PARAMETRIC OPTIMIZATION OF PROTECTIVE TURN OF MEANDER LINE WITH BROAD-SIDE COUPLING

Full Text

В настоящее время основную часть элементов современных цифровых устройств составляют микропроцессоры и системы, построенные на их основе. Их активное развитие в последние несколько десятилетий привело к значительному увеличению быстродействия современных устройств, а также росту их рабочих частот и уменьшению напряжений используемых сигналов. В связи с увеличивающимся уровнем мощности и расширяющимся диапазоном частот электромагнитных воздействий, а также растущим числом их источников разной природы, проявляется необходимость повышения стойкости современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) к воздействию электромагнитного излучения. Все реальнее становится угроза преднамеренного электромагнитного воздействия с целью выведения из строя важных объектов инфраструктуры общества в террористических целях, о чем свидетельствует ряд зарегистрированных случаев такого воздействия [1]. Наиболее опасны импульсы наносекундного и субнаносекундного диапазонов, которые могут проникать внутрь РЭА. Традиционно для защиты от таких сверхкоротких импульсов (СКИ) применяются электромагнитные экраны, различные фильтры, устройства развязки, ограничители помех. Однако эти устройства имеют ряд недостатков, наиболее существенными из которых являются недостаточное быстродействие, малая мощность, а также наличие паразитных параметров, затрудняющих защиту РЭА от мощных СКИ. Кроме того, реализация такой защиты требует обязательного введения в состав защищаемого устройства дополнительных компонентов, а защита РЭА от воздействий в широком диапазоне требует построения сложных многоступенчатых устройств, что неизбежно ведет к росту массогабаритных показателей устройства в целом. Между тем на практике требуются простые и дешевые устройства защиты от СКИ. Поэтому актуален поиск новых технических решений. В этой связи примечателен подход к защите РЭА, основанный на использовании искажений в простой печатной структуре - витке меандровой линии задержки [2-4]. Достоинством подхода является то, что его реализация может не требовать устройства защиты как такового. Вместо него могут быть использованы уже имеющиеся на печатной плате меандровые линии, прямое назначение которых - задержка сигнала на печатной плате для тактирования импульсных сигналов в точках приема. Защита от СКИ с помощью предложенного подхода достигается ослаблением его амплитуды за счет разложения сигнала на последовательность импульсов с меньшей (относительно исходной) амплитудой. Для этого необходимо выполнить ряд условий, связывающих параметры меандровой линии и длительность СКИ. Так, для линии с однородным диэлектрическим заполнением необходимо, чтобы импульс основного сигнала пришел к концу линии по окончании импульса перекрестной наводки на ближнем конце линии (в терминологии связанных линий) за счет обеспечения нескольких простых условий [5-6]. Основным из них является значение задержки в линии большее, чем длительность СКИ. Тогда за счет оптимизации связи между сигнальными проводниками линии могут быть обеспечены минимизация и равенство амплитуд импульсов наводки и основного сигнала на выходе линии [2]. В линии с неоднородным заполнением могут различаться скорости распространения мод, что может быть использовано для разложения основного сигнала на несколько импульсов. Для этого необходимо, чтобы значение удвоенного произведения модуля разности погонных задержек мод сигнала на длину линии было больше длительности СКИ. Обеспечение этого позволяет дополнительно ослабить амплитуду СКИ в 1,5 раза в линии с боковой связью [3]. Указанная возможность разложения СКИ в витке меандровой микрополосковой линии доказана экспериментально и продемонстрировано ослабление СКИ в 6,3 раза [7-8]. Также, доказана экспериментально возможность разложения СКИ в С-секции с лицевой связью, на выходе которой максимальный уровень сигнала составил 24% от уровня сигнала на ее входе [9]. Однако совершенно неосвещенными остались результаты предварительного моделирования, которое является важным этапом перед проведением