Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления

Заболоцкий, Александр Михайлович

Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления

кандидата технических наук: Заболоцкий, Александр Михайлович
город: Томск
год: 2010
специальность ВАК РФ: 05.13.05

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления»

Автореферат диссертации по теме "Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления"

На правах рукописи

004Ы2ЮО <

Заболоцкий Александр Михайлович

Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления

Специальность 05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 1 НОЯ 2010

Томск-2010

004612087

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

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

Официальные оппоненты: д-р техн. наук профессор

Замятин Николай Владимирович (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники)

д-р техн. наук профессор Кечиев Леонид Николаевич (Московский государственный институт электроники и математики)

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «ЦентрИнформ» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 25 ноября 2010 года в 1515 час. 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 « /Я» октября 2010 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 многопроводные 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. А кондуктивная помеха от мощного электромагнитного воздействия может нарушить функционирование 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 в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением. Кроме того, мало исследованы возможности использования этих искажений.

Цель работы - уменьшение искажений импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях выбором параметров проводников и диэлектриков в поперечном сечении. 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 амплитуда дальней перекрестной помехи, при одновременном воздействии на несколько проводников многопроводной микропо-лосковой линии, уменьшается выравниванием скоростей мод при изменении параметров диэлектрического заполнения в поперечном сечении.

2. Сформулированы в аналитическом виде три условия для многопроводных межсоединений с неоднородным диэлектрическим заполнением:

■ модальные искажения пренебрежимо малы, если максимальная разность задержек мод много меньше фронта импульса;

■ для полного разложения импульса в отрезке межсоединения без потерь необходимо чтобы общая длительность импульса была меньше минимального модуля разности задержек мод межсоединения;

■ восстановление разложенного импульса, в структуре из нескольких отрезков, наиболее эффективно при одновременном приходе всех мод к концу структуры.

3. Предложен новый способ защиты от импульсов помех малой длительности посредством последовательного разложения импульсов в отрезках многопроводных межсоединений на большее число импульсов меньшей амплитуды.

4. Предложен способ коррекции формы импульсного сигнала с помощью меандровых линий за счет взаимных влияний в проводниках меандровой линии.

Практическая значимость

1. Программно реализованы 3 модели для вычисления временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи, что позволяет (в рамках квазистатического подхода) моделирование временного отклика реальных фрагментов многопроводных межсоединений.

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 № 2005, ТУ СУР, Томск, 2005 г.

инновационной программы ТУСУР, 2006 г.) Получены свидетельства об отраслевой регистрации разработки № 8376 и о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614871.

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, используемая в качестве учебного пособия.

5. Программная реализация квазистатических моделей для вычисления временного отклика в составе системы ТАЬвАТ 2008 (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614871) и рекомендации по уменьшению взаимовлияний электрических сигналов использованы при выполнении опытно-конструкторской работы «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008, шифр «АПК-ТУСУР»),

6. Результаты исследования новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением, полученные при выполнении проекта по гранту РФФИ 06-0801242, использованы в 2 проектах, поддержанных Фондом Бортника по программе «УМНИК», и защищены 3 патентами на полезную модель и патентом на изобретение.

Апробация результатов. Программно-реализованные модели и исследования с их помощью позволили: успешно выполнить проект РФФИ 0608-01242 «Исследование новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением»; участвовать в ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., проект: «Разработка основ синтеза методом «выращивания» 20 и 30 топологий нерегулярных микрополосковых структур, управляемых интегральных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов и их экспериментальное исследование». 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, молодёжная науч. конф. «ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», г. Казань, 2004, 2007, 2008; Межд. научно-лракт. конф. "Электронные средства и системы управления", г. Томск, 2004, 2007, 2008; 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 ТУСУР», г. Томск, 2004-2008, 2010; Научно-техн. конф. молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства»,

г.Томск, 2008, 2010; Межд. IEEE-сибирская конф. по управлению и связи, г. Томск, 2009. Межд. конф. по защите от молний, г. Кальяри, Италия, 2010.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 62 научных работы: 1 монография; 8 статей в журналах из перечня ВАК; 1 тезисы и 4 доклада в трудах конференций дальнего зарубежья; 31 доклад в трудах отечественных симпозиумов и конференций; 10 тезисов в материалах отечественных конференций; 3 свидетельства о регистрации программы; 4 патента.

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, список литературы из 149наим., 12 приложений. Объём диссертации составляет 171 е., в т.ч. 79 рис. и 52 табл.

Личный вклад. Все результаты получены автором лично и совместно с Т.Р. Газизовым. Отдельные результаты получены совместно с О.М. Кузнецовой-Таджибаевой, А.О. Мелкозеровым, И.Е. Самотиным, И.Г. Бевзенко, П.Е. Орловым.

Результаты, выносимые на защиту

1. Получены и сформулированы в аналитическом виде условия минимизации модальных искажений, разложения и восстановления импульсного сигнала, позволяющие установить связь между его параметрами и разностью задержек мод многопроводных межсоединений с неоднородным диэлектрическим заполнением, в которых он распространяется.

2. Предложен способ защиты от импульсов помех малой длительности, отличающийся использованием последовательного разложения импульсов в отрезках многопроводных межсоединений за счет разности задержек мод.

3. Предложен способ коррекции формы импульсного сигнала за счет взаимных влияний в проводниках меандровой линии, позволяющий уменьшить длительность фронта импульса.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Совершенствование многопроводных межсоединений: 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, приведены теоретические основы 3-х моделей (А. Джорджевича, Ф. Теше, М. Накхлы), сформулированы цель и задачи работы, кратко обоснованные ниже.

Ориентация только на зарубежные программные продукты имеет серьёзные 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 Л.И. Бабак, Ю.Н. Вашакидзе, Л.Н. Кечиев, H.A. Леонтьев, С.Ф. Чермошенцев и др. В разработанной в ТУСУРе системе TALGAT реализованы вычисление матриц по-

гонных параметров многопроводных линий передачи и оптимизация генетическими алгоритмами. Но отсутствие квазистатического анализа временного отклика не позволяло выполнить 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 Т.Р. 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. Н.И. Базенков, Т.Р. 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 данных задач 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- B.M. Красноперкин, Г.С. Самохин, P.A. Силин; в линиях электропередачи - М.В. Костенко, Л.С. Перельман, Ю.П. Шкарин; в СВЧ устройствах - Н.Д. Малютин, А.Н. Сычев, Э.В. Семенов. Защиту аппаратуры от сверхкоротких электромагнитных импульсов исследовали В.В. Воскобович, Л.О. Мырова, С.А. Сухоруков. 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.

2. Алгоритмы и программная реализация моделей

Приведены алгоритмы и выполнена программная реализация в системах MathCAD, MatLab и TALGAT 3-х известных моделей для вычисления временного отклика (в частотной области) произвольных схем многопроводных линий передачи. Подробно описано вычисление временного отклика в TALGAT. Корректность программной реализации моделей подтверждена сравнением с опубликованными данными и моделированием в PSpice на 6 примерах (меандровая линия; 1 отрезок связанных линий; 2 отрезка (рис. 2.1), в. т.ч. со сложными соединительными цепями; 3 отрезка с замкнутым контуром и Т-образным соединением).

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 РБрше 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 К, так и в). Отметим, что в данном примере это приводит к занижению уровня помех (К4) до 2-х раз. Для меандровой линии, при сравнении результатов, полученных в ТАЦЗАТ, с опубликованными данными, формы сигнала совпали, а различие по времени и амплитуде ступенек сигнала в среднем составило 2-3% для длины витка 5 см и 5-6% для 10 см.

Ж------- г/, ЛЗ .

рз|

Е ш И т

Отрезок 1 У4 Отрезок 2

ш РП т ш

Т/Л Д4 ,

Рис. 2.1. Структура из 2-х последовательно соединенных отрезков Для примера результаты моделирования в РБрюе и для 3-х реализованных моделей, с учетом и без учета потерь, представлены в табл. 2.1. (Воздействие в форме трапеции: Е0=2 В, /</=6 не, ^=//=1 не.)

