RU2747104C1

RU2747104C1 - Method for routing conductors of modal filter with circular section

Info

Publication number: RU2747104C1
Application number: RU2020130252A
Authority: RU
Inventors: Антон Олегович Белоусов; Тальгат Рашитович Газизов
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-04-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention is used to protect electronic equipment from ultrashort pulses. The method for tracing round conductors includes tracing a central reference conductor in a circular dielectric layer, along the edges of which two other conductors are symmetrically located - active and passive, and the entire structure is placed in an outer dielectric layer. The length of the conductors is chosen so that its product by the modulus of the difference between the linear delays of the modes is not less than the sum of the durations of the front, flat top and decay of the pulse supplied between the active and reference conductors. In this case, the outer dielectric layer is made round, and the passive conductor is hollow.EFFECT: technical result is a reduced mass of conductors while maintaining the decomposition of the interference pulse into a sequence of pulses of lower amplitude.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 radio electronic equipment (REA) from ultrashort pulses (SKI).

Непрерывно растущая сложность современной РЭА приводит к обострению проблемы обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Защита РЭА от кондуктивных помех является одной из основных задач ЭМС. Кондуктивный способ распространения помеховых сигналов подразумевает их проникновение в РЭА непосредственно по проводникам. Особо опасны СКИ, которые представляют собой мощные импульсные сигналы малой длительности (нано- и субнаносекундный диапазоны) с широким спектром, воздействие которых может привести к различным негативным последствиям в работе РЭА. Между тем традиционные средства защиты от импульсных помех обладают рядом недостатков (уязвимость к радиации, малый срок службы, отказ в работе при высоких напряжениях, недостаточное быстродействие и т.д.), затрудняющих защиту от мощных СКИ, что, в свою очередь, требует исследования дополнительных мер защиты РЭА. Кроме того, известны устройства, функционирующие по принципу модальной фильтрации: модальные фильтры (МФ) и меандровые линии задержки (или защитные меандры). Из-за сильной связи между активным и пассивным(-и) проводниками, в таких устройствах существует возможность разложения воздействующего СКИ на последовательность импульсов меньшей амплитуды. Между тем, наряду с высокими характеристиками, практика требует простоты реализации, малой массы и дешевизны устройств защиты, поэтому актуально их дальнейшее совершенствование.The continuously growing complexity of modern electronic equipment leads to an exacerbation of the problem of ensuring electromagnetic compatibility (EMC). Protection of electronic equipment from conducted noise is one of the main tasks of EMC. The conductive method of propagation of interference signals implies their penetration into the electronic equipment directly through the conductors. Especially dangerous are SQIs, which are powerful pulsed signals of short duration (nano- and subnanosecond ranges) with a wide spectrum, the impact of which can lead to various negative consequences in the operation of CEA. Meanwhile, traditional means of protection against impulse noise have a number of disadvantages (vulnerability to radiation, short service life, failure to operate at high voltages, insufficient speed, etc.) that complicate protection against powerful SQI, which, in turn, requires research. additional measures for the protection of electronic equipment. In addition, devices are known that operate on the principle of modal filtering: modal filters (MF) and meander delay lines (or protective meanders). Due to the strong coupling between active and passive (s) conductors, in such devices there is a possibility of decomposition of the acting SQI into a sequence of pulses of lower amplitude. Meanwhile, along with high performance, practice requires simplicity of implementation, low weight and low cost of protection devices, therefore, their further improvement is urgent.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является способ модального разложения импульса в кабеле [Самотин И.Е. Устройства защиты вычислительной техники и систем управления путем модального разложения импульсов помех в кабельных и полосковых структурах. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - Томск, 2011. - 199 с.], когда плоские трехпроводные силовые кабели, наряду с их основным назначением, могут использоваться в качестве защиты от импульсов, длительность которых меньше разности задержек мод кабеля.The closest to the claimed technical solution is a method of modal pulse decomposition in a cable [I.E. Samotin. Protection devices for computer technology and control systems by modal decomposition of interference pulses in cable and strip structures. Diss. for a job. uch. Art. Cand. tech. sciences. - Tomsk, 2011. - 199 pp.], When flat three-wire power cables, along with their main purpose, can be used as protection against impulses, the duration of which is less than the delay difference of the cable modes.

Недостатком такого технического решения является использование пассивного проводника, увеличивающего массу изделия.The disadvantage of this technical solution is the use of a passive conductor, which increases the weight of the product.

