RU2769104C1 - Meander microstrip line with two passive conductors, protecting against ultrashort pulses - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used to protect electronic equipment from ultrashort pulses. The delay line consists of one reference conductor, two signal conductors parallel to it and to each other, connected to each other at one end and located between two additionally introduced parallel passive conductors on one side of the dielectric substrate, and each end of the passive conductors is connected to the reference conductor by corresponding resistors, while the path into which the line is connected, and resistors at the ends of passive conductors have a resistance of 50 ohms, in this case, the parameters of the cross-section of the line are selected to decompose the pulse into a sequence of eleven pulses of smaller amplitude, each of which comes to the end of the line as the previous one is over.

EFFECT: increased attenuation of the ultrashort pulse due to its decomposition into a sequence of eleven pulses.

1 cl, 3 dwg

Description

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.Currently, an urgent task is to protect electronic equipment (REA) from ultrashort pulses (USP) of nanosecond and subnanosecond ranges, which are able to penetrate into various REE nodes, bypassing the electromagnetic screens of devices. Traditional circuitry protection against such pulses are filters, decoupling devices, noise limiters, discharge devices, and constructive - protective screens and methods for increasing the uniformity of screens, grounding and methods for reducing the impedances of power circuits. It is known that protection devices switched on at the input of the equipment have a number of disadvantages (low power, insufficient speed, parasitic parameters) that make it difficult to properly protect against powerful SQIs. Effective protection in a wide range of influences requires complex multi-stage devices. Meanwhile, along with high performance, practice requires the simplicity and low cost of protection devices, so it is necessary to develop new protection devices against SKI.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является меандровая микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов [Патент на изобретение № 2607252. Меандровая микрополосковая линия задержки, защищающая от сверхкоротких импульсов / Р.С. Суровцев, Т.Р. Газизов, А.В. Носов, А.М. Заболоцкий, С.П. Куксенко - Заявка № 2015129255; заявлен 16.07.2015; опубликован 10.01.2017], состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце, и диэлектрической среды, с таким выбором параметров поперечного сечения линии, что одновременно обеспечиваются: равенство среднего геометрического значения волновых сопротивлений четной и нечетной мод волновому сопротивлению тракта, в который включена линия; значения минимальной из погонных задержек четной и нечетной мод линии, а также модуля их разности, умноженных на длину линии, большие, чем сумма длительностей фронта, плоской вершины и спада импульса, подающегося в линию.Closest to the claimed device is a meander microstrip delay line that protects against ultrashort pulses [Patent for invention No. 2607252. Meander microstrip delay line that protects against ultrashort pulses / R.S. Surovtsev, T.R. Gazizov, A.V. Nosov, A.M. Zabolotsky, S.P. Kuksenko - Application No. 2015129255; declared 07/16/2015; published on January 10, 2017], consisting of one reference conductor, two signal conductors parallel to it and to each other, interconnected at one end, and a dielectric medium, with such a choice of line cross-sectional parameters that simultaneously ensure: equality of the geometric mean value of wave resistances even and odd modes to the wave impedance of the path in which the line is included; the values of the minimum of the linear delays of the even and odd modes of the line, as well as the modulus of their difference, multiplied by the length of the line, are greater than the sum of the durations of the front, flat top, and decay of the pulse fed into the line.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление СКИ.The disadvantage of the prototype device is the insufficient attenuation of the SKI.

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, отличающаяся тем, что сигнальные проводники расположены между двумя дополнительно введенными пассивными проводниками на одной стороне диэлектрической подложки, каждый из которых расположен параллельно им и опорному проводнику и резисторами, соединяющими каждый конец пассивных проводников с опорным, при этом тракт, в который включена линия, и резисторы на концах пассивных проводников имеют сопротивление 50 Ом, а выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается разложение на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего.A delay line is claimed, consisting of one reference conductor, two signal conductors parallel to it and to each other, interconnected at one end and a dielectric medium, characterized in that the signal conductors are located between two additionally introduced passive conductors on one side of the dielectric substrate, each of which is located parallel to them and the reference conductor and resistors connecting each end of the passive conductors to the reference one, while the path in which the line is included and the resistors at the ends of the passive conductors have a resistance of 50 Ohm, and the choice of line cross-sectional parameters provides decomposition into a sequence of eleven pulses of smaller amplitude, each of which comes to the end of the line at the end of the previous one.

Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное ослабление СКИ.The advantage of the proposed device, in contrast to the prototype device, is the increased attenuation of the SQI.

Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ, за счет его разложения на последовательность из одиннадцати импульсов: четырех основных импульсов меньшей амплитуды и семи дополнительных импульсов, возникающих из-за асимметрии поперечного сечения линии. Технический результат достигается за счет выбора параметров линии такими, чтобы обеспечивались указанные выше условия. За счет этого СКИ раскладывается на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего: первый импульс - перекрестная наводка, наведенная с входа линии на ее выход; второй, четвертый, седьмой и одиннадцатый - импульсы первой, второй, третьей и четвертой мод линии; третий, пятый, шестой, восьмой, девятый и десятый импульсы - дополнительные, возникающие из-за асимметрии поперечного сечения линии. Разложением СКИ на последовательность импульсов уменьшается амплитуда выходного сигнала. Также к концу линии будут приходить импульсы разной полярности меньшей амплитуды, вызванные отражениями. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.The technical result is an increased attenuation of the SQI, due to its decomposition into a sequence of eleven pulses: four main pulses of smaller amplitude and seven additional pulses arising due to the asymmetry of the line cross section. The technical result is achieved by choosing the line parameters such that the above conditions are provided. Due to this, the SQI is decomposed into a sequence of eleven pulses of smaller amplitude, each of which comes to the end of the line at the end of the previous one: the first pulse is crosstalk induced from the line input to its output; the second, fourth, seventh and eleventh are the pulses of the first, second, third and fourth line modes; the third, fifth, sixth, eighth, ninth and tenth pulses are additional, arising from the asymmetry of the line cross section. By decomposing the SQI into a sequence of pulses, the amplitude of the output signal decreases. Also, pulses of different polarity of smaller amplitude, caused by reflections, will come to the end of the line. The above qualitative estimates of the feasibility of the technical result are confirmed below by quantitative estimates obtained using modeling.

На фиг. 1 представлена схема соединений заявляемой линии. Она состоит из четырех проводников длиной l, расположенных на одной стороне диэлектрической подложки, два из которых сигнальные, соединенные между собой на одном конце и расположенные между двумя пассивными проводниками. Один из сигнальных проводников соединен с источником ЭДС, а второй - с приемным устройством. Воздействующий импульс имеет форму трапеции с параметрами: амплитуда ЭДС 1 В, длительность плоской вершины 100 пс, а фронта и спада - по 50 пс. Сопротивления генератора, приемного устройства и резисторов на концах пассивных проводников приняты равными по 50 Ом. На фиг. 2 представлено поперечное сечение заявляемой линии. Его параметры выбраны, чтобы выполнялись условия:In FIG. 1 shows the connection diagram of the claimed line. It consists of four conductors of length l located on one side of the dielectric substrate, two of which are signal conductors connected to each other at one end and located between two passive conductors. One of the signal conductors is connected to the EMF source, and the second - to the receiving device. The acting pulse has the shape of a trapezoid with the following parameters: EMF amplitude 1 V, duration of the flat top 100 ps, and the rise and fall - 50 ps each. The resistances of the generator, the receiving device and the resistors at the ends of the passive conductors are assumed to be 50 ohms each. In FIG. 2 shows a cross section of the claimed line. Its parameters are chosen so that the following conditions are met:

2lτ₁≥t_СКИ, (1)2lτ _{1 ≥t} USP , (1)

lτ₂≥lτ₁+t_СКИ, (2)lτ _{2 ≥lτ 1} +t USP , (2)

l(τ₁+τ₃)≥2lτ₂+t_СКИ, (3)l(τ ₁ +τ ₃ ) _{≥2lτ 2} +t USP , (3)

lτ₃≥lτ₂+t_СКИ, (4)lτ _{3 ≥lτ 2} +t USP , (4)

l(τ₁+τ₄)≥2lτ₃+t_СКИ, (5)l(τ ₁ +τ ₄ ) _{≥2lτ 3} +t USP , (5)

lτ₄≥lτ₃+t_СКИ, (6)lτ _{4 ≥lτ 3} +t USP , (6)

где l - длина отрезка линии передачи, τ₁-τ₄ - погонные задержки мод линии, а t _CКИ - общая длительность СКИ.where l is the length of the transmission line segment, τ ₁ -τ ₄ are line mode delays, and t _SKI is the total duration of the SKI.

Для подтверждения возможности выполнения условий (1)-(6) рассмотрим линию, на фиг. 1, со следующими параметрами поперечного сечения (фиг. 2): w=400 мкм, t=18 мкм, s ₁=110 мкм, s ₂=s ₃=40 мкм, h=300 мкм, ε _r =25, l=1,2 м. Вычисленные матрицы C и L, а также Z:To confirm the possibility of fulfilling conditions (1)-(6), consider the line in Fig. 1, with the following cross-sectional parameters (Fig. 2): w =400 μm, t =18 μm, s ₁ =110 μm, s ₂ = s ₃ =40 μm, h =300 μm, ε _r =25, l = 1.2 m. Calculated matrices C and L , as well as Z :

Вычисленные погонные задержки мод: τ₁=10,86 нс/м, τ₂=11,49 нс/м, τ₃=12,48 нс/м, τ₄=14,61 нс/м. При подстановке известных переменных в (1)-(6) они выполняются с запасом. На фиг. 3 представлена форма напряжения на выходе заявляемой линии. Из нее видно, что СКИ представлен последовательностью из 11 импульсов с амплитудой, не превышающей 78 мВ, что составляет 15,6% от половины амплитуды ЭДС источника. Между тем в прототипе она составляет 40%. Таким образом, показан технический результат, на достижение которого направлена заявляемая линия.Calculated linear mode delays: τ_one=10.86 ns/m, τ₂=11.49 ns/m, τ₃=12.48 ns/m, τ₄=14.61 ns/m. When substituting known variables in (1)-(6), they are performed with a margin. In FIG. 3 shows the voltage shape at the output of the claimed line. It can be seen from it that the USP is represented by a sequence of 11 pulses with an amplitude not exceeding 78 mV, which is 15.6% of the source EMF half amplitude. Meanwhile, in the prototype it is 40%. Thus, the technical result is shown, the achievement of which is directed by the claimed line.

Claims (1)

Линия задержки, состоящая из одного опорного проводника, двух параллельных ему и друг другу сигнальных проводников, соединенных между собой на одном конце и диэлектрической среды, отличающаяся тем, что сигнальные проводники расположены между двумя дополнительно введенными пассивными проводниками на одной стороне диэлектрической подложки, каждый из которых расположен параллельно им и опорному проводнику и резисторами, соединяющими каждый конец пассивных проводников с опорным, при этом тракт, в который включена линия, и резисторы на концах пассивных проводников имеют сопротивление 50 Ом, а выбором параметров поперечного сечения линии обеспечивается разложение на последовательность из одиннадцати импульсов меньшей амплитуды, каждый из которых приходит к концу линии по окончании предыдущего.A delay line consisting of one reference conductor, two signal conductors parallel to it and to each other, interconnected at one end, and a dielectric medium, characterized in that the signal conductors are located between two additionally introduced passive conductors on one side of the dielectric substrate, each of which is located parallel to them and the reference conductor and resistors connecting each end of the passive conductors to the reference one, while the path in which the line is included and the resistors at the ends of the passive conductors have a resistance of 50 Ohm, and the choice of line cross-section parameters provides decomposition into a sequence of eleven pulses smaller amplitude, each of which comes to the end of the line at the end of the previous one.

Images