экспериментальных исследований и позволило уменьшить затраты на изготовление конечного устройства, а также получить физически реализуемые по обычной технологии печатных плат значения параметров поперечного сечения исследуемой структуры. На практике в межсоединениях печатных плат существуют потери, дисперсия, отражения от неоднородностей и множество других факторов, которые зачастую сложно учесть при проектировании. Кроме того, корректность функционирования реальных устройств РЭА в определенной степени зависит от качества изготовления печатной платы. Зачастую, технологические ограничения, которые накладываются предприятием-изготовителем, не позволяют реализовать некоторые идеи и подходы на практике. Тогда разработчики прибегают к средствам параметрической оптимизации для отыскания наиболее приемлемого набора параметров с учетом технологических возможностей предприятия-изготовителя и требований решаемой задачи. Поэтому цель данной работы - представить результаты предварительного моделирования и оптимизации параметров поперечного сечения витка меандровой линии с лицевой связью с учетом типовых параметров материалов для изготовления печатных плат. Исходные данные для моделирования Поперечное сечение и схема соединений исследуемой линии представлены на рис. 1. Все проводники линии имеют одинаковую ширину w и толщину t, буквенные символы «О» и «А» введены для обозначения опорного и сигнального (активного) проводников (см. рис. 1а). Линия состоит из двух параллельных проводников длиной l, соединенных между собой на одном конце. Один из проводников линии соединен с источником импульсных сигналов, представленным на схеме рис. 1б идеальным источником ЭДС E и внутренним сопротивлением R1. Другой проводник линии соединен с приемным устройством, представленным на схеме сопротивлением R2. Оптимизация параметров линии выполнялась в системе TALGAT [10]. а) Scheme б) Рис. 1. Виток меандровой линии с лицевой связью: а) поперечное сечение; б) схема соединений Поскольку натурный эксперимент предполагалось проводить на базе комбинированного осциллографа С9-11 (с внутренним сопротивлением 50 Ом и полосой рабочих частот 17,8 ГГц), то известна минимальная длительность импульса (около 100 пс), которая может быть обеспечена его генератором. Для разложения такого импульса нужно, чтобы значение удвоенного произведения модуля разности погонных задержек мод линии на ее длину было больше 100 пс. Еще одним важным условием является минимизация отражений в измерительном тракте осциллографа. Для этого необходимо согласование характеристического импеданса исследуемой линии с трактом. Это может быть обеспечено равенством среднего геометрического волновых сопротивлений мод сопротивлению измерительного тракта 50 Ом. В качестве материала основы выбран материал FR-4. В соответствии с технической документацией изготовителя печатных плат, на частоте 1 МГц диэлектрическая проницаемость материала может варьироваться в диапазоне от 3,5 до 4,1 [11]. Поэтому при моделировании принято среднее значение диэлектрической проницаемости εr = 3,8. Типовыми фиксированными геометрическими параметрами, которые изменяются дискретно, для выбранного материала являются толщина слоя основы (h = 500; 1000; 1500 и 2000 мкм) и толщина фольги (t = 18 и 35 мкм). Варьируемыми параметрами являются ширина сигнального проводника w и расстояние между сигнальным и опорным проводниками s. а б Рис. 2. Зависимости Δτ от w для разных h при s = 0,2 (а) и 1 мм (б) а б Рис. 3. Зависимости Δτ от s для разных h при w = 1 (а) и 10 мм (б) а б Рис. 4. Зависимости Zс от w для разных h при s = 0,2 (а) и 1 мм (б) а б Рис. 5. Зависимости ZС от s для разных h при w = 1 (а) и 10 мм (б) Результаты оптимизации Выполнены оценки влияния параметров поперечного сечения исследуемой линии на изменение разности погонных задержек мод Dt и среднее геометрическое их волновых сопротивлений ZC. В результате исследований выявлено, что результаты расчета Dt и ZC для разных значений толщины фольги отличаются незначительно (максимальное отклонение для Dt составляет 2%, а для ZC - 1,3%), поэтому целесообразно привести результаты только для одного значения, например