УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С ОПОРНЫМ ПРОВОДНИКОМ В ВИДЕ БОКОВЫХ ПОЛИГОНОВ И НАЛИЧИЕМ КОМБИНАЦИОННЫХ ИМПУЛЬСОВ ВО ВРЕМЕННОМ ОТКЛИКЕ Российский патент 2025 года по МПК H04B15/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для защиты радиоэлектронных средств (РЭС) от кондуктивных помех, представляющих собой импульсные сигналы сверхкороткой длительности.

Важной задачей при разработке РЭС является обеспечение требований по электромагнитной совместимости (ЭМС). Это связано с высокой значимостью корректного функционирования радиоэлектроники, которая внедрена практически во все сферы жизнедеятельности человека. Развитие РЭС характеризуется увеличением количества и повышением сложности решаемых задач, усложнением конструкций, расширением возможностей, увеличением числа одновременной работы электрических установок, оснащением электронными элементами, чувствительными к электромагнитным воздействиям, увеличением плотности их размещения. Вышеперечисленные факторы приводят к снижению помехоустойчивости РЭС и повышению восприимчивости к электромагнитным помехам [Pissoort, D. Techniques and measures to achieve EMI resilience in mission- or safety-critical systems / D. Pissoort, J. Lannoo, J. Van Waes, A. Degraeve, J. Boydens // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. - 2017. - Vol. 6. - №4. - P. 107-114.]. Кроме того, имеется вероятность преднамеренных электромагнитных воздействий. Важным направлением ЭМС является защита РЭС от помех, которые проникают в них кондуктивным путем. В таком случае возникает необходимость в защите цепей питания, управления, синхронизации и др. Одним из опасных видов кондуктивных помех являются сверхкороткие импульсы (СКИ) субнаносекундной и наносекундной длительности. При воздействии СКИ с амплитудой, превышающей допустимые пороговые значения, происходит изменение параметров или выход из строя систем из-за повреждения элементов и узлов. Когда уровень наведенного СКИ становится сопоставимым с уровнем информационных сигналов (низковольтные помехи), может произойти разрушение обрабатываемой информации [Баталов, Л.В. Механизмы и последствия преднамеренных электромагнитных воздействий на передачу данных / Л.В. Баталов, М.И. Жуковский, Р.В. Киричек, Б.Н. Лазарев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 2 (78). - С. 103-108.]. Таким образом, актуальны разработка и усовершенствование устройств защиты от СКИ.

Известна четырехпроводная зеркально-симметричная структура, защищающая от сверхкоротких импульсов [Заболоцкий А.М., Газизов Т.Р., Куксенко С.П. Патент РФ на изобретение №2624465, опубликован 04.07.2017]. Недостатком данного устройства является недостаточное ослабление СКИ, а также малое значение интервалов времени между импульсами разложения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является выбранное за прототип устройство [Шарафутдинов В.Р., Газизов Т.Р., Медведев А.В. Патент РФ на изобретение №2738955, опубликован 21.12.2020], состоящее из сигнальных проводников, которые выполняются за счет зазоров в опорной проводящей пластине и прокладываются двумя парами, параллельно друг другу на верхнем и нижнем слоях подложки, причем пара верхнего слоя расположена зеркально нижнему слою. Недостатками данного устройства являются недостаточное ослабление помеховых импульсных сигналов, малые значения временных интервалов между импульсами разложения, малое значение общей длительности импульсного сигнала, который может быть разложен, отсутствие комбинационных импульсов во временном отклике.

Устройство защиты от импульсных сигналов с опорным проводником в виде боковых полигонов, состоящее из четырех сигнальных проводников, которые выполняются за счет зазоров в опорной проводящей пластине, в результате чего она представляет из себя четыре опорных проводника в виде боковых полигонов, и прокладываются двумя парами, параллельно друг другу на верхнем и нижнем слоях подложки, причем пара верхнего слоя расположена зеркально нижнему слою, отличающееся тем, что два сигнальных проводника, расположенные на одном слое, расположенные друг под другом на разных слоях и расположенные относительно друг друга диагонально на разных слоях, соединены между собой перемычкой в конце линии, в результате образуя виток меандровой линии из двух последовательно-соединенных полувитков, при этом на концах двух оставшихся сигнальных проводников подключены резисторы, и выбором параметров поперечного сечения, обеспечивающим равенство временных интервалов между всеми, в том числе комбинационными, импульсами разложения.

