RU2726743C1

RU2726743C1 - Mirror-symmetric meander line, which protects from ultrashort pulses

Info

Publication number: RU2726743C1
Application number: RU2019140186A
Authority: RU
Inventors: Антон Олегович Белоусов; Тальгат Рашитович Газизов; Евгения Черникова
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-07-15

Abstract

FIELD: radio electronics.

SUBSTANCE: invention relates to radio electronics. Said technical result is achieved due to selection of cross section parameters of the line and pairwise connection of conductors to each other at one end by bridges. Such configuration of the protection device enables to decompose the light detector into five pulses with a smaller amplitude: the first pulse – cross-talk at the near end of the line, and the second pulse-the fifth pulse – a sequence of the main four pulses arriving at the end of the line with pairwise aligned amplitudes, as well as an increased value of time intervals between them.

EFFECT: technical result is increased value of time intervals between the second and fifth decomposition pulses in the absence of resistors at one of the line ends.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от сверхкоротких импульсов (СКИ).The invention relates to radio electronics and can be used to protect electronic equipment (REA) from ultrashort pulses (SKI).

В настоящее время наблюдается ужесточение требований электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭА всех видов и назначений, подверженных воздействию электромагнитных помех и являющихся их источниками. Это вызвано тем, что во все отрасли жизнедеятельности общества возрастающими темпами стали внедряться электронные системы. Они, в свою очередь, обладают повышенной восприимчивостью к электромагнитным помехам ввиду тенденции к уменьшению размеров микросхем, увеличению скоростей передачи данных, уменьшению потребляемой мощности и т.д. Одной из задач ЭМС является защита РЭА от кондуктивных помех. Их опасность объясняется непосредственным проникновением в аппаратуру по проводникам. Особо опасным примером такого воздействия является СКИ, т.е. мощные сверхширокополосные импульсы, воздействие которых может привести к некорректному функционированию аппаратуры и являться причиной ее выхода из строя. СКИ способны вызвать сбой электроустановок, кабелей, аналоговых и цифровых устройств и другой аппаратуры, уровень защиты которой от импульсных перенапряжений и помех не высок. С учетом особенностей временных и энергетических характеристик СКИ различной природы в условиях современной электромагнитной обстановки, традиционные методы ограничения и фильтрации зачастую оказываются неэффективными и недостаточными, что, в свою очередь, требует применения дополнительных мер защиты РЭА.Currently, there is a tightening of the requirements for electromagnetic compatibility (EMC) of electronic equipment of all types and purposes that are exposed to electromagnetic interference and are their sources. This is due to the fact that electronic systems are being introduced at an increasing rate in all sectors of the life of society. They, in turn, have an increased susceptibility to electromagnetic interference due to the tendency to reduce the size of microcircuits, increase data transfer rates, reduce power consumption, etc. One of the tasks of EMC is the protection of electronic equipment from conducted noise. Their danger is explained by direct penetration into the equipment through conductors. A particularly dangerous example of such an impact is SKI, i.e. powerful ultra-wideband pulses, the impact of which can lead to incorrect operation of the equipment and cause its failure. SKI are capable of causing a failure of electrical installations, cables, analog and digital devices and other equipment, the level of protection of which against surges and interference is not high. Taking into account the peculiarities of the time and energy characteristics of SQIs of various nature in the modern electromagnetic environment, traditional methods of limiting and filtering often turn out to be ineffective and insufficient, which, in turn, requires the use of additional measures to protect the electronic equipment.

Наиболее близким к заявляемому устройству является «Четырехпроводная зеркально-симметричная структура, защищающая от сверхкоротких импульсов» [Патент на изобретение №2624465. Четырехпроводная зеркально-симметричная структура, защищающая от сверхкоротких импульсов / А.М. Заболоцкий, Т.Р. Газизов, С.П. Куксенко - Заявка № 2015137546; заявлен 02.09.2015; опубликован 04.07.2017], состоящая 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, толщина и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя равны 1,105 мм и 5, ширина всех проводников одинакова и равна 0,3 мм, толщина проводников равна 105 мкм, расстояние между проводниками равно 0,4 мм, на обоих концах устройства подключены резисторы сопротивлением 92 Ом между вторым и третьим проводниками, а также между двумя дополнительными и третьим проводниками, значение минимального модуля разности погонных задержек мод линии, умноженное на длину линии, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между первым и третьим проводниками.Closest to the claimed device is "Four-wire mirror-symmetric structure that protects against ultrashort pulses" [Patent for invention No. 2624465. Four-wire mirror-symmetric structure protecting from ultrashort pulses / A.M. Zabolotsky, T.R. Gazizov, S.P. Kuksenko - Application No. 2015137546; announced 09/02/2015; published on 07/04/2017], consisting of five identical and rectangular conductors in cross-section on a dielectric layer, with the first and second conductors located on one side of it, and the third one in the center between them, two additional conductors are arranged mirror-symmetrically relative to the first and second conductors on the reverse side of the dielectric layer, the third conductor is located in the dielectric layer at an equal distance from the outer conductors, the thickness and relative permittivity of the dielectric layer are 1.105 mm and 5, the width of all conductors is the same and equal to 0.3 mm, the thickness of the conductors is 105 μm, the distance between the conductors is 0.4 mm, 92 Ohm resistors are connected at both ends of the device between the second and third conductors, as well as between two additional and third conductors, the value of the minimum modulus of the difference between the linear delays of the line modes, multiplied by the line length, is not less than the sum front duration, pl the peak and fall of the pulse between the first and third conductors.

