Ослабление электромагнитной помехи в структуре с двухкратным модальным резервированием

Ye.S. Zhechev1, ,

T.T. Gazizov2, , 1 Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia 2 Sakhalin State University, Yuzhno-Sakhalinsk, Russia

В процессе разработки радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), при эксплуатации которой регулярное обслуживание не представляется возможным, необходимо уделять большое внимание отказоустойчивости и электромагнитной совместимости. Особенно необходимо уделять внимание защите РЭА от мощных преднамеренных электромагнитных помех (ЭМП) [1]. Благодаря своей малой длительности и широкому спектру данные помехи способны проникать в электронные устройства и выводить критически важные узлы из строя. Одним из способов повышения отказоустойчивости является резервирование (рис. 1) [2].

Резервирование основано на простой идее – замена вышедшего из строя компонента на исправный. Для этого нужно иметь запасной элемент, однако сама замена может занять минуты, часы или даже дни, что для многих систем недопустимо. Резервирование может быть раздельным и общим (рис. 2), а число резервных элементов определяется кратностью резервирования ( m ).

Рис. 1. Вероятность безотказной работы резервированной ( m ≥ 1) и нерезервированной ( m = 0) систем

Fig. 1. Probability of fail-safe work of redundant ( m ≥ 1)

and non-redundant ( m = 0) systems

а)                                                                  b)

Рис. 2. Раздельное (а) и общие (b) резервирование с включением резерва замещения Fig. 2. Separate (a) and common (b) redundancy with switching on the reserve of substitution

При р азд е льн о м ре з е рв ир ов а н ие (рис . 2а) каждый отдельный элемент имеет резерв в запасе. П ри выхо д е и з с тр оя к он к ре тн ог о элемента цепи только он заменяется на рез е рвный. Данный ме тод под х од ит п р и нал и чии хоро шо развитой системы диагностики неисправн ос те й , кото ра я по зв оляе т и зб е ж а т ь ос та новк и в с е й системы [3]. В случае применения общего р е з е рв иров а н ия, п ри отк а зе од но г о или не с к о льк и х э ле ме нт о в ос нов н о й цепи п роисх одит переключение питания на резервную цепь [4].

Ч тоб ы п ов ыс и ть пом е х озащищенность и отказоустойчивость, существует м е тод м ода льн о го ре зер в и ров а н ия (МР) [5] . Да н н ый метод подразумевает под собой наличие дв у х и б о ле е пе ча т н ых п ров о д н и к о в (ос нов н ого и ре зе рв н ого/резервных), между которыми образуется сильная электро м агн итн а я с в язь, ч т о п о з в о ляет за счет модальных искажений реализовать з а щиту э ле к тронн ых у с трой с тв от с в е рхшир окополос ных (СШП) ЭМП. Помимо однократного МР [6], в к лючающ е г о основной и резервный провод н ики, также существуют двухкратное [7] и т ре хк р а тн ое [8] М Р . О н и с од е р ж а т д в а и три ре зер в н ых проводника. Увеличение кратности резер в а позв оляе т п о в ы с и ть о т казоу с тойчи в ос ть эле к тр онных устройств за счет увеличения вариантов отк а з а , а та кже увеличить подав ле н и е Э М П за счет длительности импульсов разложения. И з -за внесения боль шой и зб ы точно с т и при ме н е н ие многократного МР можно рассматривать дл я отд ельн ы х це п е й, н а и б о ле е уяз в им ых к ЭМП в с т р у к ту ре с МР .

Ср еди да нн ы х в ид ов МР м е н е е и зу че нн ы м яв ляе тся д в у х к ра тное по сравнению с однократ н ы м и тр е хк ратным . Дв у хк ра тн ое МР является более отказоустойчивым по с ра в н е н и ю с од но к ра тн ы м и п р ос ты м в ре али за ц ии по сравнению с трехкратным. Метод двухкр а тн ого МР яв ляе тся « золотой с ер еди н ой» д ля об е с пе че н и я отка з о у с той чи вости, помехозащищенности и является более простым в реализации.

