МЕАНДРОВАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ ИЗ ДВУХ ВИТКОВ, ЗАЩИЩАЮЩАЯ ОТ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ

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 микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов [Nosov A.V. Delay line protecting against ultrashort pulses with increased duration / A.V. Nosov, R.S. Surovtsev, T.T. Gazizov // 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, June 29 - July 3 2017. - P. 119-122], 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 такими, что обеспечивается равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии значению максимальной из этих задержек.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление СКИ.

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 обеспечивается равенство удвоенного значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод значению максимальной из этих задержек, отличающаяся тем, что конец второго проводника линии последовательно соединен с началом первого проводника второй линии задержки, состоящей из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, диэлектрической среды, а выбором параметров первой и второй линий обеспечивается ряд условий: равенство среднего геометрического значений волновых сопротивлений четной и нечетной мод первой и второй линий значениям волнового сопротивления генератора и приемного устройства соответственно, а также значение произведения удвоенной длины второй линии и погонной задержки ее нечетной моды, значение произведения удвоенной длины второй линии и модуля разности погонных задержек ее четной и нечетной мод, значение разности произведений удвоенной длины первой линии на погонную задержку ее нечетной моды и произведения удвоенной длины второй линии на погонную задержку ее четной моды, значение разности произведения удвоенной длины первой линии и разности погонных задержек ее четной и нечетной мод и значение произведения удвоенной длины второй линии и погонной задержки ее нечетной моды не меньше, чем длительность воздействующего импульса.

Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное ослабление СКИ.

Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ, за счет его разложения на последовательность из девяти импульсов: трех импульсов меньшей амплитуды сначала в первом витке, а затем каждого из них на три импульса во втором витке. Технический результат достигается за счет выбора параметров линий такими, чтобы обеспечивались указанные условия. Далее для простоты изложения первая и вторая линия заявляемого устройства будут называться первыми и вторым витком, а заявляемое устройство целиком будет называться линией. За счет обеспечения указанных условий СКИ раскладывается на последовательность из девяти основных импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего: первый импульс - наведенный сигнал сначала на стык между витками, а затем на конец линии с начала первого витка (И1); второй и третий импульсы - импульсы нечетной (И2) и четной (И3) мод второго витка от наведенного сигнала с начала первого витка на стык между витками; четвертый импульс - наведенный сигнал на конец линии от импульса нечетной моды первого витка, пришедшего на стык между витками линии (И4); пятый и шестой импульсы - импульсы нечетной (И5) и четной (И6) мод второго витка от импульса нечетной моды первого витка, пришедшего на стык между витками; седьмой импульс - наведенный импульс в конец линии от импульса четной моды первого витка, пришедшего на стык между витками (И7); восьмой и девятый импульсы - импульсы нечетной (И8) и четной (И9) мод второго витка от импульса четной моды первого витка, пришедшего на стык между витками. Также к концу линии будут приходить импульсы разной полярности меньшей амплитуды, вызванные отражениями. Девять основных импульсов имеют максимальные амплитуды из всех импульсов последовательности. Поэтому разложением СКИ на последовательность импульсов минимизируется максимальная амплитуда выходного сигнала. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.

На фиг. 1a приведено поперечное сечение, одинаковое для первого и второго витков 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 схема соединений заявляемой линии. Начало первого витка длиной соединено с генератором импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. и внутренним сопротивлением R1. Конец первого витка соединен последовательно с началом второго витка длиной а конец второго - с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R2. Форма э.д.с. генератора имеет форму трапеции с общей длительностью 200 пс (длительность плоской вершины 100 пс, а фронта и спада по 50 пс).

Для минимизации отражений от концов линии, внутреннее сопротивление источника э.д.с. принято равным среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод первого витка, а нагрузки - второго витка по выражению:

где Z₁₁ и Z₁₂ - соответствующие коэффициенты матрицы импедансов Z первого и второго витков, R_i - сопротивление генератора при i=1, нагрузки - при i=2.

Параметры поперечного сечения первого и второго витков 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 первого витка соответственно, - длины первого и второго витков соответственно, - погонные задержки нечетной моды первого и второго витков соответственно, - погонные задержки четной моды первого и второго витков соответственно, t_∑ - общая длительность воздействующего импульса.