Недостатками устройства-прототипа являются малое значение интервалов времени между импульсами разложения из-за их одного прохода вдоль линии от ее входа до выхода и необходимость резисторов на обоих концах всех проводников.The disadvantages of the prototype device are the small value of the time intervals between the decomposition pulses due to their one pass along the line from its input to the output and the need for resistors at both ends of all conductors.

Предлагается устройство, состоящее 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 со значением сопротивления, равным волновому сопротивлению тракта, отличающееся тем, что проводники соединены между собой попарно на одном конце, выбором параметров поперечного сечения линии обеспечиваются равенство интервалов времени между вторым и пятым импульсами разложения и минимизация амплитуды сигнала на выходе линии, а значение минимального модуля разности погонных задержек мод линии, умноженное на её длину, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между первым и третьим проводниками.A device is proposed, consisting of five cross-sectional identical and rectangular conductors on a dielectric layer, with the first and second conductors located on one side of it, the third - between them in the center, two additional conductors are arranged mirror-symmetrically relative to the first and second conductors on the reverse side dielectric layer, the third conductor is located in the dielectric layer at an equal distance from the outer conductors, and resistors with a resistance value equal to the characteristic impedance of the path are connected between the ends of the conductors and the third conductor, characterized in that the conductors are connected in pairs at one end, by choosing the parameters of the transverse the line cross-section ensures equality of the time intervals between the second and fifth decomposition pulses and minimization of the signal amplitude at the line output, and the value of the minimum modulus of the difference between the linear delays of the line modes, multiplied by its length, is not less than the sum of the front durations , the flat top and decay of the pulse applied between the first and third conductors.

Техническим результатом является увеличенное значение интервалов времени между вторым и пятым импульсами разложения при отсутствии резисторов на одном из концов линии. Технический результат достигается, в первую очередь, за счет выбора параметров поперечного сечения линии и попарным соединением проводников между собой на одном конце перемычками. Такая конфигурация устройства защиты позволяет разложить СКИ на пять импульсов меньшей амплитуды: первый импульс - перекрестная наводка на ближнем конце линии, а второй-пятый импульсы - последовательность из основных четырех импульсов, пришедших в конец линии с попарно выравненными амплитудами, а также увеличенным значением интервалов времени между ними. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются количественными оценками, приведенными ниже, полученными с помощью моделирования.The technical result is an increased value of the time intervals between the second and fifth decomposition pulses in the absence of resistors at one of the ends of the line. The technical result is achieved, first of all, due to the choice of the parameters of the cross-section of the line and the pairwise connection of the conductors to each other at one end with jumpers. Such a configuration of the protection device allows the SQI to be decomposed into five pulses of lower amplitude: the first pulse is cross talk at the near end of the line, and the second to fifth pulses are a sequence of four main pulses that arrived at the end of the line with pairwise equalized amplitudes, as well as increased time intervals. between them. The above qualitative assessments of the attainability of the technical result are confirmed by the quantitative assessments given below, obtained using modeling.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение заявленной линии, 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, третий (опорный) расположен между ними по центру, а проводники 1* и 2* расположены зеркально-симметрично на обратной стороне диэлектрического слоя, и могут быть попарно соединены между собой на конце тремя способами: на одном слое (1-2 и 1*-2*); на разных слоях (1-1* и 2-2*); диагонально (1-2* и 2-1*).FIG. 1 shows a cross-section of the claimed line, where w is the width of the conductors, s is the distance between the conductors, t is the thickness of the conductors, h is the thickness of the dielectric, d is the distance from the edge to the conductor, ε _r is the relative dielectric constant of the substrate. Conductors 1 and 2 are located on one side of the dielectric layer, the third (reference) is located between them in the center, and conductors 1 * and 2 * are located mirror-symmetrically on the reverse side of the dielectric layer, and can be connected in pairs at the end in three ways: on one layer (1-2 and 1 * -2 *); on different layers (1-1 * and 2-2 *); diagonally (1-2 * and 2-1 *).