Структуры с двухкратным модальным резервированием

На рис. 3 пр и ве ден ы по пер е чные сечения полосковых структур с двухк р а т ным М Р . С т р уктура, находящаяся на рис. 3а, я вл я е т с я двух с л о йно й . С иг н ал ьн ы й и опорный проводники вы по л н яю т ся на н и жнем с ло е п о д ложки, а два оставшихся сигнальных выпол н яю т ся на в ер хне м сл ое подл о жк и зе р к аль но ниж нему слою [9]. Поперечное сечение, изображ енн ое на р ис . 3b, пр ед ст ав л я ет со б о й одно сл о йну ю ст р укт ур у с исп о лнен ием с и гна льных проводников по краям по дло жки . С и гна л ьн ы е и о по р ные проводники расположены последовательн о д руг з а д р уг о м , нач ин ая с с и гналь ног о и з ак анч и вая им же. На р и с . 3c представлена однослойная структура, где о по р ные и с и гналь ны е п ро во дн и ки р а спо л оже ны др у г за другом, начиная с опорного и заканчивая им же.

Рис. 3. Поперечные сечения двухслойной структуры (а), c крайними сигнальными проводниками (b) и c крайними опорными проводниками (c)

Fig. 3. Cross sections of a double-layer structure (a), with outermost signal conductors (b) and with outermost ground conductors (c)

Параметры диэлектрика и проводников представлены в таблице. Электрофизические параметры подложки были взяты для реально существующих диэлектрических материалов.

Геометрические параметры диэлектрика Geometrical parameters of the dielectric material

Параметр	Двухслойная структура	Однослойная структура
Ширина проводника ( w ), мкм	1800	600
Расстояние между проводниками ( s ), мкм	1000	900
Толщина проводника ( t ), мкм	35	35
Толщина диэлектрика ( H ), мкм	1500	45

В работе использованы стеклотекстолит марки FR-4 с относительной диэлектрической проницаемостью (ε r ) – 4,5 и тангенсом угла потерь (tgδ) – 0,02 и препрег марки TU-85P NF [10] с ε r = 3,5 и tgδ = 0,035 для однослойных структур.

Один из сигнальных проводников является основным, а два других являются резервными. Когда происходит отказ на основном проводнике, питание переключается на резервный сигнальный проводник. При возникновении второго отказа питание переключится на оставшийся сигнальный проводник. Эквивалентные схемы включения до отказа, после первого отказа и после второго отказа представлены на рис. 4. На ближний конец основного проводника подключается источник э.д.с., а дальний конец подключается через нагрузку R к схемной земле. Сопротивление нагрузки до отказа составляет 50 Ом. Это необходимо для согласования структуры с трактом. Отказ на одном из концов отказавшей цепи может быть представлен в виде низкоомной (КЗ) или высокоомной (ХХ) нагрузки.

а)

b)

с)

Рис. 4. Эквивалентная схема включения структур с двухкратным МР до отказа (а), после первого отказа (b), после второго отказа (c)

Fig. 4. Connection diagrams of the structures with double MR before failure (a), after the first failure (b), after the second failure (c)

Квазистатическое моделирование

Для предварительного расчета исследуемых структур использован квазистатический анализ. Данный подход менее ресурсозатратный, что позволяет без проблем выполнить большой объем вычислений. Система TALGAT [11] использует данный метод моделирования. В данной системе были созданы поперечные сечения исследуемых структур (рис. 5).

b)

с)

Рис. 5. Поперечные сечения двухслойной структуры (а), c крайними сигнальными проводниками (b) и c крайними опорными проводниками (c) в системе TALGAT

Fig. 5. Cross sections of the double-layer structure (a), with outermost signal conductors (b) and with outermost ground conductors (c) in the TALGAT system

Схемы включения исследуемых структур до отказа, после первого отказа и после второго отказа, реализованные в системе TALGAT, представлены на рис. 6. Длина двухслойной структуры составляет 520 мм, а однослойных – 200 мм.

