй и третий импульсы являются результатом наложения основных и отраженных импульсов мод, то нужно обеспечить одновременный приход на выход линии импульса нечётной моды и импульса чётной моды, отраженного от стыка между отрезками, а также одновременный приход импульса чётной моды и импульса нечётной, дважды отраженного от стыка между отрезками. Для этого выбором параметров поперечных сечений первого и второго отрезков и их длин нужно обеспечить выполнение следующих условий во временной области

2l₁(τ_e1–τ_o1) ≥ t_Σ, (3) l ₁(τ_e1-τ_o1) = l₂τ_o2, (4) τ_{e 2} = τ_o2. (5)

где τ_e1 - погонная задержка чётной моды первого отрезка, а τ_o2 и τ_e2 - погонные задержки нечётной и чётной мод второго отрезка.

Выполнение условия (3) обеспечивает приход на выход линии импульса чётной моды, отраженного от стыка между отрезками, не раньше окончания импульса нечётной моды, отраженного от стыка между отрезками. Выполнение условия (4) обеспечивает приход на выход линии отраженного от стыка между отрезками импульса чётной моды одновременно с импульсом нечётной моды. Условие (5) обеспечивает приход на выход линии импульса чётной моды одновременно с импульсом нечётной моды, дважды отраженного от стыка между отрезками.

Погонные задержки четной и нечетной мод для симметричной, относительно опорного проводника, структуры связанных линий передачи вычисляются как [Малютин Н.Д. Многосвязные полосковые структуры и устройства на их основе / Н.Д. Малютин. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. - 164 с.]

$${\tau }_{e,o}=\sqrt{(L_{11}\cdot C_{11}+L_{12}\cdot C_{12})\pm (L_{12}\cdot C_{11}+L_{11}\cdot C_{12})},$$ (6)

где С₁₁ и С₁₂, L₁₁ и L₁₂ - соответствующие элементы матриц (коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции) L и С.

Для демонстрации технического результата и доказательства реализуемости заявляемого устройства сначала рассмотрим линию, у которой второй отрезок не покрыт диэлектрическим слоем. Параметры первого и второго отрезков выбраны следующими: w₁=460 мкм, w₂=1650 мкм t=35 мкм, s₁=1500 мкм, s₂=1100 мкм, h=508 мкм, ε_r1=10,2. Длины первого и второго отрезков следующие l₁=1,5 м и l₂=0,2 м. Совокупность параметров поперечного сечения отрезков обеспечивают следующие матрицы C, L и Z первого (нижний индекс «1») и второго (нижний индекс «2») отрезков:

С ₁ $$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{167,582}& -\mathrm{1,494}\\ -\mathrm{1,494}& \mathrm{167,582}\end{array}\right]$$ , С₂$$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{603,733}& -\mathrm{68,089}\\ -\mathrm{68,089}& \mathrm{603,733}\end{array}\right]$$ пФ/м,

L ₁ $$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{420,817}& \mathrm{25,950}\\ \mathrm{25,950}& \mathrm{420,817}\end{array}\right]$$ , L₂$$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{216,400}& \mathrm{17,301}\\ \mathrm{17,301}& \mathrm{216,400}\end{array}\right]$$ нГн/м,

Z ₁ $$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{50,095}& \mathrm{1,769}\\ \mathrm{1,769}& \mathrm{50,095}\end{array}\right]$$ , Z₂$$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{19,051}& \mathrm{1,836}\\ \mathrm{1,836}& \mathrm{19,051}\end{array}\right]$$ Ом.

Для проверки выполнения условия (1) вычислено значение среднего геометрического волновых сопротивлений чётной и нечётной мод первого отрезка, которое составило 50,06 Ом. Таким образом, при выборе R₁=R₂=50 Ом условие минимизации отражений (1) выполняется с отклонением 0,12%. Для проверки выполнения условий (2)-(5) по выражению (6) вычислены значения погонных задержек чётной и нечётной мод первого и второго отрезков: τ_o1=8,170 нс/м, τ_e1=8,614 нс/м; τ_o2=11,188 нс/м, τ_e2=11,565 нс/м. Произведение нечётной моды первого отрезка на его удвоенную длину составляет 24,510 нс. Таким образом, при длительности воздействия 0,9 нс, условие (2) выполняется с запасом. Разности погонных задержек чётной и нечётной мод первого отрезка на его удвоенную длину составляет 1,332 нс. Таким образом, условие (3) выполняется. Произведение разности погонных задержек чётной и нечётной мод первого отрезка и его длины составило 0,667 нс, а произведение погонной задержки нечётной моды второго отрезка и его длины составило 0,481 нс. Таким образом, условие (4) не выполняется. Также не выполняется условие (5), поскольку τ_e2 ≠ τ_o2. Вычисленная форма напряжения на выходе линии для такого набора параметров отрезков показана на фиг. 3. Как видно из фиг. 3 амплитуда выходного сигнала определяется импульсом чётной моды (4 на фиг. 3) и составляет 204 мВ. Модули амплитуд отраженных от стыка импульсов мод составил 118 мВ и 106 мВ (1 и 2 на фиг. 3), а модуль дважды отраженных от стыка импульсов мод 92 мВ и 87 мВ (5 и 6 на фиг. 3). Таким образом, из-за того, что условия (4) и (5) не выполняются, не обеспечивается одновременный приход и взаимная компенсация импульсов 2 и 3 и 4 и 5, а следовательно и минимизация амплитуды выходного сигнала.

