автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Передача импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением

На правах рукописи

Заболоцкий Александр Михайлович

Передача импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением

Специальность 05 13 05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Томск - 2007

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники

Научный руководитель - канд. техн. наук старший научный сотрудник Газизов Тальгат Рашитович

Официальные оппоненты д-р техн наук профессор

Чермошенцев Сергей Федорович (Казанский государственный технический университет им А Н Туполева);

д-р техн наук старший научный сотрудник Сычев Александр Николаевич (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники)

Ведущая организация - ОАО «Научно-производственный центр «Полюс» (г Томск)

Защита состоится 14 ноября 2007 года в 9 00 на заседании диссертационного совета Д 212 268 03 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г Томск, ул Ленина, 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Автореферат разослан « {О » октября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Мещеряков Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Элементы вычислительной техники и систем управления связаны между собой межконтактными электрическими соединениями, или межсоединениями (interconnects) В настоящее время широко используются межсоединения с неоднородным диэлектрическим заполнением. Импульсные сигналы, распространяющиеся в них, можно разделить на два вида полезные сигналы, используемые для передачи информации, и нежелательные сигналы, появившиеся в результате непреднамеренных и преднамеренных электромагнитных помех

В межсоединениях сигналы задерживаются по времени, отражаются от не-однородностей, затухают из-за потерь, создают перекрестные наводки в соседних межсоединениях. Эти факторы и кондуктивные помехи способны существенно исказить полезные сигналы, особенно высокочастотные. Кроме того, если кондуктивная помеха появилась в результате мощного электромагнитного воздействия, то это может привести к нарушению функционирования устройства Поэтому искажения полезных сигналов в межсоединениях и кондуктивные помехи становятся серьезной преградой к дальнейшему совершенствованию вычислительной техники и систем управления.

Состояние вопроса. В мире интенсивно исследуются явления, которые происходят в межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением, среди которых особый интерес вызывают различные полосковые линии, кабели сетевого питания и сигнальные кабели. Получены существенные результаты. Но обзор состояния исследований не позволяет говорить об их полном завершении и выявляет задачи, которые ждут своего решения. В частности, недостаточно исследованы возможности уменьшения искажений импульсных сигналов из-за различия задержек мод для уменьшения кондуктивных помех в межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением, а также возможности их использования.

Цель работы- исследование искажений импульсных сигналов в межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением и возможностей их уменьшения и использования. Для её достижения необходимо программно реализовать основные модели для вычисления временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи, исследовать искажения импульсного сигнала и показать возможности их уменьшения и использования

В исследованиях использовались: компьютерное и экспериментальное моделирование, квазистатический подход, модальный анализ, метод моментов

Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием проверенных математических моделей, согласованностью и совпадением результатов компьютерного и экспериментального моделирования, совпадением результатов, полученных по разным моделям и разными авторами

Научная новизна

1. Установлено, что амплитуду дальней перекрестной помехи, при одновременном воздействии на несколько проводников многопроводной микропо-лосковой линии, можно уменьшить выравниванием скоростей мод.

2 Выявлена возможность коррекции формы импульсного сигнала с помощью меандровых линий

3 Для многопроводных межсоединений с неоднородным диэлектрическим заполнением сформулированы в аналитическом виде три условия минимизации модальных искажений; разложения импульсного сигнала, восстановления импульсного сигнала в структуре из п отрезков

4 Теоретически и экспериментально обоснован новый способ защиты от импульсов помех малой длительности посредством последовательного разложения импульсов в отрезках многопроводных межсоединений на большее число импульсов меньшей амплшуды

Практическая значимость

1 Программно реализованы три модели для вычисления временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи

2 Предложен способ уменьшения модальных искажений в межсоединениях печатных плат нанесением покрывающего диэлектрического слоя

3 Предложен расчет модальной защиты, связывающий число и параметры отрезков линий передачи для разложения импульса с заданными параметрами

4 Показана возможность модальных искажений в широко применяемых кабелях сетевого питания и сигнальных кабелях

Использование результатов исследований

1 Реализованный модуль квазистатического вычисления отклика в составе системы компьютерного моделирования электромагнитной совместимости TALGAT использовался для оценки паразитных электромагнитных эффектов в печатных платах и в кабелях аппаратуры, разрабатываемой в НПЦ «Полюс»

2 Программные реализации моделей вычисления временного отклика в многопроводных линиях передачи применены для исследования возможностей уменьшения искажений импульсного сигнала в межсоединениях многослойной печатной платы в хоздоговорной НИР «Разработка технической документации прибора для прямого видеонаблюдения состояния элементов эксплуатационных и фильтровых колонн нагнетательных и контрольных скважин полигона подземного захоронения ЖРО СХК» (Per. ном. НИР 0120 0 509 654 ХД № 20-05, ТУ СУР, Томск, 2005 г)

3. Разработанные алгоритмы моделей для вычисления временного отклика в многопроводных линиях передачи использованы для выполнения проекта «Разработка системы компьютерного моделирования электромагнитной совместимости» (Заключительный отчет ВТК-15 по мероприятию 3 1 За инновационной программы ТУСУР, 2006 г. и свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8376)

4 Разработано учебно-методическое пособие, которое использовалось студентами в ходе группового проектного обучения, при выполнении курсовых работ по дисциплине «Основы электромагнитной совместимости» и дипломных работ Разработаны 4 лабораторные работы по дисциплине "Электромагнитная совместимость и безопасность". Написана монография, которая может быть использована в качестве учебного пособия.