с)

Рис. 6. Эквивалентная схема включения структур с двухкратным МР до отказа (а), после первого отказа (b), после второго отказа (c) в системе TALGAT

Fig. 6. Connection diagrams of the structures with double MR before failure (a), after the first failure (b), after the second failure (c) in the TALGAT system

Для ра с че т а в ыб ра на э лек трома гн и тн а я п ом е ха (Э МП ) в виде трапециедального импульса амплитудой 100 В и обще й д ли тельн ос ть ю 300 пс. На рис. 7–9 приведены формы сигнала на да льн е м к он ц е о с н ов н ого п ров одника, полученные в результате воздействия Э М П .

Рис. 7. Форма сигнала на дальнем конце основного проводника двухслойной структуры

Fig. 7. Signal waveform at the far end of the main conductor of the double layer structure

Пи к ов ое зн а че н и е н а п ря жен ий до отказа, после первого отказа и после второго отк а за ра в но 13,8, 15,2 и 20,8 В с оответст в е н н о. За де р жк а отк л и к а с о с та в ляе т 2, 5 нс. Полученные результаты п ок аз ы в а ют, что мак с и мальн а я а мплитуда ЭМП до отказа уменьшилась в 7,2 ра за , п осле п е рв о г о отказа – в 6,6 ра за , а п ос л е в торого от к а за – в 4,8 раза.

Рис. 8. Временной отклик на дальнем конце структуры с крайними сигнальными проводниками

Fig. 8. Time response at the far end of the structure with outermost signal conductors

Д о о тк аз а, п о с л е п ер вого о тказа, после второго отказа максимальная а мпл и т уда н апр яжений составило 30,6, 35,8 и 30,4 В соответственно. Время задержки для всех случаев составляет 0,7 н с д л я все х с л уч аев. Ф о рм а напряжений имеет схожий характер даже по сл е о тказо в. В с л у чае до о тказ а и п о сл е вто р ог о о тказа видно полное схождение сигналов, эт о м ож но о б ъ яснить тем, что данные пр о вод ники имеют одинаковую электромагнитную обстано вку, нахо дясь н а краях ПП.

Рис. 9. Временной отклик на дальнем конце основного проводника структуры с крайними опорными проводниками

Fig. 9. Time response at the far end of the main conductor of the structure with outermost ground conductors

М акс и м аль н о е на пря ж ен и е на дальнем конце до отказа, после перв о г о о т к а з а и по с л е втор о го от ка за р а в но 35 , 9, 3 6,3 и 3 5,8 В соответственно. Время задержки отклика для всех случаев составляет 0,68 н с д ля всех случаев. Форма напряжений имеет схо жий х а р ак т е р да ж е посл е о т к а з ов . Это г ов о ри т о том, что у всех проводников одинаковая эле к т ро магни тна я о бстановка.

Электродинамическое моделирование

Система Comsol Mul tip hy sics [12] использована для электродинамического расчета иссле ду е мых с тру к ту р. В д а н н ой с и стеме можно рассчитывать трехмерные модел и , с хе м ы э ле к тр о н н ы х у с трой с тв и д ру гу ю те хн и ку. При использовании этого метода уравнен и я Ма к с в елла р е ш аются полностью, б е з у проще н и й. В ходе расчета электродинамическим подход ом б ы ли с озд а ны трехм ерн ые м одели с тру к тур с двухкратным МР на двухслойной и однослойн ой печа тн ой пл а т е (рис. 10).

a)

b)

c)

Рис. 10. Трехмерные модели двухслойной структуры (а), c крайними сигнальными проводниками (b) и c крайними опорными проводниками (c)

Fig. 10. 3D models of the two-layer structure (a), with outermost signal conductors (b) and with outermost ground conductors (c)

В сл уч ае кваз ист ат и ч еско г о моделирования структура представляла собо й дл инн ую П П дл иной 520 м м . В сл у ч ае эл е кт р о д инамического подхода структура представляет со бо й м еандр о бщей длиной 520 мм . О дно сл о й ны е структуры геометрически остались без измене ния . В р езультате расч ет а бы л и по л уч е ны временны е отклики на дальних концах основного провод ника (р ис. 11–13).