Предлагается способ трассировки круглых проводников, включающий трассировку центрального опорного проводника в круглом диэлектрическом слое, по краям которого симметрично расположены два других проводника - активный и пассивный, а вся структура помещена во внешний диэлектрический слой, длина проводников выбрана так, что её произведение на модуль разности погонных задержек мод не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между активным и опорным проводниками, при этом внешний диэлектрический слой выполнен круглым, а пассивный проводник - полым.A method for tracing round conductors is proposed, including tracing the central reference conductor in a circular dielectric layer, along the edges of which two other conductors are symmetrically located - active and passive, and the whole structure is placed in an outer dielectric layer, the length of the conductors is chosen so that its product by the modulus of the difference mode delays are not less than the sum of the durations of the front, flat top and decay of the pulse supplied between the active and reference conductors, while the outer dielectric layer is made round, and the passive conductor is hollow.

Техническим результатом является уменьшенная масса проводников при сохранении разложения помехового импульса на последовательность импульсов меньшей амплитуды. Технический результат достигается за счет использования полого пассивного проводника. Такой способ открывает возможность защиты от помех при уменьшенной массе проводников, что крайне важно, например, для космической отрасли. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются количественными оценками, приведенными ниже, полученными с помощью моделирования.The technical result is a reduced mass of conductors while maintaining the decomposition of the interference pulse into a sequence of pulses of lower amplitude. The technical result is achieved through the use of a hollow passive conductor. This method opens up the possibility of protection against interference with a reduced mass of conductors, which is extremely important, for example, for the space industry. The above qualitative assessments of the attainability of the technical result are confirmed by the quantitative assessments given below, obtained by means of modeling.

Достижимость технического результата продемонстрирована на примере распространения импульсной помехи с ЭДС 1 В и длительностями фронта, спада и плоской вершины по 100 пс в структуре с круговым сечением длиной 100 см (фиг. 1), где r ₁ - радиус проводников (0,09 см), r ₂ - радиус внутреннего диэлектрического слоя (0,17 см), r ₃ - радиус внешнего диэлектрического слоя (0,35 см), g - толщина стенки полого проводника (0,01 см), ε_r ₁ - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (1), ε_r ₂ - относительная диэлектрическая проницаемость внутреннего диэлектрического слоя (10), ε_r ₃ - относительная диэлектрическая проницаемость внешнего диэлектрического слоя (5). Проводники 1 и 2 расположены симметрично друг другу на разных сторонах внутреннего диэлектрического слоя, а второй проводник - полый.The achievability of the technical result is demonstrated by the example of the propagation of impulse noise with an EMF of 1 V and durations of the front, fall and flat top 100 ps each in a structure with a circular cross section 100 cm long (Fig. 1), where r ₁ - radius of conductors (0.09 cm), r ₂ - radius of the inner dielectric layer (0.17 cm), r ₃ is the radius of the outer dielectric layer (0.35 cm), g is the wall thickness of the hollow conductor (0.01 cm), ε _r ₁ - relative dielectric constant of air (1), ε _r ₂ is the relative permittivity of the inner dielectric layer (10), ε _r ₃ is the relative dielectric constant of the outer dielectric layer (5). Conductors 1 and 2 are located symmetrically to each other on different sides of the inner dielectric layer, and the second conductor is hollow.

На фиг. 2 приведена эквивалентная схема структуры. Она состоит из двух (не считая опорного) проводников длиной l, равной 100 cм. Первый проводник соединен на одном конце с источником импульсных сигналов, представленным на схеме идеальным источником ЭДС E 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 второго (пассивного) проводника. Значения резисторов R _Г, R _Н и R приняты равными среднегеометрическому значению волновых сопротивлений четной (36,2 Ом) и нечетной (46,9 Ом) мод, равному 41,2 Ом.FIG. 2 shows the equivalent diagram of the structure. It consists of two (not counting the reference) conductors of length l equal to 100 cm. The first conductor is connected at one end to a source of pulse signals, represented in the diagram by an ideal source of EMF E with an internal resistance R _G , and at the other end is connected to the protected circuit, represented in the diagram by an equivalent resistance R _N. Resistors R are connected at the beginning and end of the second (passive) conductor. The values of the resistors R _G , R _H and R are taken equal to the geometric mean of the wave impedances of the even (36.2 Ohm) and odd (46.9 Ohm) modes, equal to 41.2 Ohm.

