Устройства защиты радиоэлектронной аппаратуры от сверхкоротких импульсов в синфазном и дифференциальном режимах

1. Защита радиоэлектронной аппаратуры от кондуктивных помех: обзор
В данном разделе представлен обзор, в котором рассмотрены:
актуальность обеспечения ЭМС; нарушения функционирования РЭА
в результате воздействия СКИ; пассивные и гибридные устройства защиты от
кондуктивных помех; режимы распространения помех, способы их измерения и
формулы для оценки эффективности помехоподавляющих фильтров;
модальный анализ многопроводных линий передачи; подходы и программы для
моделирования, а также сформулированы цель и задачи работы.
2. Модальный фильтр для защиты от сверхкоротких импульсов
в дифференциальном и синфазном режимах
В данном разделе представлены результаты исследования МФ,
защищающего от СКИ в дифференциальном и синфазном режимах. Для его
выполнено объединение в одну конструкцию двух структур МФ с лицевой
связью (рисунок 2.1а), в которой опорные проводники соединены между собой
на ближнем и дальнем концах. Поперечное сечение такого МФ представлено на
рисунке 2.1б, а схема соединений – на рисунке 2.1в.
wsw1
1опорныйЛП
tZGV ZL
wsw1εr2hE
ZGZL
1опорныйt2
εr12h1ZGL, C, lZL
εrh
εr2ZGV ZL
2E
аопорный
1бв
Рисунок 2.1 – Поперечные сечения 2-проводного МФ (а), 4-проводного МФ (б)
и схема электрических соединений 4-проводного МФ (в)
Для теоретического анализа разработаны аналитические математические
модели в виде конечных комбинаций элементарных функций для вычисления
частотных и временных откликов на выходе 2- и 4-проводных структур
с модальным разложением. Аналитические модели получены на основе
модального анализа в спектральной области, затем с помощью преобразования
Лапласа – во временной области. Для 2-проводной структуры, модели получены
при условиях, что у проводников 1 и 2 импедансы со стороны генератора равны
ZG, а нагрузки – ZL. Источник э.д.с. E подключается к первому проводнику,
который является активным, а второй – пассивным. Ze, o и γе, o – импедансы и
коэффициенты распространения четной и нечетной мод, аналитическая модель
для вычисления частотного отклика в первом V1(x, ω) и втором V2(x, ω)
проводниках двухпроводной асимметричной структуры показана в (2.1).
Из (2.1) получены модели для вычисления S21 (2.2) и временного отклика в
первом V1(x, t) и втором V2(x, t) проводниках (2.3).
e−e x + Le e−e x Re−o x + Lo e−o xRc
V1,2 ( x, ) =−2  e x
Pe ( )
E  −2  o x
Po E ( ) ,(2.1)
1 − LeGe eR − Rc1 − Go Lo eRc − R

e−e x + Le e−e x Re−o x + Lo e−o xRc
S21 =−2  e x
2 Pe +−2  o x
2 Po ,(2.2)
1 − LeGe eR − Rc1 − Go Lo eRc − R
N −1
R
V1,2 ( x, t ) = (1 +  Le )Pe  (  LeGe ) E ( t − ( 2m + 1) xe ) 
m

R − Rc m=0
N −1
(2.3)
Po  (  LoGo ) E ( t − ( 2m + 1) xo ) .
Rc
 (1 +  Lo )
m

Rc − R m =0
ZoZeZG − Z oZG − Z eZL − Z oZL − Z e
где Po =, Pе =, ρGo =, ρGe =, ρ Lo =, ρ Le =.
Z o + ZGZ e + ZGZG + Z oZG + Z eZL + Z oZL + Z e
Примеры |S21| и формы напряжения в конце активного проводника
асимметричной 2-проводной структуры, длиной l=1 м, вычисленные
с помощью аналитических математических моделей показаны на рисунке 2.2.
При вычислении |S21| ZG=ZL=50 Ом, а временного отклика ZG=50, ZL=75 Ом.
00,511,5
220 U, мВ2
f, ГГц 165
-5110
-15t, нс
|S21|, дБ051015202530 б
-25а
Рисунок 2.2 – |S21| (а), полученная по аналитической (––) и алгоритмической (···) моделям;
формы напряжения на выходе (б), полученные по аналитической модели (––)
и в ПО TALGAT (···), для асимметричной 2-проводной структуры
Модели для вычисления частотного и временного откликов 4-проводной
структуры с попарной симметрией проводников получены при равенстве
импедансов как со стороны генератора (ZG1=ZG2=ZG3=ZG4), так и нагрузки
(ZL1=ZL2=ZL3=ZL4). Источник э.д.с. E подключается к двум проводникам
(1 и 1′), которые являются активными, а два оставшихся (2 и 2′) – пассивными;
Zm1, 2, 3, 4 и γ1, 2, 3, 4 – импедансы и коэффициенты распространения мод.
e−3 x (1 + L3 ) 4e− 4 x (1 + L 4 )3
Vd 1,2 ( x, ) =−2 3 x
P3 E ( ) −2  4 x
P4 E ( ) ,(2.4)
1 − G 3L3e4 − 31 − G 4 L 4e3 − 4
e−1x (1 + L1 ) 2e− 2 x (1 + L 2 )1
Vc1,2 ( x, ) =−2 1 x1 ( ) 
PE−2  2 x
P2 E ( ) ,(2.5)
1 − G1L1e2 − 11 − G 2 L 2e1 − 2
ZmiZL − ZmiZG − Zmi
где Pi =, ρ Li =, ρGi =, i = 1, 2, 3, 4.
Zmi + ZGZL + ZmiZG + Zmi
Из (2.4) и (2.5) получены аналитические математические модели для
вычисления S21 (2.6, 2.7) и временного отклика (2.8, 2.9) на активных (Vd1(x, t),
Vс1(x, t)) и пассивных (Vd2(x, t), Vс2(x, t)) проводниках в дифференциальном и
синфазном режимах:
e−3 x (1 + L3 ) 4e− 4 x (1 + L 4 )3
Sd 21 =−2  3 x
2 P3 +−2  4 x
2 P4 ,(2.6)
1 − G 3L3e4 − 31 − G 4 L 4e3 − 4
e−1x (1 + L1 ) 2e−2 x (1 + L 2 )1
Sc 21 =−2 1 x
2 P +−2  2 x
2 P2 ,(2.7)
1 − G1L1e2 − 11 − G 2 L 2e1 − 2
N −1
4
Vd 1,2 ( x, t ) = (1 + L 3 )P3  (  L3G 3 ) E ( t − ( 2m + 1) x3 ) 
m

