Линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов с увеличенной длительностью

Изобретение относится к средствам для защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов. Техническим результатом является увеличение длительности СКИ (сверхкороткий импульс), который может быть полностью разложен в витке меандровой линии задержки. Технический результат достигается за счет выбора параметров линии. Линия задержки состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды, с выбором параметров линии такими, что 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, отличающаяся тем, что выбором параметров поперечного сечения линии также обеспечивается равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек. 3 ил.

 

В настоящее время актуальной задачей является защита радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ) наносекундного и субнаносекундного диапазона, 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 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 микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов [Surovtsev R.S., Nosov A.V., Zabolotsky A.M. Simple Method of Protection against UWB Pulses Based on a Turn of Meander Microstrip Line Proc. of 16-th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices / R.S. Surovtsev, A.V. Nosov, A.M. Zabolotsky // Novosibirsk State Technical University. - Erlagol, Altai - 29 June - 3 Jule, 2015, pp. 175-177], которая состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды, с выбором параметров линии, одновременно обеспечивающих: 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; минимальную амплитуду сигнала на выходе линии.

Недостатком устройства-прототипа является малая длительность СКИ, от которого может быть обеспечена защита РЭА.

Заявляется линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды, с выбором параметров линии такими, что 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, отличающаяся тем, что выбором параметров поперечного сечения линии также обеспечивается равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек.

Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенная длительность СКИ, защита от которого может быть обеспечена.

Техническим результатом является увеличение длительности СКИ, который может быть полностью разложен в витке меандровой линии задержки. Технический результат достигается за счет разноса по времени импульсов четной и нечетной моды на значение, равное произведению удвоенной длины линии и минимальной из погонных задержек четной или нечетной мод линии. Это обеспечивается равенством удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек. Обеспечение этого условия позволяет увеличить длительность исходного импульса, разлагаемого на последовательность импульсов с меньшей амплитудой. Первые три импульса (импульс перекрестной наводки и импульсы четной и нечетной мод) разнесены друг относительно друга по времени на одинаковое значение, равное удвоенному произведению длины линии и минимального из значений погонной задержки четной и нечетной мод. Позже, к концу линии будут приходить импульсы чередующейся полярности, вызванные отражениями, и отстоящие от первых трех импульсов и друг относительно друга на значение, равное удвоенному произведению длины линии и минимального из значений погонной задержки четной и нечетной мод. Таким образом, за счет разложения исходного импульса на последовательность импульсов меньшей амплитуды обеспечивается защита от СКИ, а за счет разноса этих импульсов на величину, равную удвоенному произведению длины линии и минимального из значений погонной задержки четной и нечетной мод, обеспечивается увеличенная (по сравнению с устройством-прототипом) длительность СКИ, который может быть разложен в такой линии. При этом максимальная длительность полностью разлагаемого СКИ соответствует удвоенному произведению длины линии и значения наименьшей из погонных задержек четной или нечетной мод линии. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными в результате моделирования.

На фиг. 1а приведено поперечное сечение заявляемой линии, со следующими параметрами: w и t - ширина и толщина проводников соответственно, s- расстояние между проводниками, h - толщина диэлектрической подложки, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. На фиг. 1б приведена эквивалентная схема заявляемой линии. Она состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников длиной l=45 мм каждый, находящихся на диэлектрической подложке и соединенных между собой на одном конце. Один из проводников линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником эдс. Е_Г и внутренним сопротивлением R_Г. Форма эдс источника имеет форму трапеции с длительностью плоской вершины 100 пс, а фронта и спада по 50 пс. Другой проводник линии соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R_Н.

Значения R_Г и R_Н для минимизации отражения сигнала на концах проводников линии приняты равными среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод линии

где Z₁₁ и Z₁₂ - соответствующие коэффициенты матрицы импедансов Z.

Параметры поперечного сечения на фиг. 2б выбраны так, чтобы выполнялись условия

где τ_max и τ_min - наибольшее и наименьшее из значений погонных задержек четной и нечетной мод соответственно, a t_r, t_d и - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.

Выполнение условия (2) обеспечивает приход основного импульса сигнала к концу линии по окончании ближней перекрестной наводки от фронта сигнала. Условие (3) обеспечивает полное разложение импульса основного сигнала в конце линии на импульсы четной и нечетной мод. Наконец, выполнение условия (4) обеспечивает разложение СКИ с большей длительностью (до 2⋅l⋅τ_min), в отличие от устройства-прототипа.