5 Программно-реализованные модели и исследования с их помощью составили основу работ по проекту 06-08-01242 «Исследование новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением» (Заключительный отчет по гранту РФФИ-22, 2006 г)

Апробация результатов Результаты представлялись и докладывались на симпозиумах и конференциях Межд цюрихский симп по ЭМС, 2006, 2007, Межд симп по ЭМС и электромагнитной экологии, г Санкт-Петербург, 2005, 2007, Науч конф «Электрофизика материалов и установок», г Новосибирск, 2007, Межд молодежная науч конф «XII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», г Казань, 2004, Межд научно-практ конф "Электронные средства и системы управления", г Томск, 2004, Всерос научно-практ конф "Проблемы информационной безопасности общества и личности", г Томск, 2004, 2005, 2007, Материалы всерос научно-техн конф студентов, аспирантов и молодых специалистов «Научная сессия ТУ СУР», г Томск, 2004-2007

Публикации По результатам исследований опубликована 31 научная работа 1 монография, 7 статей в журналах из перечня ВАК, 2 доклада в трудах симпозиума дальнего зарубежья, 19 докладов и 1 тезисы в трудах отечественных симпозиумов и конференций, 1 свидетельство о регистрации программы

Структура и объем диссертации В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, список литературы из 125 наим , 4 приложения Объем диссертации составляет 146 стр , в том числе 71 рис и 52 табл

Личный вклад Все результаты получены при личном участии автора Положения, выносимые на защиту

1 Алгоритмы, реализованные в работе, позволяют (в рамках квазистатического подхода) моделирование временного отклика реальных фрагментов многопроводных межсоединений

2 При определенных соотношениях параметров меандровой линии и распространяющегося в ней импульсного сигнала появляется возможность уменьшения времени фронта сигнала за счет взаимных влияний в проводниках меандровой линии

3 Рост числа проводников микрополосковой линии увеличивает модальные искажения

4 Модальные явления (искажения, разложение и восстановление импульсного сигнала) в многопроводных линиях передачи характеризуются разностью задержек мод

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 Передача импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением* Обзор С ростом быстродействия элементной базы и увеличением плотности монтажа увеличиваются взаимовлияния в соседних межсоединениях, что искажает сигналы в них Искажения в межсоединениях зависят от соотношения параметров сигналов, межсоединений и их окончаний

Для оценки искажений импульсного сигнала необходим анализ временного отклика произвольных схем многопроводных межсоединений В гл 1 представлен обзор методов вычисления временного отклика и теоретические основы трех моделей (А Джорджевича, Ф Теше, М Накхлы)

Ориентация только на зарубежные программные продукты имеет серьезные недостатки, тогда как разработка и использование отечественных привлекательны рядом преимуществ Поэтому собственная программная реализация моделей для их использования в системах компьютерного моделирования весьма актуальна и важна Существенный вклад в это внесли ЛИ Бабак, Ю Н Вашакидзе, Л Н Кечиев, Н А Леонтьев, С Ф Чермошенцев и др В разработанной в ТУСУРе системе ТАЬОАТ реализованы вычисление матриц погонных параметров многопроводных линий передачи и оптимизация генетическими алгоритмами Но отсутствие вычисления временного отклика не позволяет эффективную оценку искажений сигналов в межсоединениях Вклад автора в решение данной задачи представлен в гл 2, а в других главах показаны приложения реализованных моделей к различным практическим задачам

Наводки в различных проводниках многопроводной микрополосковой линии с покрывающим диэлектрическим слоем исследовались ТР Газизовым Однако результаты воздействия на несколько проводников такой структуры исследованы недостаточно полно Значительные возможности уменьшения искажений заключены в межсоединениях новой платы (Патент №2013032 Монтажная плата НИ Базенков, ТР Газизов Опубл в Б И, 1994, №9), названной авторами помехозащищенной теплопроводной монтажной платой (ПТМП) Временной отклик одиночных и связанных межсоединений ПТМП без потерь исследован О М Кузнецовой-Таджибаевой Для более адекватного моделирования необходим анализ разветвленных многопроводных межсоединений ПТМП с учетом потерь Вклад автора в решение данной задачи представлен в гл 3

Важным печатным элементом являются меандровые линии задержки Существенный вклад в их исследование внесли Р -Б Ву и Ф -Л Чао, П А Воробьев, Н Д Малютин, И Ш Соломоник и др Однако ряд возможностей по их совершенствованию остается не выявленным Вклад автора в решение данной задачи представлен в гл 4

Волновые процессы в различных структурах связанных линий передачи исследовали в полосковых структурах- ВМ Красноперкин, ГС Самохин, РА Силин, в линиях электропередачи- МВ Костенко, Л С Перельман, Ю П Шкарин, в СВЧ устройствах - Н Д Малютин, А Н Сычев, Э В Семенов Однако искажения сигнала в активном проводнике из-за неоднородного диэлектрического заполнения многопроводных линий исследованы недостаточно Между тем, остаются нераскрытыми дополнительные возможности их уменьшения, а также использования Вклад автора в исследование этих вопросов представлен в гл 5

В конце гл 1 сформулированы цель и задачи работы (см с 3)

2. Алгоритмы и программная реализация моделей Приведены алгоритмы и выполнена программная реализация в системах МаШСАЭ, МагЬаЬ и ТАЬОАТ трех известных моделей для вычисления временного отклика (в частотной области) произвольных схем многопроводных линий передачи. Подробно описано вычисление временного отклика в ТАЬОАТ. Корректность программной реализации моделей подтверждена сравнением с опубликованными данными и моделированием в Р8рюе на ряде примеров (меандро-вая линия; один отрезок связанных линий; два отрезка (рис. 2.1), в. т.ч. со сложными соединительными цепями; три отрезка с замкнутым контуром и Т-образным соединением). (Воздействие в форме трапеции)