На фиг. 3 показаны формы ЭДС и напряжений на входе и выходе структуры с полым пассивным проводником. Видно, что при прохождении по линии СКИ раскладывается на 2 импульса. Максимальное напряжение на выходе составляет 0,249 В и не превышает 50% от половины ЭДС.FIG. 3 shows the forms of the EMF and voltages at the input and output of the structure with a hollow passive conductor. It can be seen that when passing through the line, the SQI is decomposed into 2 pulses. The maximum output voltage is 0.249 V and does not exceed 50% of half the EMF.

Параметры поперечного сечения и длина линии обеспечивают условиеThe cross-section parameters and the line length ensure the condition

|∆τ|l ≥ t _r + t _d + t _f, (1)| ∆τ |l ≥t _r +t _d +t _f, (one)

где ∆τ - разность погонных задержек мод линии, а t _r, t _d, t _f - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.where ∆τ is the difference in linear delays of the line modes, and t _r , t _d , t _f are the durations of the front, flat top and fall of the pulse, respectively.

Выполнение условия (1) обеспечивает разложение исходного сигнала на импульсы мод, погонные задержки которых равны 7,93 и 9,26 нс/м (вычисленные как корень квадратный из собственных значений произведения матриц погонных коэффициентов электромагнитной (L) и электростатической (C) индукции). Значение разности погонных задержек мод равно 1,33 нс/м, следовательно, полное разложение СКИ длительностью t _∑ в отрезке линии передачи длиной l возможно при условииThe fulfillment of condition (1) ensures the decomposition of the initial signal into mode pulses, the linear delays of which are equal to 7.93 and 9.26 ns / m (calculated as the square root of the eigenvalues of the product of the linear coefficients matrices of electromagnetic ( L ) and electrostatic ( C ) induction) ... The value of the difference between the linear delays of the modes is 1.33 ns / m, therefore, the complete decomposition of the SQI with duration t _∑ in a transmission line segment of length l is possible under the condition

t _∑ ⁄ l < 1,33 нс/м (2) t _∑ ⁄ l <1.33 ns / m (2)

Учитывая условия (1) и (2), при указанных значениях параметров линии максимальная длительность входного сигнала t _∑ при длине линии 100 cм равна 1,33 нс.Taking into account conditions (1) and (2), for the indicated values of the line parameters, the maximum duration of the input signal t _∑ with a line length of 100 cm is 1.33 ns.

При r ₁=0,09 см, g=0,01 см l=100 cм и плотности меди ρ=8,96 г/см³ рассчитывается объем сплошного проводника с помощью выраженияFor r ₁ = 0.09 cm, g = 0.01 cm l = 100 cm and copper density ρ = 8.96 g / cm ^{3, the} volume of a solid conductor is calculated using the expression

V = πr ₁ ² l (3) V = πr ₁ ² l (3)

Объем сплошного проводника составляет 2,54 см³. Масса сплошного проводника вычисляется какThe volume of the solid conductor is 2.54 cm ³ . The mass of a solid conductor is calculated as

m = Vρ (4) m = Vρ (4)

Масса сплошного проводника составляет 22,8 г. Объем полости проводника вычисляется с помощью выраженияThe mass of a solid conductor is 22.8 g. The volume of the conductor cavity is calculated using the expression

V _вн = π(r ₁ - g)² l (5) V _int = π ( r ₁ - g ) ² l (5)

Объем полости проводника составляет 2,01 см³. Тогда масса полого проводника вычисляется какThe volume of the conductor cavity is 2.01 cm ³ . Then the mass of the hollow conductor is calculated as

m _пол = (V - V _вн)ρ (6) m _floor = ( V - V _int ) ρ (6)

Масса полого проводника составляет 4,74 г, что почти в 5 раз меньше массы сплошного проводника.The mass of the hollow conductor is 4.74 g, which is almost 5 times less than the mass of the solid conductor.

Таким образом, показан технический результат - уменьшенная масса проводников при сохранении разложения помехового импульса на последовательность импульсов меньшей амплитуды.Thus, the technical result is shown - a reduced mass of conductors while maintaining the decomposition of the interference pulse into a sequence of pulses of lower amplitude.

Claims

A method for tracing round conductors, including tracing a central reference conductor in a circular dielectric layer, along the edges of which two other conductors are symmetrically located - active and passive, and the entire structure is placed in an outer dielectric layer, the length of the conductors is chosen so that its product by the modulus of the difference in linear delays mode is not less than the sum of the durations of the front, flat top and decay of the pulse supplied between the active and reference conductors, while the outer dielectric layer is made round, and the passive conductor is hollow.