4 − 3 m=0
N −1
(2.8)
3
 (1 + L 2 )P4  ( L 4G 4 ) E ( t − ( 2m + 1) x4 ),
m

3 − 4 m=0
N −1
2
Vс1,2 ( x, t ) = (1 +  L1 )P1   L G1 () E (t − ( 2m + 1) x ) 
m

2 − 1 m=0 1
N −1
(2.9)
1
 (1 + L 2 )P2  ( L 2G 2 ) E ( t − ( 2m + 1) x2 ),
m

1 − 2 m=0
где N – число переотражений, τ1, 2, 3, 4 – погонные задержки мод.
Для примера, вычисление |S21| и временного отклика (рисунок 2.3)
показаны в синфазном режиме на структуре МФ (рисунок 2.1б). Вычисленные с
помощью аналитических моделей амплитуды и задержки импульсов совпадают
с результатами вычисления откликов в ПО TALGAT.
Отклонения амплитуд в 2-проводной структуре составили ±0,83%,
а 4-проводной – ±2,66% в дифференциальном и ±2,47% синфазном режимах.
00,511,52280U, мВ
0210
-10140
-20f, ГГц70
t, нс
-300
-40 |S21|, дБа051015202530 б
Рисунок 2.3 – |S21| (а), полученная по аналитической (––) и алгоритмической (···) моделям;
формы напряжения на выходе (б), полученные по аналитической модели (––)
и в ПО TALGAT (···) для асимметричной 4-проводной структуры в синфазном режиме
Таким образом, предложены математические модели в виде конечных
комбинаций элементарных функций для вычисления частотных и временных
откликов 2-проводной линии с асимметрией проводников и 4-проводной линии с
попарной симметрией проводников в дифференциальном и синфазном
режимах.
Далее выполнены выбор и обоснование структуры поперечного сечения
МФ. Определены зависимости коэффициента ослабления от расстояния между
структурами. Проанализировано влияние электрического экрана и
расположения проводников на коэффициент ослабления. Оценено влияние
изменения температуры на характеристики МФ. Выполнено квазистатическое
моделирование МФ с уменьшенной массой. Представлен сравнительный анализ
однокаскадногоидвухкаскадныхМФ.Приведенырезультаты
квазистатического моделирования при воздействии типовыми СКИ, а также
экранирующих свойств корпуса.
Для МФ, из рисунка 2.1а выбраны оконечные Таблица 2.1 – Значения Uвых и
нагрузки пассивного проводника для максимального U1/Uвых при разных нагрузках
ослабления. Моделирование, результаты которого пассивного проводника
Варианты Uвых, мВ U1/Uвых
сведены в таблицу 2.1, выполнено при разныхR–R865,81
оконечных нагрузках: сопротивление (R), короткое ХХ – ХХ2831,76
замыкание (КЗ), холостой ход (ХХ). Видно, чтоКЗ – КЗ2821,77
наибольший коэффициент ослабления 8,92 раза КЗ – ХХ598,47
достигнут при ХХ–КЗ. При этом R = 26,18 Ом, а ХХ – КЗ568,92
схема показана на рисунке 2.4а.
Для МФ из рисунка 2.1б вариант оконечных нагрузок пассивных
проводников в каждой из структур также принят ХХ-КЗ (рисунок 2.4б). МФ
размещен в экранирующем корпусе (рисунок 2.5а) для минимизации влияния
внешних электромагнитных связей, а также применено каскадирование МФ
(рисунок 2.5б) для уменьшения амплитуды импульсов разложения. При
разработке макета МФ (рисунок 2.5в) взяты параметры: w = 3 мм, w1 = 6 мм,
g = 4,2 мм, s = 0,5 мм, t = 35 мкм, h = 430 мкм, h1 = 3 мм, h2 = 6 мм, εr1 = 1,
εr2 = 4,7. Они получены в результате эвристического поиска по критерию
минимизации амплитуды на выходе МФ с учетом технологических
возможностей изготовителя.
МФ
R
АМакет 2-каскадного МФ с горизонтальным
R
E
расположениемкаскадовс размерами
П
а 335×25×22 ммпоказаннарисунке 2.5г.
R
МФ
RЭлектрический экран с толщиной стенок 2 мм
А
Eизготовлен из алюминиевого сплава марки
П
Д16Т. Для измерений во временной области
П
RRиспользован осциллограф вычислительный
А
б комбинированный С9-11. Схема соединений
E

Рисунок 2.4 – Схема соединений функциональных модулей изображена на
МФ с лицевой связью (а) и МФ,рисунке 2.6а. На выходе формирователя
работающего в дифференциальном получается импульс с длительностью 300 пс по
и синфазном режимах (б)уровню 0,5 и э.д.с. 500 мВ (рисунок 2.6б).
wsw1g

АОh2
εr2h
П
εr1h1
П
t
εr2
ОА
в
а
МФ1МФ2
Время,
Вх. 1Анс АВых. 1
ПП
ПП
Вх. 2ААВых. 2
бг
Рисунок 2.5 – Поперечное сечение (а), структурная схема (б), ПП (в) и макет (г)
двухкаскадного экранированного МФ
ФормировательОбъектАттенюатор550 U, мВ
импульсаиспытаний-20 дБ
Индикатор250
100t, нс
АнализаторПреобразователь
Генератор-50
сигналовстробоскопический 00,511,52 б
а
Рисунок 2.6 – Схема для измерений во временной области (а) и э.д.с. воздействия (б)
Формы выходного напряжения в результате эксперимента приведены на
рисунке 2.7. Значения Umax составляют 32 мВ в дифференциальном режиме и
21 мВ – в синфазном. Таким образом, достигается ослабление 7,8 раза
в дифференциальном и 11,9 раза в синфазном режимах.
Длясовершенствованияхарактеристик МФ,работающегов
дифференциальном и синфазном режимах, использована подложка из
керамического материала. Поперечное сечение 2-проводного МФ показано на
рисунке 2.8а, где d=2 мм, w=15,5 мм, t=0,3 мм, s=2 мм, h=0,63 мм, l=47 мм,
tgδ=4·10-4, εr=10.
40 U, мВПринято R=50 Ом, а на концах
пассивногопроводникаХХ-КЗ.
t, нсВычислены коэффициенты емкостной
0KC=0,989, индуктивной KL=0,945 и
-20
0246810общей связей К=0,975. Разработана
Рисунок 2.7 – Формы напряжения на выходеконструкция МФ (рисунок 2.8б) и
МФ в дифференциальном (––)изготовлен макет (рисунок 2.8в).
и синфазном (····) режимах
d ws
АОt
Al2O3h
dws
Пh1
АОtП
Al2O3hAl2O3
ПаОАбв
Рисунок 2.8 – Поперечные сечения МФ на керамической подложке с лицевой связью (а)
и МФ, работающего в дифференциальном и синфазном режимах (б), макет (в)
При изготовлении макета использован диэлектрик из Al2O3 с εr = 9,9 ± 0,1
и tgδ = 0,0004. Значения параметров: d=2 мм, w = 15,5 мм, s = 2 мм, t = 0,3 мм,
h = 630 мм. Длина – 47 мм. Для измерений МФ на керамической подложке
использован векторный анализатор цепей «Панорама» Р4226. S-параметры
измерены в диапазоне от 10 МГц до 18 ГГц. В качестве воздействия в ПО ADS
взят сигнал из рисунка 2.6б. Показаны |S21| (рисунок 2.9) и формы сигналов на
выходе (рисунок 2.10) МФ на керамической подложке, полученные при
электродинамическом моделировании и эксперименте.
0,3 МГц
036912150,3 МГц
03 691215
00
f, ГГцf, ГГц
-20-20
-40-40
-60 |S21|, дБа -60 |S21|, дБб
Рисунок 2.9 – |S21| МФ на керамической подложке в дифференциальном (а) и синфазном (б)
режимах, при эксперименте (––) и электродинамическом моделировании (···)
50 U, мВ50 U, мВ
3030
10t, нс10t, нс
-10 01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 а -10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 б
Рисунок 2.10 – Формы напряжения на выходе МФ на керамической подложке
в дифференциальном (а) и синфазном (б) режимах, при эксперименте (––)
и электродинамическом моделировании (···)
Для |S21| частоты среза составили 66 МГц при эксперименте и 63 МГц при
моделировании. Значения Umax на выходе макета МФ, составили 21 мВ в
дифференциальном и 23 мВ в синфазном режимах. В результате входное
импульсное воздействие длительностью 300 пс ослабляется в 11,9 и 10,8 раза.
Таким образом, предложен подход для разработки устройств защиты
РЭА от СКИ на основе модальных фильтров с центральной симметрией
проводников,экранирующимкорпусом,керамическойподложкой
и каскадированием, уменьшающих в дифференциальном и синфазном режимах в
7,8 – 11,9 раза амплитуду СКИ длительностью 300 пс.
3. Гибридный фильтр для сети электропитания космического аппарата
Здесь представлены результаты разработки гибридного фильтра для
защиты цепей силовой шины электропитания (СШЭП) бортовой аппаратуры
космического аппарата (КА) от синфазных и дифференциальных кондуктивных
помех, состоящего из МФ и помехоподавляющего фильтра (ПФ).
wsw1
МФ состоит из двух каскадов
А
εr2 ПОh(рисунок 3.1). Длина МФ1 40 мм, а
МФ1εr1
П
h1МФ2 – 45 мм. Параметры: w=10 мм,
εr2 ОАw1=17 мм,s=2 мм,t=0,105 мм,
εr1h2
А
εr2 ПОh=0,33 мм, h1 = 2,54 мм, h2= 2,54 мм.
МФ2εr1Каждый каскад МФ состоит из двух
t
εr2 ОП
АПП, чертежи нижнего и верхнего слоев
акоторых показаны на рисунках 3.2в –
МФ1МФ2
«+»АА«+»
3.2е. На рисунках 3.2а и 3.2б показан
Потре битель

