APPLICATION OF THE QUSISTATIC SIMULATION FOR ANALYSIS AND VERIFICATION OF NATURAL EXPERIMENT RESULTS IN RESEARCH MODAL PHENOMENA IN MULTICONDUCTOR STRUCTURES

Full Text

Контроль и диагностика протяженных электрических соединений важны для обеспечения надежности инфокоммуникационных систем, поэтому изучение процессов распространения импульсных сигналов в многопроводных структурах представляет практический интерес [1]. Предложено устройство модального зондирования [2], основанное на идее использования модального искажения формы импульсного сигнала [3]. Проведен ряд теоретических исследований, показывающих возможность создания устройств «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 76 Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е. обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных структур на основе модальных явлений [4-6]. Приведены экспериментальные данные, доказывающие разложение одного импульса на несколько импульсов с меньшей амплитудой из-за различия задержек мод в структуре [7], а также возможность его последующего восстановления в структуре с обратным знаком разности погонных задержек мод [8]. Однако для реализации и определения возможностей устройств модального зондирования необходимо проведение ряда физических экспериментов для применяющихся на практике многопроводных структур. Представлен эксперимент, подтверждающий возможность бесконтактного определения граничных условий многопроводных структур посредством модального зондирования [9]. Для более глубокого изучения модальных явлений и верификации результатов натурных экспериментов необходимо тщательное моделирование. Для этого применяются системы электродинамического и квазистатического моде лирования. Причиной тому являются развитие методов моделирования, вычислительной техники, определенные преимущества моделирования над экспериментом. Каждый из подходов к моделированию имеет свои сильные и слабые стороны и оптимальные области применения. Например, электродинамический подход на основе уравнений Максвелла учитывает все типы волн, но требует больше вычислительных ресурсов, чем квазистатический подход. Описание процессов в последнем основано на телеграфных уравнениях, с учетом допущений и ограничений их применения. К сожалению, пользователи систем моделирования не всегда это учитывают и часто работают лишь с одной системой, не соотнося методологию моделирования со спецификой задачи. Ряд результатов моделирования [6] показывает, что такой подход может быть неэффективным. Цель работы - сравнить результаты натурного и вычислительного экспериментов по распространению импульсного сигнала в плоском кабеле. Таблица 1. Матрицы L, C, Z, погонные задержки мод и их разность для кабеля ПУГНП 3x1,5 Матрицы параметров Погонные задержки мод и их разность L, нГн/м С, пФ/м Z, Ом Те, не/м Т0, не/м Ат, нс/м 448,25 106,95 106,95 448,25 56,05 -9,88 -9,88 56,05 92,74 58,51 58,51 92,74 5,02 4,68 0,34 Результаты эксперимента были получены с помощью осциллографа вычислительного комбинированного С9-11. Измерялись параметры импульсных сигналов на дальнем конце зондирующей пары проводников плоского кабеля ПУГНП 3^1,5 (рис. 1 а). Таким образом, исследовалась возможность зонди рования пассивного проводника (без контакта с ним) по сигналу между активным и опорным проводниками. Для изучения возможности диагностики разрыва пассивного проводника по форме модального искажения импульсного сигнала в зондирующей линии эксперимент проводился на двух структурах, изо Рис. 1. Поперечное сечение ПУГНП 3 х 1,5 (а), где проводники: А - активный; О - опорный; П - пассивный; принципиальная схема исследуемой структуры без разрыва (б) и с разрывом (в) «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е. 77 браженных на рис. 1а, б. Также с помощью системы TAL-GAT [10] для анализа полученных результатов вычислены электрофизические параметры используемого кабеля (см. таблицу 1). Воздействие подавалось между активным и опорным проводниками (см. рис. 1) через формирователь импульса II-2.084.080 (внутреннее сопротивление R1 = 50 Ом и максимальная амплитуда сигнала 10 В). Входное сопротивление преобразователя ПС-18 R3 = 50 Ом, а остальные изменялись: 100 Ом, холостой ход (ХХ), короткое