RU2750393C1 - Method for tracing modal filter conductors - Google Patents

Abstract

FIELD: radio electronics.SUBSTANCE: invention relates to radio electronics and can be used to protect the electronic equipment from ultrashort pulse. A method for tracing conductors is proposed, including tracing conductors with a reference conductor in the form of a separate layer, so that the first and second conductors are laid parallel to each other, on one layer, according to the invention, the second conductor is made hollow, while at the beginning and end of the second conductor resistors are connected with values equal to the mean geometric value of the wave resistances of the even and odd modes, and the value of the modulus of the difference in the linear delays of the modes, multiplied by the length of the conductors, is no less than the sum of the durations of the front, flat top and pulse decay, moving between the first conductor and the reference plane.EFFECT: reduced mass of conductors.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 диапазон) 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 along the conductors. Especially dangerous are SQIs, which are powerful pulsed signals of short duration (nano- and subnanosecond range) 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 connection between the 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 по техническому решению является способ трассировки печатных проводников цепей с резервированием [Патент РФ на изобретение №2603850. Газизов Т.Р., Орлов П.Е., Шарафутдинов В.Р., Кузнецова-Таджибаева О.М., Заболоцкий А.М., Куксенко С.П., Буичкин Е.Н. Способ трассировки печатных проводников цепей с резервированием. Заявка №2015129253. Приоритет изобретения 16.07.2015. Опубликовано: 10.12.2016], выбранный за прототип, когда выполняется трассировка резервируемых и резервных проводников с опорным проводником в виде отдельного слоя, так, что резервируемая и резервная цепи имеют один опорный проводник, резервируемые и резервные проводники одноименных цепей прокладываются парами, параллельно друг другу, на одном слое, с минимально технологически допустимым зазором между резервируемым и резервным проводниками.The closest technical solution is a method for tracing printed circuit conductors with redundancy [RF patent for invention №2603850. Gazizov T.R., Orlov P.E., Sharafutdinov V.R., Kuznetsova-Tadjibaeva O.M., Zabolotsky A.M., Kuksenko S.P., Buichkin E.N. A method for routing printed circuit conductors with redundancy. Application No. 2015129253. Priority of invention 07.16.2015. Published: 10.12.2016], chosen as a prototype, when routing redundant and reserve conductors with a reference conductor as a separate layer, so that the redundant and backup circuits have one reference conductor, redundant and reserve conductors of the same circuit are laid in pairs, parallel to each other , on one layer, with the minimum technologically acceptable gap between the redundant and the reserve conductors.

Недостатком способа, взятого за прототип, является исполнение пассивного проводника в сплошном виде, что увеличивает массу изделия.The disadvantage of this method, taken as a prototype, is the execution of a passive conductor in a solid form, which increases the weight of the product.

Предлагается способ трассировки проводников, включающий трассировку проводников с опорным проводником в виде отдельного слоя, так что первый и второй проводники прокладываются параллельно друг другу, на одном слое, отличающийся тем, что второй проводник выполнен полым, при этом в начале и конце второго проводника подключены резисторы со значениями, равными среднегеометрическому значению волновых сопротивлений четной и нечетной мод, а значение модуля разности погонных задержек мод, умноженное на длину проводников, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между первым проводником и опорной плоскостью.A method for tracing conductors is proposed, including tracing conductors with a reference conductor in the form of a separate layer, so that the first and second conductors are laid parallel to each other, on one layer, characterized in that the second conductor is hollow, while resistors are connected at the beginning and end of the second conductor with values equal to the geometric mean of the wave impedances of the even and odd modes, and the value of the modulus of the difference between the linear delays of the modes, multiplied by the length of the conductors, is not less than the sum of the durations of the front, flat top and decay of the pulse applied between the first conductor and the reference plane.

Техническим результатом является уменьшенная масса проводников. Технический результат достигается за счет использования полого пассивного проводника. Такая конфигурация устройств защиты, открывает возможность разложения помехового импульса малой длительности на последовательность импульсов меньшей амплитуды, при уменьшенной массе защитного устройства, 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. The technical result is achieved through the use of a hollow passive conductor. This configuration of protection devices opens up the possibility of decomposing an interference pulse of short duration into a sequence of pulses of lower amplitude, with a reduced mass of the protective device, 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 связанных линий длиной 1 м (фиг. 1), где w - ширина проводников, s - расстояние между проводниками, t - толщина проводников, h - толщина диэлектрика, d - расстояние от края до проводника, g - толщина стенки полого проводника, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Проводники 1 и 2 прокладываются парами, параллельно друг другу, на одном слое, а опорный проводник выполнен в виде отдельного слоя, при этом второй проводник - полый.The achievability of the technical result is demonstrated by the example of propagation of impulse noise with an EMF of 1 V and durations of the front, fall and flat top of 100 ps each in the structure of connected lines 1 m long (Fig. 1), 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, g is the wall thickness of the hollow conductor, ε _r is the relative permittivity of the substrate. Conductors 1 and 2 are laid in pairs, parallel to each other, on one layer, and the reference conductor is made in the form of a separate layer, while 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, на одной стороне диэлектрического слоя. 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 (25,7 Ом) и нечетной (54,7 Ом) мод, равному 37,5 Ом.FIG. 2 shows the equivalent diagram of the structure. It consists of two (not counting the reference) conductors with a length l equal to 100 cm, on one side of the dielectric layer. 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 (25.7 Ohm) and odd (54.7 Ohm) modes, equal to 37.5 Ohm.