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

Рврт'се

Вычисления по модели Теше (совпадают с моделями Джорджевича, Накхлы)

6 \K-J2_il5 18 21

у"

-0,2

0,2 п 0,1 0,0 -0,1 -0,2

V, В

----У2

---У4

-У6

ц I С1' г

3 ^<>9" ""12 15 18 21

0,2 -| 0,1 0,0 -0,1 --0,2 -

V, в

-----У2

----У4

-У6

и I у^Г -им. ' *" I I I

3 6 9 12 15 18 21

I, не

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

3. Искажения 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: /Аг=0,01; 1; ^=1; А|/н,=0,5).

е,2=5 ' г

Ег1=3 А|

-5-

Рис. 3.1. Поперечное сечение исследуемой структуры Рассмотрено 6 вариантов воздействия. Выявлено, что выравнивание скоростей мод за счет покрывающего диэлеетрического слоя позволяет уменьшить дальнюю перекрестную помеху в 2-24 раза. При нанесении диэлектрического слоя увеличивается взаимная емкость между проводниками, что приводит к увеличению емкостной связи и уменьшению скорости мод при /г2/уу=0,4.

Скорости (м/с) четырех (1, 2, 3,4) мод в четырехпроводной линии

Лг/и" 1 2 3 4 тах!тт

0 1,949-10* 2,1-10* 2,028-10* 2,134-10* 1,095

0,4 1,7-10* 1,71-108 1,694-108 1,713-10" 1,011

Если активные проводники расположены с обеих сторон пассивного, то, амплитуда дальней перекрестной помехи достигает 60% от амплитуды входного сигнала при Л2/и"=0, а при /12^=0,4 амплитуда уменьшается до 2,5%.

Выполнено моделирование влияния лака с учетом потерь и их частотной зависимости на форму сигнала в реальных межсоединениях ПТМП. Выбрано 2 фрагмента: фрагмент 1 (Ф1)- межсоединение из 2-х связанных подвешенных полосковых линий с шагом трассировки \у+х=0,625 мм; фрагмент 2 (Ф2)- наиболее длинный участок из 4-х отрезков на краю платы, имеющих разную длину, разные поперечные сечения и шаги трассировки. Вычисление матриц Ь и С выполнялось в ЬЮТАЛ и ТА1Х}АТ, а матрицы К и в вычислялись в 1Л№А11. Отличие значений погонных коэффициентов, полученных в ЬГЫРАЯ. и ТАЬОАТ, в среднем равно 4%, что объяснимо разным числом сегментов. Формы сигнала в начале и в конце линий вычислены в ТАЬйАТ для 2-х значений фронта сигнала (¿г = Г/= 1 не и 100 пс) с учетом и без учета потерь и при условии псевдосогласования (т.е. сопротивления резисторов, подключенных к проводникам отрезков, равны соответствующим диагональным элементам матрицы характеристического импеданса). В результате для Ф1 при /г = //=1 не учет потерь не влияет на форму сигнала, а в Ф2 амплитуда уменьшается на 0,2%, а при ¡г = (/-=100 пс для Ф1 потери уменьшают амплитуду дальней перекрестной помехи на 5% (без лака) и 1% (с лаком), а для Ф2 - на 16% (без лака) и 20% (с лаком). Наличие лака увеличивает амплитуду перекрестной помехи на ближнем конце для Ф1 на 20% и Ф2 на 9%, а на дальнем конце для Ф1, изменив полярность (перекомпенсация) уменьшает на 51%, а для Ф2 увеличивает на 10%.

Для подтверждения результатов моделирования было выполнено экспериментальное моделирование для Ф1. На начало активного проводника межсо-

единения 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 входа осциллографа, 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 (4) и вычисленных в ТАЬОАТ без учета потерь и без лака (1), с учетом потерь и без лака (2), без учета потерь и с тонким слоем (0,01 мм) триацетатной пленки, которая остается на поверхности платы после прессования. Амплитуды импульсов (2) и (4) различаются на 38%, а (3) и (4) - на 17%. Таким образом, учет реального диэлектрического заполнения и потерь в диэлектриках позволяет получить более близкие к экспериментальным результаты моделирования.

Для достижения более точного совпадения результатов эксперимента и моделирования в ТАЬОАТ с помощью измерительного комплекса фирмы Бо1а11гоп Апа1Шса1 (инструментальная погрешность 1%) измерена относительная диэлектрическая проницаемость (е,) и тангенс потерь ^5) материалов на частоте /0=1 МГц: стеклоткань (СТП-4-0,062, ТУ16-503.215-81) ег1=2,65, 1в5!=24,6- 10~3, стеклотекстолит (СТФ-2-35 ТУ 16-503.161-83) 8г2=3,96, 15,8-10 3 и пленка триацетатная электроизоляционная слабопластифици-рованная (ТУ 6.17-499-84) £,3=2,95, 1§б3=22,4-10~3. Результаты моделирования эксперимента в ТАЬОАТ для измеренных значений е г и 1§5 представлены на рис. 3.3. Амплитуды дальней перекрестной помехи равны: для случая без лака-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.

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

V, В

Л^.нс I Ч Ч 1

I I I Г Т I—I—I—I—I—I—I—I—I—1—г

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

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

V, в

0 0,2 0,4 0,6 0,8

не

Т~Г-|

1 1,2

Рис.3.2. Формы напряжения в конце пассивного проводника: вычисленная в ТАЬОАТ без учета потерь и без лака (1), с учетом потерь и без лака (2), без учета потерь и с пленкой (0,01 мм) на плате (3); полученная экспериментально с пленкой (4)

Рис. 3.3. Формы напряжения в конце структуры, вычисленные в ТАЬОАТ при измеренных значениях е,и tg5'. без лака (—) и с триацетатной пленкой толщиной 0,01 мм (- -)

Для определения влияния на перекрестную помеху лака, 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, т.е. до 5% от перепада.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Л3=0,17 мм, без учета потерь (2) и с

Рис. 3.4. Формы напряжения в конце пассивного Учетом потеРь 0)' Амплитуды им-проводника при й3=0,17 мм: эксперимент (3); пульсов (I) и (3) различаются на ТАЬвАТ без учета (2) и с учетом (1) потерь 11%.

Таким образом, амплитуды дальней перекрестной помехи от импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях печатных плат с разными параметрами уменьшаются за счет покрывающего диэлектрического слоя. Получено совпадение форм сигнала, полученных при моделировании в ТАЮАТ и экспериментально.

4. Искажения импульсного сигнала в меандровых линиях задержки

Исследованы искажения импульсного сигнала в меандровых линиях (многослойной печатной платы) из 1-го и 2-х 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 1-го витка не превышали 10%, сумма коэффициентов связи (Кс+К]) не должна превышать 0,4. Если из-за плотности монтажа (Кс+К1)>0,4, то для уменьшения искажений задержка сигнала в меандровой линии из 1-го витка должна быть меньше фронта сигнала. Аналогично исследован рассогласованный случай (низкого импеданса в начале линии и высокого- в конце). Представлены результаты моделирования, показывающие, что увеличение числа витков до 2-х не влияет на форму сигнала с ¿,=(^¿=1 не для псевдосогласованного случая при длине витка до 10 мм и для рассогласованного - при длине до 3 мм. Из табл. 4.1 следует, что для /,=*у=//=1 не при /=10 мм ¡г уменьшилось на 60%, а //- на 55%. Для /,=(/=¿/=100 пс наблюдаются сильные искажения.

0,02 -|

У, В

Влияние последующих слоев на уровень помехи не так существенно, как влияние первых слоев. На рис. 3.4 представлено сравнение форм напряжений: измеренной экспериментально (3) и вычисленных в ТАЬОАТ, при толщине слоя лака

Таблица 4.1. Формы напряжения в начале (—) и в конце (—) меандровой линии из 2-х витков при рассогласованном случае

¡г^^сП 1 НС

^г^ 100 пс

2 3 о

Рассмотрены меандровые линии из 2-х реальных фрагментов многослойной печатной платы: полтора витка и 2 витка с проводниками на соседнем слое (рис. 4.1). Формы сигнала вычислены для реальных параметров сигналов и оконечных цепей. Формы сигналов в меандровых линиях фрагментов 1 и 2 оказались очень схожими: для VI у фрагмента 1 уменьшилось на 42%, tf - на 50%, а у фрагмента 2 уменьшилось на 23% и ^ — 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. 4.2б).