для t = 18 мкм. На рис. 2-3 приведены зависимости Dt при изменении w и s для разных h, а на рис. 4-5 - зависимости ZC при тех же параметрах. При этом значение w изменялось в диапазоне от 1 до 10 мм с шагом 1 мм (при фиксированных s = 0,2 и 1 мм), а значение s - от 0,2 до 1 мм с шагом 0,1 мм (при фиксированных w = 1 и 10 мм). Из рис. 2 видна нелинейная зависимость Δτ от w. При s = 0,2 мм и h = 0,5 мм Δτ имеет наибольшие значения, изменяющиеся от 1,2 до 2,2 нс/м при увеличении w от 1 до 10 мм. При s=1 мм наблюдается аналогичное поведение зависимостей, однако значения Δτ сдвигаются выше и изменяются от 1,6 до 2,6 нс/м при увеличении w от 1 до 10 мм. При увеличении h график зависимости Δτ сдвигается ниже. Минимальные значения Δτ соответствуют h = 2 мм и составляют около 0,56 нс/м и 1,59 нс/м при s = 0,2 и 1 мм соответственно. Поэтому с точки зрения максимизации длительности СКИ, который может быть разложен в линии с фиксированной длиной l, предпочтительнее в качестве основы печатной платы выбрать материал с h = 0,5 мм при наибольшем w. Аналогичное поведение наблюдается для зависимостей Δτ от s, приведенных на рис. 3. Однако при w = 1 мм, h = 1,5 и 2 мм в зависимостях появляется слабо выраженный минимум, Δτ изменяется слабо, а ее среднее значение составляет около 0,69 и 0,58 нс/м соответственно. Из рис. 4 видна нелинейная зависимость ZС от w. При увеличении h график зависимости ZС сдвигается вверх по оси ординат. По мере увеличения w значение ZС уменьшается. Из зависимостей также видно, что при всех значениях h существует такое значение w, при котором ZС = 50 Ом. Так, при s = 0,2 мм, среднее геометрическое волновых сопротивлений мод линии составляет 50 Ом при w = 2,8; 4,7; 6 и 7,9 мм для h = 0,5; 1; 1,5 и 2 мм соответственно, а при s = 1 мм - при w = 4,6; 7; 9 и 10,5 мм для h = 0,5; 1; 1,5 и 2 мм соответственно. Противоположное поведение наблюдается для зависимостей ZС от s - по мере увеличения s значение ZС увеличивается (см. рис. 5). Наименьшее значение ZС при w =1 мм соответствует s = 0,2 мм для h = 0,5 мм и составляет 76,96 Ом, а при w = 10 мм оно составляет 25,26 Ом. С учетом проведенных исследований выполнена оптимизация параметров поперечного сечения витка меандровой линии с лицевой связью. После оптимизации получены следующие параметры поперечного сечения (см. рис. 1а): t = 18 мкм, s = 0,2 мм, h = 1,5 мм, w = 6 мм. При данных значениях параметров обеспечиваются значения ZC = 50,36 Ом и Δτ = 1,43 нс/м. Из последнего следует, что для разложения импульса с длительностью 100 пс длина линии должна быть не менее 35 мм. Заключение В статье представлены результаты оценки влияния изменения параметров поперечного сечения витка меандровой линии с лицевой связью на значение разности погонных мод и среднего геометрического их волновых сопротивлений, а также выполнена оптимизация параметров поперечного сечения. В результате исследований выбраны значения параметров поперечного сечения для изготовления макетов меандровой линии, при которых обеспечивается согласование линии с измерительным трактом, а также вычислена длина линии, позволяющая разложить СКИ с длительностью 100 пс. При данном наборе физически реализуемых по обычной технологии печатных плат значений параметров поперечного сечения исследуемой структуры достижимы значения ZС не только 50 Ом (СВЧ-тракт), но и 75 Ом (телевизионный тракт), 100 Ом (Ethernet) и др. (см. рис. 4-5), что показывает возможность более широкого использования результатов работы. Важна и возможность получения довольно высоких значений Δτ, достигающих 2,6 нс/м (см. рис. 2) на обычном стеклотекстолите. Из полученных графиков легко оценить чувствительность характеристик к отклонениям соответствующих параметров, что важно для практики. Обзор выполнен в рамках проекта №8.9562.2017/БЧ Минобразования РФ, вычислительный эксперимент выполнен за счет гранта РНФ 14-19-01232 в ТУСУР.

About the authors

Alexander Viacheslavovich Nosov

TUSUR

Email: alexns2094@gmail.com

Roman Sergeevich Surovtsev

TUSUR

Email: surovsevrs@gmail.com

Timur Talgatovich Gazizov

TUSUR

Email: timurtsk@gmail.com

References

Supplementary files