замыкание (КЗ). Форма сигнала на выходе формирователя импульса при нагрузке 50 Ом представлена на рис. 2, а его параметры сведены в таблице 2. Измерения входного воздействия производились с аттенюатором 20 дБ; другие измерения - без него. Таблица 2. Параметры сигнала на выходе формирователя импульса Тип сигнала Треугольный импульс Амплитуда 225 мВ Фронт (0,1-0,9) 280 пс Спад (0,1-0,9) 280 пс Длительность (0,5) 200 пс Г оризонтальная развертка 2 нс/дел. Вертикальная развертка 50 мВ/дел. Осциллограммы исходного сигнала и сигнала на дальнем конце зондирующей линии для структуры без разрыва (рис. 1а, б) при R2 = R 4 = œ приведены на рис. 2б. Измеренное время задержки самой быстрой моды (с учетом предела допускаемой погрешности 7,5% для осциллографа С9-11) составляет 72±5,4 нс (см. рис. 3), что соответствует погонной задержке т0 (см. таблицу 2), умноженной на длину структуры, составляет 4,68 нс/м х15 м = 70,2 нс. Появление второго импульса (см. рис. 2б, 3) обусловлено наличием пассивного (зондируемого) проводника (и, как следствие, возбуждением синфазной и дифференциальной мод), электрическими и магнитными связями с зондирующей линией, а также тем, что общая длительность исходного импульса (»0,6 нс, как следует из таблицы 2) меньше полной разности задержек мод: 0,34 нс/м х15 м = 5,1 нс. Формы сигналов на дальнем конце зондирующей линии при различных граничных условиях на концах пассивного провода более подробно рассмотрены в [9]. Таким образом, из-за наличия пассивного проводника на дальнем конце зондирующей линии наблюдается два импульса вместо одного. При разрыве пассивного проводника на дальнем конце активной линии наблюдается четыре импульса вместо двух, как в случае без разрыва (см. рис. 2в). Частичное наложение импульсов обусловлено дисперсией. Наблюдается и отраженный сигнал, также обусловленный наличием разрыва в пассивном проводнике. Разность задержек прямого и отраженного сигналов, равная примерно 48±3,6 нс (развертка 20 нс/дел.), соответствует погонной задержке т0 ( см. таблицу 2), умноженной на двойную длину первого отрезка: 4,68 нс/м х2х5 м = 46,8 нс. Таким образом, изменение числа импульсов на дальнем конце зондирующей структуры свидетельствует о возможности бесконтактной диагностики разрыва проводника посредством модального зондирования, а задержка отраженного сигнала может позволить определить положение разрыва. Рис. 2. Осциллограмма воздействующего сигнала (а); сигналов на дальнем конце зондирующей линии структуры без разрыва (б) и структуры с разрывом (в) при ХХ на концах пассивных проводников «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 78 Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е. mm t 114 шип.« и* 4*1. fl« « Рис. 3. Форма исходного (с аттенюатором 20 дБ и пренебрежимо малой задержкой) сигнала и без аттенюатора на выходе структуры из рис. 1б при R2 = R4 = 100 Ом Моделирование проводилось в системе TALGAT. При моделировании натурного эксперимента в качестве воздействия выбран гауссов импульс, его форма представлена на рис. 6, а параметры (выбранные в соответствии с натурным экспериментом, см. таблицу 1) - в таблице 3. Моделирование проводилось для структуры длиной 15 м и структуры из двух отрезков длиной 5 м и 10 м. Потери в проводниках и диэлектриках учитывались. Таблица 3. Параметры моделирования входного воздействия в системе TALGAT и, в t, нс (1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Рис. 6. Форма воздействующего импульса в системе TALGAT Моделирование выполнено для 6 вариантов структуры без разрыва пассивного проводника при R1 = R3 =50 Ом и 6 вариантов структуры с разрывом при R1 = R5 = 50 Ом, R3 = R4 = да. Таблица 4. Граничные условия при моделировании № Структура без разрыва Структура с разрывом 1 R2 = R4 - XX R2 = R6 - XX 2 R2 = R4 - КЗ R2 = R6 - КЗ 3 R2 - КЗ, R4 - XX R2 - КЗ, R6 - XX 4 R2 - XX, R4 - КЗ R2 - XX, R6 - КЗ 5 R2 - XX, R4 = 100 Ом R2 -XX, R6 = 100 Ом 6 R2 = R4 -100 Ом R2 = R6 -100 Ом Формы сигнала на дальнем конце зондирующей линии структуры без разрыва представлены в таблице 4, а с разрывом - в таблице 5. Для структур без разрыва, как и в натурном эксперименте, на дальнем конце зондирующей линии наблюдается два импульса, амплитуды которых определяются