Введение к работе
Актуальность работы
С развитием и широким распространением электронных устройств различного назначения все острее необходимость обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС). Одним из направлений ЭМС является защита от кондук-тивных воздействий. Опасным воздействием представляется мощный сверхкороткий импульс1 (СКИ), проникающий в устройства и способный вывести их из строя. Особенно актуальна защита устройств вычислительной техники и систем управления критичным оборудованием.
Известно, что включаемые на входе аппаратуры приборы защиты обладают недостатками (малая мощность, недостаточное быстродействие, паразитные параметры), затрудняющими защиту от мощных СКИ. Эффективная защита в диапазоне воздействий требует сложных многоступенчатых устройств. Между тем, наряду с высокими характеристиками, практика требует простоты и дешевизны, и необходим поиск новых принципов совершенствования защиты.
Один из таких принципов основан на модальной фильтрации - использовании модальных искажений2 (изменений сигнала за счет разности задержек мод многопроводной линии передачи) для защиты за счет модального разложения3 импульса в отрезках связанных линий, например в микрополосковых линиях, а также в плоском трёхпроводном силовом кабеле. Ряд работ свидетельствует о возможности создания устройств защиты на основе модальной фильтрации -модальных фильтров (МФ). Они могут отличаться радиационной стойкостью, малой массой и дешевизной, а в случае кабеля, ещё и массовым применением. По-существу, можно предположить даже использование самого кабеля, например обычного трёхпроводного силового кабеля, наряду с его основной функцией электропитания, ещё и в качестве устройства защиты от помеховых импульсов. Для этой же цели можно использовать и полосковые структуры на широко распространенном фольгированном стеклотекстолите. Однако применимость таких структур на практике требует более детального исследования.
Цель работы - исследование эффекта модального разложения импульсов помех в кабельных и полосковых структурах и разработка устройств защиты на его основе. Для её достижения необходимо решить следующие задачи: выбрать кабельные и полосковые структуры с эффектом модального разложения; про-
Сахаров К.Ю. Исследование функционирования локальной вычислительной сети в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов/ К.Ю. Сахаров, А.А. Соколов, О.В. Михеев, В.А. Туркин, А.Н. Корнев, С.Н. Долбня, А.В. Певнев // Технологии ЭМС. - 2006. №3 (18).- С. 36-45.
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.
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.
вести исследование выбранных структур; разработать общие подходы к созданию модального фильтра; разработать конструкции и технологии изготовления макетов модального фильтра; провести экспериментальные исследования.
В работе применены: квазистатический анализ, параметрическая оптимизация генетическими алгоритмами, экспериментальное и компьютерное моделирование.
Достоверность результатов диссертационной работы основана на корректном использовании метода моментов и теории линий передачи, на согласованности результатов эксперимента и моделирования.
Научная новизна
Обоснован новый способ защиты вычислительной техники и систем управления, основанный на модальном разложении импульсов помех в плоских трехпроводных силовых кабелях и выявлено, что для этого предпочтительны кабели без воздушных промежутков в поперечном сечении.
Получены характеристики модальных фильтров с волновым сопротивлением 100 Ом на подложке из стеклотекстолита.
Сформулировано условие равенства амплитуд импульсов разложения на выходе однокаскадного модального фильтра и получено аналитическое выражение для их нормированных амплитуд при этом условии.
Практическая значимость
Созданы программы для автоматизированного проектирования модальных фильтров.
Показана возможность создания модальных фильтров без резисторов.
Созданы экспериментальные макеты модальных фильтров на основе полосковых структур и опытный образец модального фильтра на основе плоского кабеля.
Использование результатов исследований
Программная реализация имитационных моделей для вычисления матриц погонных параметров и временного отклика кабельных структур, результаты моделирования кабельных структур с модальными явлениями, рекомендации по использованию модальных явлений для уменьшения влияния помеховых электрических сигналов в кабельных структурах использованы в ходе выполнения составной части опытно-конструкторской работы «Разработка и поставка аппаратно-программного комплекса для проведения анализа взаимовлияний электрических сигналов бортовой аппаратуры» (хоздоговор 28/08 от 14.04.2008 с ОАО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск).
Результаты исследования по модальной фильтрации использованы при подготовке и написании нормативного документа и двух национальных стандартов в ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург.
Исследования модальной фильтрации в полосковых структурах использованы для изготовления и поставки 12 макетов модальных фильтров для защиты сети Fast Ethernet от сверхкоротких импульсов (хоздоговор НИИЦ/НИР/10-01 от 15.01.2010 с ФГУП «ЦентрИнформ», г. Санкт-Петербург).
Апробация результатов
Результаты работы докладывались и представлялись в материалах следующих конференций: Межд. молодежная науч. конф. «Туполевские чтения», г. Казань, 2007, 2008; Межд. научно-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2008, 2010; Всерос. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», г. Томск, 2008, 2010; Научно-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск, 2008, 2010; Межд. конф. EUROEM, г. Лозанна, Швейцария, 2008; Межд. IEEE-сибирская конф. по управлению и связи (SIBCON-2009), г. Томск, 2009; Межд. конф. по защите от молний ICLP, г. Кальяри, Италия, 2010.
Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в 23 работах (4 работы без соавторов): 6 статей в журналах из перечня ВАК, 3 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение, 6 тезисов и 7 докладов конференций.
Структура и объём диссертации: В состав диссертации входят введение, 3 главы, заключение, список литературы из 120 наим., приложения. Объём диссертации составляет 199 стр., в т.ч. 112 рис. и 42 табл.
Личный вклад. Научные результаты, представленные в диссертации, получены автором. Постановка цели работы и задач исследования выполнена совместно с научным руководителем ТР. Газизовым. Программная реализация файлов сквозного анализа эффекта модального разложения импульсов помех в отрезках связанных линий выполнена совместно с A.M. Заболоцким и А.О. Мелкозеровым. Основной объем моделирования выполнен автором единолично, часть его выполнена под руководством автора студентами. Вывод условия равенства амплитуд импульсов разложения и аналитического выражения для их нормированных амплитуд выполнен совместно с ТР. Газизовым, а проверка их достоверности выполнена автором единолично. Экспериментальные исследования проведены совместно с научным руководителем и A.M. Заболоцким. Конструкция и технология изготовления макетов модальных фильтров разработаны совместно с О.М. Кузнецовой-Таджибаевой и Л.Н. Жеребцовой. Анализ результатов моделирования и эксперимента, а также формулировка основных результатов и выводов, выполнены совместно с ТР. Газизовым. Некоторые результаты исследований получены совместно с соавторами опубликованных работ.
Положения, выносимые на защиту
Плоские трехпроводные силовые кабели, наряду с их основным назначением, могут использоваться в качестве защиты от импульсов, длительность которых меньше разности задержек мод кабеля.
На основе модальных фильтров на подложке из стеклотекстолита возможно создание устройств защиты оборудования сети Fast Ethernet.
Амплитуды импульсов разложения на выходе однокаскадного модального фильтра (без учета потерь) одинаковы при значениях сопротивлений на концах проводников, равных среднему геометрическому импедансов четной и нечетной мод; при этом условии нормированные амплитуды импульсов
разложения равны квадратному корню отношения импедансов четной и нечетной мод, деленному на квадрат суммы этого корня и единицы.