На фиг. 3 показаны формы ЭДС, напряжения 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 0,242 В и не превышает 50% от половины ЭДС.FIG. 3 shows the EMF waveforms, voltages at the input and output of the structure with a hollow passive conductor. It can be seen that when passing along the line, the SQI is decomposed into 2 pulses. The maximum output voltage is 0.242 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

|Δτ|l ≥ t_r + t_d + t_f, (1)| Δτ | l ≥ t _r + t _d + t _f , (1)

где Δτ - разность погонных задержек мод линии, а t_r, t_d, t_f - длительности фронта, плоской вершины и спада импульса соответственно.where Δτ 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 falloff of the pulse, respectively.

Выполнение условия (1) обеспечивает разложение исходного сигнала на импульсы мод, погонные задержки которых равны 5,43 и 6,55 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 1,11 нс/м, следовательно, полное разложение СКИ длительностью t_Σ 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 5.43 and 6.55 ns / m (calculated as the square root of the eigenvalues of the product of the linear coefficients of electromagnetic (L) and electrostatic (C) induction matrices) ... The value of the difference between the linear delays of the modes is 1.11 ns / m, therefore, the complete decomposition of the SQI with duration t _Σ in a transmission line segment of length l is possible under the condition

t_Σ ⁄ l < 1,11 нс/м. (2)t _Σ ⁄ l <1.11 ns / m. (2)

Учитывая условия (1) и (2), при указанных значениях параметров линии максимальная длительность входного сигнала t_Σ при длине линии 1 м равна 1,11 нс.Taking into account conditions (1) and (2), for the indicated values of the line parameters, the maximum duration of the input signal t _Σ with a line length of 1 m is equal to 1.11 ns.

При w=0,1 см, t=0,0105 см, g=0,002 см, l=100 cм и плотности меди ρ=8,96 г/см³ рассчитывается объем сплошного проводника с помощью выраженияFor w = 0.1 cm, t = 0.0105 cm, g = 0.002 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 = lwt. (3)V = lwt. (3)

Объем сплошного проводника составляет 0,105 см³. Масса сплошного проводника вычисляется какThe volume of the solid conductor is 0.105 cm ³ . The mass of a solid conductor is calculated as

m = Vρ. (4)m = Vρ. (four)

Масса сплошного проводника составляет 0,941 г. Объем полости проводника вычисляется с помощью выраженияThe mass of a solid conductor is 0.941 g. The volume of the conductor cavity is calculated using the expression

V_вн = (l - 2g)(w - 2g)(t - 2g). (5)V _int = (l - 2g) (w - 2g) (t - 2g). (five)

Объем полости проводника составляет 0,062 см³. Тогда масса полого проводника вычисляется какThe volume of the conductor cavity is 0.062 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 0,382 г, что почти в 2,5 раза меньше массы сплошного проводника.The mass of the hollow conductor is 0.382 g, which is almost 2.5 times less than the mass of the solid conductor.

Таким образом, показан технический результат - уменьшенная масса проводников.Thus, the technical result is shown - a reduced mass of conductors.

Claims (1)

Способ трассировки проводников, включающий трассировку проводников с опорным проводником в виде отдельного слоя, так что первый и второй проводники прокладываются параллельно друг другу, на одном слое, отличающийся тем, что второй проводник выполнен полым, при этом в начале и конце второго проводника подключены резисторы со значениями, равными среднегеометрическому значению волновых сопротивлений четной и нечетной мод, а значение модуля разности погонных задержек мод, умноженное на длину проводников, не меньше суммы длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося между первым проводником и опорной плоскостью.A method for tracing conductors, including tracing conductors with a reference conductor in the form of a separate layer, so that the first and second conductors are laid parallel to each other, on the same layer, characterized in that the second conductor is hollow, while at the beginning and end of the second conductor resistors with values equal to the geometric mean of the wave impedances of the even and odd modes, and the value of the modulus of the difference between the linear delays of the modes, multiplied by the length of the conductors, is not less than the sum of the durations of the front, flat top and decay of the pulse applied between the first conductor and the reference plane.

Images