граничными условиями на концах пассивного проводника. Результаты для структур с разрывом также аналогичны натурным. На рис. 7а представлены формы сигналов на конце активного проводника для случая ХХ на обоих концах одиночного отрезка длиной 15 м, полученные в системе TALGAT и в натурном эксперименте. Из графиков видно хорошее соответствие значений и соотношения амплитуд сигналов. Различия форм сигналов на конце активной линии вызваны различием форм воздействующих импульсов в системе TALGAT и натурного эксперимента. Так, задний фронт сигнала в натурном эксперименте имеет более пологую форму, что обусловлено влиянием дисперсии реальных структур. В различие значений задержки мод в натурном и вычислительном экспериментах вносит существенный вклад погрешность осциллографа С9-11 (допускаемая погрешность равна 7,5%). С учетом этого время задержки в натурном эксперименте составляет 72,0 ± 5,4 нс, а в вычислительном - 70,2 нс. Таким образом, результаты вычислений находятся в границах измерений, а приведенные значения свидетельствуют о хорошем совпадении результатов вычислительного и натурного экспериментов. На рис. 7б представлены формы сигналов в конце активного проводника для случая ХХ на Тип сигнала гауссов импульс Амплитуда 2,25 В Фронт (0,1-0,9) 200 пс Спад (0,1-0,9) 200 пс Длительность (0,5) 225 пс «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е. 79 Таблица 4. Формы сигнала в конце активного проводника (V4) для структуры из одиночного отрезка длиной 15 м при различных граничных условиях обоих концах структуры из двух отрезков длиной 5 м и 10 м (с разрывом), полученные в системе TALGAT и в натурном эксперименте. В амплитудах сигналов наблюдаются различия, однако соотношения амплитуд сигнала натурного и вычислительного экспериментов близки. Как и в случае структуры без разрыва, задний фронт субимпульсов в натурном эксперименте более пологий, чем в вычислительном. Наблюдается незначительное различие значений задержки мод натурного и вычислительного экспериментов. Формы сигналов и время прихода отраженных импульсов в натурном и вычислительном экспериментах соответствуют, а небольшие различия сигналов вызваны частичным наложением импульсов. По причине большого объема материала оценка различий результатов натурного и вычислительного экспериментов представлена в таблицах 6-7. Максимальное различие результатов вычислительного и натурного экспериментов не превышает ±16,1 % по амплитуде и ±1,0 % по времени для структуры без разрыва и ±26,3 % по амплитуде и ±1,4 % по времени для структуры с разрывом. Таким образом, результаты вычислительного и натурного экспериментов показывают хорошее совпадение. Причина различия может объясняться отличием исходных спектров сигналов, используемых при моделировании и эксперименте, отличием реальных значений Ег и tgS от используемых при моделировании, а также погрешностью измерений. Таким образом, результаты натурного и вычислительного экспериментов на плоском кабеле ПУГНП 3х1,5 показали удовлетворительное совпадение и подтвердили возможность реализации модального зондирования (обнаружение, идентификация, диагностика) многопроводных структур. Изменение граничного условия вдоль (разрыв провода) и на концах зондируемого проводника приводит к изменению количества и амплитуд импульсов. Примечательно то, что квазистатическое моделирование может быть полезно в том числе и для анализа результатов натурного эксперимента, поскольку моделированием легко получить необходимые результаты, например, как в данном случае, значения задержек синфазной и дифференциальной мод. Детальное изложение вопросов, затронутых в данной работе, представлено в [11]. Работа выполнена по договору от 19.02.2013 №10/13 ЗАО «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 4, 2013 80 Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е. Таблица 5. Формы сигнала в конце активного проводника (V7) для структуры из двух отрезков (длиной 5 м и 10 м) при различных граничных условиях НПФ «Микран» и ТУСУРа в рамках реализации постановления Правительства РФ

About the authors

T. R Gazizov

Email: talgat@tu.tusur.ru

A. M Zabolotsky

Email: zabolotsky_am@mail.ru

P. E Orlov

Email: blink_281@mail.ru

References

Supplementary files