Таким образом, при определенных соотношениях параметров сигнала и структуры взаимные влияния в проводниках могут приводить не к искажениям, а к коррекции сигнала: в рассогласованных структурах наблюдается уменьшение длительности фронта сигнала.

Для подтверждения возможности коррекции формы импульсного сигнала за счет взаимных влияний в проводниках меандровой линии изготовлены печатные платы из стеклотекстолита с £,=5,4 и толщиной И=\ мм (рис. 4.3а). Вначале эксперимента исходный сигнал с параметрами £/о~964 мВ, /,.=310 пс подавался на линию из одного проводника, а затем - на меандровые линии такой же длины. Осциллограммы сигналов в конце линий с м>=1,64 мм, /=0,162 м представлены на рис. 4.3б. Видно, что при распространении сигнала по одному проводнику (гладкий импульс) в верхней части фронта появляется характерное затягивание фронта, связанное с небольшими потерями. Что же касается меандровой линии, то видно, что наложение ближней перекрестной помехи на фронт импульса, прошедшего по меандровой линии, проявляется в виде ступеньки (ниже уровня 0,1) в нижней части фронта и в виде положительного выброса в верхней части фронта. Для одного проводника время фронта равно ¿,=340 пс, а для меандровой линии - /,=320 пс.

Таким образом, увеличение времени фронта импульсного сигнала из-за потерь и дисперсии корректируется перекрестной помехой на ближнем конце витка меандровой линии, что подтверждено экспериментально.

Рис. 4.3. Фотография печатных плат (а) и осциллограммы сигналов в конце линий (б): из одного проводника и меандровой (у = 0,5^) при 1=0, ] 62 м

5. Модальные явления в многопроводных межсоединениях

При распространении импульса длительностью ¡¡/ в отрезке линии, с неоднородным диэлектрическим заполнением, из N проводников (не считая опорного) импульс может подвергаться модальным искажениям 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 ^ ведёт к уменьшению амплитуды импульса и его разложению на N импульсов меньшей амплитуды.

Таблица 5.1. Формы напряжения (В, не) в конце проводника 1 (рис. 3.1) при 1=2 м, N=2, 3, 4, Дй/и1 =0; 0,25 для /¿=800 пс

h2/w=0

ft;/w=0,25

0,8 0,6 0,4 0,2

Г\

=640 пс

I I I I I I I I I I I I I г

9,4 9,8 10,2 10,6 11 11,4

0,8 0,6 0,4 0,2 0

//,= ПОпс

I М I I I I I I I I I 1 I I I I I I I

11,4 11,8 12,2 12,6 13 13,4

0,8 0,6 0,4 0,2

//,=150 пс

9,4 9,8 10,2 10,6 11 11,4

i'I I I I I I I I I I I' I I I I I I I

11,4 11,8 12,2 12,6 13 13,4

0,8 0,6 0,4 0,2 0

fir=160 пс

I-1-1 I I I I I I I I I I' I I I I I I I

11,4 11,8 12,2 12,6 13 13,4

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,)] «/,, /=1, (5.1)

где т,- погонная задержка ;-й моды отрезка, /,- время фронта импульса, N-число проводников в отрезке. Это подтверждается данными табл. 5,2, из которой видно, что максимальная разность погонных задержек для /12^=0,25 значительно меньше, чем для /^Л^Ю, и именно этим объясняется практически полное отсутствие искажений для 0,25 (правый столбец табл. 5.1).

Таблица 5.2. Погонные задержки мод и их максимальная разность (пс/м)

hilw N=2 ЛКЗ N=4

Х| Х2 max(ti)-min(T/) Т| 12 Тз тах(т,)-min(ii) XI X 2 Хз X 4 тах( х,) -min(x,)

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 1ц/м и для кабеля марки Ю-12 от относительной диэлектрической проницаемости оболочки кабеля (сг2), показаны на рис. 5.1. Из его анализа можно сделать такие выводы:

1. Для исследованных микрополосковых линий изменение /г2/и' изменяет максимальную разность погонных задержек мод, и есть оптимальное значение (/г2/и'«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 межсоединениях, например, в печатных платах или в многожильных кабелях, как это видно для Ю-12 при определенных гЛ.

600 -1 шах(т,)-тт(т,), пс/м 500 -

тшах(т/)-т;п(т,), нс/м

Рис. 5.1. Зависимости максимальной разности погонных задержек мод для N = 2 (—), 3 (—), 4 (—) микрополосковой линии (а) и кабеля марки 1и-12 (б) Для полного разложения импульса в отрезке длиной I необходимо условие

(5.2)

где /^ - общая длительность импульса, т,(Ч- погонная задержка г(к)-й моды отрезка. Для N=2 из (5.2) получим

/с</-|т2-т,[, (5.3)

где т 2, т 1 - погонные задержки чётной и нечётной мод. 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 псевдосогласовании).

Факт уменьшения вдвое амплитуды импульса может быть использован для защиты от коротких импульсов с опасно высоким напряжением в линиях передачи. Причем каскадное соединение п отрезков приведет при определенных условиях к разложению на 2" импульсов (рис. 5.3).

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

К, в и

Й1

^ЙН

ЙЗ

-г

Т-1—1-г

2 3

-1-г

не

I ■■

Рис. 5.2. Разложение импульса в одиночном отрезке связанной линии

0,9 -

0,8 -

0,7 -

0,6 -

0,5 -

0,4 -

0,3 -

0,2 -

0,1 -

-0,1 1

V, В V]

а 2

к=й

V 1/6

Отрезок 1 V 4 V 5 Отрезок 2 VI V Отрезок 3

^/«¡уг

уд К1

V 9

мшш

Ир

(, НС

11 155'—1—1—'"1''1—1—1—1—1—1—1—1—1—I 'г'гт I—г"

2 4 27 30 32 34 37 39 41 44 46 48 51 53

Рис. 5.3. Разложение импульса в 3-х отрезках связанных линий Для структуры из п отрезков длина к-го отрезка и общая длина структуры

=/(2*-'),Л = 1.....я, ¿„=/(2й-1) (5.4)

Таким образом, формулы (5.3)-(5.4) связывают число и параметры отрезков для разложения заданного импульса, позволяя расчёт защиты.

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-ЗхО,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 наносекунд.

Пользуясь модальной теорией, для согласованного варианта при условии (5.2) амплитуды импульсов разложения вычисляются с помощью выражения

У=8*На8(Уя), У^^'Е ,

(5.5)

где V- матрица размера NxN, в которой значения элементов строк соответствуют амплитудам импульсов разложения в проводниках линии передачи (/V-количество проводников в линии передачи); матрица размера NxN, содержащая собственные векторы матрицы ЬС: Е - вектор размера /Ух 1, состоящий из значений амплитуд источников напряжения.

В разводке электрических соединений аппаратуры могут быть структуры из п последовательно соединенных отрезков Л'-проводной линии. Рассмотрена структура из 2-х последовательно соединенных отрезков связанных микропо-лосковых линий из 2-, 3-, 4-х проводников. При моделировании отклика (рис. 5.4) параметры отрезков выбирались разными, но при условии, что их максимальные разности погонных задержек приблизительно равны: отрезок 1 -без диэлектрического слоя (/г2/м>=0), а отрезок 2-е покрывающим диэлектрическим слоем (толщиной А2/'И'=0,65 для N=2, 3, 4). Проводник 1 отрезка 1 возбуждается генератором импульса э.д.с. в форме трапеции (1Г = 1/ = 100 пс, ^ =200 пс).

Видно, что исходный импульс может разлагаться на стыке 2-х отрезков на N импульсов гораздо меньшей амплитуды и восстанавливаться в конце отрезка 2. (Различие волновых сопротивлений каждой моды на стыке отрезков приводит к отражениям каждой моды от стыка, которые изменяют амплитуды импульсов на стыке и приходят к началу структуры. Поэтому после стыка импульсы каждой моды идут в линию с измененной амплитудой. Они испытывают отражения от нагрузки, что также влияет на амплитуду восстановленного сигнала.) Если на стыке отрезков включен между сигнальным и общим проводниками 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. Это явление может иметь место в реальных структурах и быть одной из причин отсутствия срабатывания защитных приборов. Кроме того, если известны параметры отрезка 2 и контролируются параметры отрезка 1, то можно организовать кондуктивную преднамеренную электромагнитную помеху.

Л 2

У 2

к=м

УЗ

отрезок 1 отрезок 2

-Ф-

чгн

У5

КЗ

I, НС

1-г—--1-1 Ц1Ц

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2 3 4 5 6 7 8 9

Рис. 5.4. Структура и формы напряжения для N=2

В общем случае, для п отрезков Л^-проводных межсоединений длиной (,• восстановление будет наиболее эффективным при одновременном приходе всех мод к концу структуры, т.е. при условии

= (5.6)

м 1

где Ту - погонная задержкаг'-й модыу'-го отрезка. 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 (5.6) (табл. 5.3) и сопоставление её результатов с рис. 5.4 показывает, что, чем строже выполняется условие (5.6), тем полнее восстанавливается импульс.

Таблица 5.3. Проверка выполнения условия (5.6)

N=2 (/,= 1,5 м, /2=1,5 м) N= 3 (/,=3 м, h=3 м1 jV=4 (/,=4,5 м, /2=5,45 м)

/гХц+ /2-Х 12 /,-X2I+ /2-t22 /l'X 11+ /2-Х 12 /|'Х 21+ /2-х 22 /1-х 31+ /2-Х 32 /] 'X ,,+ /2-Х 12 /,-Х21+ /2' X 22 /|-Хз,+ /г-хзг /,-х4,+ /2" X 42

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

В работе показано, что восстановление импульса происходит в широко применяемых силовых кабелях и 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 таких отрезков.

Для подтверждения возможности разложения импульсного сигнала в двухпроводной микрополосковой линии были изготовлены 2 печатные платы с толщинами hj= 1; 0,2 мм. На проводники плат подавали импульс с параметрами: {70=615 мВ, tr =700 пс, tf= 700 пс, t^ =0 не (общая длительность импульса -/s=l,4 не). Полученные осциллограммы представлены на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Осциллограммы сигналов в начале (импульс слева) и в конце (импульсы справа) активного и пассивного проводников платы 1 (а) и 2 (6)

Видно разложение исходного импульса на 2 импульса. Амплитуды импульсов разложения уменьшены из-за потерь и дисперсии гораздо более чем в 2 раза: для платы 1 они равны 80 и 85 мВ, а для платы 2 - 58 и 71 мВ.

Для подтверждения возможности разложения импульса и использования плоского кабеля в качестве модального фильтра было выполнено 2 эксперимен-

та. В эксперименте 1 между парой соседних проводников отрезка плоского кабеля ПУГНП 3x4 и круглого - ПВСн 3x2,5 с длинами /=4,8 м подавался близкий к трапециевидному импульс с параметрами: (Уо=0,7 В, ¿,=345,6 пс, ¿/=276 пс, (¿=137,8 пс. (На концах пассивного проводника кабеля - холостой ход.) Осцил-

Рис. 5.6. Осциллограммы сигналов в начале (импульс слева) и в конце (импульс справа) активного проводника плоского кабеля ПУГНП 3*4 (а) и круглого кабеля ПВСн 3><2,5 (б)

Видно, что исходный импульс раскладывается в конце активного проводника плоского кабеля на 2 импульса с амплитудами: 182 мВ и 234 мВ. Различие амплитуд вызвано влиянием потерь и рассогласования. Для круглого кабеля амплитуда импульса в конце активного проводника уменьшилась из-за потерь до 348 мВ, но разложения нет. В эксперименте 2 использовался отрезок кабеля ПУГНП 3x1,5 длиной /=15 м. В результате импульс в конце кабеля разложился на 2 импульса с амплитудами 97 и 100 мВ и разностью задержек (измеренной маркерами между пиками) 5,2 не (рис. 5.7а). После этого, на расстоянии /,=5 м от источника воздействия был сделан разрыв в пассивном проводнике кабеля. В итоге, получилась структура, состоящая из 2-х последовательно соединенных отрезков с длинами /]=5 м и /2=10 м. Полученная осциллограмма представлена на рис. 5.16. Видно, что в конце 2-го отрезка импульс разложился на 4 импульса с амплитудами 38,5; 61,6; 70; 92,2 мВ и задержками 1,3; 1,7; 1,6 нс. Однако очень пологий спад каждого импульса, вызванный потерями и дисперсией на большой длине кабеля, привел к значительному слиянию импульсов с последовательным ростом их амплитуд.

Рис. 5.7. Осциллограммы сигналов в конце активного проводника одного (а) и двух (б) отрезков плоского кабеля ПУГНП 3 х 1,5

Для подтверждения возможности восстановления импульса использовался плоский трехпроводный кабель ШВВП 3x0,75 длиной 19,95 м. Импульсный сигнал треугольной формы (£/0=690 мВ, ¿,=290,5 пс, 290,5 пс, ^ =0 не) подавался между крайним и средним проводниками кабеля. Сигнал в конце активного проводника разложился на 2 импульса с амплитудами 68 и 89,4 мВ (рис. 5.8а). Далее, часть кабеля постепенно погружали в воду, наблюдая сближение 2-х исходных импульсов и их слияние в 1 импульс с максимальной амплитудой 131 мВ (рис. 5.86). Получилась структура из 3-х отрезков (средний в воде) с длинами (начиная от источника): /1=14,24 м, ¡2=3,33 м, /з=2,38 м.

Рис. 5.8. Осциллограммы сигналов в конце активного проводника кабеля ШВВП 3x0,75: импульсы разложения (а) и восстановленный импульс (б)

Таким образом, экспериментальные результаты подтверждают компьютерные: в микрополосковых линиях и плоских кабелях возможно разложение импульса на импульсы меньшей амплитуды, а в круглых кабелях разложение не происходит; в структурах из последовательно соединенных отрезков линий передачи возможно восстановление.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы рассмотрены следующие вопросы. Программно реализованы 3 известные алгоритмические модели по вычислению временного отклика произвольных схем многопроводных линий, с помощью которых выполнено моделирование многопроводных межсоединений различного типа (печатных плат и кабелей). Исследованы возможности уменьшения искажений импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях с разными параметрами и при воздействии на несколько проводников (выравнивание скоростей мод за счет покрывающего диэлектрического слоя позволило уменьшить дальнюю перекрестную помеху в 2-24 раза). Исследованы искажения импульсного сигнала в активном проводнике многопроводного межсоединения из-за разности задержек мод, вызванной неоднородным диэлектрическим заполнением и возможности использования этих искажений для создания устройств защиты.

В результате работы получены следующие результаты:

ных другой программой, составляют в среднем 0,6%, другими авторами - 35%, экспериментально - 11%. Это позволило в системе TALGAT выполнять сквозное моделирование, т.е. от геометрических параметров исследуемой структуры до вычисления откликов. Получено 3 свидетельства о регистрации программ.

2. Выявлено и подтверждено экспериментально, что при определенных соотношениях параметров сигнала и структуры взаимные влияния в проводниках меандровой линии приводят к коррекции формы сигнала. Показано, что в реальных структурах меандровой линии длительность фронта импульса может уменьшаться на 18-60%, а в тестовых экспериментальных структурах увеличение длительности фронта может уменьшаться в 3 раза.

3. Получены и сформулированы в аналитическом виде условия минимизации модальных искажений, разложения и восстановления импульсного сигнала, позволяющие установить связь между его параметрами и разностью задержек мод многопроводных межсоединений с неоднородным диэлектрическим заполнением, в которых он распространяется. Исследования новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи (печатных платах и кабелях) с неоднородным диэлектрическим заполнением были поддержаны грантом РФФИ, 2 проектами по программе «УМНИК» и защищены 3 патентами на полезную модель и патентом на изобретение.

4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден 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 кондуктивных преднамеренных электромагнитных помех. Экспериментально подтверждена возможность восстановления импульсного сигнала в конце второго отрезка в структуре из двух последовательно соединенных отрезков.

Результаты диссертации внедрены в ОАО «НПЦ «Полюс» и ОАО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнёва», а также в инновационной программе и учебном процессе Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, о чем свидетельствуют прилагаемые акты о внедрении.

Таким образом, цель диссертационной работы достигнута.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Монография

1. Заболоцкий, A.M. Временной отклик многопроводных линий передачи / A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов. - Томск: Томский государственный университет, 2007. - 152 с.

Статьи в журналах из перечня ВАК

2. Газизов, Т.Р. Исследование модальных искажений импульсного сигнала в многопроводных линиях с неоднородным диэлектрическим заполнением /

Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, О.М. Кузнецова-Таджибаева // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2004. - №11. - С. 18-22.

3. Газизов, Т.Р. Компьютерное моделирование сложных структур проводников при проектировании телевизионно-вычислительных систем / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий [и др.] // Известия вузов. Приборостроение. - 2005. -№10. - С. 63-66.

4. Заболоцкий, A.M. Искажения импульсного сигнала в простых меандровых линиях / A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов П Инфокоммуникационные технологии. Т. 4. - 2006. - №3. - С. 34-38.

5. Заболоцкий, A.M. Разложение и восстановление импульса в линиях передачи / A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2006. - №11. - С. 4-7.

6. Газизов, Т.Р. Уменьшение дальней перекрестной помехи в печатных платах нанесением лака/ Т.Р. Газизов, А.М.Заболоцкий, О.М. Кузнецова-Таджибаева // Технологии ЭМС. - 2006. - №4. - С. 36-39.

7. Газизов, Т.Р. Модальное разложение импульса в отрезках связанных линий как новый принцип защиты от коротких импульсов / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий // Технологии ЭМС. - 2006. - №4. - С. 40-44.

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

9. Самотин И.Е., Заболоцкий A.M., Газизов Т.Р., Киричек Р.В. Использование плоского силового кабеля как защитного устройства от сверхкоротких импульсов. Доклады ТУСУР. 2010. №1(21), ч. 2. - С. 74-79.

Тезисы и доклады в зарубежных конференциях

10. Заболоцкий, A.M. Опасное импульсное воздействие в связанных линиях передачи / A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов, В.А. Радаски // 17-й Международный цюрихский симпозиум по ЭМС: сборник докладов / Сингапур, 27 февраля-3 марта 2006 г.- С. 164-167. (Zabolotsky A.M., Gazizov T.R., Bova A.G., Radasky W.A. 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.)

11. Газизов, Т.Р. Новый подход к защите в ЭМС / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий // 18-й Международный цюрихский симпозиум по ЭМС: сборник докладов / Мюнхен, Германия, 24-28 сентября 2007 г. - С. 273276. (Gazizov T.R., Zabolotsky A.M. New approach to EMC protection // Proc. of the 18-th Int. Zurich Symp. on EMC. Munich. Germany. September 24-28. 2007. P. 273-276.)

12. Газизов, Т.Р. Модальное разложение сверхширокополосного импульса в структурах силовых кабелей: простой эксперимент, показывающий полезные возможные применения / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, Е.И. Самотин И Международная конференция EUROEM: сборник тезисов / Лозанна, Швейцария, 21-25 июля 2008.- С. 62. (Gazizov T.R., Zabolotsky A.M., Sa-motin I.E. Modal Decomposition of UWB Pulse in Power Cable Structures:

Simple Experiment Showing Useful Possible Applications. Book of abstracts EUROEM 2008. 21-25 July 2008, Lausanne, Switzerland. P. 62.)

13. Газизов, T.P. Простое и бесплатное ослабление влияний коротких импульсов молнии плоскими силовыми кабелями/ Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, Е.И. Самотин, А.О. Мелкозеров// Международная конференция по защите от молнии/ Кальяри, Италия, 13-17 сентября. (Gazizov T.R., Zabolotsky A.M., Samotin I.E., Melkozerov A.O. Simple and free mitigation of short pulse lightning effects by flat power cables. Proc. of 30-th Int. conf. on lightning protection. 13-17 Sept. Cagliary, Italy. P. 993-1-993-3.)

14. Газизов, T.P. Разработка печатных модальных фильтров для защиты компьютерной сети/ Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, Е.И. Самотин, А.О. Мелкозеров// Международная конференция по защите от молнии/ Кальяри, Италия, 13-17 сентября. (Gazizov T.R., Samotin I.E., Zabolotsky A.M., Melkozerov A.O. Design of printed modal filters for computer network protection. Proc. of 30-th Int. conf. on lightning protection. 13-17 Sept. Cagliary, Italy. P. 1246-1-1246-3.)

Патенты и свидетельства

15. 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 A.M., Костарев И.С.), зарегистрированной в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Госкоорцентра Ми-нобрнауки РФ с присвоением номера государственной регистрации -реп номер ВНТИЦ 50200701103.

16. Патент РФ на полезную модель №79355. Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Модальный фильтр. Заявка №2008127527/22(033781). Приоритет полезной модели 07.07.2008. Опубликовано 27.12.2008 Бюл. №36.

17. Патент РФ на полезную модель №79213. Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Устройство воздействия на аппаратуру. Заявка №2008127574/22(033831). Приоритет полезной модели 07.07.2008. Опубликовано 20.12.2008 Бюл. №35.

18. Патент РФ на полезную модель No800100. Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Бевзенко И.Г., Самотин И.Е., Орлов П.Е., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Костарев И.С. Устройство модального зондирования. Заявка No2008127580/22(033837). Приоритет полезной модели 07.07.2008. Опубликовано 20.01.2009 Бюл. No2.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614871. TALGAT 2008. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M. Заявка №2009613644. Дата поступления 9 июля 2009 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 8 сентября 2009 г.

20. Патент РФ на изобретение №2386964. Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M., Орлов П.Е., Самотин И.Е., Бевзенко И.Г., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Кук-сенко С.П., Костарев И.С. Устройство обнаружения, идентификации и диагностики многопроводных линий передачи. Заявка №2009108905/28(011919). Приоритет изобретения 10.03.2009. Опубликовано 20.04.2010 Бюл. №11.

21. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613497. TALGAT 2009. Авторы: Газизов Т.Р., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Т., Куксенко С.П., Заболоцкий A.M. Заявка No2010612008. Дата поступления 13 апреля 2010 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28 мая 2010 г.

Тезисы и доклады в отечественных конференциях

22. Заболоцкий, A.M. Моделирование прямых перекрестных помех в многопроводной микрополосковой линии при воздействии нескольких источников сигнала / A.M. Заболоцкий // Научная сессия ТУСУР-2004: материалы докладов всероссийской научно-технической конференции студентов и молодых ученых / Томск, 18-20 мая 2004 г. - С. 101-105.

23. Заболоцкий, A.M. Прямые перекрестные помехи в четырехпроводной микрополосковой линии при воздействие на несколько проводников / A.M. Заболоцкий // 12-е Туполевские чтения: материалы международной молодёжной научной конференции / Казань, 10-11 ноября 2004 г. -/С. 156-157.

24. Газизов, Т.Р. Модальные искажения импульсного сигнала в многопроводной линии передачи / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий // Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности: материалы докладов 6-й всероссийской научно-практической конференции / Томск, 2-4 июня 2004 г. - С. 125-128.

25. Заболоцкий, A.M. О возможности опасного применения модальных искажений импульсного сигнала / A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов // Электронные средства и системы управления: материалы докладов международной научно-практической конференции / Томск, 6-8 октября 2004 г. -С. 112-115.

26. Заболоцкий, A.M. Разложение и восстановление импульсного сигнала в последовательно соединенных отрезках многопроводных линий передачи / A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов // Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности: материалы докладов 7-й всероссийской научно-практической конференции / Томск, 16-18 февраля 2005 г. -С. 61-64.

27. Газизов, Т.Р. Комплексная оптимизация генетическими алгоритмами для обеспечения ЭМС / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий [и др.] // VI Межд. Симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: сб. науч. докл. / г. Санкт-Петербург, 21-24 июня 2005 г. - С. 160-164.

28. Заболоцкий, A.M. Система компьютерного моделирования отклика произвольных схем многопроводных линий передачи / A.M. Заболоцкий,

B.Н. Тимук // Научная сессия ТУСУР-2005: материалы докладов научно-технической конференции студентов и молодых ученых / Томск, 26-28 апреля 2005 г.-С. 143-146.