Выполнение условия (2) обеспечивает разложение СКИ на три импульса в первом витке линии (перекрестная наводка в узле V3 и импульсы нечетной и четной мод первого витка) с одинаковыми интервалами времени между ними. Выполнение условия (3) обеспечивает разложение каждого из трех импульсов, пришедших с выхода первого витка, во втором витке на перекрестную наводку и основные сигналы так, что И2, И5 и И8 приходят к концу линии не ранее импульсов И1, И4 и И7 соответственно. Выполнение условия (4) обеспечивает разложение основных сигналов от каждого из трех импульсов, пришедших с выхода первого витка, во втором витке на нечетные и четные моды так, что И3, И6 и И9 приходят к концу линии не ранее импульсов И2, И5 и И8 соответственно. Выполнение условий (5) и (6) обеспечивает разложение наведенных сигналов в конец линии от импульсов нечетной и четной мод первого витка, пришедших на стык между витками линии так, что И4 и И7 приходят к концу линии не ранее импульсов И3 и И6 соответственно.

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 (погонных коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции) L и С.

Для подтверждения возможности выполнения условий (2)-(6) рассмотрим линию, представленную на фиг. 2. Параметры поперечного сечения первого витка: w₁=100 мкм, t₁=160 мкм, s₁=19,78 мкм, d₁=300 мкм, h₁=200 мкм, ε_r1=480. Вычисленные матрицы С и L первого витка:

Значение сопротивления R1, вычисленное по (1) с помощью соответствующих коэффициентов матрицы Z первого витка, получилось равным 5,66 Ом.

Параметры поперечного сечения второго витка: w₂=400 мкм, t₂=600 мкм, s₂=20,2592 мкм, d₂=1200 мкм, h₂=200 мкм, ε_r2=120. Вычисленные матрицы С и L второго витка:

Значение сопротивления R2, вычисленное по (1) с помощью соответствующих коэффициентов матрицы Z второго витка, получилось равным 4,7 Ом.

По выражению (7), с помощью соответствующих коэффициентов матриц С и L, получим погонные задержки четной и нечетной мод первого и второго витков линии:

При подстановке известных значений переменных в условие (2) соотношение задержек четной и нечетной мод составило 2. Таким образом, условие (2) выполняется. На фиг. 2а представлена форма сигнала в конце первого витка (в узле V3) исследуемой линии из двух витков при выполнении условия (2) из которой видно, что СКИ в конце первого витка представлен последовательностью из трех импульсов (И1'-И3') меньшей амплитуды с одинаковым разносом по времени друг относительно друга. Амплитуда этих импульсов составляет около 40% от амплитуды сигнала в начале линии. При этом амплитуда третьего импульса значительно меньше двух предыдущих. Это обусловлено наложением на него импульса отрицательной полярности, вызванного отражением импульса четной моды от конца первого витка. Также на графике присутствуют другие импульсы (между импульсами И1', И2' и И3'), вызванные отражениями.

При подстановке известных значений переменных в условие (3) получим 0,46 нс≥0,2 нс, в условие (4) - 0,93 нс≥0,2 нс, в условие (5) - 0,76 нс≥0,2 нс, а в условие (6) - 0,76 нс≥0,2 нс. Таким образом, условия (3)-(6) выполняются с запасом. Однако стоит отметить, что вычисленные значения левых частей (5) и (6) одинаковы. Это обусловлено тем, что в первом витке выполняется условие (2), при котором максимальное из значений погонных задержек четной и нечетной мод первого витка равно удвоенному минимальному из значений погонных задержек четной и нечетной мод первого витка. На фиг. 2б представлена форма сигнала в конце меандровой микрополосковой линии из двух витков при выполнении условий (2)-(6). Видно, что СКИ в конце меандровой микрополосковой линии из двух витков представлен последовательностью из девяти основных импульсов меньшей амплитуды, не превышающей 20% от амплитуды сигнала в начале линии. Также на графике присутствуют импульсы (между импульсами И1-И9), вызванные отражениями.

Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство - увеличенное ослабление СКИ, за счет его разложения на последовательность из девяти импульсов меньшей амплитуды: на три импульса сначала в первом витке, а затем каждого из них на три импульса во втором витке.