Ослабление влияния электростатического разряда витком меандровой линии с лицевой связью

Rok vydání:	2023
Předmět:	меандровая линия четная мода odd mode нечетная мода meander line электромагнитная совместимость защита electrostatic discharge protection even mode electromagnetic compatibility электростатический разряд
DOI:	10.24412/2410-9916-2023-2-1-22
Popis:	Постановка задачи: современные тенденции в развитии радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) заставляют проектировщиков уделять особое внимание электромагнитной совместимости (ЭМС). Это связано с повышением быстродействия и уменьшением рабочих напряжений и геометрических размеров элементов РЭА. Все это существенно снижает стойкость РЭА к перенапряжениям. Одной из причин таких перенапряжений является электростатический разряд (ЭСР), который может приводить к частичному или полному отказу РЭА и прерыванию ее функционирования. Опасность воздействия ЭСР на РЭА усугубляется тем, что традиционные устройства защиты имеют такие недостатки, как малые быстродействие и мощность. Кроме того, у традиционных устройств защиты ограниченный ресурс срабатываний, а также, из-за полупроводниковых компонентов в их составе, они в большой степени подвержены влиянию радиации. Это неприемлемо, например, для космической отрасли, из-за необходимости повышения срока активного существования космических аппаратов до 15 лет. В этой связи, необходим поиск новых подходов к защите РЭА, лишенных таких недостатков. Цель работы: показать возможность ослабления влияния электростатического разряда витком меандровой линии (МЛ) с лицевой связью. Используемые методы: использован подход, включающий анализ, структурно-параметрическую оптимизацию эвристическим поиском, а также вычислительный (с применением разных подходов на основе разных численных методов) и натурный эксперименты. Новизна: новизна заключается в использовании искажений в МЛ задержки впервые с целью ослабления влияния ЭСР. Впервые для этого использованы наличие перекрестной наводки и различие скоростей распространения мод в МЛ с лицевой связью. Результат: выполнен детальный анализ влияния геометрических параметров МЛ с лицевой связью на форму и амплитуду напряжения на ее выходе, при воздействии на ее входе источника тока, имитирующего ЭСР. Выявлены и продемонстрированы закономерности влияния отдельно каждого параметра МЛ с лицевой связью на форму напряжения ЭСР на ее выходе. По результатам анализа сформулированы условия, выполнение которых позволяет разложение пикового выброса ЭСР в МЛ с лицевой связью. Выполнена оптимизация параметров поперечного сечения исследуемой МЛ по критерию разложения ЭСР и минимизации его амплитуды с учетом технологических возможностей типового производства печатных плат. Полученные геометрические параметры обеспечили ослабление ЭСР в МЛ 1,61 раза. Согласно стандарту IPC-2221A, постоянный рабочий ток МЛ с полученными оптимальными параметрами может достигать 2,31 А, а напряжение – до 1,1 кВ. В ходе натурных испытаний продемонстрировано уменьшение амплитуды напряжения ЭСР после его прохождения по МЛ за счет разложения его пикового выброса. Выполнено сравнение полученных различными подходами результатов. Ослабление амплитуды напряжения ЭСР во всех использованных подходах составило не менее 1,6 раза: квазистатическом – 1,61 раза; электродинамическом – 1,66 раза; на основе измеренных S-параметров – 1,73 раза; натурном эксперименте – 1,67 раза. Практическая значимость: представленное решение может использоваться в критичной радиоэлектронной аппаратуре для защиты от ЭСР и его вторичных эффектов. Problem statement: Modern trends in the development of radio-electronic equipment (REE) require designers to pay special attention to electromagnetic compatibility (EMC). This is explained by an increase in speed and a decrease in operating voltages and geometric dimensions of REE elements. These changes significantly reduce the REE immunity to overvoltage. One of the reasons for such overvoltage is electrostatic discharge (ESD), which can lead to partial or complete REE failure and interruption of its operation. The danger of ESD impact on REE is exacerbated by the fact that traditional protection devices have disadvantages, such as low speed and power. Additionally, traditional protection devices have limited triggering resource, and since they have semiconductor components in their composition, they are largely susceptible to radiation. This is unacceptable, particularly in the space industry where it is necessary to increase the active lifespan of spacecraft to up to 15 years. Therefore, there is a need to develop new approaches to protecting REE that are free of these drawbacks. Purpose: The purpose of this work is to demonstrate the possibility of reducing the ESD impact by a meander line (ML) with broad-side coupling. Methods: The proposed approach involves analysis, structural-parametric optimization using heuristic search, as well as computational (using different approaches based on various numerical methods) and full-scale experiments. Novelty: The novelty lies in the use of ML distortions to reduce the ESD impact. For the first time, this reduction is achieved by utilizing the presence of crosstalk and the difference in mode propagation speeds in an ML with broad-side coupling. Results: The changes in geometric parameters of the ML were analyzed in detail, as well as their effect on the ESD waveform and amplitude at the ML output. The study revealed the regularities of the influence of each individual parameter of the ML on the ESD voltage waveform. Based on the analysis, conditions were formulated that allow the decomposition of the ESD peak surge in the ML. The cross-section parameters of the ML were optimized according to the criterion of ESD decomposition and minimization of its amplitude, while considering the technological capabilities of typical production of printed circuit boards. The obtained geometric parameters provided ESD attenuation in the line by 1.61 times. According to the IPC-2221A standard, the ML with the obtained optimal parameters can operate with a constant current of up to 2.31 A and a voltage of up to 1.1 kV. Full-scale tests were carried out, demonstrating a decrease in the ESD voltage amplitude after its propagation along the ML occurred due to the decomposition of its peak surge. The results obtained by different approaches were compared. The attenuation of the ESD voltage amplitude in all approaches used was at least 1.6 times: quasi-static – 1.61 times; electrodynamic – 1.66 times; based on the measured S-parameters – 1.73 times, full-scale experiment 1.67 times. Practical relevance: The proposed solution can be used in critical radio-electronic equipment to protect against ESD and its secondary effects.
Databáze:	OpenAIRE
Externí odkaz:	https://explore.openaire.eu/search/publication?articleId=doi_________::ac8d64f92a1d8380333d1f6dba1aaf19 Zobrazit plný text záznamu