Рис. 2.1. Структура из двух последовательно соединенных отрезков Для примера результаты моделирования в РБрке и для 3-х реализованных моделей, с учетом и без учета потерь, представлены в табл. 2.1. (£0=2 В, 1^=6 не, (г=Г/=1 не)

Таблица 2.1 Сравнение результатов вычисления отклика в пассивном проводнике для рис. 2.1

Для случая без потерь и с потерями полученные по 3-м моделям формы сигналов совпадают, а пиковые значения амплитуд совпадают до 3-х знаков по-

еле запятой При сравнении с РБрюе для случая без потерь формы сигнала и пиковые значения напряжений в среднем отличаются на 0,6%, а с потерями формы сигналов отличаются сильно. Это связано с тем, что в РБрюе не учитываются (полагаются нулями) недиагональные элементы матриц потерь (причем, как II, так и в). Отметим, что в данном примере это приводит к занижению уровня помех (У4) до 2-х раз Для меандровой линии, при сравнении результатов, полученных в ТЛЬвАТ, с опубликованными данными, формы сигнала совпадают, а различие по времени и амплитуде ступенек сигнала в среднем составляет 2-3% для длины витка 5 см и 5-6% для 10 см.

Таким образам, разработанные программы позволяют корректно вычислить временной отклик фрагментов реальных межсоединений с учетом взаимовлияний проводников в рамках квазистатического подхода

3. Уменьшение искажений импульсного сигнала в межсоединениях печатных плат Исследована дальняя перекрестная помеха в микрополосковой линии с покрывающим диэлектрическим слоем при подключении к линии нескольких источников сигнала (рис 3 1 г/и>=0,01, <з?Лс=1; 5/н>=1; /¡^=0,5)

£г2=5 1 . г 3 . 4 Нг

'Г 1 ч 1 1Г- 1 <1 1 1

ы 6г1=3 УУ 5 >С 5 V! 5 V)

Рис 3 1 Поперечное сечение исследуемой структуры

Рассматривалось 6 вариантов воздействия. Выявлено, что выравнивание скоростей мод за счет покрывающего диэлектрического слоя позволяет уменьшить дальнюю перекрестную помеху в 2-24 раза. Если активные проводники расположены с обеих сторон пассивного, то, амплитуда дальней перекрестной помехи достигает 60% от амплитуды входного сигнала (т.е. почта удваивается) при /г2/м'=0, а при й2Л1>=0,4 амплитуда уменьшается до 2,5%.

Выполнено вычисление форм сигнала в межсоединениях ПТМП с учетом потерь и их частотной зависимости. Выбрано два фрагмента. Фрагмент 1 (Ф 1) межсоединение из двух связанных подвешенных полосковых линий с шагом трассировки и>+.$=0,625 мм Фрагмент 2 (Ф.2) наиболее длинный участок из 4-х отрезков на краю платы, которые имеют разную длину, разные поперечные сечения и шаги трассировки. Вычисление матриц ЬиС выполнялось в ЬШРАЯ и ТА1Х}АТ, а матрицы И и в вычислялись в ЬШРАЯ. Отличие значений погонных коэффициентов, полученных в ЬШРАЛ и ТА1ЛЗАТ, в среднем составляет 4%, что объяснимо различным числом сегментов. Вычисление форм сигнала в начале и в конце линий выполнялось в системе ТА1Х5АТ для двух значений фронта сигнала = //■= 1 не и 100 пс) с учетом и без учета потерь и при условии псевдосогласования (т.е. сопротивления резисторов, подключенных к проводникам отрезков линий, равны соответствующим диагональным элементам матрицы характеристического импеданса) Для Ф.1 при г,= tf=\ не учет потерь не влияет на форму сигнала, а в Ф 2 амплитуда уменьшается на 0,2% Для при-

мера, формы сигнала при гг = /^=100 пс для Ф.1, 2 показаны в табл. 3.1 (сплошная линия - без потерь, пунктирная - с потерями).

Таблица 3 .1. Формы сигнала в начале и конце пассивного проводника (£о=2 В, <,=</=100 пс)

Для Ф.1 потери уменьшают амплитуду дальней перекрестной помехи на 5% (без лака) и 1% (с лаком), а для Ф.2 - на 16% (без лака) и 20% (с лаком). Наличие лака увеличивает амплитуду перекрестной помехи на ближнем конце для Ф.1 на 20% и Ф.2 на 9%, а на дальнем конце для Ф.1, изменив полярность (перекомпенсация) уменьшает на 51%, а для Ф.2 увеличивает на 10%.

Для Ф.1 выполнено экспериментальное моделирование с помощью осциллографа универсального типа С1-91. На начало активного проводника межсоединения подавался перепад напряжения 200±5 мВ, спадающий за 50 пс. Чтобы на экране осциллографа наблюдать наводку на дальнем конце пассивного проводника, к нему подключался кабель от выхода формирователя, а к свободным концам межсоединения - нагрузки 50 Ом. На экране осциллографа наблюдалась перекрестная помеха уровнем 40+1 мВ, т.е. 20% от перепада. На рис. 3.2 представлено сравнение форм напряжения: измеренной экспериментально (Г) и вычисленных в системе ТАЬОАТ без учета потерь и без лака (А), с учетом потерь и без лака (Б), без учета потерь и с тонким слоем (0,01 мм) триацетатной электроизоляционной слабопластифицированной пленки ТУ 6.17-499-84, которая остается на поверхности платы после прессования. При сравнении (Г) и (Б) видно, что амплитуды импульсов различаются на 38%, а (В) и (Г) - на 17%. Таким образом, более точный учет реального диэлектрического заполнения и потерь в диэлектриках позволяет получить более близкие к экспериментальным результаты моделирования.

0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

1А)

г 11 ^ Л

'4

0

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

Рис. 3.2. Формы напряжения (В, не) в конце пассивного проводника: вычисленная в ТАЬОАТ без учета потерь и без лака (А), с учетом потерь и без лака (Я), без учета потерь и с пленкой (0,01 мм) на плате (В); полученная экспериментально с пленкой (О

Для достижения более точного совпадения результатов эксперимента и моделирования в системе ТАЬСАТ с помощью измерительного комплекса фирмы 8о1аПгоп АпаНПса1 (инструментальная погрешность 1%) измерена относительная диэлектрическая проницаемость (Ег) и тангенс потерь ^й) материалов на частоте /0=1 МГц: стеклоткань (СТП-4-0,062, ТУ 16-503.215-81) ен=2,65, tg51=24,6-10"3, стеклотекстолит (СТФ-2-35 ТУ 16-503.161-83) ел=3,96, tg52=15>8•10 3 и пленка триацетатная электроизоляционная слабопластифици-рованная (ТУ 6.17-499-84) ег3=2,95, 1£53=22,4-10~3. Результаты моделирования эксперимента в системе ТА1ХЗАТ для измеренных значений ег и tgo представлены на рис. 3.3.

0,03

0 -0,01 -0,02 -0,03 -0,04 -0,05

У, Е

1, не

1 / -

Рис. 3.3. Формы сигнала в конце структуры, вычисленные при измеренных значениях еги без лака (-) и со слоем триацетатной пленки толщиной 0,01 мм (----)

Из рис 3.3 следует, что амплитуда дальней перекрестной помехи для случая без лака равна 43 мВ, а с пленкой - 34 мВ, ограничивая экспериментальное значение 40 мВ. Поэтому для более точного моделирования временного отклика в многопроводных линиях передачи необходимо знать реальные значения используемых параметров материалов.

Для определения влияния лака на перекрестную помеху на межсоединение наносили слои лака УР-231 После нанесения первого слоя уровень перекрестной помехи стал 30±1 мВ, а после второго - 20±1 мВ Увеличение числа слоев до 8 уменьшило уровень помехи до 10±1 мВ, те до 5 % от перепада. Влияние последующих слоев на уровень помехи не так существенно, как влияние первых слоев. На рис 3.4 представлено сравнение формы напряжений, измеренной экспериментально (В) и вычисленных в системе ТА1ХЗАТ, при толщине слоя лака й3=0,17 мм, без учета потерь {Б) и с учетом потерь (В) При сравнении (А) и (Л) видно, что амплитуды импульсов различаются примерно на 11%

0,02 0,015

0,01 0,005

0

0 0,1 ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рис 3 4 Формы напряжения (В, не) в конце активного проводника при йз=0,17 мм экспериментальная (А), вычисленная в ТАШАТ без учета потерь (Я) я с учетом потерь (В)

Результаты моделирования показали, что лак уменьшает перекрестную помеху в конце линии Получено совпадение форм сигнала, полученных при моделировании в системе ТАЬХЗАТ и экспериментально

4. Искажения импульсного сигнала в меандровых линиях задержки Исследованы искажения импульсного сигнала в меандровых линиях (многослойной печатной платы) из одного и двух витков при различных параметрах сигнала, линий и согласования. Показано, что при псевдосогласованном случае, чтобы искажения сигнала (ступенька перед сигналом и выброс на вершине импульса) в меандровой линии из одного витка не превышали 10%, сумма коэффициентов связи (Кс+К^) не должна превышать 0,4 Если из-за плотности монтажа {Кс^-Кьр'0,4, то для уменьшения искажений задержка сигнала в меандровой линии из одного витка должна быть меньше фронта сигнала Аналогично исследован рассогласованный случай (низкого импеданса в начале линии и высокого - в конце) Для примера в табл. 4 1 представлены результаты моделирования для меандровой линии из двух витков

(б)

ГвЛ

Г /

1\

Таблица 4. ] Формы напряжения в начале (—) и в конце (—) меацдровой линии из двух витков при рассогласованном случае

(г=/г=/<*= 1 НС /,=/,=/,*= 100 пс

г ж т 7 -| 6 -5 -4 -3 -2 -1 - VI, В ----VI, в / \ '.НС 7 -, 6 -5 -4 -3 -2 ■ 1 - VI,В ----У2, В < » • Г . 1 / • \ .' ' 1,НС Г ' . _

-3 --4 J ) 1 2 3 4 5 -3 --4 -1 ! .......' ^г-'' 1 т 0,1 0,2 0,1 0,4 0,5 0,« Л,7 0,8 0,9 1 » %

10 мм 7 п 6 -5 -4 -3 -2 -1 - /Г \ К1,В --- У2, В /, НС 7 -6 -5 ■ 4 - У\,В » \ ----У2, В • > / Л '

-3 --4 - ) 1 2 3 4 5 -3 --4 ) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 6,6 0,?\},8 0,9 1

Увеличение числа витков до двух не влияет на форму сигнала с /,=//=/,/= 1 не для псевдосогласованного случая при длине витка до 10 мм и для рассогласованного— при длине до Змм. Из табл. 4.1 следует, что для /,=//=/</= 1 не форма сигнала не искажается при 1=3 мм, а при /=10 мм /г уменьшилось на 60%, а на 55%. Для /,=//=/¿=100 пс наблюдаются сильные искажения.

Рассмотрены меандровые линии из двух реальных фрагментов многослойной печатной платы: полтора витка и два витка с проводниками на соседнем

Вычисление форм сигнала выполнялось для реальных параметров сигналов и оконечных цепей. Формы сигналов в меандровых линиях фрагментов 1 и 2 оказались очень схожими: для У2 у фрагмента 1 /, уменьшилось на

42%, ^ - на 50%, а у фрагмента 2 /г уменьшилось на 23% и I/ - на 18% (рис 4.2а), а амплитуда перекрестной наводки в проводниках на соседнем слое, для фрагмента 2, составила меньше 1% от амплитуды входного сигнала (рис 4.26).

VI, в Г8, В

-0,03 б

Рис 4 2 Формы напряжения для фрагмента 1 (а) и фрагмента 2 (б) Таким образом, при определенных соотношениях параметров сигнала и структуры взаимные влияния в проводниках могут приводить не к искажениям, а к улучшению сигнала в рассогласованных структурах наблюдается уменьшение длительности фронта сигнала

5. Использование модальных явлений в многопроводных межсоединениях При распространении импульса длительностью и в отрезке линии, с неоднородным диэлектрическим заполнением, из АГ проводников (не считая опорного) импульс может подвергаться модальным искажениям, которые начинают проявляться в виде изменения фронта импульса из линейно нарастающего в ступенчатый, причём рост длины I отрезка линий увеличивает временные интервалы между ступеньками (табл. 5.1). Увеличение этих интервалов более и ведёт к уменьшению амплитуды импульса и его разложению на N импульсов меньшей амплитуды.

Выбором толщины покрывающего диэлектрического слоя связанных мик-рополосковых линий можно существенно уменьшать модальные искажения Модальные искажения импульса в отрезке многопроводных межсоединений тем меньше, чем строже выполняется условие

/• [тах(т,)-тт(т,)] «¡г, /=1, .... Л/, (5.1)

где / - длина отрезка, т, — погонная задержка 1-й моды отрезка, (г — время фронта импульса, ТУ- число проводников в отрезке (не считая опорного) Это подтверждается данными табл. 5 2, из которой видно, что максимальная разность погонных задержек для /г2/и'=0,25 значительно меньше, чем для /12/м>=0, и именно этим объясняется практически полное отсутствие искажений для Й2/и>=0,25 (правый столбец табл. 5.1)

Таблица 5 1 Формы напряжения (В, не) в конце проводника 1 (рис 3 1) при Ь=1 м, N=2,3,4, й^и» =0,0,25 для и =800 пс

Таблица 5 2 Погонные задержки мод и их максимальная разность (пс/м)

кг/и> N=2 N=3 ЛМ

Т| Т2 шах(т()-шш(т,) И *2 Тз тах(т,}-тш(т,) XI 12 Тз т4 тах(т,)-пип(т,)

0 4799 5064 265 5131 4896 4758 373 5173 4740 4970 4826 433

0,25 5850 5843 7 5824 5871 5855 47 5818 5836 5876 5875 58

Таким образом, максимальная разность погонных задержек мод отрезка многопроводных линий является основной характеристикой, определяющей выраженность модальных искажений сигнала в этом отрезке Поэтому важно исследовать эту характеристику подробнее. Её зависимости, для микроплосковой линии от Иг/м> и для кабеля марки ¡и-12 от относительной диэлектрической проницаемости оболочки кабеля (ег2), показаны на рис 5 1. Из его анализа можно сделать такие выводы

1 Для исследованных микрополосковых линий изменение й2/м> изменяет максимальную разность погонных задержек мод, и есть оптимальное значение (й2/ии=0,25 для всех линий), соответствующее минимуму этой разности

2 Рост числа проводников исследованной микрополосковой линии увеличивает максимальную разность погонных задержек мод Этот факт может существенно влиять на модальные искажения сигнала в плотных межсоединени-

ях, например, в печатных платах или в многожильных кабелях, как это видно для Ю-12 при определенных гг2

| -1 шах(т, )-тш(т(), пс/м

1,6 ]тах(т,)-т1п(т,), нс/м 1,4 -

Рис 5 1 Зависимости максимальной разности погонных задержек мод для N=2 (—), 3 (—), 4 (—) микрополосковой линии (а) и кабеля марки Ю-12 (б) Для полного разложения импульса в отрезке длиной / необходимо, чтобы общая длительность импульса была меньше минимального модуля разности задержек распространения мод в линии, т.е

г2 < / 1шп|тг-тк1, i, £=1, , М, &к (5 2)

где т,(к) - погонная задержка г(А)-й моды отрезка. Для N-2 из (5 2) получим

Ь<1- |Тг-т,|, (5 3)

где т2, Т1 - погонные задержки чётной и нечётной мод в отрезке связанных линий Таким образом, если в начало отрезка связанных линий между одним и общим проводниками подается импульс длительностью меньшей, чем разность задержек мод этого отрезка, то к концу отрезка (между теми же проводниками) придут 2 импульса (1 и 2 на рис. 5.2) амплитудой в 2 раза меньшей, чем в начале отрезка (Результаты вычислены при псевдосошасовании)

Факт уменьшения вдвое амплитуды импульса может быть использован для защиты от коротких импульсов с опасно высоким напряжением в линиях передачи. Причем каскадное соединение отрезков приведет к последовательному делению каждого импульса на два импульса вдвое меньшей амплитуды (рис. 5 3). Последовательное соединение п отрезков приведет при определенных условиях к разложению на 2" импульсов

Для структуры из и отрезков длина к-то отрезка и общая длина структуры /,=/(2*-')* = 1, .,«, (5-4)

¿я=фи-1) (5 5)

Таким образом, формулы (5 3)—(5 5) связывают число и параметры отрезков для разложения заданного импульса, позволяя расчет защиты

1 -0,9 -0,8 0,7 -0,60,5 -0,40,3 0,20,1 0

У, В

п ¡-0-с=н

. Я2 У2

о

I I 1

<, ис

Рис 5 2 Разложение импульса в одиночном отрезке связанной линии

0,9 0,80,7 -0,60,5 -0,4 -0,3 -0,20,1 -0 -0,1

! 4- Г. В VI

К£Н=Я Н=£

Отрезок! К? У* У5 Отрезок 2 У6 VI У8 ОтрезокЗ

КЗ

С9Л7 ,

ига

И10Я8 .