Для доказательства реализуемости заявляемого устройства сначала рассмотрим устройство-прототип - линию задержки со следующими параметрами поперечного сечения: w=300 мкм, t=105 мкм, s=23 мкм, d=900 мкм, h=510 мкм, ε_r=10. Длина линии l=45 мм. Вычисленные матрицы погонных параметров

Значения сопротивлений R_Н и R_Г, вычисленные по (1) с помощью соответствующих коэффициентов матрицы Z, получились равными 32,06 Ом.

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.]

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

По выражению (5) с помощью соответствующих коэффициентов матриц С и L получим τ_e=8,10нс/м, τ_o=5,46 нс/м. Так как погонная задержка нечетной моды имеет наименьшее значение, то ее произведение на удвоенную длину линии составляет 491,4 пс. Сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульсного сигнала составляет 200 пс. Таким образом, условие (2) выполняется с запасом. Произведение модуля разности погонных задержек четной и нечетной мод линии на ее удвоенную длину составляет 237,6 пс. Таким образом, условие (3) выполняется. Однако не выполняется условие (4), поскольку удвоенное значение погонной задержки нечетной моды не равно значению погонной задержки четной моды.

Форма сигнала в конце такой линии при воздействии импульсом в виде трапеции с длительностью 200 пс представлена на фиг 2а. Как видно, при длительности воздействующего сигнала 200 пс его прохождение по витку меандровой линии приводит к разложению сигнала на три основных импульса (импульс перекрестной наводки на ближнем конце и импульсы четной и нечетной мод сигнала). Амплитуда этих импульсов составляет около 40% от амплитуды сигнала в начале линии. Позже к концу линии приходят импульсы разной полярности и меньшей амплитуды, вызванные отражениями. При увеличении длительности воздействующего сигнала до 500 пс его прохождение по витку меандровой линии приводит к разложению исходного сигнала лишь на два основных импульса: импульс перекрестной наводки на ближнем конце и импульс, который является результатом суперпозиции импульсов четной и нечетной мод сигнала. При этом амплитуда сигнала увеличивается до 80% от амплитуды сигнала в начале линии. Таким образом, устройство не обеспечивает должную защиту от СКИ с длительностями более 200 пс.

Теперь рассмотрим заявляемую линию, поперечное сечение которой соответствует фиг. 1а. Для обеспечения выполнения условий (2)-(4) параметры поперечного сечения выбраны следующими: w=300 мкм, t=205 мкм, s=17 мкм, d=900 мкм, h=510 мкм, ε_r=30. Длина линии l=45 мм. Вычисленные матрицы

Значения сопротивлений R_Н и R_Г, вычисленные по (1) с помощью соответствующих коэффициентов матрицы Z, получились равными 17,67 Ом.

По выражению (5) с помощью соответствующих коэффициентов матриц С и L получим τ_е=13,16 нс/м, τ_o=6,57 нс/м. Погонная задержка нечетной моды имеет наименьшее значение, а ее произведение на удвоенную длину линии составляет 591,3 пс. Сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульсного сигнала составляет 200 пс. Таким образом, условие (2) выполняется с запасом. Произведение модуля разности погонных задержек четной и нечетной мод линии на ее удвоенную длину составляет 591,3 пс. Таким образом, условие (3) также выполняется. Наконец, выполняется условие (4) поскольку отношение задержек четной и нечетной мод составляет 2,003. Таким образом, условие (4) выполняется с точностью до второго знака.

На фиг. 3 приведены формы сигнала на выходе заявляемого устройства при воздействии импульсом в виде трапеции с длительностью 200 и 500 пс. Как видно из фиг. 3а, при воздействии импульсом с малой длительностью (200 пс) его прохождение по витку меандровой линии также приводит к разложению сигнала на три основных импульса (импульс перекрестной наводки и импульсы четной и нечетной мод сигнала), однако эти импульсы имеют разную амплитуду. Максимальная амплитуда выходного сигнала в отличие от устройства-прототипа составляет около 50% от амплитуды сигнала в начале линии. Из фиг. 3б видно, что прохождение по витку меандровой линии импульса с длительностью 500 пс также приводит к его разложению на три основных импульса, а максимальная амплитуда выходного сигнала также составляет 50% от амплитуды сигнала в начале линии. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия - увеличение длительности СКИ, защита от которого может быть обеспечена.

Линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды, с выбором параметров линии такими, что 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, отличающаяся тем, что выбором параметров поперечного сечения линии также обеспечивается равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек.