СВЕРНУТАЯ МЕАНДРОВАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ С ДВУМЯ ПАССИВНЫМИ ПРОВОДНИКАМИ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2024 года по МПК H03H7/30 

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 микрополосковая линия (МПЛ) с двумя пассивными проводниками, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2769104. Меандровая микрополосковая линия с двумя пассивными проводниками, защищающая от сверхкоротких импульсов / К.П. Малыгин, А.В. Носов, Р.С. Суровцев – Заявка №2021117865; заявл. 21.06.2021; опубл. 28.03.2022], состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, сигнальные проводники которой расположены между двумя дополнительно введенными пассивными проводниками на одной стороне диэлектрической подложки, каждый из которых расположен параллельно им и опорному проводнику, и резисторами, соединяющими каждый конец пассивных проводников с опорным, при этом тракт, в который включена линия, и резисторы на концах пассивных проводников имеют сопротивление 50 Ом, а выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается разложение на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего.

Недостаток устройства-прототипа – его большие габариты и недостаточное 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, сигнальные проводники которой расположены между двумя дополнительно введенными пассивными проводниками на одной стороне диэлектрической подложки, каждый из которых расположен параллельно им и опорному проводнику, и резисторами, соединяющими каждый конец пассивных проводников с опорным, при этом тракт, в который включена линия, и резисторы на концах пассивных проводников имеют сопротивление 50 Ом, а выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается разложение на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего, отличающаяся тем, что линия свернута в десять неосновных витков и один неосновной полувиток.

Технический результат – уменьшение габаритов и увеличенное ослабление СКИ. Технический результат достигается за счет сворачивания линии.

Покажем реализуемость заявляемого устройства. Рассмотрим сначала выбор параметров основного витка линии, несвернутого в десять неосновных витков и один неосновной полувиток. Основным витком обозначается исходный несвернутый виток (когда два проводника закорочены на одном конце), однако этот виток далее будет свернут в меандр с определенным количеством неосновных витков и полувитков (более подробно это продемонстрировано на фиг. 2). Параметры выбираются такими, чтобы обеспечить ряд простых условий, приведенных ниже. Выполнение этих условий позволяет разложение СКИ на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии не раньше окончания предыдущего: импульс перекрестной наводки; 4 импульса мод линии; 6 дополнительных импульсов, возникающих из-за асимметрии поперечного сечения линии. Последующее уменьшение амплитуды на выходе основного витка линии может быть обеспечено за счет боковой связи между проводниками линии, например, за счет выбора оптимального значения расстояния между ними можно минимизировать амплитуды импульсов разложения, определяющих максимальную амплитуду сигнала на выходе линии. Позже, к выходу основного витка линии будут приходить импульсы разной полярности, вызванные отражениями. Максимальную амплитуду на выходе структуры определяет последний импульс. За счет такого разложения СКИ на последовательность импульсов уменьшается амплитуда выходного сигнала.

Для уменьшения конечных габаритов основного витка меандровой МПЛ с двумя пассивными проводниками и увеличения ослабления СКИ она сворачивается в десять неосновных витков и один неосновной полувиток. За счет наличия перемычек и связи между неосновными витками при сворачивании линии возникает множество осцилляций, которые дополнительно уменьшают амплитуду СКИ на ее выходе. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования на конкретном примере.

На фиг. 1 представлена схема соединений несвернутой меандровой МПЛ с двумя пассивными проводниками, а на фиг. 2 приведено ее поперечное сечение со следующими параметрами: w и t – ширина и толщина проводников соответственно, s – расстояние между проводниками, h – толщина диэлектрической подложки, ε_r – диэлектрическая проницаемость подложки. Она состоит из четырех проводников длиной каждого l=4,2 м, расположенных на одной стороне диэлектрической подложки, два из которых сигнальные (А1 и А2 на фиг. 2), соединенные между собой на одном конце и расположенные между двумя пассивными (П1 и П2 на фиг. 2) проводниками. На другой стороне подложки располагается опорная плоскость земли (О на фиг. 2). Один из сигнальных проводников соединен с источником э.д.с, а второй – с приемным устройством. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 1 В, длительности плоской вершины, фронта и спада – по 230 пс. Сопротивления генератора, приемного устройства и резисторов на концах пассивных проводников приняты равными по 50 Ом.

Параметры поперечного сечения на фиг. 2 выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия:

2lτ₁≥t_СКИ, (1) lτ ₂≥lτ₁+t_СКИ, (2) 2lτ₂≥lτ₁+lτ₃+t_СКИ, (3) lτ ₃≥lτ₂+t_СКИ, (4) lτ ₁+lτ₄≥2lτ₃+t_СКИ, (5) lτ ₄≥lτ₃+t_СКИ. (6)

где l – длина отрезка линии передачи, τ₁–τ₄ – погонные задержки мод линии, а t_CКИ – общая длительность СКИ.