Рис. 11. Временной отклик на дальнем конце основного проводника модели двухслойной структуры

Fig. 11. Time response at the far end of the main conductor of the double layer structure model

Для слу ча я д о от к а за , п о сле первого отказа и после второго отказа ма кс има льн ое зн а че н и е ампл и туды ра в н о 15, 8, 1 4, 1 и 16, 2 В соответственно. Задержка мод по отклику равна 2,55 нс. М аксим ал ь ная ам пл ит уда ЭМ П до отказа уменьшилась в 6,3 раза, после перво г о о т каз а – в 7,1 раза, а после второго отказа – в 6, 2 р аза. По графику видно, что после отказов пр ои с ход и т р а злож е н и е импульса помехи.

Рис. 12. Временные отклики на дальнем конце модели структуры с крайними сигнальными проводниками

Fig. 12. Time responses at the far end of the model structure with outermost signal conductors

Пи к ов ое н апря ж е н и е н а да льн е м к он ц е д о отк а за, пос ле пе рв ого отказа и после второго отказа составила 28,4, 30,1 и 28,3 В соответственно. Задержка мод по отклику ра в н а 0, 68 нс для всех случаев.

Рис. 13. Временные отклики модели структуры с крайними опорными проводниками Fig. 13. Time responses of the structure model with outermost ground conductors

Амп ли ту д а поме хи н а дальнем конце до отказа, после первого отказа и п осле в торого отк а з а сос та в и ла 2 9, 6, 30,1 и 28, 3 В с оотв е тс тв е н н о. В р е м я за д е р жк и ра в н о 0, 67 нс для всех случаев.

Экспериментальное исследование

На рис. 1 4 изобра ж ена лабор аторная установка для измерения частотных х а ра к тери с ти к , ко торая с ос тои т и з и с сл е д у е мого у стройства (ИУ), высокочастотных кабелей, в е к торн ого а н а ли за тора ц е п е й (ВАЦ) R 4M18 ( Ми кра н ) [ 13 ] , п е р с он а л ь н ого компьютера.

Рис. 14. Экспериментальная установка

Fig. 14. Experimental setup

Пере д н а ча л ом и зм ере н ий вы п олн е н а д в у хп ортов а я SOLT (Short-Open-Load-Thru) калибров ка В А Ц. Да ле е к од н ому и з с и гн альных проводников подключался ВАЦ. К о с та в ш и мс я с и гн ал ьным п ров од н и ка м п одк л ю ча л ас ь с о глас ов а н н а я на гру зк а 50 Ом. Для имитации отказа на один из концов сигнального п роводни к а подключалась низкоомная или высокоомная н а гру зк а . Изм ер е н и я п ров од и ли сь в д и а пазоне от 10 МГц до 10 ГГц с шагом 10 МГц, после чего полученные дан н ы е с охр а н яли с ь в д о к у ме н т в формате SNP. Данный документ импортиро в а л с я в Comsol , где проводился дальнейший ра с че т временного отклика. В Comsol создается мо д е ль ИУ . Пос ле на в ход м одели п од ае тс я в озд е й с тв и е в в и д е тр а п е ц е ид а льн о го и мп у льс а .

Изго т ов л е н ы п рототи п ы и с сле д у е мых с тру к ту р ( ри с . 15) Для изготовления двухслойной струк ту ры б ыл и с п о льзова н фол ьги ров а н ный с тек л оте к с то ли т к л а с са F R -4 размером 130 × 75 мм. Для од н о с лой н ых с тру к ту р и с п ользовался односторонний полиимид марки TU-85P NF.

a)

Рис. 15. Прототипы двухслойной структуры (а), c крайними сигнальными проводниками (b) и c крайними опорными проводниками (c)

Fig. 15. Prototypes of the two-layer structure (a), with outermost signal conductors (b) and with outermost ground conductors (c)

b)

c)

В ре зу льтате э к с п е ри ме нта были получены временные отклики на даль не м к он ц е ос нов н ого п ров од н и к а . Д ан ны е за в ис и мос ти п ре дс та в л е ны н а ри с . 16–18.

Рис. 16. Временной отклик на дальнем конце основного проводника прототипа двухслойной структуры

Fig. 16. Time response at the far end of the main conductor of the prototype double-layer structure

Напряжен ие н а д а л ьн е м к он ц е ос н ов н ого п ров одн и к а ра в н ы 13, 7 В до отказа, 14,7 В после первого отказа, 14,4 В п о с ле в торого от к а за . За де р жк а сос т авляет до отказа 2,64 нс, после первого отказа – 2,67 н с и п осл е в торого от к а за – 2,7 нс.