Техническим результатом является разложение СКИ на импульсы меньшей, относительно входного помехового импульса, амплитуды, включая комбинационные, с выравненными интервалами времени, значения которых увеличено, а также увеличенным значением общей длительности импульсного сигнала, по сравнению с прототипом.

Технический результат достигается за счет соединения двух проводников в конце линии так, что в результате образуется виток меандровой линии из двух последовательно-соединенных полувитков, использования ресурса комбинационных импульсов с задержками из комбинаций задержек импульсов основных мод, а также выбором параметров поперечного сечения, обеспечивающим равенство временных интервалов между всеми, включая комбинационные, импульсами разложения.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение заявленной линии, где w - ширина проводников, w₁ - ширина опорных проводников, s - расстояние между проводниками, t - толщина проводников, h - толщина диэлектрика, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Проводники 2 и 3 расположены на одной стороне диэлектрического слоя, а проводники 6 и 7 - зеркально на обратной, при этом два проводника соединены между собой на дальнем конце перемычкой: на одном слое (2-3), на разных слоях (2-6), диагонально (2-7), а проводники 1, 5, 4 и 8 - опорные и выполнены в виде боковых полигонов.

На фиг. 2 приведены эквивалентные схемы, моделируемые для подтверждения реализуемости устройства.

Схемы из фиг. 2 а, б и в, соответственно, демонстрируют три варианта соединения двух сигнальных проводников между собой с помощью перемычки в конце линии. При реализации соединения двух проводников на одном слое, приведенном на фиг. 2а, проводник 2 из фиг. 1 соединяется перемычкой с проводником 3 из фиг. 1 (вариант 1). При реализации соединения, расположенных друг под другом на разных слоях проводников, приведенном на фиг. 2б, проводник 2 из фиг. 1 соединяется перемычкой с проводником 6 из фиг. 1 (вариант 2). При реализации соединения, расположенных относительно друг друга диагонально на разных слоях проводников, приведенном на фиг. 2в, проводник 2 из фиг. 1 соединяется перемычкой с проводником 7 из фиг. 1 (вариант 3).

Первый проводник (проводник 2 на фиг. 1) является активным и соединен на ближнем конце с источником СКИ, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. Е_г и внутренним сопротивлением R_г. На дальнем конце первый проводник линии соединен с помощью перемычки с другим проводником, образуя меандровую линию из двух полувитков, а ее конец соединен с защищаемой цепью, представленной сопротивлением R_н. Пассивные проводники (3, 6 и 7 на фиг. 1) через резисторы R, соединяются с опорными проводниками. Значения резисторов равны волновому сопротивлению тракта. Длина проводников l=1 м каждый. Воздействующий СКИ имеет форму трапеции с э.д.с. 5 В и длительностями фронта, спада и плоской вершины по 50 пс.

На фиг. 2 узлами V₂-V₇ пронумерованы по порядку узлы на ближнем и дальнем концах каждого проводника, в которых могут быть вычислены формы напряжения. В узле V₁ вычисляется форма э.д.с, узле V₂ -напряжение на входе активного проводника, узлах V₃, V₄ и V₅ (фиг. 2а, б и в, соответственно) - на выходе активного проводника. В узлах V₄ и V₅ (фиг. 2а), V₃ и V₅ (фиг. 2б), V₃ и V₄ (фиг. 2в) могут быть, при необходимости, вычислены формы напряжения в начале пассивных проводников, а в узлах V₆, V₇ и V₈ - в конце пассивных проводников.

Значения параметров, которые обеспечивают равенство временных интервалов между всеми, включая комбинационные, импульсами разложения: для схемы 1 s=0,534118, w=0,497647, h=0,502745, w₁=2,03529 и d=4,55294 мм; для схемы 2 s=0,548235, w=0,316471, h=0,461961, w₁=1,11765 и d=2,17647 мм; для схемы 3 s=0,738824, w=0,868235, h=0,272157, w₁=1,38431 и d=3,02353 мм.

Значения параметров линии влияют на погонные матрицы первичных параметров (погонных емкостей C и индуктивностей L). На их основе вычисляются матрицы погонных задержек τ, которой определяются задержки импульсов мод.

