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

Abstract


The results of the quasistatic simulation and natural experiment on propagation of the pulse signal in the flat cable are given. Signal distortions associated with modal phenomena are shown. It is demonstrated that the quasistatic simulation can be used to analyze and verify the results of natural experiment.

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

References

  1. Заболоцкий А.М. Импульсные сигналы в многопроводных линиях передачи. Методы, алгоритмы и программы для анализа многопроводных линий передачи и способы уменьшения искажений импульсных сигналов в них. - Изд-во Lambert Academic Publishing, 2011. - 164 с.
  2. Патент РФ №2386964 от 10.03.2009. Устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи // Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М., Орлов П.Е. и др. Опубл. 20.04.2010, бюл. №11.
  3. Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М. Модальное зондирование - новый принцип зондирования многопроводных структур // Материалы 9 ВНПК «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности». Томск, 2007. - С. 27-30
  4. Заболоцкий А.М., Орлов П.Е. Модальное зондирование проводных структур в авионике // Материалы ММНК «Туполевские чтения». Казань, 2007. - С. 206-208.
  5. Орлов П.Е. Применение модального зондирования для обнаружения распространения сверхкоротких импульсов в межсоединениях бортовой аппаратуры // Материалы НТК молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнева», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина. Железногорск, 2011. - С. 138-141.
  6. Орлов П.Е., Долганов Е.С., Газизов Т.Р. Квазистатическое и электродинамическое моделирование модальных явлений в многопроводных структурах // ИКТ. Т.9, №4, 2011. - С. 96-100.
  7. Gazizov T.R., Zabolotsky А.М., Samotin I.E. Modal Decomposition of UWB Pulse in Power Cable Structures: Simple Experiment Showing Useful Possible Applications // Book of abstracts EUROEM-2008. Switzerland, Lausanne, July 2008. - P. 62.
  8. Бевзенко И.Г., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М. Экспериментальные исследования разложения и восстановления электрических импульсов в структурах с различными модальными антиподами // Известия ВУЗов. Физика. Т. 54, №10/2, 2011. - С. 17-24.
  9. Орлов П.Е., Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М. Экспериментальное подтверждение возможности бесконтактной диагностики многопроводных структур посредством модального зондирования // Известия ВУЗов. Физика. Т. 56, № 6, 2013. - С. 44-47.
  10. TALGAT 2011. Свид о госрегистрации программы для ЭВМ №2012660373 от 05. 10. 2012. // Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов ТТ. и др. Зарег. 16. 11. 2012.
  11. Орлов П.Е., Газизов Т.Р. Новые подходы к совершенствованию электрических соединений бортовой аппаратуры космических аппаратов. Томск: Изд. ТГУСУР, 2013. - 230 с.

Statistics

Views

Abstract - 18

PDF (Russian) - 4

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2013 Gazizov T.R., Zabolotsky A.M., Orlov P.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies