RU2796636C1

RU2796636C1 - Меандровая линия задержки с лицевой связью, защищающая от электростатического разряда

Info

Publication number: RU2796636C1
Application number: RU2022114717A
Authority: RU
Inventors: Александр Вячеславович Носов
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2023-05-29

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры от электростатического разряда. Технический результат заключается в уменьшении габаритов линии связи без ухудшения ослабления сверхкоротких импульсов. Линия задержки состоит из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, образованной диэлектрической подложкой и окружающим воздухом, 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 одновременно с выбором параметров поперечного сечения линия свернута в витки с наличием перемычек между витками со слабой связью между собой, которая обеспечивается расстоянием от края структуры до ближней к нему границы проводника, равным значению утроенной ширины проводника. 6 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от электростатического разряда (ЭСР).

В настоящее время актуальной задачей является защита РЭА от импульсов наносекундного и субнаносекундного диапазонов, которые способны проникать в различные узлы РЭА, минуя электромагнитные экраны устройств. Большую опасность из таких импульсов представляет ЭСР, поскольку его влияние является достаточно распространенной причиной выхода РЭА из строя. Традиционными схемотехническими средствами защиты от такого воздействия 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 защиту от ЭСР. 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 ЭСР.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является меандровая линия задержки с лицевой связью, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение №2606709], 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 значения минимальной из погонных задержек мод линии, а также модуля их разности, умноженных на длину линии, больше, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.

Недостаток устройства-прототипа - его большие габариты при его использовании для защиты от ЭСР.

Заявляется линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, образованной диэлектрической подложкой и окружающим воздухом, 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 значения 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, амплитуда на выходе линии минимальна, отличающаяся тем, что линия свернута в пять неосновных витков.

Техническим результатом является уменьшение габаритов без ухудшения ослабления. Технический результат достигается за счет сворачивания линии.

Покажем реализуемость заявляемого устройства. Рассмотрим сначала выбор параметров основного витка линии, несвернутого в пять неосновных витков. Параметры выбираются такими, чтобы обеспечить ряд простых условий, приведенных ниже. Выполнение этих условий позволяет разложение пикового выброса ЭСР на последовательность из трех импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии не раньше окончания предыдущего: первый импульс - перекрестная наводка от фронта сигнала на ближнем конце линии, а второй и третий импульсы - импульсы четной и нечетной мод линии. Первые три импульса являются основными и имеют наибольшую амплитуду.

Последующее уменьшение амплитуды на выходе основного витка линии может быть обеспечено за счет сильной лицевой связи между сигнальными проводниками линии, например, за счет уменьшения толщины диэлектрической подложки, выбором оптимального значения которого можно выравнять и минимизировать амплитуды первых трех импульсов сигнала на выходе: перекрестной наводки от фронта и импульсов четной и нечетной мод. Так, уменьшение толщины диэлектрической подложки (т.е. расстояния между проводниками) приводит к увеличению положительного уровня перекрестной наводки от фронта (первого импульса), а уровень четной и нечетной мод сигнала (второго и третьего импульса), наоборот, уменьшается. Позже, к выходу основного витка линии будут приходить импульсы чередующейся полярности, вызванные отражениями. Первые три импульса имеют максимальные амплитуды из всех импульсов последовательности. Таким образом, минимизируется максимальная амплитуда выходного сигнала.

Для уменьшения конечных габаритов основного витка меандровой линии задержки с лицевой связью без ухудшения ослабления амплитуды ЭСР, она сворачивается в пять неосновных витков. За счет наличия перемычек при сворачивании линии возникает множество осцилляций, которые уменьшают результирующую амплитуду ЭСР на ее выходе. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования на конкретном примере.

На фиг. 1 приведена схема соединений несвернутой меандровой линии задержки с лицевой связью, а на фиг. 2 приведено ее поперечное сечение со следующими параметрами: w и t - ширина и толщина проводников соответственно, s - расстояние между проводниками, h - толщина диэлектрической подложки, d - расстояние от края структуры до ближней к нему границы проводника, ε_r - диэлектрическая проницаемость подложки. Она состоит из первого проводника (А1 на фиг. 2) и опорного проводника (О на фиг. 2) на диэлектрической подложке и второго проводника (А2 на фиг. 2) на ее обратной стороне длиной каждого l=3,8 м. Первый и второй проводники при этом соединены между собой на одном конце. Один из проводников линии соединен с генератором воздействия, представленным на схеме идеальным источником тока I и параллельным сопротивлением R1=50 Ом. Воздействие представляет собой ЭСР с формой тока, соответствующей стандарту IEC 61000-4-2. Его типовая форма тока представлена на фиг. 3, а его форма напряжения без учета прохождения по несвернутой меандровой линии задержки с лицевой связью представлена пунктирной линией (- -) на фиг. 4. Другой проводник линии соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R2=50 Ом.

