Зеркально-симметричные модальные фильтры и меандровые линии

Актуальность темы
Радиоэлектронные средства (РЭС) занимают всё более значимое место в
жизни человека. Применение РЭС различной степени сложности в различных
областях, начиная от бытовой и заканчивая космической, приводит к обострению
проблемы обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Нарушение
нормального функционирования в результате воздействия помех может нанести
непоправимый ущерб. Особенно это касается оборудования, работа которого
критична в отношениях безопасности, обеспечения жизнедеятельности и др.
Помехи подразделяются, в зависимости от пути распространения, на
излучаемые и кондуктивные. Кондуктивные помехи опасны тем, что проникают в
РЭС непосредственно по проводникам, например, по сигнальным или питания.
Одним из опасных видов кондуктивных помех являются сверхкороткие импульсы
(СКИ), которые могут привести к повреждениям или сбоям. На степень
нарушения функционирования элементов РЭС влияет мощность СКИ, а также
помехоустойчивость РЭС. Из-за малой длительности СКИ, основная энергия
генератора расходуется на увеличение его амплитуды. Высокая амплитуда
напряжения помехового импульса приводит к пробою полупроводниковых
приборов и конденсаторов в традиционных помехоподавляющих LC- и RC-
фильтрах, время срабатывания варисторов и разрядников может значительно
превышать длительность СКИ, а быстродействующие ограничители обладают
паразитными параметрами. Кроме того, при воздействии СКИ на оборудование,
энергия не успевает распределиться по элементам структуры. Из-за локализации
энергии в одной точке увеличивается вероятность отказа в чувствительных
областях. В связи с недостатками традиционных защитных устройств, актуальна
разработка новых устройств защиты от СКИ.
Степень разработанности темы
Проблема ЭМС критичных РЭС широко освещается на зарубежных
конференциях, в частности на форумах международного научного и технического
сообщества в области электродинамики высокой мощности в Америке, Европе и
Азии. Например, на форуме ASIAEM 2015 проблемы ЭМС рассматривались на
отдельных секциях «Преднамеренные электромагнитные помехи: угрозы, влияния
и защита», «Создание устройств защиты и методов испытания» и «Оценка
воздействия преднамеренных электромагнитных помех на критичную
инфраструктуру». Помимо этого, в известном журнале «IEEE Transactions on
Electromagnetic Compatibility», наряду с публикациями передовых результатов
исследований в области ЭМС, также присутствуют разделы, посвященные
преднамеренным электромагнитным помехам и технологиям помехозащиты
критичных РЭС. Кроме того, разработанность данной темы подтверждается
обширными исследованиями известных ученых во всём мире: F. Rachidi (Лозанна,
Швейцария), F. Sabath (Мюнстер, Германия), W. Radasky (Metatech Corporation,
США), В.Е. Фортов (РАН, Россия), Л.Н. Кечиев (ВШЭ-МГИЭМ, Россия),
С.В. Ткаченко (университет Отто фон Герике, Магдебург, Германия).
Исследованием воздействий наносекундных электромагнитных помех на
вычислительную технику успешно занимались З.М. Гизатуллин, Р. Киричёк и
С.Ф. Чермошенцев. Вопросы описания параметров мощных электромагнитных
импульсов, методы и средства электромагнитной защиты аппаратуры на этапах
схемотехнического и конструкторского проектирования исследовали Н.В. Балюк и
П.В. Степанов. Излучатели сверхкоротких электромагнитных импульсов и методы
измерений их параметров исследовали В.П. Беличенко, В.И. Кошелев,
К.Ю. Сахаров. Разработкой устройств защиты электронных систем, основанных
на нелинейных элементах, от мощных естественных или искусственных
электромагнитных помех, в частности СКИ, занимались J.L. ter Haseborg,
R. Krzikalla, T. Weber, F. Brauer, C. Klunder и др. Исследованием микрополосковых
конструкций широкополосных полосно-пропускающих фильтров занимаются
Б.А. Беляев, А.А. Лексиков, С.А. Ходенков, А.М. Сержантов, В.В. Тюрнев,
В.Ф. Шабанов и др. Многосвязные полосковые структуры исследовали
Н.Д. Малютин, Э.В. Семенов и А.Н. Сычев.