ПП
разработанный и изготовленный МФ в
СШЭП

ПП
ААэкранирующем корпусе и без него.
«-»«-»
б Результаты измерений МФ с экраном
Рисунок 3.1 – Поперечное сечение (а)в частотной и временной областях
и структурная схема (б) МФ
представлены на рисунках 3.3а и 3.3б.

вг

абде
Рисунок 3.2 – МФ в корпусе (а) и без него (б), чертежи нижнего (в) и верхнего (г)
слоев ПП МФ1 и нижнего (д) и верхнего (е) слоев ПП МФ2
0,3 МГц
0369121580 U, мВ
f, ГГц40
-20
20t, нс
-400
-60 |S21|, дБа -20 0123456 б
Рисунок 3.3 – |S21| и формы напряжения на выходе прототипа МФ
в дифференциальном (–––) и синфазном (. . .) режимах
Частоты среза |S21| по уровню минус 3 дБ составили 73,8 МГц
в дифференциальном и 93,8 МГц в синфазном режимах, соответственно.
Значения Umax на выходе макета МФ составили 78 мВ в дифференциальном и
62 мВ в синфазном режимах. Таким образом, входное импульсное воздействие
длительностью 300 пс ослабляется в 3,2 и 4 раза.
LCMICMIDMLDM
12Схема ПФ на элементах с
СCMсосредоточенными параметрами показана
СDM
СDMнарисунке 3.4.Нарисунке 3.5
СCM Lпредставлены макет и фотошаблоны ПФ.
DM
ICMIDM
Его габариты – 70×40×12 мм, вес – 31 г.
Номиналы компонентов: LDM=1100 мкГн,
Рисунок 3.4 – ЭлектрическаяLCM=100 мкГн, ССM=33 нФ, СDM=66 нФ.
принципиальная схема ПФ

а

бв
Рисунок 3.5 – Макет (а) и фотошаблоны верхнего (б) и нижнего (в) слоёв ПП ПФ
Макет ПФ располагался внутри экранирующего корпуса. На рисунке 3.6
приведены результаты электродинамического моделирования и измерений в
частотном диапазоне до 10 МГц, в дифференциальном и синфазном режимах.
Видно, что формы зависимостей согласуются. При эксперименте частота среза
в дифференциальном режиме составила 6,8 кГц а синфазном – 14 кГц.
0,0001 0,0010,010,11100,0001 0,0010,010,1110
f, МГцf, МГц
-50-50
-100-100
|S21|, дБ
-150а -150 |S21|, дБб
Рисунок 3.6 – |S21| ПФ при эксперименте (––) и моделировании (···)
в дифференциальном (а) и синфазном (б) режимах
Гибридный фильтр для СШЭП КА состоит из двухкаскадного МФ и ПФ.
Поперечное сечение, структурная схема и макет гибридного фильтра без
корпуса показаны на рисунке 3.7. Фильтр помещен в алюминиевый корпус
размерами 92×45×35,5 мм.
МФ1МФ2
ПФ«+»АА«+»

