Зеркально-симметричный модальный фильтр на двухсторонней печатной плате, защищающий от сверхкоротких импульсов

Использование: в области электротехники для защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов. Технический результат – обеспечение защиты от сверхкоротких импульсов при упрощении конструкторской реализации. Устройство состоит из шести в поперечном сечении прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрика. Опорные проводники выполняются симметрично относительно друг друга на верхнем и нижнем слоях диэлектрика между сигнальными проводниками и соединяются между собой по всей длине, как минимум, двумя металлизированными отверстиями. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов (СКИ).

Известен способ компоновки печатных проводников для цепей с модальным резервированием [Жечев Е.С., Белоусов А.О., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Черникова Е.Б. патент РФ на изобретение №2751672, опубликован 15.07.2021]. Недостатками данного способа являются затрудненные монтаж радиоэлектронных компонентов и изготовление печатной платы из-за исполнения опорного проводника в виде отдельных слоев.

Известна зеркально-симметричная меандровая линия, защищающая от сверхкоротких импульсов [Белоусов А.О., Газизов Т.Р., Черникова Е.Б. патент РФ на изобретение №2726743, опубликован 15.07.2020]. Недостатком данного способа является сложность реализации.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является выбранная за прототип 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 способа является нечетное количество проводящих слоев, что не соответствует стандартному технологическому процессу изготовления многослойных печатных плат.

Предлагается устройство, состоящее из шести в поперечном сечении прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрика, отличающееся тем, что опорные проводники выполняются симметрично относительно друг друга на верхнем и нижнем слоях диэлектрика между сигнальными проводниками и соединяются между собой по всей длине, как минимум, двумя металлизированными отверстиями, при этом значение длины проводников, умноженное на значение разности максимальной погонной задержки и наибольшей из остальных погонных задержек, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада сверхкороткого импульса, подающегося между активным проводником на верхнем слое подложки и опорным проводником.

Технический результат состоит в защите от СКИ при упрощении изготовления устройства и монтажа его компонентов. Он достигается за счет уменьшения количества проводящих и диэлектрических слоев при размещении опорных проводников на верхнем и нижнем слоях подложки. В частности, вместо многослойной печатной платы, достаточна простая двухсторонняя. Кроме того, упрощается монтаж компонентов к опорным проводникам, поскольку они на внешних слоях.

На фиг. 1а приведена эквивалентная схема, моделируемая для подтверждения реализуемости заявки. Линия состоит из четырех (не считая двух опорных) проводников длиной l=1 м каждый, по два на каждой стороне диэлектрического слоя. Первый проводник линии на одном конце соединен с источником СКИ, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. Е и внутренним сопротивлением R1. На другом конце первый проводник линии соединен с нагрузкой, представленной сопротивлением R5. Начало остальных сигнальных проводников (два нижних и один верхний), подключены к пластине (схемной земле) через резисторы R2, R3 и R4, а конец – через резисторы R6, R7 и R8. Опорные проводники (схемная земля) соединяются между собой по всей длине, как минимум, двумя металлизированными отверстиями. (Большее количество отверстий больше подавляет дополнительную моду.) Значения всех сопротивлений 50 Ом. Воздействующий СКИ имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда – 2 В, нарастание – 50 пс, плоская вершина – 50 пс, спад – 50 пс.

На фиг. 1б приведено поперечное сечение моделируемой структуры, когда два опорных проводника соединены (Проводники: А – активных, П – пассивный, О – опорный). Параметры поперечного сечения: ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость, w₁ – ширина опорных проводников, w₂ – ширина активного и пассивных проводников, t – толщина проводников, h – толщина диэлектрика, s – расстояние между проводниками. Значения параметров: ε_r=4,5, w₁=1 мм, w₂=3,6 мм, s=0,3 мм, h=2 мм, t=70 мм.

Значения параметров поперечного сечения и длины линии обеспечивают минимизацию амплитуды сигнала на выходе и выполнение условия

(τ₄–τ₃)l ≥ t_r + t_d + t_f (1),

где τ₄–τ₃ – разность максимальной погонной задержки мод линии и наибольшей из остальных, t_r, t_d и t_f – длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.

Для демонстрации достижения технического результата выполнено моделирование временного отклика на воздействие СКИ. Моделирование выполнено с помощью квазистатического подхода, реализованного в системе TALGAT. Детально 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.].

Результат моделирования во временной области, при подаче СКИ на активный проводник устройства (где, сигнал на входе обозначен как - -, а на выходе -), представлен на фиг. 1в. На выходе структуры (узел V6) наблюдаются 4 импульса мод с погонными задержками τ₁=4,857 нс/м, τ₂=5,51 нс/м, τ₃=5,991 нс/м и τ₄=6,176 нс/м. Значение максимального напряжения на выходе структуры составляет 0,242 В, что в 4 раза меньше по отношению к половине э.д.с. В результате обеспечивается защита от СКИ при упрощении изготовления устройства. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлено заявленное устройство.

Зеркально-симметричный модальный фильтр на двухсторонней печатной плате, состоящий из шести в поперечном сечении прямоугольных проводников на диэлектрическом слое, причем первый и второй проводники расположены на одной его стороне, два дополнительных проводника расположены зеркально-симметрично относительно первого и второго проводников на обратной стороне диэлектрика, отличающееся тем, что опорные проводники выполняются симметрично относительно друг друга на верхнем и нижнем слоях диэлектрика между сигнальными проводниками и соединяются между собой по всей длине, как минимум, двумя металлизированными отверстиями, при этом значение длины проводников, умноженное на значение разности максимальной погонной задержки и наибольшей из остальных погонных задержек, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада сверхкороткого импульса, подающегося между активным проводником на верхнем слое подложки и опорным проводником.