Для подтверждения возможности выполнения условий (1)-(6) рассмотрим линию, на фиг. 1, со следующими параметрами поперечного сечения на фиг. 2: w₁=200 мкм, w₂=300 мкм, w₃=1900 мкм, w₄=600 мкм, t=18 мкм, s=400 мкм, h=450 мкм, ε_r=10,2, l=4,2 м. Вычисленные матрицы C и L:

С $$=\left[\begin{array}{rrrr}\hfill \mathrm{123,081}& \hfill -\mathrm{16,028}& \hfill -\mathrm{1,258}& \hfill -\mathrm{0,118}\\ \hfill -\mathrm{16,028}& \hfill \mathrm{149,271}& \hfill -\mathrm{17,81}& \hfill -\mathrm{0,174}\\ \hfill -\mathrm{1,258}& \hfill -\mathrm{17,81}& \hfill \mathrm{474,814}& \hfill -\mathrm{19,109}\\ \hfill -\mathrm{0,118}& \hfill -\mathrm{0,174}& \hfill -\mathrm{19,109}& \hfill \mathrm{208,706}\end{array}\right]$$ пФ/м,

L $$=\left[\begin{array}{rrrr}\hfill \mathrm{546,25}& \hfill \mathrm{109,805}& \hfill \mathrm{22,16}& \hfill \mathrm{8,082}\\ \hfill \mathrm{109,805}& \hfill \mathrm{465,199}& \hfill \mathrm{49,208}& \hfill \mathrm{14,527}\\ \hfill \mathrm{22,16}& \hfill \mathrm{49,208}& \hfill \mathrm{182,015}& \hfill \mathrm{41,628}\\ \hfill \mathrm{8,082}& \hfill \mathrm{14,527}& \hfill \mathrm{41,628}& \hfill \mathrm{350,168}\end{array}\right]$$ нГн/м.

Вычисленные погонные задержки мод: τ₁=7,69 нс/м, τ₂=8,19 нс/м, τ₃=8,41 нс/м, τ₄=9,59 нс/м. При подстановке известных переменных в (1)-(6) они выполняются с запасом. На фиг. 3 представлена форма напряжения на выходе (в узле V6 на фиг 1) несвернутой линии. Из нее видно, что СКИ представлен последовательностью из 11 импульсов с амплитудой, не превышающей 94,6 мВ, что составляет 18,9% от половины амплитуды э.д.с. источника. Максимальную амплитуду при этом определяет последний импульс.

Рассчитаем размер несвернутой меандровой МПЛ с двумя пассивными проводниками. Исходя из оптимальных значений геометрических параметров, представленных выше, ее ширина и длина составляют 5 мм и 4,2 м соответственно. Такие размеры затруднительно и нецелесообразно использовать на печатных платах. Поэтому необходимо уменьшить конечные габариты устройства. Для этого основной виток линии был свернут в десять неосновных витков и один неосновной полувиток с сильной связью между собой так, что длина и ширина структуры составили 200 и 100 мм соответственно (при этом, если развернуть эту линию, то ее длина составит 4,2 м). Сильная связь при этом обеспечивается расстоянием между неосновными витками s_nv=400 мкм, которое для наглядности представлено на фиг. 4, если рассматривать эту схему, как вид сверху на свернутую линию. Схема соединений такой свернутой меандровой МПЛ с двумя пассивными проводниками представлена на фиг. 4. Ее геометрические параметры аналогичны тем, что представлены выше, а длина структуры составляет l=200 мм. На фиг. 5 представлена форма напряжения на выходе меандровой МПЛ с двумя пассивными проводниками, свернутой в десять неосновных витков и один неосновной полувиток. Видно, что максимальная амплитуда напряжения на ее выходе определяется осцилляциями отрицательной полярности и не превышает по модулю 50,4 мВ, что составляет 10,1% от уровня E/2 (тогда как в исходном несвернутом витке линии она составляет 18,9%). При этом основные импульсы сильно искажены. Это обусловлено наложением на них осцилляций, возникающих из-за наличия множества перемычек между витками. При уменьшении длины такой структуры (l) задержки импульсов разложения и осцилляций уменьшатся. Это приведет к наложению осцилляций разной полярности друг на друга и на основные импульсы. Вследствие этого габариты структуры и максимальная амплитуда на ее выходе будут дополнительно уменьшены. Поэтому длина структуры уменьшена до l=100 мм, а на фиг. 6 представлена форма напряжения на ее выходе. Видно, что максимальную амплитуду напряжения на ее выходе уже определяют основные импульсы разложения, так как осцилляции разной полярности компенсируют друг друга. В результате максимальная амплитуда напряжения на выходе такой структуры составила 48,5 мВ, что составляет уже 9,7% от уровня E/2.

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 уменьшении габаритов линии задержки и увеличении ослабления входного сверхкороткого импульса (СКИ). Линия задержки состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, сигнальные проводники которой расположены между двумя дополнительно введенными пассивными проводниками на одной стороне диэлектрической подложки, каждый из которых расположен параллельно им и опорному проводнику, и резисторами, соединяющими каждый конец пассивных проводников с опорным, при этом тракт, в который включена линия, и резисторы на концах пассивных проводников имеют сопротивление 50 Ом, а выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается разложение на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего, при этом линия задержки свернута в десять неосновных витков и один неосновной полувиток с наличием перемычек между неосновными витками, а связь между ними обеспечивается расстоянием S_nv=400мкм. 6 ил.

Линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, сигнальные проводники которой расположены между двумя дополнительно введенными пассивными проводниками на одной стороне диэлектрической подложки, каждый из которых расположен параллельно им и опорному проводнику, и резисторами, соединяющими каждый конец пассивных проводников с опорным, при этом тракт, в который включена линия, и резисторы на концах пассивных проводников имеют сопротивление 50 Ом, а выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается разложение на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего, отличающаяся тем, что параметры поперечного сечения удовлетворяют условиям 2lτ₁≥t_СКИ, lτ₂≥lτ₁+t_СКИ, 2lτ₂≥lτ₁+lτ₃+t_СКИ, lτ₃≥lτ₂+t_СКИ, lτ₁+lτ₄≥2lτ₃+t_СКИ, lτ₄≥lτ₃+t_СКИ, где l - длина отрезка линии передачи, τ₁-τ₄ - погонные задержки мод линии, а t_CКИ - общая длительность сверхкороткого импульса, и линия свернута в десять неосновных витков и один неосновной полувиток с наличием перемычек между неосновными витками, а связь между ними обеспечивается расстоянием s_nv=400 мкм.