Меандровая линия задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов с увеличенной длительностью

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов. Техническим результатом является увеличение длительности сверхкороткого импульса, защита от которого может быть обеспечена. Технический результат достигается за счет разноса по времени импульса четной моды, импульса, возникающего из-за асимметрии поперечного сечения линии, и импульса нечетной моды на значение удвоенного произведения длины линии и минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии. Выбором параметров поперечного сечения линии дополнительно обеспечиваются значение разности погонных задержек нечетной и четной мод линии, умноженных на длину линии, не меньшее, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, и равенство утроенного 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 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 линия задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2606709. Меандровая линия задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов / А.Т. Газизов, А.М. Заболоцкий, С.П. Куксенко - Заявка №2015137545; заявлен 02.09.2015; опубликован 10.01.2017], из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, опорный проводник которой расположен на одной стороне диэлектрической подложки с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первому относительно диэлектрической подложки, причем параметры поперечного сечения линии выбраны такими, что среднее геометрическое значение волновых сопротивлений четной и нечетной мод равно волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, значение минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.

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

Линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, опорный проводник которой расположен на одной стороне диэлектрической подложки с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первого относительно диэлектрической подложки, причем параметры поперечного сечения линии выбраны такими, что среднее геометрическое значение волновых сопротивлений четной и нечетной мод равно волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на удвоенную длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, отличающаяся тем, что выбором параметров поперечного сечения линии дополнительно обеспечиваются значение разности погонных задержек нечетной и четной мод линии, умноженных на длину линии, не меньшее, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, и равенство утроенного 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 с лицевой связью. Технический результат достигается за счет разноса по времени импульса четной моды, импульса, возникающего из-за асимметрии поперечного сечения линии (далее называемого дополнительным), и импульса нечетной моды на значение удвоенного произведения длины линии и минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии. Это обеспечивается равенством утроенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек. Обеспечение этого условия позволяет увеличить длительность исходного импульса, которой может быть разложен в линии. Первые четыре импульса (импульс перекрестной наводки, импульсы четной и нечетной мод и дополнительный импульс) являются результатом разложения исходного импульса и разнесены друг относительно друга по времени на одинаковое значение времени, равное удвоенному произведению длины линии и минимального из значений погонной задержки четной и нечетной мод. Позже, к концу линии будут приходить импульсы (пятый и последующие), вызванные отражениями, и отстоящие от первых четырех 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. 1a приведено поперечное сечение заявляемой линии, со следующими параметрами: w и t - ширина и толщина проводников соответственно, s - расстояние между сигнальным и опорным проводниками, h - толщина диэлектрической подложки, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. На фиг. 1б приведена схема соединений заявляемой линии. Линия состоит из двух параллельных проводников, каждый длиной , соединенных между собой на дальнем конце. Один из проводников на ближнем конце линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. с внутренним сопротивлением R1. Другой проводник соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R2. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда э.д.с. 2 кВ, длительность плоской вершины 1 нс, а фронта и спада - по 0,5 нс.

Для минимизации отражений от концов линии, внутренние сопротивления источника э.д.с. и нагрузки приняты равными среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод линии.

Параметры поперечного сечения на фиг. 1а выбраны так, чтобы выполнялись условия

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

Выполнение условия (1) обеспечивает разложение СКИ на импульс перекрестной наводки и основной сигнал, выполнение условия (2) - разложение основного сигнала на импульсы четной и нечетной мод, выполнение условия (3) - разложение основного сигнала на импульс четной и нечетной мод линии и дополнительный импульс между импульсами мод, а выполнение условия (4) - обеспечивает разложение СКИ с большей длительностью (до 3/τ_min), в отличие от устройства-прототипа.

Сначала рассмотрим разложение СКИ в линии при выполнении условий (1-3) Параметры поперечного сечения, обеспечивающие эти условия: w=15 мм, t=105 мкм, s=1 мм, d=w, h=6 мм, ε_r=4. Длина проводников линии . Вычисленные матрицы С, L и Z линии:

Значения сопротивлений R1 и R2 получились равным 61,921 Ом.