Параметры поперечного сечения на фиг. 2 выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия:

где τ_e и τ_o - погонные задержки четной и нечетной мод, τ_min - наименьшее значение из значений погонных задержек четной и нечетной мод линии, а t_r, t_d и t_f - длительности фронта, плоской вершины и спада пикового выброса ЭСР соответственно.

Выполнение условия (1) обеспечивает прохождение импульса сигнала к концу линии без искажения его формы ближней перекрестной наводкой от фронта сигнала. Условие (2) обеспечивает разложение импульса в конце линии на импульсы четной и нечетной мод.

Для подтверждения возможности выполнения условий (1) и (2) рассмотрим линию, представленную на фиг. 2. Параметры поперечного сечения: w=6,2 мм, t=18 мкм, s=5 мм, d=3w, h=2 мм, ε_r=10. Вычисленные матрицы коэффициентов электростатической и электромагнитной индукции:

С

пФ/м, L

нГн/м.

Вычисленные, как корень квадратный из собственных значений произведения матриц C и L, погонные задержки четной и нечетной мод линии - τ_e=5,329 нс/м, τ_o=9,411 нс/м. Так как погонная задержка четной моды имеет наименьшее значение, то ее произведение на удвоенную длину линии составляет 40,5 нс. Сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада пикового выброса ЭСР составляет около 4 нс. Таким образом, условие (1) выполняется с запасом. Произведение модуля разности погонных задержек четной и нечетной мод линии на ее удвоенную длину составляет 31,02 нс. Таким образом, условие (2) выполняется.

Сильная лицевая связь между сигнальными проводниками линии обеспечивается за счет уменьшения расстояния между ними (h). Его оптимальное значение составляет h_opt=2 мм, что в совокупности с выбранными параметрами и длиной линии обеспечивает разложение исходного сигнала на последовательность импульсов и минимизацию амплитуды напряжения ЭСР на выходе. На фиг. 4 сплошной линией (-) представлена форма напряжения ЭСР на выходе несвернутой линии. Первые три импульса (перекрестной наводки, четной и нечетной мод сигнала) имеют положительную полярность и определяют максимальную амплитуду напряжения ЭСР на выходе линии. При этом амплитуды первого и третьего импульсов на фиг. 4 имеют одинаковый уровень, не превышающий 281,358 В и составляющий 60% от уровня сигнала без учета прохождения по линии, а амплитуда четной моды меньше амплитуды первого и третьего импульсов. Это обусловлено тем, что ЭСР имеет сложную форму с затяжным спадом. Остальные импульсы вызваны отражениями в линии.

Рассчитаем размер несвернутой меандровой линии задержки с лицевой связью. Исходя из оптимальных значений геометрических параметров, представленных выше, ее ширина и длина составляют 55 мм и 3,8 м соответственно. Такие размеры затруднительно и нецелесообразно использовать на печатных платах. Поэтому необходимо уменьшить конечные габариты устройства. Для этого основной виток линии был свернут в пять неосновных витков со слабой связью между собой так, что длина и ширина структуры составили 380 мм и 379 мм соответственно. При этом общая длина основного витка также составляет 3,8 м. Слабая связь между неосновными витками обеспечивается расстоянием d=3w (равным значению утроенной ширины проводника, фиг.2). Схема соединений такой меандровой линии задержки с лицевой связью из пяти витков представлена на фиг. 5. Ее геометрические параметры аналогичны тем, что представлены выше, а l=380 мм. На фиг. 6 пунктирной линией (- -) представлена форма напряжения ЭСР без учета его прохождения по меандровой линии задержки с лицевой связью из пяти витков, а сплошной линией (-) - на ее выходе. Видно, что максимальная амплитуда напряжения на ее выходе определяется первым и третьим импульсами и не превышает 271,836 В, что составляет 58,5% от уровня сигнала без учета прохождения по линии (тогда как в исходном несвернутом витке линии она составляет 60%). При этом второй импульс сильно искажен. Это обусловлено сложной формой ЭСР и осцилляциями, возникающими из-за наличия множества перемычек между витками.

Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.

Claims

Линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, образованной диэлектрической подложкой и окружающим воздухом, 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 значения 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, амплитуда на выходе линии минимальна, отличающаяся тем, что линия свернута в витки с наличием перемычек между витками со слабой связью между собой, которая обеспечивается расстоянием от края структуры до ближней к нему границы проводника, равным значению утроенной ширины проводника.