Потребитель
ПП

СШЭП
h3ПФ
ПП
εr2АОh
ПАА
МФ1εr1«-»«-»
h1б
εr2П
ОА
εr1h2
εr2АО
П
МФ2εr1
t
εr2П
ОА
ав
Рисунок3.7 – Поперечное сечение (а), структурная схема (б)
и макет гибридного фильтра без корпуса (в)
Результаты измерений гибридного фильтра в экране в частотной и
временной областях представлены на рисунках 3.8а и 3.8б. На рисунке 3.8в он
показан в корпусе без крышки, а на рисунке 3.8г – в составе прототипа СШЭП.
0,3 МГц
03691215
f, ГГц
-20

-40
|S21|, дБв
-60а
50U, мВ
10t, нс
-10 0123456
-30
-50бг
Рисунок 3.8 – Измеренные |S21| (а) и формы напряжения (б) на выходе гибридного фильтра
в дифференциальном (––) и синфазном (···) режимах, и его макет в экранирующем корпусе
без крышки (в) и в составе прототипа СШЭП КА (г)
Значение Umax на выходе гибридного фильтра составляет 21 мВ в
дифференциальном и 43 мВ – в синфазном режимах. Таким образом, входное
импульсное воздействие длительностью 300 пс ослабляется в 11,9 и 5,81 раза.
Частота среза гибридного фильтра определяется ПФ и составляет 6,8 кГц в
дифференциальном и 14 кГц – в синфазном режимах (рисунок 3.6). Макет
фильтра удовлетворяет техническим характеристикам, согласованным с
АО «ИСС» им. М.Ф. Решетнева (г. Железногорск). Он успешно прошел
стендовые испытания в составе прототипа СШЭП.
Таким образом, гибридный фильтр для СШЭП КА позволяет ослабить
СКИ длительностью 300 пс в 11,9 раза в дифференциальном и 5,8 раза
в синфазном режимах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследования. Полученные модели позволяют вычислить
частотные и временные отклики 2-проводной линии с асимметрией
проводников и 4-проводной линии с попарной симметрией проводников
в дифференциальном и синфазном режимах через конечные комбинации
элементарных функций. За основу выбран МФ с лицевой связью, получены его
оптимальные параметры и оконечные нагрузки (ХХ-КЗ) на концах пассивного
проводника для максимального ослабления СКИ. Показано, что в
экранированном 2-каскадном МФ с горизонтальным расположением каскадов
коэффициент ослабления составляет 7,8 и 11,9 раза в дифференциальном и
синфазном режимах, соответственно. Разработан макет МФ на керамической
подложке для работы в синфазном и дифференциальном режимах. Показана
согласованность результатов электродинамического моделирования и
измерений. В дифференциальном режиме коэффициент ослабления равен 11,9,
а в синфазном – 10,86, при частоте среза 66 МГц для обоих режимов.
Разработан гибридный фильтр, состоящий из МФ для защиты СШЭП КА от
СКИ и ПФ в синфазном и дифференциальном режимах. Эксперимент показал,
что он ослабляет входное импульсное воздействие длительностью 300 пс в 11,9
и 5,81 раза в дифференциальном и синфазном режимах, соответственно.
Рекомендации. МФ могут быть использованы для защиты РЭА от
кондуктивных воздействий СКИ в дифференциальном и синфазном режимах
как самостоятельное устройство защиты, так и с уже имеющимися. При
проектировании защитных устройств на основе МФ, каскады рекомендуется
располагать друг над другом для уменьшения габаритов. Для защиты РЭА от
кондуктивных СКИ по цепям питания рекомендуется использование
керамических материалов. Для минимизации амплитуды импульсов на выходе
МФ рекомендуется использовать структуру с оконечными нагрузками ХХ-КЗ на
пассивных проводниках. Для защиты СШЭП КА рекомендуется использовать
гибридный фильтр на основе МФ и ПФ. Результаты исследования могут
использоваться для дальнейшей разработки устройств защиты на основе
асимметричных ЛП, а также в образовательном процессе вузов.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Оптимизация МФ,
работающих в дифференциальном и синфазном режимах, по критериям
минимизации и выравнивания амплитуд всех импульсов разложения и под
современные технологии производства. Использование МФ, работающих
в дифференциальном и синфазном режимах, в модальном резервировании.