Полученные погонные задержки четной и нечетной мод линии: τ_е=4,77 нс/м, τ_o=6,02 нс/м. При подстановке известных значений переменных в условия (1), (2) и (3) получим 16,22 нс ≥ 2 нс, 4,25 нс ≥ 2 нс и 2,125 нс ≥ 2 нс соответственно. Таким образом, условия (1-3) выполняются, однако условие (4) не выполняется, поскольку утроенное значение погонной задержки четной моды не равно значению погонной задержки нечетной моды. Форма сигнала в конце такой линии при воздействии импульсом в виде трапеции с длительностью 2 нс представлена на фиг. 2а, из которой видно, что СКИ в конце линии представлен последовательностью из четырех импульсов меньшей амплитуды (перекрестной наводки, импульса четной моды, дополнительного импульса и импульса нечетной моды). При этом максимальная амплитуда сигнала на выходе линии не превышает 0,4 кВ. При увеличении длительности воздействующего импульса до 11 нс его прохождение по витку меандровой линии приводит к полному разложению исходного сигнала лишь на два основных импульса (фиг. 2б): импульс перекрестной наводки на ближнем конце и импульс, который является результатом суперпозиции импульсов четной моды, дополнительного и нечетной моды. При этом амплитуда сигнала увеличивается до 0,8 кВ. Таким образом, устройство не обеспечивает должную защиту от СКИ с длительностями более 2 нс.

Для доказательства реализуемости заявляемого устройства рассмотрим линию задержки с параметрами поперечного сечения, обеспечивающими условие (4): w=1000 мкм, t=137 мкм, s=5 мкм, d=3w, h=1200 мкм, ε_r=500. Длина проводников линии . Вычисленные матрицы погонных параметров:

Значения сопротивлений R1 и R2 получились равными 4,25 Ом.

Полученные погонные задержки четной и нечетной мод линии: τ_е=19,49 нс/м, τ_o=58,61 нс/м. При подстановке известных значений переменных в условия (1), (2) и (3) получим 15,59 нс ≥ 11 нс, 31,3 нс ≥ 11 нс и 15,65 нс ≥ 11 нс соответственно. Таким образом, условия (1-3) выполняются. Условие (4) также выполняется, поскольку отношение задержек четной и нечетной мод составляет 3,007. 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 2 и 11 нс. Как видно из фиг. 3а, при воздействии импульсом с малой длительностью (2 нс) его прохождение по витку меандровой линии также приводит к разложению сигнала на 4 основных импульса (импульс перекрестной наводки, импульс четной моды, дополнительный импульс и импульс нечетной моды). Позже к концу линии приходят импульсы, вызванные отражениями в линии. При этом максимальная амплитуда сигнала на выходе линии не превышает 0,293 кВ, в отличие от устройства прототипа. Из фиг. 3б видно, что прохождение по витку меандровой линии импульса с длительностью 11 нс также приводит к его разложению на 4 основных импульса, максимальная амплитуда которых также не превышает 0,293 кВ. При этом задержка между импульсами разложения равна значению, равному произведению удвоенной длины линии и минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод 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, и диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, опорный проводник которой расположен на одной стороне диэлектрической подложки с одним из сигнальных проводников, а второй сигнальный проводник расположен симметрично первого относительно диэлектрической подложки, причем параметры поперечного сечения линии выбраны такими, что среднее геометрическое значение волновых сопротивлений четной и нечетной мод равно волновому сопротивлению тракта, в который включена линия, значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на удвоенную длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, отличающаяся тем, что выбором параметров поперечного сечения линии дополнительно обеспечиваются значение разности погонных задержек нечетной и четной мод линии, умноженных на длину линии, не меньшее, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию, и равенство утроенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек.