CC BY
21
УДК 621.374.5
ЛОКАЛИЗАЦИЯ МАКСИМУМОВ СВЕРХКОРОТКОГО ИМПУЛЬСА ВДОЛЬ МНОГОПРОВОДНЫХ СТРУКТУР
Р. Р. Газгоов, Л. М. Заболоцкий, Т. Р. Газгоов Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, с. Томск, Россия
Лннишииия - 01 мечена актуальнойь исследовании исибениослен расирослранении сьерхкиро 1 кил импульсов (СКИ) и локализации максимумов сигнала вдоль связанных линий. Проведено моделирование СКИ в форме трапеопп, распространяющегося в мпкрспологковой меанлровоп лнннп нрп пзмене-нпп зазора между ее проводниками п их длпны. а также псследованл шнна печатной платы радиоприемного устройства (РПУ) системы автономной навпгаппп (САН) космического аппарата. Прп изменении зазора выявлен и локализован максимум напряжения, в 2 раза превышающий амплитуду сигнала на входе и выходе п смещающийся от центра к выходу линии. Прп изменении длпны выявлен п локализован максимум напряжения, в 1,5 раза превышающий амплитуду сигнала на входе. В пшне печатной платы РПУ САН выявлен и локализован максимум напряжения, в 2.7 раза превышающий амплитуду сигнала на входе. Показано, что локализация максимума непостоянна: в большинстве случаев в меанлровоп лпнпп он во втором проводнике, в некоторых - в первом, прп определенной длине проводников максимум не набткпаетгя.
Ключевые слова: мпкрополосковая меанлровая лпнпя. печатная плата, сверхкороткий импульс, локализация максимумов сигнала, электромагнитная совместимость.
1 Б ВЕДЕНИЕ
Распространение электрических сигналов в линиях связи печатных плат хорошо исследовано [1, 2]. Однако особенности явлений, происходящих при значительном увеличении взаимной связи между проводниками, изучены недостаточно. Кроме того, большинство исследований проведено в частотной области, тогда как временной уделено меньше внимания. Между тем изучение процессов во временной ооласти может дать новые результаты, например, позволить усовершенствовать защиту ст сверхкоротких импульсов (СКИ) [3. 4]. Кроме того, представляются актуальными выявление и локализация максимумов сигнала в связанных линиях, поскольку их результаты могут быть полезны для выявления и локализации мест возможных паразитных взаимовлияний. излучений и восприимчивости, чтобы своевременно принять мерк по их устранению для обеспечения электромагнитной совместимости и информационной безопасности. Другим применением может быть определение мест установки датчиков для контроля полезных сигналов ели мониторинга помеховых сигналов, обеспечивающих требуемую чувствительность, что также важно для повышения помехозащищенности н надежности РЭА [5]. Наконеи. реализация указанной возможности может оказаться полезной и для исследования особенностей распространения имттулкенк-х сигнадон и лнчнгх задержки печятнчтх плат няпримрр н\'еандрончгх линиях [б].
Для таких исследований целесообразно использовать компьютерное моделировать. Это связано с пеобхо димостыо вычисления форм сигнала в большом числе точек вдоль каждого проводника сложных структур. Другой причиной является искажение сигнала зхедным импедансом измерителя. При разработке сложных печатных. шип* с высокой ииотнисгыо трассировки повсеместно используют системы компьютерною моделирования. обеспечивающие анализ и визуализацию параметров сигнала, что позволяет лучше оценить процессы, происходящие в них.
Для анализа межсоединений печатных плат широко испсльзуют квазистагическии подход, так как схемотехнический анализ не всегда позволяет получить результаты достаточной точности, а электродинамический требует значительных вычислительных затрат. Теоретические основы квазистатического вычисления отклика
для произвольной схемы из отрезков мнсгопроводкых линий передачи (МПЛП) описаны в работах [7, 8]. На основе данной теории разработаны алгоритмы вычисления временного отклика [9]. которые позволяют вычислить значения токов н напряжений только в узлах схемы.
Основные выражения н алгоритм. позволяющие вычислить значения тока и напряжения в заданной координате вдоль каждого проводника отрезка МПЛП для произвольной схемы, на основе которых усовершенствовано вычисление временного отклика в системе ТАЬОАТ. приведены в [10]. 3 этой же работе выполнено исследование двухвнтковой меандровой микрополосковой линии, показавшее необходимость более тщательного исследования. Поэтому был рассмотрен один виток в диапазоне параметров [11]. Однако в данных работах исследованы одиночные отрезки связных линий, а аналогичные исследования реальных печатных плат не выполнялись.
П. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель данной ргботы обобщить и нредстсвить б единой работе ряд недаоних и новых результатов по нссле даванию локализации ОСИ здоль многопровадных структур. Для достижения этой цели представляется необходимым решить следующие задачи. Для полноты изложения необходимо кратко о писать теоретические основы моделирования. Далее целесообразно представить результаты локализации максимума в двухвнтковой меандровой линии, а также при изменении зазора и длины одновитковой меандровой линии. Наконец, необходимо исследовать локализацию максимумов в шине реальной печатной платы. В последующих разделах представлены основные результаты решения этих задач.
п:. тьория
Для вычисления откликов в ¿юю.чьзован ашорихм. описанный в рабехе [9]. Он сводиня к решению уравнения в частотной области для схемы нз п отрезков МПЛП с сосредоточенными элементами на концах отрезков:
=
4-1
+н +2 ^=1
(1)
где ^(о. со - угловая частота; Н - матрицы размера АуА, описывающие произвольные оконечные и соединительные схемы из активных и реактивных элементов (А - количество параметров, вычисляемых в модифицированном методе узловых потенциалов); Б* - матрица-селектор, отображающая токи, входящие в А--ю линию, с элементами {0, 1}, где /е {1, Л*},/е {1, от*} с одним ненулевым значением з каждом столбце.
- количество токов, входящих в к-ю линию, где .V* - число проводников к-а линии; - матрица проводимое гей для к-й линии. \*(д) — вектор узловых напряжений, Е(л) — векюр. состоящий из не завис дмых источников напряжения или токов.
Однако уравнение (1) позволяет вычислять отклик только в узлах цепи. Поэтому для вычисления значений нэпряжрниг и тока ндолк линии передачи чг пользуются урятшени» [ 10]"
ч-1.
У(х)=8^Е(х)С1+Е(х) С2), 1(х)= 5ХЕ(х)С 1-Е (л )-1 С 2),
(2) (3)
где Бг- матриш модальных напряжений; $/- матрииа модальных токов; Е(х) - диагональная матрица {ехр(-ух), ехр(-72х), .... ехр(-7л»х)} и ум - коэффициенты распространения линии передачи; х- координата вдоль линии передачи; С1. С2 - векторы констант. Вычисление значений матриц $/т Е(х) списано в [9]. Однако, чтобы найти \'(х) и 1(.т) для каждого значениях, необходимо вычислить С1 и С2 как
"С1~
С2
ЬуЕф
-1 У(0)"
V®
(4)
где Е(/)=Е(х) при х=1 и / - длина линии; У(0) и - векторы констант, описывающие напряжение на концах линии передачи, полученные после решения уравнения (1).
IV. ИССЛЕДУЕМЫЕ СТРУКТУРЫ В качестве исследуемых структур взяты мшсрополосковые меапдровые лшпш нз двух и одного витка. Линия нз двух знтков. включенная в тракт 50 Ом. с длиной полувнтков по 27 мм изображена на Рнс. 1 я, а ее лопереч-
иое сечение па рпс. 1 6. Все параметры взяты по [10]. Аналогичная линия из одного внтха с параметрами из [11] изображена на рис. 2.
I - Г*?-С=)—
—I—С ^ 1 50 2
_
—1—0 50 б Меандровая
\ Ь. С, /
липия
ПрОВОДННЕН
Рис. 1. Схема включения (а) н поперечное сечение (о) меандровон линии из двух витков
I Н э шь 4 -
^^ 1 50
0 50
50 2/5\
Ь. С. I
еандровая лщия .
1 л. ^ И' ,
А_Ч-15 I—_±
Рис. 2. Схема включения (а) и поперечное сечение (6) меандровон линии из одного витка
Исследование максимумов амплитуд разделено на две части: в первой часта усиливалась взаимная связь между проводниками уменьшением зазора между ними, а во второй - изменялась длина проводников. Моделирование специально выполнено без учета потерь, чтобы они не ослабляли влияние факторов, увеличивающих амшлпуду сигнала.
Однако вышеперечисленные структуры - это одиночные отрезки линии передачи. Поэтому, кроме них, выбрана шина печатной платы радиоприемного устройства (РПУ) системы автономной навигации (САН) космических аппаратов. Фрагмент платы изображен на рис. 3 Согласно параметрам стека печатной платы построены поперечные сечения каждого отрезка линий передачи. Ранее эта плата исследовалась лишь на уровень перекрестных помех Г121. Изменяюсь граничные условия и количество активных проводников. В качестве воздействия использовался СЮ! в форме трапеции амплитудой ЭДС 1 В, с длительностью фронта, вершины и спада по 0 1 не. Для моделирования холостого хода (XX) принят резистор с сопротивлением 50 кОм, а для короткого замыкания (КЗ) - резистор с сопротивлением 50 мОм.
Рпс. 3. Локализация пикозых значений напряжения на фрагменте печатной платы РПУ САН V. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Для структуры из рис. 1 вычислено по 50 форм напряжений вдоль каждого полувитка меандровой линш Для верификации квазистатического моделирования системой ТА1Х-тАТ выполнено электродинамическое мс делнрование системой СБТ МШЭ [13] при прочих равных условиях (рис. 4).
Рис. 4. Сравнение форм напряжений, вычисленных в CST MWS и TALGAT
Для структуры из рис. 2 выполнены вычисления для 22 разных расстояний между полувитками (s уменыш лось с 0.4 мм до 1 мкм) (рис. 5), затем выполнены вычисления при фиксированной ширине зазора (5=0.2445 мь для 20 разных длин полувитков (значение / увеличивалось с 0.027 до 0.7 м) (рис. 6). Для обоих случаев приве дены результаты только для вычислений, которые наиболее различны.
0 1 2 3 4 5 6 7 Рис. б. Формы напряжения для Рис. 2 при 5 = 0.2445 мм для /=0.027 (а), 0.16 (б), 0.52 (в) м
Для шины печатной платы нз рис. 3 выполнены вычисления для 40 случаев с различными комбинациями активных проводников, резисторов XX и КЗ. но приведены самые показательные результаты. В табл. 1 приведены параметры вычислений для 3 случаев (Запись «1...Ш(КЗ); IV. У(ХХ)» в столбце «Начало проводника» означает КЗ в начале проводников I...Ш и XX в начале проводников Г/. V. Аналогично и для столбпа «Конеп проводни-
ТАБЛИЦА 1 ПАРАМЕТРЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ РИС. 3
№ случая Начало провод-ника Конеп провол-нпкл Л® проводника с пп-ковым значением Пиковое значение Л? с€г-мента
1 1...Ш(КЗ);ЩУ(ХХ) I.. .Ш(ХХ); IV. \*(КЗ) 1 2,7 В 14
2 I.. .Ш(ХХ); IV. "У(КЗ) I.. .Ш(КЗ); IV. \Т(ХХ) 1 0,21 В 9
3 1...Ш(ХХ);1\;\'(КЗ) I.. .Ш(КЗ); IV, У(ХХ) 2 0.41 В 11
-0,37 В 14
Для случаев табл 1 представлены формы напряжений в начале (Ув„) и конце (У^ всего проводника, а также формы с пиковыми значениями напряжения (Ртах- ГпшО- Как видно, сигнал представляет собой последовательность импульсов, обусловленных многократными отражениями из-за XX и КЗ на концах проводников. На рис. 4 указаны точки на проводниках, в которых локализованы максимальные значения. Отметим, что каждый проводник делился на 20 сегментов, в каждом из которых вычислялся отклик и анализировалось его пиковое значение. Цифры означают номер случая из Табл. I. Во всех остальных случаях максимумы или минимумы не были ярко выражены, либо находились на концах огрезка линии передачи.
VI. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для структуры из рис. 1 выявлен и локализован максимум напряжения (показан на рис. 1 стрелкой), равный 0.57 В, что в 1.14 раза больше максимального напряжения в узле 2. Как видно из рис. 4. сравнение форм напряжений D точке локализованного максимума показывает хорошее согласование основной формы импульса.
На рис. 5 представлен выявленный и локализованный максимум, превышающий амплитуду сигнала на входе и выходе в 2 раза при минимальном зазоре. При изменении длины вила (Г) амплитуда положительного импульса изменяется неравномерно (рис. 6). Так. при увеличении / с 0.027 до 0.16 м. она увеличивается с 0.595 до 0.765 В (при /=0.1 б м наблюдается наибольшее значение для всех вычислений, рис.6 0). При увеличении /до 0.52 м амплитуда снижается до 0.514 В. а при >0.52 м максимум не наблюдается, наибольшее значение амплитуды сигнала будет на Еходе линии. Отрицательный импульс имеет наибольшее абсолютное значение (0.25 В) при /=0.16 м, но при /=0.325 м практически полностью отсутствует.
Проведенное исследование проясняет причину появления перенапряжении. Сигнал в любой точке можно представить суммой падающих и отраженных волн четной и нечетной мод Максимум появляется, когда основной сигнал, не успев разложиться на моды, встречается с отраженной волной, в результате чего импульсы суммируются и появляется превышение напряжения.
Рассмотрим результаты для шины из табл. 1. Случай 1 показал самое значительное превышение напряжения на входе по сравнению со всеми остальными - в 2.7 раза Отметим, что максимумы из случаев 2 и 3 находится вблизи шины, проходящей слоем ниже (указано стрелками на рис. 3), так что связь с ней может оказаться критичной. Примечателен случай показавший сразуг два пикобых значения: максимальное (0.41 В) и минимальное (-0.37 В). Интересен и тот факт, что локализация пиковых значений непостоянна, а зависит Еак от значений резисторов, так и от воздействий.
VII. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в результате работы выявлены зависимости оорм напряжений вдоль каждого проводника отрезка МП.ТТП и ттокалтгзснаннътх максимумов напряжений от расстояния мелду полутштками микрополоско-вой меандровой линии, а также от длины ее проводников; исследована шина печатной платы РПУ САН. В ме-андровых линиях локализован максимум напряжения СКИ. превышающий амплитуду СКИ на входе и выходе при изменении зазора з 2 раза, а при изменении длины проводников - в 1.5 раза. В шине локализован максимум напряжения, в 2.7 раза превышающий амплитуду сигнала на входе, что может быть причиной различных паразитных эффектов. Полученные результаты показывают актуальность вычислений форм напряжении и токов вдоль проводников связанных линии передачи, а также выявления и локализации максимумов амплитуд напряжений и токов.
VIH. БЛАГОДАРНОСТЬ
Разработка программного обеспечения выполнена в рамках выполнения проектной части государственного задания Jfe8.1S02.2014/K Миноборнауки России. Моделирование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-01232) в ТУСУРе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Князев А. Д., КечиевЛ. Н.. Петров Б. В. Конструирование радиоэлектронной и электронной вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной созмесгимости.М.: Радио и связь. 1989. 224 с. ISBN 5-256-00361-5.
2. Кечиев JI. Н. Проекшрованиг печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.. Груила ИДТ Издательский Дом «Технологии». 2007.С. 616.
3. Surovtsev Roman S.. Gazizov Talgat R. Zabolotsky AlexnderM. Pulse Decomposition in a Tum of Meander Line as a New Conccpt of Protection against UWB Pulses // ?roc of Siberian Confcrcncc on Control and Communications (SIBCON).May 2015. - Omsk, 2015. P. 7.
4. UWB pulse decomposition in simple printed structures. Gazizov Alexander Т.. Zabolotsky AlexnderM. Gazizov Talgat R.IEEE Transactions on electromagnctic compatibility. 2016. Vol. 58, no.4. DOI: 10.1109/TEMC.2016.25487S3. Scopus:2-s2.0-84964501596
5. Орлов П. E., Газизов Т. P.. Заболоцкий A. M. Новая концепция создания интегрированных датчиков для контроля электромагнитной обстановки в бортовой аппаратуре космического аппарата !> Авиакосмическое приборостроение.2012. № 5.С. 20-23.
6. Заболоцкий А. М., Газизов Т. Р. Исследование искажении импульсного сигнала в меандровых линиях печатных плат // Бесттппс КГТУ им. Л.Н. Туполева. 2Э07. Ms 3 С. 21 2\.
7. Djordjevic A. R. Sarbar Т. K. Analysis of time response of lossy multiconductor transmission line networks H IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1987 VoL 35,no.lO.P. 89S-907.
S. Ac liar EL, NakhlaM. S.Simulation of high-speed interconnects. Proceedings of the IEEE.2001. VoL S9. no. 5.P. 693-72S.
9. Заболоцкий A. M., Гашзов Т. P. Временной отклик многопроводных линий передачи.Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та, 2007.152 с.
10. ГашзовР. Р., 'Заболоцкий А. М.. Орлов П. Е. Локализация максимумов сигнала в многопроводных линиях передачи печатных плаг с помощью снсгемы TALGAT // Докл. Томск, гос. ун-га систем упр. и радиозлек-гроникн_2015.№ 4 (38)_С. 147-150.
11. Гашзов Р. Р.. Заболоцкий A. ML, Га.шзов Т. Р. Исследование распространения сверхкороткого импульса в микраполоскавой С:-секции при изменешш зазора между связанными проводниками // Докл. Томск, гос. ун-та систем упр и радиоэлектроники.2016.Т. 19. № 1. С. 79-82.
12. Суровцев P.C., Газизов Т. Р. Оценка целостности сигналов в печатных платах системы автономной навигации И Труды МАИ. 2015. № S3 .С. 1-19.
13. CST MICROVAWE STUDIO [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www_сst.coni/products/CbTMWS, свободный (дата обращения: 11.05.2016).