На фиг. 2 приведена эквивалентная схема заявленной линии. Линия состоит из четырех (не считая опорного) проводников длиной l, равной 1 м, по два на каждой стороне диэлектрического слоя, попарно соединенных между собой на дальнем конце перемычками тремя способами. Первый проводник соединен на одном конце с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником э.д.с. Е_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 пассивного витка. Значения сопротивления резисторов R_Г, R_Н и R приняты равными волновому сопротивлению тракта. Воздействующий СКИ имеет форму трапеции с э.д.с. 5 В и длительностями фронта, спада и плоской вершины по 50 пс.FIG. 2 shows the equivalent circuit of the declared line. The line consists of four (not counting the reference) conductors of length l equal to 1 m, two on each side of the dielectric layer, connected in pairs at the far end by jumpers in three ways. The first conductor is connected at one end with a source of pulsed signals, represented in the diagram by an ideal source of emf. E _G with internal resistance R _G , and at the other end is connected to the protected circuit, represented in the diagram by the equivalent resistance R _N. Resistors R are connected at the beginning and end of the passive turn. The resistance values of the resistors R _G , R _H and R are taken equal to the wave impedance of the path. The acting SQI has the shape of a trapezoid with an emf. 5 V and rise, fall and flat top durations of 50 ps.

На фиг. 3 показаны формы выходного напряжения для трех вариантов исполнения зеркально-симметричной меандровой линии. Видно, что СКИ раскладывается на 4 импульса, которые испытывают два прохода вдоль линии от входа до выхода. Максимальная амплитуда определяется амплитудой первого импульса и не превышает 25% от половины э.д.с.In FIG. 3 shows the waveforms of the output voltage for three versions of the mirror-symmetrical meander line. It can be seen that the SQI is decomposed into 4 pulses, which experience two passes along the line from the entrance to the exit. The maximum amplitude is determined by the amplitude of the first pulse and does not exceed 25% of half of the emf.

Параметры поперечного сечения и длина линии обеспечивают условиеCross-section parameters and line length provide the condition

min(∆τ_i)l ≥ t_r + t_d + t_f,min (∆τ _i ) l ≥ t _r + t _d + t _f , (1)(1)

где min(Δτ_i) - минимальный модуль разности погонных задержек мод линии,
i = 1, 2, 3, а t_r, t_d, t - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.where min (Δτ _i ) is the minimum modulus of the difference between the linear delays of the line modes,
i = 1, 2, 3, and t _r , t _d , t are the durations of the rise, flat top and fall of the pulse, respectively.

Выполнение условия (1) обеспечивает разложение исходного сигнала на импульсы мод, погонные задержки которых равны 10,95, 11,92, 12,95 и 13,94 нс/м (вычисленные как корень квадратный из собственных значений произведения матриц погонных коэффициентов электромагнитной (L) и электростатической (C) индукции). Минимальное значение разности погонных задержек мод равно 0,977 нс/м, следовательно, полное разложение СКИ длительностью t_Σ в отрезке линии передачи длиной l возможно при условии t_∑ ⁄ l < 0,977 нс/м.The fulfillment of condition (1) ensures the decomposition of the initial signal into mode pulses, the linear delays of which are equal to 10.95, 11.92, 12.95, and 13.94 ns / m (calculated as the square root of the eigenvalues of the product of the matrix linear coefficients of electromagnetic (L ) and electrostatic (C) induction). The minimum value of the difference between the linear delays of the modes is 0.977 ns / m, therefore, the complete decomposition of the SQI of duration t _Σ in a transmission line section of length l is possible under the condition t _∑ ⁄ l <0.977 ns / m. (2)(2)

Учитывая условия (1) и (2), при указанных значениях параметров линии максимальная длительного входного сигнала t_∑ при длине линии 1 м равна 0,977 нс.Taking into account conditions (1) and (2), for the indicated values of the line parameters, the maximum long-term input signal t _∑ with a line length of 1 m is 0.977 ns.

Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия - увеличенное значение интервалов времени между импульсами разложения при отсутствии резисторов на одном конце линии.Thus, the technical result, which the claimed line is aimed at, is shown - an increased value of the time intervals between the decomposition pulses in the absence of resistors at one end of the line.

Claims

A device consisting of five cross-sectional identical and rectangular conductors on a dielectric layer, the first and second conductors are located on one side of it, the third is between them in the center, two additional conductors are arranged mirror-symmetrically relative to the first and second conductors on the reverse side of the dielectric layer, the third conductor is located in the dielectric layer at an equal distance from the outer conductors, and resistors with a resistance value equal to the characteristic impedance of the path are connected between the ends of the conductors and the third conductor, characterized in that the conductors are connected in pairs at one end, by choosing the cross-sectional parameters line, equality of time intervals between the second and fifth impulses of decomposition and minimization of the signal amplitude at the line output are ensured, and the value of the minimum modulus of the difference between the linear delays of the line modes, multiplied by its length, is not less than the sum of the front durations, flat ver bus and falloff of the pulse applied between the first and third conductors.