Рис. 17. Временные отклики на дальнем конце прототипа структуры с крайними сигнальными проводниками

Fig. 17. Time responses at the far end of a prototype structure with outermost signal conductors

Пи к ов ое зн а чени е н а п ря жения на дальнем конце основного проводника рав н ы 30, 14 В до отказа, 33,2 В п ос л е п е рв ого отк а за , 31, 7 В после второго отказа. Задержка составляет до отказа 0,91 нс, после первого отказа – 0,78 нс и после второго отказа – 0,89 нс.

Рис. 18. Временные отклики на дальнем конце прототипа структуры с крайними опорными проводниками

Fig. 18. Time responses at the far end of a prototype structure with outermost ground conductors

Пи к ов ое н а п ря жени е соста в и ло д о отк аз а 34, 55 В, после первого отказа – 34,26 В, и после второго отказа – 30,52 В . В ре мя задержки до отказа и после второго отказа с ос тавляет 1,02 нс, а д ля с лу ча я п ос л е п е рв о г о отк а за с ос та в ляе т 0, 96 нс.

Сравнительный анализ моделирования и эксперимента

В данн о й стат ье пр о вод ится сравнение результатов моделирования и эк спер и м ента с п о мо щью мет ода ва л ид аци и вы де л ени ем особенн ост ей (Feature Selective Validation, FSV) [14]. Оценк а с п о м ощью мет ода FS V используется для определения приемлемост и со о т в ет ст вия ме жду эт ало но м и н о вым и р ез ул ьтатами. Этот метод сочетает измерение р аз н о ст и ам пл ит у д ( A D M) и из м ерение раз н о сти х а р а кт е р а ( FD M) , к оторый дает лучшее представление о согласии между двум я наб о р а м и д а нных . Затем ADM и FDM объединяются для форм ир о в ания гл об а л ь н о г о из м ерения р аз ност и ( G D M). F S V -метод был откалиброван таким образом, чтобы соответ с т во вать ч ело вечес ко му «экспер т н о м у» ср авнению для принятия решений, которые в некото ро й степен и суб ъ е кт ивн ы, но будут содержать ярлыки, описывающие соответ ст ви е, так и е ка к « от л ич но» , « о ч ень хо р ошо » , « х ор о ш о » , « пл о х о » и т . д. [15]. В качестве валидационного этало н а выст упает о д ин н абор д анных , в ка честве «новых результатов» выступает другой набора данных.

В п р оц есс е мо де л и р о в ан и я и эксперимента были получены матрицы р а ссе ян и я . Б л аг о даря п о лу че нн ы м д ан н ым был и построены частотные зависимости в ди а па зоне от 1 0 МГц до 10 ГГц. На рис. 19 п редс т а влена частотная зависимость вносимых пот е р ь д в у хсл ой ной структуры.

Рис. 19. Частотные зависимости вносимых потерь двухслойной структуры Fig. 19. Frequency dependences of insertion loss of a double-layer structure

Ч а с тотн ые з ави симос ти при ме н яли с ь для FSV-анализа. На рис. 20 изображены гистограммы г лоб альн ог о и зме ре н и я р а зн ос ти. В качестве валидационного эталона выст у п а е т од и н и з д в у х результатов.

а)

b)

Рис. 20. Гистограмма GDM для результатов TALGAT и Comsol (a) и Comsol и эксперимента (b) двухслойной структуры

Fig. 20. GDM histogram for the results of TALGAT and Comsol (a) and Comsol and experiment (b) double layer structure

Пол ученн ы е ги с тогр а мм ы показывают, что частотная зависимость, п олу че н н а я в системе TA LGAT и C OMS OL, сог ла с у ются с оценкой «удовлетворительно». В то ж е в ре мя 49 % дискретн ы х зн а че н и й ча с т отн ой за в исимости имеют оценку «отлично», «очень хорош о» и «хорош о ». С ра в н е н и е рез у ль т атов, пол у ч енных с помощью эксперимента и COMSOL, п ок а зало, что 55 % ди с к р е тн ых зн а че н и й с ог ла с у ются с оценкой «отлично», «очень хорошо» и «хорош о». Д але е на рис. 2 1 п ред с та в ле ны ча стотн ы е зависимости однослойной структуры с кра й н и ми с и гн а льным и проводниками.