V 9 ЦЦЦЦ

4ЦЩВ

1111111111 27 30 32 34 37 39 41 44 46 48 51 53

не

Рис 5 3 Разложение импульса в трёх отрезках связанных линий Практическая реализация нового принципа защиты за счет модального разложения импульса в отрезках связанных линий представляется возможной на разных структурных уровнях аппаратуры, например с помощью кабелей, в виде отдельных блоков, а также компонентов, в том числе печатных. Модальное разложение импульса рассматривалось в кабелях марки АПУНП и ТРП-3*0,5 Показано, что разложение импульса зависит от выбора опорного проводника и способа воздействия В межсоединениях ПТМП длиной десятки сантиметров разложение может происходить для импульсов длительностью в сотни пикосе-кунд, а для специальной полосковой структуры - десятки наносекувд-

Пользуясь модальной теорией, для согласованного варианта при выполнении условия (5.2) амплитуды импульсов разложения можно вычислить с помощью выражения

(5 6)

где V - матрица размера ЛМУ, в которой значения элементов строк соответствуют амплитудам импульсов разложения в проводниках линии передачи количество проводников в линии передачи), ву- матрица размера МсТУ, содержащая собственные векторы матрицы ЬС; Е - вектор размера Мх1, состоящий из значений амплитуд источников напряжения.

В разводке электрических соединений аппаратуры могут быть структуры из п последовательно соединенных отрезков АГ-проводной линии. Рассмотрена струк1ура из двух последовательно соединенных отрезков связанных микропо-лосковых линий из 2-, 3-, 4-х проводников. При моделировании отклика (рис. 5 4) параметры двух отрезков выбирались разными, но при условии, что их максимальные разности погонных задержек приблизительно равны: отрезок 1 - без диэлектрического слоя (Аг/н^О), а отрезок 2-е покрывающим диэлектрическим слоем (толщиной й2/и>=0,65 для N=2, 3, 4). Проводник 1 отрезка 1 возбуждается генератором импульса э д.с в форме трапеции (/, = </=100 пс, =200 пс)

Видно, что исходный импульс может разлагаться на стыке двух отрезков на N импульсов гораздо меньшей амплитуды и восстанавливаться в конце отрезка 2 Если на стыке отрезков включен между сигнальным и общим проводником защитный прибор, закорачивающий цепь при превышении определённого напряжения на нём, то почти в 2 раза большее напряжение в начале структуры может оказаться на нагрузке в конце структуры, а защитный прибор не сработает Таким образом, есть основание полагал,, что указанное явление разложения и восстановления импульса может иметь место в реальных структурах и быть одной из причин отсутствия срабатывания защитных приборов. Кроме того, если злоумышленнику известны параметры отрезка 2 и он контролирует параметры отрезка 1, то он может организовать кондуктивную преднамеренную электромагнитную помеху. Поэтому важно сформулировать условия восстановления импульса.

В общем случае, для и отрезков АГ-проводных межсоединений длиной восстановление будет наиболее эффективным при одновременном приходе всех мод к концу структуры, т.е. при условии

Ь/'^^Ь, = (5.7)

1=1 /-1 У=1

где х,} - погонная задержка 1-й моды _/-го отрезка. Отметим, что при моделировании (рис. 5.4) длина отрезка 1 выбиралась из условия полного разложения импульса, а длина отрезка 2 подбиралась по наиболее полному восстановлению импульса в конце структуры. Подстановка длин и погонных задержек мод отрезков в условие (5.7) (табл. 5.3) и сопоставление её результатов с рис 5.4 показывает, что, чем строже выполняется условие (5.7), тем полнее восстанавливается импульс.

Таблица 5 3 Проверка выполнения условия (5 7)

ЛЧ2 №=1,5 м, /2=1,5 м) ЛНЗ №=3 м,/2=3 м) №=4 №=4,5 м, /2=5,45 м)

/гГц+ /2Т12 Л-Т21+ ¿2*22 А Тц+ ¿2*12 Л Т21+ /2 122 /1Т31+ /2Т32 /1 тп+ /2X12 /1Т21+ /2X22 /1 Тзг+ /2Т32 /! Т41+ /2Т42

16,67 нс 16,67 нс 33,14 нс 32,22 нс 34,45 нс 56,98 нс 54,16 нс 56,87 нс 54,30 нс

1

1

0,9 0,8 -0,7 -0,60,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -0 -0,1

VI

1

0,90,80,7 -0,6 -0,5 -0,4 0,3 0,2 0,1

0 -0,1

1

0,9 -0,8 -0,7 0,6 -0,5 -0,4 -0,30,2 -0,1 -О

-ол й

V 3

ур—[_|

Д2 у $трезок 1 ^трезок ^

Н. и--н Н

гг

К5

нс

I I I I I I I' 1 1 I I I I I I \JI\J I "Ч I I

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

V1

^ Д2

Й2 „2отрезок 1 отрезок2 й5 /? 3 уз г/< 1/о Й6

Г7

л л

к=э

К6

|/"о Л 6

-с=н

НС

I I I I I I I I I I Ц Ц|

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

VI

. К2 уу

У5

уоЙ5

, _ - -С=Н

■ ДЯ Г2_Г6_кюДб

ДЗ ^отрезок 1 'отрезок2 ' ^д/1

__К 1.2 Д1,

7 л о

1111111111111111111 |"ГМ1"1 I I I

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Рис 5 4 Структура и формы напряжения для ЛИ2 (а), 3 (б), 4 (в) В работе показано, что восстановление импульса происходит в широко применяемых силовых кабелях и не зависит от выбора опорного проводника

Таким образом, в структурах из отрезков многопроводных линий передачи, например микрополосковых линий и силовых кабелей, возможно разложение

и восстановление импульса. Это явление может быть причиной отсутствия срабатывания защитных приборов на стыке такт отрезков. Оно же может использоваться и в целях электромагнитного терроризма.

Для подтверждения описанных выше модальных явлений и возможности использования плоского кабеля в качестве модального фильтра было выполнено экспериментальное моделирование с помощью осциллографа С9-11. Между парой соседних проводников кабеля подавался близкий к трапециевидному импульс с параметрами: /г=345,6 пс, г/=276 не, ¿¿=137,8 пс и Е0= 1,4 15. Осциллограммы напряжения при распространении импульса в отрезке (/=4,8 м) плоского кабеля ПУГНП 3x4 представлены - на рис. 5.5а, а для круглого кабеля ПВСн 3><2,5 - на рис. 5.56. При этом на пассивном проводнике кабеля был холостой ход.

Рис. 5.5. Осциллограммы сигналов в начале (импульс слева) и в конце (импульс справа) активного проводника плоского кабеля ПУГНП 3*4 (о), и круглого кабеля ПВСн 3x2,5 (б)

Видно, что исходный импульс раскладывается в конце плоского кабеля активного проводника на два импульса с амплитудами 182 мВ и 234 мВ (различие амплитуд вызвано влиянием потерь и рассогласования). Для круглого кабеля разложение импульса в конце активного проводника не произошло, но амплитуда уменьшилась из-за потерь до 348 мВ. Результат эксперимента при распространении импульса в двух последовательно соединенных отрезках (/|=5 м и 4=10 м) плоского кабеля ПУГНП 3x1,5 представлен на рис. 5.6. При этом на пассивном проводнике на концах и на стыке структуры холостой ход.

Рис. 5.6. Осциллограмма в конце активного проводника второго отрезка кабеля ПУГНП 3х 1,5

Из рис 5 6 видно разложение на четыре импульса с амплитудами 38,5, 61,6, 70, 92,2 мВ Очень пологий спад каждого импульса, вызванный потерями и дисперсией на большой длине кабеля, привел к значительному слиянию импульсов с последовательным ростом их амплитуды В различие амплитуд внесло свой вклад и рассогласование из-за холостого хода в пассивном проводнике Экспериментальные результаты подтверждают компьютерные в плоских кабелях возможно разложение импульса на несколько импульсов меньшей амплитуды, а в круглых кабелях разложение не происходит

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы программно реализованы три известные алгоритмические модели по вычислению временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи с хорошими результатами тестирования (отличия от результатов, полученных другой программой, составляют в среднем 0,6%, другими авторами - 3-5%, экспериментально - 11%), что позволило в системе TALGAT выполнять сквозное моделирование, те от геометрических параметров исследуемой структуры до вычисления откликов

Приложение разработанного инструментария к проблеме межсоединений позволило получить новые результаты Так, исследованы искажения импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях различного типа с разными параметрами при воздействии на несколько проводников (выравнивание скоростей мод за счет покрывающего диэлектрического слоя позволило уменьшить дальнюю перекрестную помеху в 2-24 раза) Кроме того, выявлено, что при определенных соотношениях параметров сигнала и структуры взаимные влияния в проводниках меандровой линии приводят к улучшению формы сигнала (в реальных структурах меандровой линии длительность фронта импульса может уменьшаться на 18-60%) Исследованы искажения импульсного сигнала в активном проводнике многопроводного межсоединения из-за разности задержек мод, вызванной неоднородным диэлектрическим заполнением, и сформулировано аналитическое условие их уменьшения

На основе новых модальных явлений в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением теоретически и экспериментально обоснован новый принцип защиты элементов вычислительной техники и систем управления на разных структурных уровнях от импульсов короткой длительности (последовательное соединение п двухпроводных отрезков приводит к разложению исходного импульса на 2" импульсов в 2" раз меньшей амплитуды), а также показана возможность их опасного применения в качестве кон-дуктивных преднамеренных электромагнитных помех

Таким образом, в результате работы выполнено исследование искажений импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением, и показаны возможности уменьшения и использования искажений импульсного сигнала, так что цель диссертационной работы достигнута

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1 Заболоцкий А.М Моделирование прямых перекрестных помех в многопроводной микрополосковой линии при воздействии нескольких источников сигнала Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 18-20 мая 2004 г С. 101-105.

2. Заболоцкий А.М Прямые перекрестные помехи в четырехпроводной микрополосковой линии при воздействие на несколько проводников 12-е Туполевские чтения. Международная молодёжная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2004 года- Материалы конференции Том III Казань: Изд-во Казан гос техн. ун-та 2004 С 156-157

3 Газизов ТР., Заболоцкий А.М. Модальные искажения импульсного сигнала в многопроводной линии передачи. Материалы 6-й всероссийской научно-практической конференции "Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности", г Томск, 2-4 июня 2004 г С 125-128.

4. Газизов ТР., Заболоцкий А М., Кузнецова-Таджибаева О.М. Исследование модальных искажений импульсного сигнала в многопроводных линиях с неоднородным диэлектрическим заполнением Электромагнитные волны и электронные системы №11,2004 г С 18-22.

5 Газизов Т.Р., Заболоцкий AMO возможности опасного применения модальных искажений импульсного сигнала. Материалы Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 6-8 октября 2004 г. Томск. Издательство Института оптики атмосферы СО РАН, 2004 г. С. 112-115.

6 Заболоцкий A M, Газизов TP Разложение и восстановление импульсного сигнала в последовательно соединенных отрезках многопроводных линий передачи. Материалы 7-й всероссийской научно-практической конференции "Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности", г. Томск, 16—18 февраля 2005 г. С 61-64.