Для демонстрации достижения технического результата выполнено моделирование временного отклика на воздействие СКИ. Моделирование выполнено с помощью квазистатического подхода, реализованного в системе TALGAT. Детальное вычисление временного отклика на воздействие импульса описано, например, в пункте 1.2.1 монографии [Заболоцкий А.М., Газизов Т.Р. Временной отклик многопроводных линий передачи. Томск: Томский государственный университет, 2007. 152 с.].

На фиг. 3 представлены результаты моделирования временного отклика на выходе устройства (формы напряжения в узлах V₃, V₄ и V₅ из фиг. 2а, б и в, соответственно). Наблюдаются импульс перекрестной наводки (τ₀), импульсы четырех основных мод (τ_a, τ_b, τ_c и τ_d), а также комбинационные импульсы с задержками, состоящими из комбинаций основных мод: для схемы 1 из фиг. 2а - τ_b+τ_c и τ_d+τ_a; для схемы 2 из фиг. 2б - τ_a+τ_b и τ_c+τ_d; для схемы 3 из фиг. 2в - τ_a+τ_c и τ_b+τ_d.

Значения временных интервалов между импульсами разложения: для схемы 1 из фиг. 2а Δt₁=0,411, Δt₂=0,411, Δt₃=0,398, Δt₄=0,438 и Δt₅=0,438 нс; для схемы 2 из фиг. 2б - Δt₁=0,608, Δt₂=0,608, Δt₃=0,607, Δt₄=0,605 и Δt₅=0,605 нс; для схемы 3 из фиг. 2в Δt₁=0,834, Δt₂=0,837, Δt₃=0,834, Δt₄=0,837 и Δt₅=0,834 нс.

Из анализа форм напряжения на выходе видно, что увеличилось минимальное значение временного интервала между импульсами разложения (min(Δt)) по сравнению с прототипом. Этого удалось достичь из-за выравнивания и увеличения значений временных интервалов между импульсами основных и комбинационных мод. Как следствие, это позволило увеличить длительность входного СКИ (t_Σ), который будет испытывать полное разложение в линии, которое зависит от min(Δt): t_Σ<l⋅min(Δt).

В результате обеспечивается защита от СКИ, с увеличенным значением его общей длительности, за счет его разложения на импульсы меньшей амплитуды, включая комбинационные, с выравненными временными интервалами, значения которых увеличено по сравнению с прототипом. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлено заявленное устройство.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для защиты радиоэлектронных средств (РЭС) от кондуктивных помех, представляющих собой импульсные сигналы сверхкороткой длительности. Устройство защиты от импульсных сигналов с опорным проводником в виде боковых полигонов, состоящее из четырех сигнальных проводников, которые выполняются за счет зазоров в опорной проводящей пластине, в результате чего она представляет из себя четыре опорных проводника в виде боковых полигонов, и прокладываются двумя парами, параллельно друг другу на верхнем и нижнем слоях подложки, причем пара верхнего слоя расположена зеркально нижнему слою, отличается тем, что два сигнальных проводника в конце линии соединены между собой перемычкой на одном слое, на разных слоях параллельно и на разных слоях диагонально, образуя виток меандровой линии из двух последовательно соединенных полувитков, при этом на концах двух оставшихся сигнальных проводников подключены резисторы, выбором параметров поперечного сечения обеспечивается равенство временных интервалов между всеми, в том числе комбинационными, импульсами разложения. Техническим результатом является разложение СКИ на импульсы меньшей относительно входного помехового импульса амплитуды, включая комбинационные, с выравненными интервалами времени, значения которых увеличено, а также увеличенным значением общей длительности импульсного сигнала по сравнению с прототипом. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство защиты от импульсных сигналов с опорным проводником в виде боковых полигонов, состоящее из четырех сигнальных проводников, которые выполняются за счет зазоров в опорной проводящей пластине и прокладываются двумя парами параллельно друг другу на верхнем и нижнем слоях подложки, причем пара верхнего слоя расположена зеркально нижнему слою, отличающееся тем, что два сигнальных проводника в конце линии соединены между собой перемычкой на одном слое, образуя виток меандровой линии из двух последовательно соединенных полувитков, который на одном конце устройства электрически соединен с источником помех, а на другом - с защищаемой цепью, при этом два оставшихся сигнальных проводника подключены через резисторы к опорным проводникам.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что два сигнальных проводника в конце линии соединены между собой перемычкой на разных слоях диагонально.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что два сигнальных проводника в конце линии соединены между собой перемычкой на разных слоях параллельно.