Рис. 21. Частотные зависимости вносимых потерь однослойной структуры с крайними сигнальными проводниками

Fig. 21. Frequency dependences of insertion loss of a single-layer structure with outermost signal conductors

На рис. 2 2 изображены гист огр а ммы GDM для FSV-анализа.

а)

b)

Рис. 22. Гистограмма GDM для результатов TALGAT и COMSOL (а) и COMSOL и эксперимента (b) однослойной структуры с крайними сигнальными проводниками

Fig. 22. GDM histogram for the results of TALGAT and COMSOL (a) and COMSOL and experiment (b) single layer structure with outermost signal conductors

Ги сто гр а м мы пока з ыва ю т , что р е зу ль таты TALGAT и COMSOL согласуются с оценкой « хорош о». В то же врем еня рез у ль та ты COMSOL и эксперимента согласуются с оценкой «удовлетворительно». Однако 56 % д искретных значений согласуются с оценкам и «хорош о », «оче н ь хорошо» и «отлично». На рис. 23 предс та в ле ны ча с тотн ые за в и с и мо с ти структуры с крайними опорными проводниками.

Рис. 23. Частотные зависимости вносимых потерь однослойной структуры с крайними опорными проводниками

Fig. 23. Frequency dependences of insertion loss of a single-layer structure with outermost ground conductors

На рис. 2 4 изображены гист огр а ммы глобального измерения разности.

а)

b)

Рис. 24. Гистограмма GDM для результатов TALGAT и COMSOL (а) и COMSOL и эксперимента (b) однослойной структуры с крайними опорными проводниками

Fig. 24. GDM histogram for the results of TALGAT and COMSOL (a) and COMSOL and experiment (b) single layer structure with outermost ground conductors

Из п олу че н н ой ги с тограммы видно, что частотные зависимости, пол у че н н ые в с ис теме TALGAT и COMSOL , с о гла с у ю тся с оценкой «удовлетворительно». Тем не ме н ее 54 % дискрет н ы х зн а че н и й ча с тотн ой за в и с и мости согласуются с оценками «отлично», «оч е н ь хор ош о» и «хо р ош о». Д а ле е был п ро в е д е н с равнительный анализ результатов моделиров а н и я в с и с те м е COMSOL и э к с п е ри ме н т а , к оторый показал, что значения больше всего согла с у ю тс я с оц е нкой « у д ов лет в ори те л ьн о ». О д н а к о 5 5 % дискретных значений согласуются с оценками «хорошо», «очень хорошо» и «отлично».

Заключение

Пр ед ст ав л ен а нализ осла бл е ния Э М П ам пли т удой 1 0 0 В в структурах с двухкратным МР. Р аз р а бо тан ы и с о з д аны м о де л и и сс л е дуем ых структур для компьютерного расчета и экспери мент а л ь н о г о из мерения . В ы ч ис ление и измерение проводилось до отказа, по сле пер в о г о о тк аза и после в торого отка за . Дв у хс ло йная структура показала ослабление помехи в с ре д н е м в 6, 5 ра за во всех случаях, в то же время однослойные показали ослабление в 3 раза . Д алее с по мо щ ью FSV- мет ода был а по л учена оценка сходимости результатов моделирования и эк спе р им е нт а . Да н н ый м е тод п ока за л, ч то с хо димость результатов согласуется с оценкой « у д ов ле тв ори те льн о » и «хорошо».

Все исследуемые структуры, представленные в данной работе, справляются с подавление ЭМП. Двухслойная структура справляется лучше с подавлением электромагнитного воздействия, однако уступает двум оставшимся в гибкости. Структура с крайними опорными проводниками справляется хуже с подавлением воздействий по сравнению со структурой с крайними сигнальными проводниками, однако благодаря своему способу трассировки все три сигнальных проводника окружены опорными, и это показывает, что даже после возникновения отказа ослабления ЭМП остается на прежнем уровне.