ЗЕРКАЛЬНО-СИММЕТРИЧНАЯ МЕАНДРОВАЯ ЛИНИЯ С ДВУМЯ ПОЛУВИТКАМИ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2025 года по МПК H04B15/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для защиты радиоэлектронных средств (РЭС) от помеховых сверхкоротких импульсов (СКИ), которые проникают и распространяются в РЭС кондуктивным путем.

Задача обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) и функциональной безопасности РЭС является актуальной из-за высокой значимости их корректного функционирования [Li, E.-P. Progress Review of Electromagnetic Compatibility Analysis Technologies for Packages, Printed Circuit Boards, and Novel Interconnects / E.-P. Li; X.-C. Wei; A.C. Cangellaris et al. // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2010. - Vol. 52. - № 2. - P. 248-265]. Это связано с тенденцией к уменьшению размеров микросхем, увеличению тактовой частоты, миниатюризации и с восприимчивостью к помехам. Преднамеренные электромагнитные помехи (ЭМП), перекрестные наводки, помехи отражения, синфазные и дифференциальные помехи и т.д. могут вызвать значительные проблемы. В частности, существуют помеховые СКИ, которые проникают в РЭС кондуктивным путем, т.е. по цепям питания, интерфейсным или сигнальным цепям. СКИ могут привести к временным сбоям или необратимым повреждениям. Защите от СШП ЭМП необходимо уделять особое внимание, так как они обладают малой длительностью, из-за чего энергия не успевает распределиться по элементам структуры, и поэтому из-за ее локализации в одной точке увеличивается вероятность отказа в чувствительных областях. Мощные излучатели СКИ могут применяться для функционального поражения информационных и телекоммуникационных систем путем повреждения элементов и узлов, что может привести к потере информации, сбоям в каналах связи, отказам в системах управления и контроля. В результате может быть нарушена работа РЭУ, в том числе критичной инфраструктуры, имеющей решающее значение для экономики государства. С учетом особенностей временных и энергетических характеристик СКИ различной природы в условиях современной электромагнитной обстановки, традиционные средства защиты от импульсных помех (LC- и RC-фильтры, ограничители напряжения, газоразрядники и др.) могут оказаться недостаточно эффективными [Балюк, Н.В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты / Н.В. Балюк, Л.Н. Кечиев, П.В. Степанов // М.: ООО «Группа ИДТ». - 2009. - 478 с.]. Поэтому актуальна разработка новых устройств защиты от СКИ.

Известно устройство защиты от СКИ [Патент на изобретение №2624465. Четырехпроводная зеркально-симметричная структура, защищающая от сверхкоротких импульсов / А.М. Заболоцкий, Т.Р. Газизов, С.П. Куксенко - Заявка № 2015137546; заявл. 02.09.2015; опубл. 04.07.2017]. Недостатком данного устройства являются малые значения временных интервалов между импульсами разложения.

Известно устройство защиты от СКИ [Патент на изобретение №2726743. Зеркально-симметричная меандровая линия, защищающая от сверхкоротких импульсов / Белоусов А.О., Газизов Т.Р., Черникова Е. - Заявка № 2019140186; заявл. 09.12.2019; опубл. 15.07.2020]. Недостатками данного устройства являются недостаточное ослабление и отсутствие комбинационных импульсов, которые можно использовать для усовершенствования характеристик устройства.

Наиболее близким к заявляемому устройству является выбранное за прототип устройство защиты от СКИ [Черникова Е.Б. Зеркально-симметричные модальные фильтры и меандровые линии. [Текст]: дисс. канд. техн. наук: 2.2.13 / Черникова Евгения Борисовна. - Томск, 2021. - с. 146. - Режим доступа: https://postgraduate.tusur.ru/system/file_copies/files/000/002/669/original/Черникова_диссертация.pdf], состоящее из пяти в поперечном сечении одинаковых и прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, и третий - между ними по центру, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрического слоя, третий проводник расположен в диэлектрическом слое на равном расстоянии от внешних проводников, а между концами проводников и третьим проводником подключены резисторы, при этом пара проводников не имеет подключенных резисторов, а соединена между собой на дальнем конце линии с помощью перемычки. Недостатками данного устройства являются недостаточное ослабление СКИ и неиспользование ресурса комбинационных импульсов для улучшения характеристик.