7 Газизов Т.Р., Мелкозеров А О, Газизов ТТ., Куксенко С П , Заболоцкий А М. Комплексная оптимизация генетическими алгоритмами для обеспечения ЭМС. Сб. науч. докл VI Межд Симп по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 21-24 июня 2005 г. С. 160-164

8. Газизов ТР., Мелкозеров А.О, Газизов ТТ, Куксенко СП., Заболоцкий AM. Компьютерное моделирование сложных структур проводников при проектировании телевизионно-вычислительных систем. Известия вузов. Приборостроение. 2005 г, №10. С. 63-66.

9. Тимук В Н., Заболоцкий А.М. Система компьютерного моделирования отклика произвольных схем многопроводных линий передачи. Материалы научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2005», г Томск, 26-28 апреля 2005 г. С. 143-146.

10. Ковалькова К.В., Заболоцкий А М Исследование искажений импульсных сигналов в сложных межсоединениях помехозащшцённой теплопроводной монтажной платы Там же. С. 115-118.

11 Филипов Б В , Заболоцкий А. М. Программная реализация и исследование методов вычисления временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи. Там же. С. 93-94.

12 Zabolotsky AM, Gazizov TR., Bova AG, Radasky WA Dangerous pulse excitation of coupled lines. Proc of the 17-th Int Zurich Symp. on EMC. Singapore, February 27-March 3,2006, pp 164-167

13 Заболоцкий A.M., Бова А.Г Вычисление максимальной разности погонных задержек мод в многопроводных кабелях. Материалы научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2006», Томск, 4-7 мая 2006 г. С. 101-103.

14 Газизов Т Р., Заболоцкий А М. Искажения импульсного сигнала в простых меандровых линиях. Инфокоммуникационные технологии Том 4 №3 2006 г С 34-38

15 Заболоцкий А.М, Газизов Т.Р. Разложение и восстановление импульса в линиях передачи Электромагнитные волны и электронные системы №11 2006 г. С 4-7

16 Газизов Т Р, Кузнецова-Таджибаева О М, Заболоцкий А М Уменьшение дальней перекрестной помехи в печатных платах нанесением лака. Технологии ЭМС. №4.2006 г. С. 36-39

17 Газизов ТР., Заболоцкий AM Модальное разложение импульса в отрезках связанных линий как новый принцип защиты от коротких импульсов. Технологии ЭМС №4 2006 г. С. 40-44.

18. Заболоцкий А.М, Газизов ТР. О влиянии диэлектрического заполнения и электрофизических параметров многопроводных линий передачи на предельную скорость передачи сигналов. Научная конференция «Электрофизика материалов и установок», г. Новосибирск, 2007 г С. 69-74

19 Заболоцкий A.M., Горин Е.Н, Бевзенко И Г, Газизов ТР. Вычисление максимальной разности погонных задержек мод в кабелях ТРП-3Х0,5 и RJ-12 для контроля модальных явлений. Материалы 9-й всероссийской научно-практической конференции "Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности", г. Томск, 15 февраля 2007 г. С. 19-22.

20. Газизов Т.Р, Кузнецова-Таджибаева О М., Заболоцкий А М. Интегрированная защита и возможность ее реализации в помехозащищенных теплопроводных монтажных платах. Там же. С. 23—26.

21 Газизов Т.Р., Заболоцкий А.М Модальное зондирование - новый принцип зондирования многопроводных структур. Там же С. 27-30.

22. Заболоцкий А.М, Орлов П Е, Газизов ТР. Вычисление разности погонных задержек мод в трехпроводной структуре с одной диэлектрической границей для реализации технологии модального зондирования Там же С 3034.

23 Заболоцкий А М., Бевзенко И Г Модальные искажения импульсного сигнала в кабеле марки ТРП-ЗхО,5.-Материалы научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2007», г Томск, 3-7 мая 2007. С 105-108.

24 Заболоцкий А М., Горин Е.Н Модальные искажения импульсного сигнала в кабеле марки RJ-12 Там же С. 109-112.

25 Заболоцкий А.М, Орлов П.Е Моделирование временного отклика трех-проводной структуры с одной диэлектрической границей для реализации технологии модального зондирования. Там же С 87-90

26 Заболоцкий А М, Каташов А Н Моделирование реальных фрагментов печатных плат в системе TALGAT. Там же С 95-99

27 Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8376 от 24.05.2007 г. «Система компьютерного моделирования сложных структур проводников и диэлектриков TALGAT» (Газизов Т Р , Мелкозеров А О, Газизов Т Т., Куксенко С.П., Заболоцкий А М, Костарев И С), зарегистрированной в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Госкоорцентра Минобрнауки РФ с присвоением номера государственной регистрации -per номер ВНТИЦ 50200701103.

28 Газизов Т.Р, Заболоцкий А М, Мелкозеров А О, Газизов Т Т, Куксенко С.П., Горин Е.П, Бевзенко И.Г. Возможности применения новых модальных явлений в целях электромагнитного терроризма и для защиты от него Труды VII Межд. Симп по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г Санкт-Петербург, 26-29 июня 2007 г С 266-269.

29. Gazizov Т R, Zabolotsky А М New approach to EMC protection Proc. of the 18-th Int. Zurich Symp. on EMC Munich. Germany September 24-28 2007 P 273-276.

30. Заболоцкий A M., Газизов T P Исследование искажений импульсного сигнала в меандровых линиях печатных плат Н Вестник КГТУ им. А Н. Туполева. №3 2007-С 21-24.

31. Заболоцкий А.М, Газизов Т Р Временной отклик многопроводных линий передачи -Томск Томский государственный университет, 2007 - 152с

Тираж 100. Заказ № 1290 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г Томск, пр. Ленина, 40