29. Заболоцкий, A.M. Исследование искажений импульсных сигналов в сложных межсоединениях помехозащищённой теплопроводной монтажной платы / A.M. Заболоцкий, К.В. Ковалькова // Там же. - С. 115-118.

30. Заболоцкий, A.M. Программная реализация и исследование методов вычисления временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи / A.M. Заболоцкий, Е.В. Филиппов // Там же. - С. 93-94.

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

32. Заболоцкий, A.M. О влиянии диэлектрического заполнения и электрофизических параметров многопроводных линий передачи на предельную скорость передачи сигналов / A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов // Электрофизика материалов и установок: сборник докладов научной конференции / Новосибирск, 2007. - С. 69-74.

33. Заболоцкий, A.M. Вычисление максимальной разности погонных задержек мод в кабелях ТРП-3><0,5 и RJ-12 для контроля модальных явлений / A.M. Заболоцкий [и др.] // Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности: сборник материалов 9-й всероссийской научно-практической конференции / Томск, 15 февраля 2007 г. - С. 19-22.

34. Газизов, Т.Р, Интегрированная защита и возможность ее реализации в по-мехозащищенных теплопроводных монтажных платах / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, О.М. Кузнецова-Таджибаева // Там же. - С. 23-26.

35. Газизов, Т.Р. Модальное зондирование - новый принцип зондирования многопроводных структур / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий // Там же. -

C. 27-30.

36. Заболоцкий, A.M. Вычисление разности погонных задержек мод в трех-проводной структуре с одной диэлектрической границей для реализации технологии модального зондирования / A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов, Т.Р. Газизов // Там же. - С. 30-34.

37. Заболоцкий, A.M. Модальные искажения импульсного сигнала в кабеле марки ТРП-3*0,5 / А.М.Заболоцкий, И.Г. Бевзенко // Научная сессия ТУСУР-2007: материалы докладов научно-технической конференции студентов и молодых ученых / Томск, 3-7 мая 2007. - С. 105-108.

38. Заболоцкий, A.M. Модальные искажения импульсного сигнала в кабеле марки RJ-12 / A.M. Заболоцкий, E.H. Горин // Там же. - С. 109-112.

39. Заболоцкий, A.M. Моделирование временного отклика трехпроводной структуры с одной диэлектрической границей для реализации технологии модального зондирования / A.M. Заболоцкий, П.Е. Орлов // Там же. -С. 87-90.

40. Заболоцкий, A.M. Моделирование реальных фрагментов печатных плат в системе TALGAT / A.M. Заболоцкий, А.Н. Каташов // Там же. - С. 95-99.

41. Газизов, Т.Р. Возможности применения новых модальных явлений в целях электромагнитного терроризма и для защиты от него / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий [и др.] // VII Межд. Симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: сборник трудов / Санкт-Петербург, 26-29 июня 2007 г. - С. 266-269.

42. Заболоцкий, A.M. Модальное зондирование многопроводных структур / A.M. Заболоцкий, П.Е Орлов // Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития: доклады международной 4-й научно-практической конференции / Томск, 31 октября-3 ноября 2007 г.-С. 266-268

43. Заболоцкий, A.M. Модальная фильтрация как средство защиты от сверхкоротких импульсов / A.M. Заболоцкий, И.Г. Бевзенко // Там же. - С. 258-260

44. Заболоцкий, A.M. Модальное воздействие в среде электромагнитного терроризма / A.M. Заболоцкий, E.H. Горин // Там же. - С. 260-263

45. Заболоцкий, A.M. Модальные искажения импульсного сигнала в трёхпро-водных кабелях типа ППВ / A.M. Заболоцкий, И.Г. Бевзенко, E.H. Горин // 15-е Туполевские чтения: материалы международной молодёжной научной конференции / Казань, 9-10 ноября 2007 г. - С. 178-180.

46. Заболоцкий, A.M. Модальная фильтрация в отрезках кабелей силового питания / A.M. Заболоцкий, И.Е. Самотин//Там же.- С. 189-191.

47. Заболоцкий A.M. Модальное зондирование проводных структур в авионике / A.M. Заболоцкий, П.Е Орлов // Там же. - С. 206-208.

48. Газизов, Т.Р. Система компьютерного моделирования сложных структур проводников и диэлектриков TALGAT/ Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий [и др.] // Компьютерные учебные программы и инновации. М: ГОСКООРЦЕНТР, МФЮА, РУИ. - 2007. - №10. - С. 89-90.

49. Заболоцкий, A.M. Влияние параметров дополнительного диэлектрического слоя на погонные задержки кабеля марки АППВ-3*6 / A.M. Заболоцкий, И.Г. Бевзенко, Т.Р. Газизов // Современные техника и технологии СТТ 2008: сборник трудов 14-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. 1 / Томск, 24-28 марта 2008 г.-С. 13-14.

50. Самотин, И.Е. Распространение короткого импульса в плоских кабелях силового питания при различных граничных условиях на концах пассивного проводника / И.Е. Самотин, A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. науч. техн. конф. молодых специалистов «НПЦ «Полюс» / Томск, 10-11 апреля 2008 г.-С. 67-69.

51. Заболоцкий A.M. Вариант антипода для кабеля марки АППВ-Зхб / И.Г. Бевзенко, A.M. Заболоцкий, Т.Р. Газизов // Там же. С. 69-71.

52. Орлов, П.Е. Использование модальных эффектов для диагностики многопроводных соединений / П.Е. Орлов, A.M. Заболоцкий, И.Е. Самотин // Там же. С. 179-181.

53. Белоносова, С.Н. Особенности электромагнитной совместимости космических аппаратов / С.Н. Белоносова, A.M. Заболоцкий// Научная сессия ТУСУР-2008: материалы докладов научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / г. Томск, 5-8 мая 2008. С. 42-44.

54. Бевзенко, И.Г. Исследование зависимости модуля разности погонных задержек в трехпроводных силовых кабелях / И.Г. Бевзенко, A.M. Заболоцкий // Там же. С. 45-47.

55. Заболоцкий, A.M. Моделирование гибкого печатного кабеля в системе TALGAT / A.M. Заболоцкий, Е.С. Долганов // Там же. С. 57-60.

56. Бевзенко, И.Г. Выбор параметров модальных антиподов для силовых кабелей / И.Г. Бевзенко, A.M. Заболоцкий // 16-е Туполевские чтения: материалы международной молодёжной научной конференции / Казань, 28-29 мая 2008 г.-С. 218-219.

57. Заболоцкий, A.M. Защита от короткого импульса в линиях передачи с различными граничными условиями / A.M. Заболоцкий, И.Е. Самотин // Там же. - С. 243-245.

58. Газизов, Т.Р. Экспериментальные результаты распространения сверхширокополосного импульса в трехпроводных кабелях с плоском и круглом поперечных сечениях / Т.Р. Газизов, A.M. Заболоцкий, Е.И. Самотин // Международная IEEE-сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2009) / Томск, Россия, март 27-28, 2009. - С. 264-269.

59. Заболоцкий A.M. Разложение короткого импульса в отрезках кабеля силового питания при различных граничных условиях на концах пассивного проводника / Самотин И.Е., Заболоцкий A.M., Газизов Т.Р. // Материалы научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» / г. Томск, 29-30 сентября 2008 г. Томск: В-Спектр, 2009. -С. 23-26.

60. Бевзенко, И.Г. Экспериментальное подтверждение модального разложения и восстановления импульса / И.Г. Бевзенко, A.M. Заболоцкий [и др.] // Электронные средства и системы управления: материалы научно-практической конференции / Томск, 29-30 сентября 2008 - С. 81-84.

61. Заболоцкий A.M. Учет потерь и диэлектрического заполнения при исследовании дальней перекрестной помехи в межсоединениях печатных плат / A.M. Заболоцкий, О.М. Кузнецова-Таджибаева // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. науч. техн. конф. молодых специалистов «НПЦ «Полюс» / Томск, 2010 г. - С. 295-297.

62. A.M. Заболоцкий Квазистатическое моделирование кабельного жгута в системе TALGAT / М.К. Смирнова, A.M. Заболоцкий // Научная сессия ТУСУР-2010: материалы докладов научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / г.Томск, 4-7 мая 2010. — С. 181-184.

Тираж 100. Заказ № 969. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 53-30-18.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Заболоцкий, Александр Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МНОГОПРОВОДНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ: ОБЗОР.

1.1 Суть проблемы.

1.2 Обзор исследований по вычислению временного отклика схем многопроводных линий передачи.

1.3 Теоретические основы моделей для вычисления временного отклика произвольных схем многопроводных межсоединений.

1.3.1 Решение волновых уравнений.

1.3.2 Уравнения, описывающие отрезок многопроводной линии передачи.

1.3.3 Формулировка уравнений схемы для моделирования отклика.

1.3.4 Моделирование временного отклика с учетом дисперсии.

1.4 Цель работы и постановка задач исследования.

2. АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ.

2.1 Разработка и программная реализация алгоритмов.

2.1.1 Алгоритмы.

2.1.2 Сравнительный анализ моделей.

2.2 Вычисление временного отклика в системе компьютерного моделирования электромагнитной совместимости.

2.2.1 Реализация вычисления временного отклика.

2.2.2 Тестирование реализации.

2.3 Основные результаты главы.

3. ИСКАЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА В МЕЖСОЕДИНЕНИЯХ

ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.

3.1 Дальняя перекрестная помеха в многопроводном отрезке микрополосковой линии при воздействии на несколько проводников.

3.2 Искажения импульсных сигналов в межсоединениях помехозащищенной теплопроводной монтажной платы.

3.2.1 Две связанные линии.

3.2.2 Четыре последовательно соединенных отрезка линий.

3.3 Целостность сигналов в многопроводной шине многослойной печатной платы.

3.4 Основные результаты главы.

4. ИСКАЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА В МЕАНДРОВЫХ ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ.

4.1 Уменьшение искажений импульсного сигнала в меандровых линиях с одним и двумя витками.

4.1.1 Меандровая линия из одного витка.

4.1.2 Меандровая линия из двух витков.

4.2 Анализ целостности сигнала в реальной многослойной печатной плате.

4.2.1 Меандровая линия из одного с половиной витка.

4.2.2 Меандровая линия из двух витков с проводниками на соседнем слое.

4.3 Экспериментальное моделирование.

4.4 Основные результаты главы.

5. МОДАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МНОГОПРОВОДНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЯХ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ.

5.1 Модальные искажения импульсного сигнала.

5.1.1 Микрополосковые линии.

5.1.2 Плоские и центрально-симметричный кабели.

5.1.3 Модальные искажения сигналов в виде меандра и синусоиды.

5.2 Разложение импульсного сигнала.

5.3 Разложение и восстановление импульсного сигнала.

5.3.1 Микрополосковые линии.

5.3.2 Силовые кабели.

5.4 Экспериментальное моделирование.

5.4.1 Разложение импульсного сигнала.

5.4.2 Восстановление импульсного сигнала.

5.5 Основные результаты главы.

Введение 2010 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Заболоцкий, Александр Михайлович

Актуальность работы. Элементы вычислительной техники и систем управления связаны между собой межконтактными электрическими соединениями, или межсоединениями (interconnects). В- настоящее время-широко используются многопроводные 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 неоднородностей, затухают из-за потерь, создают перекрестные наводки в соседних межсоединениях. Эти факторы и кондуктивные помехи способны существенно исказить полезные сигналы, особенно высокочастотные. А кондуктивная помеха от мощного электромагнитного воздействия может нарушить функционирование устройства. Поэтому искажения полезных сигналов в межсоединениях и кондуктивные помехи становятся серьезной преградой к дальнейшему совершенствованию вычислительной техники и систем управления.

Цель работы - уменьшение искажений импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях выбором параметров проводников и диэлектриков в поперечном сечении.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: программно реализовать основные модели для вычисления временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи; исследовать искажения импульсного сигнала и показать возможности их уменьшения и использования.

Достоверность результатов, приведенных в работе, подтверждается корректным использованием проверенных математических моделей, согласованностью и совпадением результатов компьютерного и экспериментального моделирования, совпадением результатов, полученных по разным моделям и другими авторами. Научная новизна

1. Установлено, что амплитуда дальней перекрестной помехи, при одновременном воздействии на несколько проводников многопроводной микрополосковой линии, уменьшается выравниванием скоростей мод при изменении параметров диэлектрического заполнения в поперечном сечении.

• модальные искажения пренебрежимо малы, если максимальная разность задержек мод много меньше фронта импульса;

• для полного разложения импульса в отрезке межсоединения без потерь необходимо чтобы общая длительность импульса была меньше минимального модуля разности задержек мод межсоединения;

• восстановление разложенного импульса, в структуре из нескольких отрезков, наиболее эффективно при одновременном приходе всех мод к концу структуры.

Практическая значимость

1. Программно реализованы три модели для вычисления временного -отклика произвольных схем многопроводных линий передачи, что позволяет (в рамках квазистатического подхода) осуществить моделирование временного отклика реальных фрагментов многопроводных межсоединений.

Использование результатов исследований

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

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 3.1.3а инновационной программы ТУ СУР, 2006 г.) Получены свидетельства об отраслевой регистрации разработки № 8376 и о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614871, № 2010613497 - Приложения 3-6.

5. Программная реализация квазистатических моделей для вычисления временного отклика в составе системы TALGAT2008 и рекомендации по уменьшению взаимовлияний электрических сигналов использованы при выполнении опытно-конструкторской работы «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой annapaiypbi» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008, шифр «АПК—ТУСУР», генеральный заказчик Министерство обороны РФ) — Приложение 8.

Апробация результатов

Программно-реализованные модели и исследования с их помощью позволили: успешно выполнить проект РФФИ 06-08-01242 «Исследование новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением»; участвовать в ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., проект: «Разработка основ синтеза методом «выращивания» 2Т) и ЗО топологий нерегулярных микрополосковых структур, управляемых интегральных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов и их экспериментальное исследование».

Результаты диссертационной работы представлялись и докладывались в материалах следующих симпозиумов и конференций:

Международный цюрихский симпозиум по ЭМС, 2006, 2007.

Международный симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2005, 2007.

Научная конференция «Электрофизика материалов и установок», г. Новосибирск, 2007.

Международная молодёжная научная конференция «XII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», г. Казань, 2004, 2007, 2008.

Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления", г. Томск, 2004, 2007, 2008.

Всероссийская^ научно-практическая конференция "Проблемы информационной безопасности общества и личности", г. Томск, 2004, 2005, 2007.

Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, ' аспирантов и молодых специалистов «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008.

Научно-техническая конференция молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск, 2008, 2010.

Международная конференция Е1ЖОЕМ, г. Лозанна, Швейцария, 2008.

Международная ГЕЕЕ-сибирская конференция по управлению и связи (81ВСОЫ-2009), г. Томск, 2009.

Международная конференция по защите от молний (1СЬР-2010), г. Кальяри, Италия, 2010.

Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, список литературы из 149 наим., 12 приложений. Объём диссертации составляет 171 е., в т.ч. 79 рис. и 52 табл.

Результаты, выносимые на защиту

В гл. 1 выполнен обзор проблемы неискаженной передачи импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением, сформулированы цель и задачи работы. В гл. 2 описана программная реализация моделей и алгоритмов по вычислению временного отклика многопроводных линий передачи и сделано их сравнение. В гл. 3 выполнено моделирование структур многопроводных межсоединений печатных плат. В гл. 4 проводится исследование искажений импульсного сигнала и анализ целостности сигнала в меандровых линиях. В гл. 5 описывается исследование и использование новых модальных явлений в многопроводных межсоединениях. В заключении сделаны выводы, показывающие достижение поставленной цели. В приложениях представлены акты использования результатов диссертационной работы, свидетельства и патенты.

Заключение диссертация на тему "Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления"

5.5 Основные результаты главы

Сформулировано условие (5.1) уменьшения влияния модальных искажений на форму импульса.

Показано, что для минимизации модальных искажений в отрезке из нескольких линий может быть достаточен анализ только матричных параметров (без отклика) этого отрезка, причём только из двух линий.

Выявлено, что рост числа проводников межсоединения может увеличивать модальные искажения.

Предложен способ уменьшения модальных искажений выбором параметров диэлектрика.