Теперь рассмотрим линию, у которой второй отрезок покрыт диэлектрическим слоем со следующими параметрами: h₂=508 мкм и ε_r2=15,7. Длины первого и второго отрезков l₁, l₂ выбраны следующими 1,0135 и 0,043 м соответственно. Поскольку параметры первого отрезка не изменились, то матрицы C₁, L₁ и Z₁ останутся такими же, как и ранее. Параметры второго отрезка обеспечивают следующие матрицы C₂, L₂ и Z₂:

С ₂ $$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{510,163}& -\mathrm{40,413}\\ -\mathrm{40,413}& \mathrm{510,163}\end{array}\right]$$ пФ/м, L₂$$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{216,401}& \mathrm{17,301}\\ \mathrm{17,301}& \mathrm{216,401}\end{array}\right]$$ нГн/м,

Z ₂ $$=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{20,660}& \mathrm{1,644}\\ \mathrm{1,644}& \mathrm{20,660}\end{array}\right]$$ Ом.

Поскольку элементы матрицы Z₁ не изменились, то условие (1) для линии, у которой второй отрезок покрыт диэлектрическим слоем по-прежнему выполняется. Для проверки выполнения условий (2)-(5) по выражению (6) вычислены значения погонных задержек четной и нечётной мод только второго отрезка (поскольку для первого отрезка они не изменились): τ_e2=10,477 нс/м, а τ_o2=10,469 нс/м. Таким образом, условие (5) выполняется с приемлемой точностью. Произведение нечётной моды первого отрезка на его удвоенную длину составляет 16,561 нс. Таким образом, при длительности воздействия 0,9 нс, условие (2) выполняется с запасом. Разности погонных задержек чётной и нечётной мод первого отрезка на его удвоенную длину составило 0,9 нс. Таким образом, условие (3) выполняется. Произведение разности погонных задержек чётной и нечётной мод первого отрезка и его длины составило 0,449 нс, а произведение погонной задержки нечётной моды второго отрезка и его длины составило 0,450 нс. Таким образом, условие (4) выполняется с хорошей точностью.

На фиг. 4 показана вычисленная форма напряжения на выходе линии, параметры отрезков которой обеспечивающая выполнение условий (1)-(5). Из неё видно, что СКИ на выходе линии представлен последовательностью из четырех основных импульсов с близкими амплитудами. Амплитуда импульса нечётной моды, отраженного от стыка между отрезками и пришедшего на выход линии составила 108 мВ (1 на фиг. 4). Амплитуда импульса, полученного в результате наложения (взаимной компенсации) импульсов нечётной моды и импульса чётной моды, отраженного от стыка между отрезками (2+3 на фиг. 4), составила 102 мВ. Амплитуда импульса, полученного в результате наложения (взаимной компенсации) импульсов чётной моды и импульса нечётной моды, дважды отраженного от стыка между отрезками (4+5 на фиг. 4), составила 122 мВ. Амплитуда импульса чётной моды, дважды отраженного от стыка между отрезками (6 на фиг. 4), также составила 0,122 В. Таким образом, третий и четвертый импульсы (4+5 и 6 на фиг. 4) определяют амплитуду выходного сигнала, которая относительно половины э.д.с. генератора составила 24,4%. В устройстве-прототипе эта амплитуда составляет 40%. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов. Технический результат заключается в увеличенном ослаблении сверхкороткого импульса (СКИ) за счет его разложения на последовательность из четырех основных импульсов и минимизации их амплитуд. Меандровая микроплосковая линия задержки состоит из двух электрически соединенных отрезков, второй из которых покрыт диэлектрическим слоем с диэлектрической проницаемостью большей, чем у подложки линии, и выбором геометрических параметров поперечного сечения первого и второго отрезков одновременно выполняются охарактеризованные установленной зависимостью условия, необходимые для соответствующего разложения СКИ. 6 ил.

Меандровая микроплосковая линия задержки состоит из двух электрически соединенных отрезков; первый отрезок длиной l₁ состоит из опорного проводника на одной стороне диэлектрической подложки, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников на её обратной стороне; второй отрезок длиной l₂ состоит из опорного проводника на одной стороне диэлектрической подложки, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников на её обратной стороне, которые электрически соединены между собой на дальнем конце и покрыты диэлектрическим слоем; выбором геометрических параметров поперечных сечений первого и второго отрезков, а также относительных диэлектрических проницаемостей подложки и покрывающего слоя одновременно обеспечиваются следующие условия:

$$R_1=R_2=\sqrt{(Z_1{}_{(11)}+Z_{1(}{}_{12)})\cdot (Z_1{}_{(11)}-Z_{1(}{}_{12)})},$$

2l₁(τ_e1-τ_o1) ≥ t_Σ,

l₁(τ_e1-τ_o1) = l₂τ_o2,

τ_e2 = τ_o2.

где R₁ - внутреннее сопротивление источника импульсных сигналов, R₂ - сопротивление нагрузки, Z₁₍₁₁₎ и Z₁₍₁₂₎ - соответствующие коэффициенты матрицы импедансов Z₁ первого отрезка, τ_e1 - погонная задержка чётной моды первого отрезка, а τ_o2 и τ_e2 - погонные задержки нечётной и чётной мод второго отрезка, а t_Σ - сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульсного воздействия.