Известна технология модальной фильтрации, исследуемая и применяемая
для защиты от СКИ. Она подразумевает использование модальных искажений
(изменений сигнала за счет разности задержек мод многопроводной линии
передачи (МПЛП)) для защиты за счет последовательного модального разложения
импульса на импульсы меньшей амплитуды. Активными исследователями в этой
области являются Т.Р. Газизов, А.М. Заболоцкий и А.О. Белоусов. Устройства,
функционирующие по принципу модальной фильтрации, называют модальными
фильтрами (МФ). Они лишены недостатков традиционных устройств защиты, а
также имеют ряд преимуществ: отсутствие полупроводниковых компонентов (как
следствие высокая радиационная стойкость), долгий срок службы,
функционирование при высоких напряжениях, малые габариты и низкая
стоимость.
Известны различные структурные исполнения МФ: на основе
микрополосковых и полосковых линий, в кабельном исполнении и др.
Примечателен новый подход к совершенствованию модальной фильтрации: за
счет использования зеркальной симметрии. Он реализован в новом устройстве –
зеркально-симметричном МФ. Отдельные аспекты исследования этого устройства
представлены в работах А.М. Заболоцкого и А.О. Белоусова, но оно далеко от
своего завершения. Поскольку устройство обладает симметричной, относительно
двух осей, конфигурацией поперечного сечения, оно и возможные его
модификации представляют интерес для дополнительных исследований. Это
актуально, поскольку возможности использования такой симметрии практически
неизвестны.
Цель работы – выявить возможности совершенствования защиты
радиоэлектронных средств от сверхкороткого импульса за счет зеркально-
симметричных структур.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить обзор методов защиты радиоэлектронных средств от
импульсных помех.
2. Выполнить параметрическую оптимизацию и анализ зеркально-
симметричных модальных фильтров.
3. Выполнить анализ зеркально-симметричных меандровых линий,
полученных на основе зеркально-симметричного модального фильтра.
Научная новизна
1. Предложен подход к совершенствованию защиты радиоэлектронных
средств от сверхкоротких импульсов за счет использования зеркально-
симметричных модальных фильтров, отличающийся многокритериальной
оптимизацией, учетом влияния влагозащитного покрытия и корпуса,
использованием дополнительной симметрии и модального резервирования, а
также аналитических условий выравнивания разностей соседних погонных
задержек мод.
2. Предложены зеркально-симметричные структуры, отличающиеся
использованием перемычек на концах вместо резисторов для совершенствования
характеристик модальной фильтрации.
3. Впервые разработана методика выявления дополнительных импульсов
во временном отклике структур с модальным разложением на воздействие
сверхкороткого импульса.
Теоретическая значимость
1. Изучены особенности влияния параметров зеркально-симметричных
структур на временные и частотные характеристики.
2. Получены аналитические выражения для вычисления погонных
задержек мод в зеркально-симметричном модальном фильтре.
3. Выведены аналитические условия выравнивания разностей соседних
погонных задержек мод зеркально-симметричного модального фильтра.
4. Приведено качественное сравнение двух видов модальных фильтров:
микрополоскового и зеркально-симметричного.
5. Показано влияние экрана на выходное напряжение зеркально-
симметричного модального фильтра.
6. Показано, что улучшение характеристик после перехода от 4-проводных
к 8-проводным зеркально-симметричным модальным фильтрам затруднено
резким увеличением числа мод, каждая из которых имеет свою специфику.
7. Выявлены закономерности появления дополнительных импульсов
разложения в асимметричных структурах с модальной фильтрацией.
8. Сформулирована методика выявления дополнительных импульсов во
временном отклике асимметричных структур на примере зеркально-
симметричных меандровых линий.
Практическая значимость
1. Разработаны макеты зеркально-симметричных модальных фильтров и
меандровых линий для экспериментальных исследований модального разложения
сверхкороткого импульса.
2. Внедрены результаты исследования зеркально-симметричного
модального фильтра в качестве варианта устройства помехозащиты бортовой
радиоэлектронной аппаратуры в АО «ИСС», г. Железногорск. (Акт внедрения).
3. Внедрены результаты вывода аналитических условий выравнивания
разностей погонных задержек мод в зеркально-симметричном модальном фильтре
и моделирования зеркально-симметричных модальных фильтров в учебный
процесс радиотехнического факультета ТУСУР, г. Томск. (Акт внедрения).
4. Получены параметры поперечного сечения 4-х структур зеркально-
симметричного модального фильтра, позволяющие минимизировать амплитуду
выходного напряжения и получить попарно выравненные напряжения выходных
импульсов.
5. Представлены предложения по модификации зеркально-симметричного
модального фильтра за счет соединения проводников на концах линии
перемычкой.
Методология и методы исследования
В работе использованы моделирование, основанное на методе моментов и
модифицированном методе узловых потенциалов, квазистатический и
электродинамический анализ, параметрическая оптимизация эвристическим
поиском, а также натурный эксперимент на базе скалярного и векторного
анализаторов цепей и комбинированного стробоскопического осциллографа.
Положения, выносимые на защиту
1. Структура зеркально-симметричных в поперечном сечении модальных
фильтров позволяет получить его оптимальные параметры, не прибегая к
эволюционным алгоритмам, модальные фильтры с увеличенным до 8 числом
проводников, реализацию 3-кратного модального резервирования и аналитические
условия выравнивания разностей соседних погонных задержек мод.
2. Переход от зеркально-симметричного модального фильтра к
меандровым линиям, за счет использования перемычек на концах вместо
резисторов, позволяет получить разложение сверхкороткого импульса с наличием
дополнительных импульсов, задержки которых определяются различными
линейными комбинациями погонных задержек мод линии.
3. Методика выявления дополнительных импульсов во временном отклике
структур с модальным разложением позволяет определить причины появления и
параметры каждого импульса, а также пути улучшения характеристик таких
защитных устройств.
Результаты проведенных исследований соответствуют паспорту
специальности 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства
телевидения по п. 9 – разработка научных и технических основ проектирования,
конструирования, технологии производства, испытания и сертификации
радиотехнических устройств.
Достоверность результатов
Достоверность основывается на корректном использовании теории линий
передачи и численных методов, согласованности результатов моделирования
квазистатическим и электродинамическим подходами, экспериментальных
исследований и данных, полученных другими авторами. Реализуемость
предложенных устройств на практике подтверждена моделированием и
экспериментально.
Использование результатов исследований
1. ПНИ «Теоретические и экспериментальные исследования по синтезу
оптимальной сети высоковольтного электропитания для космических аппаратов»
в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014–2020 годы», проект RFMEFI57417X0172, 2017–2020 г.
2. НИР «Выявление новых подходов к совершенствованию обеспечения
электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры и
моделирования систем активного зрения роботов», проект №8.9562.2017, 2017–
2019 г.
3. НИР «Разработка методологии создания помехозащитных устройств на
основе модальной технологии» по гранту Президента Российской Федерации для
государственной поддержки молодых российских ученых, проект № МД-
365.2018.8, 2018–2019 г.
4. НИР «Модальное резервирование электрических цепей критичных
радиоэлектронных средств и систем», грант РНФ 19-19-00424, 2019–2021 г.
5. НИР «Комплекс фундаментальных исследований по электромагнитной
совместимости» в рамках конкурса научных проектов, выполняемых
коллективами исследовательских центров и (или) научных лабораторий
образовательных организаций высшего образования. Научно-исследовательская
лаборатория фундаментальных исследований по электромагнитной
совместимости (НИЛ ФИЭМС), проект FEWM-2020-0041, 2020–2023 г.
6. НИР «Многокритериальная оптимизация порядка переключения после
отказов при многократном модальном резервировании цепей», грант РНФ 20-19-
00446, 2020–2022 г.
Апробация результатов
Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в
конкурсах: ФЦП ИР (проект RFMEFI57417X0172, 2017–2020 гг.), гранта
Президента РФ (проект МД-365.2018.8, 2018–2019 г.); РНФ (гранты 19-19-00424 и
20-19-00446); госзадания (проекты №8.9562.2017, 2017–2019 г. и FEWM-2020-
0041, 2020–2023 г.); РФФИ (20-37-70020 Стабильность); на включение в состав
научно-педагогического кадрового резерва ТУСУРа 2019 г.; на назначение
стипендии Президента РФ в 2018, 2019 и 2021 г.; на назначение стипендий
Правительства РФ в 2017, 2019, 2020 и 2021 г. студентам и аспирантам по
приоритетным направлениям; повышенной государственной академической
стипендии студентам за достижения в НИРС в 2017, 2018 и 2019 г.;
в стипендиальной программе Благотворительного фонда Владимира Потанина
в 2019 г.; на звание «Лучший выпускник ТУСУРа в научно-исследовательской
деятельности» в 2019 г.; на назначение стипендии Президента ТУСУР в 2020 г.
Результаты докладывались и представлялись в материалах следующих
конференций:
1. Международная научно-техническая конференция «Научная сессия
ТУСУР», г. Томск, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021 г.
2. Международная научно-практическая конференция «Электронные
средства и системы управления», г. Томск, 2017, 2018, 2020 г.
3. Международная научно-практическая конференция «Природные и
интеллектуальные ресурсы Сибири», г. Томск, 2017 г., 2019 г.
4. Научно-техническая конференция молодых специалистов «Электронные
и электромеханические системы и устройства» на базе АО «НПЦ Полюс»,
г. Томск, 2018 г.
5. IEEE 2018 Siberian symposium on data science and engineering,
г. Новосибирск, 2018 г.
6. International Siberian conference on control and communications (SIBCON-
2019), г. Томск, 2019 г.
7. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, 2019, 2020 г.
8. Международная научно-практическая конференция «Актуальные
проблемы радиофизики (АПР-2019)», г. Томск, 2019 г.
9. International multi-conference on engineering, computer and information
sciences (SIBIRCON-2019), г. Томск, 2019 г.
10. 18-я международная конференция «Авиация и космонавтика–2019»,
г. Москва, 2019 г.
11. International conference on micro/nanotechnologies and electron devices
(EDM), Алтай, 2019, 2020, 2021 г.
12. IEEE Ural symposium on biomedical engineering, radioelectronics and
information technology (USBEREIT), Россия, 2021 г.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 49 работах
(10 работ без соавторов).
Тип публикации Количество
Статья в журналах из перечня ВАК 3
Статья в журнале, индексируемом SCOPUS (Q1) 2
Публикация в журналах, индексируемых в WoS и SCOPUS 6
Доклад в трудах конференций, индексируемых в WoS и SCOPUS 8
Доклад в трудах отечественных конференций 19
Тезисы в трудах отечественных конференций 3
Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 6
Патент на изобретение 2
ИТОГО: 49
Личный вклад. Результаты, сформулированные в положениях, выносимых
на защиту, и составляющие научную новизну, получены автором лично или при
его участии. Обработка и интерпретация моделирования выполнены совместно с
А.О. Белоусовым. Разработка макетов четырехслойного зеркально-симметричного
МФ и зеркально-симметричной МЛ и их измерений выполнены совместно с
Е.С. Жечевым. Отдельные результаты исследования получены совместно с
соавторами публикаций. Непосредственный вклад автора состоит в выполнении
оптимизации, моделировании, обработке и интерпретации данных, а также
подготовке публикаций на всех этапах исследования.

Структура и объем диссертации. В состав диссертации входят введение,
3 раздела, заключение, список используемых источников из 159 наименований,
приложение из 38 с. Объём диссертации с приложением – 241 с., в т.ч. 123 рис. и
59 табл.
Краткое содержание работы. Во введении представлена краткая
характеристика работы. В разделе 1 выполнен обзор исследований по защите
радиоэлектронных средств от сверхкоротких импульсов, а также обоснованы и
сформулированы цель и задачи работы. В разделе 2 приведены результаты анализа
и параметрической оптимизации структур зеркально-симметричных модальных
фильтров, а также рассмотрены разработка, реализация и измерения макета
зеркально-симметричного модального фильтра. В разделе 3 рассмотрена
возможность разложения сверхкороткого импульса в зеркально-симметричных
меандровых линиях. В приложении А приведены копии актов внедрения,
свидетельств, патентов, а также дипломов и грамот.

Результаты исследования
Основные результаты работы, полученные с помощью проверенных
методов, обширно апробированные и опубликованные, заключаются
в следующем:
1. Из-за расположения проводников и диэлектрика, относительно опорного
проводника, в зеркально-симметричном МФ обеспечиваются одновременно
торцевая и лицевая связи, что позволяет получить попарно выравненные
напряжения импульсов разложения и близкие значения временных интервалов
между ними. В силу симметрии, это достижимо посредством обычной
параметрической оптимизации эвристическим поиском, не прибегая к затратным
глобальным методам оптимизации (например, эволюционным алгоритмам).
2. Зеркально-симметричный МФ, оптимизированный по критериям
минимизации максимального напряжения на выходе, выравнивания временных
интервалов между импульсами разложения и согласования с трактом 50 Ом,
позволяет разложить СКИ длительностью до 0,5 нс на 4 основных импульса
с амплитудами в 4 раза меньшими, чем на входе.
3. Вычислительный эксперимент для МФ с оптимальными параметрами
с учетом и без учета потерь в проводниках и диэлектрике во временной и
частотной областях показал согласованность результатов, полученных с помощью
квазистатического и электродинамического подходов.
4. Оценка влияния влагозащитного покрытия (лака) и корпуса
на характеристики МФ показала, что увеличение толщины лака незначительно
сказывается на выходных характеристиках сигнала, а изменение расстояния
от стенок корпуса до МФ оказывает влияние на погонные задержки мод.
5. Полученные аналитические выражения для вычисления погонных
задержек мод зеркально-симметричного МФ могут входить в состав более
сложных выражений, например, для получения характеристик МФ во временной
области, что может привести к ускорению процесса оптимизации,
а сформулированные аналитические условия позволяют выравнить значения
разностей погонных задержек без вычисления соответствующей матрицы и
временных откликов.
6. Сравнительный анализ микрополоскового и зеркально-симметричного
четырехпроводных МФ позволил выявить их сильные и слабые стороны при
защите от СКИ.
7. Моделирование временных и частотных откликов в диапазоне
параметров поперечного сечения 4-проводных структур с зеркальной симметрией
различных конфигураций поперечного сечения с опорным проводником: вокруг,
сверху и снизу, а также в виде боковых полигонов, показало, что данные
структуры могут быть использованы для реализации защиты на основе модальной
фильтрации и для создания новых устройств с 3-кратным модальным
резервированием.
8. В результате квазистатического моделирования круглой, квадратной и
прямоугольной структур 8-проводного зеркально-симметричного МФ получено,
что на выходе исследуемых МФ наблюдается последовательность из 8 импульсов
с коэффициентами ослабления в 5, 4,78 и 4,22 раза соответственно.
9. Разработан макет зеркально-симметричного МФ длиной 1 м, который
представляет собой 3-слойную ПП, реализация которой возможна, но
затруднительна. Разработана новая конструкция 4-слойного зеркально-
симметричного МФ, достаточно легко реализуемая, ввиду стандартной 4-слойной
конфигурации. Приведено сравнение результатов моделирования с помощью
квазистатического и электродинамического подходов и получена их
согласованность.
10. Натурный эксперимент для печатного 4-слойного зеркально-
симметричного МФ во временной и частотной областях и сравнение его
результатов с результатами моделирования посредством квазистатического и
электродинамического подходов показали, что данный МФ с полосой
пропускания 250 МГц позволяет уменьшить амплитуду нежелательных импульсов
длительностью не более 250 пс (по уровню 0,5) в 3,77 раза, по отношению
к напряжению на входе.
11. В зеркально-симметричных МЛ выявлена возможность появления
дополнительных импульсов в выходном сигнале, тогда как в зеркально-
симметричном МФ их не было. Выявлено, что значения задержек
дополнительных импульсов определяются различными линейными комбинациями
погонных задержек мод линии, в частности они могут быть равны умноженному
на длину проводника среднему арифметическому значению удвоенных погонных
задержек двух мод (или просто сумме погонных задержек).
12. Сформулирована методика выявления дополнительных импульсов во
временном отклике структур с модальным разложением. Выявлено, что
в симметричных структурах или в структурах с оптимальными параметрами
поперечного сечения, дополнительные импульсы невозможно точно определить
из-за их наложения друг на друга или на основные импульсы. Уровень ослабления
на выходе таких структур будет определяться именно максимальной амплитудой
суперпозиции импульсов. В таком случае, необходимо точно определить и
отделить дополнительные импульсы. Это приведет к уменьшению максимальной
амплитуды и, как следствие, улучшению характеристик таких защитных
устройств.
13. Показана возможность совершенствования модальной фильтрации
с помощью зеркально-симметричных МЛ с частичной или полной асимметрией.
Последовательность импульсов разложения в таких структурах может включать
в себя дополнительные импульсы. Из этого следует, что часть энергии может быть
отделена от основной последовательности импульсов мод, что означает не только
дополнительное распределение энергии по времени, но и минимизацию
максимальной из амплитуд импульсов мод. При тех же габаритах устройства
появляется возможность полностью разложить СКИ большей длительности из-за
прохождения сигнала от генератора до нагрузки большей длины. Уменьшение
числа резисторов в исследованных МЛ, по сравнению с МФ снижает стоимость и
массу и увеличивает надежность. Зеркально-симметричная МЛ из 2-х отдельных
витков подходит для применения ее в однократном модальном резервировании,
если эти витки входят в состав резервируемой и резервной цепей.
Таким образом, в соответствии с «Положением о присуждении ученых
степеней» ВАК, в работе решена задача совершенствования защиты
радиоэлектронных средств от сверхкоротких импульсов с помощью зеркально-
симметричных модальных фильтров и меандровых линий, имеющая значение для
развития технических наук в части разработки научных и технических основ
проектирования и конструирования радиотехнических устройств, согласно п. 9
областей исследований паспорта специальности 05.12.04 – Радиотехника, в том
числе системы и устройства телевидения.
Рекомендации
1. Зеркально-симметричные МФ и МЛ могут быть использованы для
защиты РЭС от СКИ, проходящих по цепям питания и сигнальным цепям как в
виде отдельного устройства, так и в совокупности с уже имеющимися.
2. Результаты могут использоваться для дальнейших исследований и
возможности создания различных конфигураций устройств защиты как на основе
структур с зеркальной симметрией, так и абсолютно новых.
3. Подходы к моделированию и оптимизации могут быть применены в
образовательном процессе высших учебных заведений.
Перспективы дальнейшей разработки темы
1. Оптимизация зеркально-симметричных МЛ по критериям выравнивания
временных интервалов между всеми импульсами разложения (в том числе между
дополнительными).
2. Оптимизация зеркально-симметричных МФ и МЛ под конкретные цепи
и устройства, в том числе использование диэлектриков с высокой εr.
3. Использование структур с зеркальной симметрией в модальном
резервировании.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

РЭС Радиоэлектронные средства
ЭМС Электромагнитная совместимость
ТС Технические средства
ЭМП Электромагнитные помехи
СКИ Сверхкороткий импульс
ПД ЭМВ Преднамеренные электромагнитные воздействия
БПЛА Беспилотные летательные аппараты
ФНЧ Фильтр низких частот
УЗИП Устройство защиты от импульсных перенапряжений
ПО Программное обеспечение
МПЛП Многопроводная линия передачи
ЛП Линия передачи
МФ Модальный фильтр
МЛ Меандровая линия
ГПК Гибкие печатные кабели
ПП Печатная плата
КЗ Короткое замыкание
ХХ Холостой ход
МР Модальное резервирование
КП Контактная площадка
СПО Скрытые переходные отверстия