Показаны модальные искажения в кабелях, которые широко используются в системах сигнализации, бытовых телефонах и для сетевого питания.

Сформулировано условие (5.2) слияния сигналов четной и нечетной моды в двухпроводной линии.

Сформулировано необходимое условие (5.3) разложения импульса в многопроводных межсоединениях с неоднородным диэлектрическим заполнением.

Получена формула (5.7) для амплитуд напряжения импульсов разложения в проводниках многопроводной линии передачи с неоднородным диэлектрическим заполнением.

Получены формулы (5.4)-(5.6) для расчета модальной защиты, связывающие число и параметры отрезков для разложения импульса с заданными параметрами.

Показано, что разность погонных задержек мод в межсоединениях ПТМП может привести к модальным явлениям, позволяющим использовать линии передачи ПТМП длиной в десятки сантиметров для модальной фильтрации импульсов длительностью в сотни пикосекунд.

Сформулировано условие (5.8) восстановления импульса в конце структуры из п отрезков линий передачи.

Экспериментально подтверждены явления разложения и восстановления импульса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы по совершенствованию межсоединений вычислительной техники и систем управления рассмотрены следующие вопросы. Программно реализованы 3 известные алгоритмические модели по вычислению временного отклика произвольных схем многопроводных линий, с помощью которых выполнено моделирование многопроводных межсоединений различного типа (печатных плат и кабелей). Исследованы возможности уменьшения искажений импульсных сигналов в многопроводных межсоединениях с разными параметрами и при воздействии на несколько проводников (выравнивание скоростей мод за счет покрывающего диэлектрического слоя позволило уменьшить дальнюю перекрестную помеху в 2-24 раза). Исследованы искажения импульсного сигнала в активном проводнике многопроводного межсоединения из-за разности задержек мод, вызванной неоднородным диэлектрическим заполнением и возможности использования этих искажений для создания устройств защиты.

В результате работы получены следующие результаты:

1. Программно реализованы алгоритмические модели по вычислению временного отклика произвольных схем многопроводных линий передачи. Произведено тестирование, показавшее, что отличия от результатов, полученных другой программой, составляют в среднем 0,6%, другими авторами - 3-5%, экспериментально - 11%. Это позволило в системе ТА1ХхА.Т выполнять сквозное моделирование, т.е. от геометрических параметров исследуемой структуры до вычисления откликов. Получено 3 свидетельства о регистрации программ.

3. Получены и» сформулированы в аналитическом виде условия минимизации модальных искажений, разложения и восстановления импульсного сигнала, позволяющие установить связь между его параметрами и разностью задержек мод многопроводных межсоединений с неоднородным диэлектрическим заполнением, в которых он распространяется. Исследования новых модальных явлений в структурах многопроводных линий передачи (печатных платах и кабелях) с неоднородным диэлектрическим заполнением были поддержаны грантом РФФИ, 2 проектами по программе «УМНИК» и защищены 3 патентами на полезную модель и патентом на изобретение.

Таким образом, цель диссертационной работы достигнута.

Библиография Заболоцкий, Александр Михайлович, диссертация по теме Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

1. Газизов, Т.Р. Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях/ Т.Р. Газизов; под ред. Н.Д. Малютина. — Томск: Изд-во HTJI, 2003.-212 с.

2. Кравченко, В.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / В.И. Кравченко, Е.А. Болотов, Н.И. Летунова. — М: Радио и связь, 1987. — 256 с.

3. Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетий / Под ред. Т.Р. Газизова. — Томск: Томский государственный университет, 2002. 206 с.

4. Гизатуллин, З.М. Электромагнитная совместимость электронных средств при воздействии электростатического разряда / З.М. Гизатуллин, С.Ф. Чермошенцев. — Казань: Изд-во Казан. Гос. техн. ун-та, 2006. 102 с.

5. Газизов, Т.Р. Совершенствование межсоединений монтажных плат: дис. . канд. техн. наук / Т.Р. Газизов. Томск: ТУ СУР. - 1998. - 164 с.

6. Q.Gu and J.A.Kong, Transient analysis of single and coupled lines with capacitively-loaded junctions, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. vol.MTT-34, no.9, pp.952-964, Sept. 1986.

7. Князев, А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, JI.H. Кечиев, Б.В. Петров. М.: Радио и связь. - 1989. - 224 с.

8. Кузнецов, П.И. Распространение электромагнитных волн в много проводных системах: Сб. статей / П.И. Кузнецов, Р.Л. Стратонович. М.: ВЦ АН СССР. - 1958. -84 с.

9. Scanlan J.O. Theory of microwave coupled-line networks, Proceedings of the IEEE, vol.-68, no.2, pp.209-231, February 1980.

10. Газизов, Т.Р. Преднамеренные электромагнитные помехи и авионика / Т.Р. Газизов // Успехи современной радиоэлектроники — №2. — 2004. — С. 37-51.

11. Messier М.А., Smith K.S., Radasky W.A., Madrid M.J. Responses of telecom protection to three IEC waveforms// Proc. of the 15th Int. Zurich Sump, on Electromagnetic Compatibility. Zurich, Switzerland, Feb. 18-20,2003. P. 127-132.

12. Weber Т., Krzikalla R., ter Haseborg J.L. Linear and nonlinear filters suppressing UWB Pulses. IEEE Trans, on Electromagn. Compat. Vol. 46. №3. August 2004. P. 423-430.

13. Бородай, П.Н. Средства обеспечения стойкости информационных систем к воздействию излучений СШП ЭМИ / П.Н. Бородай и др. // Технологии ЭМС. -№2.-2006.-С. 59-70.

14. Сухоруков, С.А. Помехозащитные устройства ЗАО ЭМСОТЕХ / С.А. Сухоруков // Технологии ЭМС. №2. - 2005. - С. 3-7.

15. Ahn. S., Kim Т.-Н., Kim J.// Proc. of the 7-th IEEE Workshop on Signal propagation on Interconnects. Heidelberg, Germany. 2003.

16. KwonD., AzarianM.H., PechtM.G. Effect of solder joint degradation on RF impedance. 12-th Workshop on signal propagation in interconnects, May 12—15, 2008. http://www.univ-brest.fr/SPI/pages/Slides/SPI2008S83.pdf.

17. Коваленков, В.И. Теория передачи по линиям связи / В.й. Коваленков М.: Связьиздат, 1937. Т. 1,2.

18. Коваленков, В.И. Устанавливающиеся электромагнитные процессы вдоль проводных линий / В.И. Коваленков — М.: Издательство Академии наук СССР, 1945.

19. Кузнецов, П.И. Распространение электромагнитных волн в многопроводных системах / П.И. Кузнецов, Р.Л. Стратонович // Сб. статей. М.: Изд-во ВЦ АН СССР, 1958. -84 с.

20. Kuznetsov P.I. and Stratonovich R.L. The Propagation of Electromagnetic Waves in Multiconductor Transmission Lines. New York: Macmillan, 1964; reprinted by Pergamon Press, 1984.

21. Захар-Иткин, M.X. Теорема взаимности и матричные телеграфные уравнения для многопроводных линий передачи / М.Х. Захар-Иткин // Радиотехника и электроника, 1974. №11. - С. 2338-2348.

22. Гипсман, А.И. Расчёт многополосковых линий и устройств / А.И. Гипсман, В.М. Красноперкин, Р.А. Силин; под ред. А.А. Пистолькорса—М.: Радио и связь, 1986. Вып. 34. - С. 52-68.

23. Кравченко, С.И. Расчёт матрицы рассеяния много проводных полосковых линий и устройств на их основе / С.И. Кравченко, С.И. Бахарев // Вопросы радиоэлектроники. — Сер. — Общетехническая, 1978. — Вып. 8. — С. 45—53.

24. Малютин, Н.Д. Многосвязные полосковые структуры и устройства на их основе / Н.Д. Малютин. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. - 164 с.

25. Чурин, Ю.А. Переходные процессы в линиях связи быстродействующих ЭВМ / Ю.А. Чурин. М.: Советское радио, 1975. — 207 с.

26. Иванов, Л.В. Перекрёстные наводки в системе двух линий / Л.В. Иванов // Вопросы радиоэлектроники; сер.- электронная вычислительная техника, 1971. — Вып. 5. — С. 320.27.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00