Предлагается зеркально-симметричная меандровая линия, защищающая от сверхкоротких импульсов, состоящая из пяти в поперечном сечении одинаковых и прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, третий - между ними по центру, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрического слоя, третий проводник расположен в диэлектрическом слое на равном расстоянии от внешних проводников, а между концами проводников и третьим проводником подключены резисторы, при этом пара проводников не имеет подключенных резисторов, а соединена между собой на дальнем конце линии с помощью перемычки, где первый проводник соединен со вторым, третьим и четвертым проводниками, соответственно, отличающаяся шириной проводников, равной 0,5 мм для первого, 1 мм - для второго и 1,5 мм - для третьего соединения; расположением проводников относительно друг друга в поперечном сечении путем увеличения их разноса до 2 мм для первого соединения и уменьшением до 0,2 мм - для второго и третьего соединения и высотой диэлектрического слоя, увеличенной до 2 мм для второго и третьего соединения.

Техническим результатом является разложение СКИ на импульсы с приравненными значениями амплитуд основных и комбинационных импульсов с увеличенным по сравнению с прототипом ослаблением.

Технический результат достигается за счет асимметрии оконечных нагрузок, из-за которой возникают комбинационные импульсы с задержками из комбинаций задержек импульсов основных мод, а также за счет изменения лицевой и боковой электромагнитной связи между проводниками, так что в результате для первого соединения перемычки увеличивается лицевая связь, а для второго и третьего соединения увеличивается боковая связь, обеспечивающие приравнивание амплитуд основных и комбинационных импульсов.

На фиг. 1 приведено поперечное сечение, моделируемое для подтверждения реализуемости устройства, где w - ширина проводников, s - расстояние между проводниками, t - толщина проводников, h - толщина диэлектрика, d - расстояние от края до проводника, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Проводники 1 и 2 расположены на одной стороне диэлектрического слоя, проводник 3 (опорный) расположен между ними по центру, а проводники 1* и 2* расположены зеркально-симметрично на обратной стороне диэлектрического слоя, при этом два проводника попарно соединены между собой на дальнем конце: на одном слое (1-2); на разных слоях (1-1*); диагонально (1-2*). Значения параметров для первого соединения: s=1,993 мм; w=0,524 мм; h=0,506 мм (уменьшена боковая связь и незначительно уменьшена лицевая связь), для второго соединения: s=0,221 мм; w=1,094 мм; h=1,806 мм и для третьего соединения: s=0,2 мм; w=1,559 мм; h=1,976 мм (увеличена боковая связь и уменьшена лицевая связь).

На фиг. 2 представлены три эквивалентных схемы заявляемого устройства. Зеркально-симметричная меандровая линия состоит из 4 (не считая опорного) проводников длиной l, равной 1 м, по два на каждой стороне диэлектрического слоя, два из которых последовательно соединены между собой на дальнем конце перемычками (первый проводник соединен со вторым, третьим и четвертым проводниками соответственно), что приводит к возникновению комбинационных импульсов во временном отклике. Первый проводник соединен на одном конце с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником ЭДС. E_Г с внутренним сопротивлением R_Г, а на другом конце соединен с защищаемой цепью, представленной на схеме эквивалентным сопротивлением R_Н. Резисторы R подсоединены в начале и конце двух оставшихся проводников. Значения сопротивления резисторов R_Г, R_Н и R приняты равными волновому сопротивлению тракта.

Для демонстрации достижения технического результата выполнено моделирование временного отклика на воздействие СКИ амплитудой ЭДС 5 В и общей длительностью 150 пс. 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 представлен результат моделирования временного отклика на выходе устройства (формы напряжения в узлах V₃, V₄ и V₅ из фиг. 2а, б и в соответственно). Все три соединения перемычкой проводников в устройстве позволяет разложить помеховый СКИ на 7 импульсов меньшей амплитуды: импульс перекрестной наводки (τ₀), импульсы четырех основных мод (τ_a, τ_b, τ_c и τ_d), а также комбинационные импульсы с задержками из комбинаций задержек основных мод: для схемы из фиг. 2а - τ_b+τ_c и τ_d+τ_a; для схемы из фиг. 2б - τ_d+τ_c и τ_b+τ_a; для схемы из фиг. 2в - τ_b+τ_d и τ_a+τ_c. Значения максимальной амплитуды на выходе устройства, при заявленном расположении проводников и диэлектриков в поперечном сечении, составили: для первого соединения из фиг. 2а - 0,539 В; для второго соединения из фиг. 2б - 0,488 В; для третьего соединения из фиг. 2в - 0,485 В. В таком случае из фиг. 3 видно приравнивание амплитуд основных и комбинационных импульсов, и, как результат, СКИ ослабляется в 4,7, 5,1 и 5,2 раза относительно половины ЭДС (2,5 В), что в среднем в 1,3 раза больше, чем для исходной схемы, где СКИ уменьшается в 3,78 раза.

В результате обеспечивается защита от СКИ с увеличенным ослаблением по сравнению с прототипом, которое удалось достичь за счет приравнивания амплитуд импульсов основных и комбинационных мод. 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 помеховых сверхкоротких импульсов (СКИ). Технический результат заключается в увеличении ослабления путем разложения СКИ на импульсы с приравненными значениями амплитуд основных и комбинационных импульсов. Зеркально-симметричная меандровая линия, защищающая от сверхкоротких импульсов, состоит из пяти в поперечном сечении прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, третий - между ними по центру, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрического слоя, третий проводник расположен в диэлектрическом слое на равном расстоянии от внешних проводников, при этом пара проводников соединена между собой на дальнем конце линии с помощью перемычки, где первый проводник соединен, или со вторым, или с третьим, или с четвертым проводниками, соответственно в первом, или втором, или третьем соединении, образуя проводник, который соединен на одном конце с источником импульсных сигналов, а на другом конце соединен с защищаемой цепью, а между концами оставшихся проводников и третьим проводником подключены резисторы, значения сопротивления которых приняты равными волновому сопротивлению тракта для всех трех соединений, при этом для каждого соединения установлены соответствующие ширина проводников, расстояние между проводниками и толщина диэлектрика. 3 ил.

Зеркально-симметричная меандровая линия, защищающая от сверхкоротких импульсов, состоящая из пяти в поперечном сечении прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, третий - между ними по центру, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрического слоя, третий проводник расположен в диэлектрическом слое на равном расстоянии от внешних проводников, при этом пара проводников соединена между собой на дальнем конце линии с помощью перемычки, где первый проводник соединен, или со вторым, или с третьим, или с четвертым проводниками, соответственно в первом, или втором, или третьем соединении, образуя проводник, который соединен на одном конце с источником импульсных сигналов, а на другом конце соединен с защищаемой цепью, а между концами оставшихся проводников и третьим проводником подключены резисторы, отличающаяся тем, что значения сопротивления резисторов приняты равными волновому сопротивлению тракта для всех трех соединений, при этом для первого соединения ширина проводников равна 0,524 мм, расстояние между проводниками увеличено до 1,993 мм, а толщина диэлектрика увеличена до 0,506 мм, для второго соединения ширина проводников равна 1,094 мм, расстояние между проводниками уменьшено до 0,221 мм, а толщина диэлектрика увеличена до 1,806 мм, и для третьего соединения ширина проводников равна 1,559 мм, расстояние между проводниками уменьшено до 0,2 мм, а толщина диэлектрика увеличена до 1,976 мм.