Estimation of the effect of temperature on the time response of a modal filter based on a microstrip line with two side .pdf Жесткие условия эксплуатации (космос, Арктика, тропики и др.) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) предъявляют к ней требование безотказной работы в широком диапазоне температур (T). Исследование влияния T на различные характеристики линий передачи, а также использование полученной информации на этапе проектирования позволяют оценить изменения этих характеристик и их критичность для функционирования РЭА [1-4]. В РЭА часто используются микрополосковые линии (МПЛ) и их модификации [5-7]. В этой связи ранее авторами исследовано влияние температуры на характеристики МПЛ с заземленными проводниками сверху [8]. Между тем такие МПЛ могут обладать свойствами модального фильтра (МФ) для защиты от различных кондуктивных воздействий, например сверхкороткого импульса (СКИ), за счет его модального разложения на последовательность импульсов меньшей амплитуды [9-12]. В общем случае это происходит за счет различия задержек распространения импульсов мод поперечных волн в отрезке многопроводной линии передачи. Такое различие возможно при неоднородном (в поперечном сечении) диэлектрическом заполнении линии. В результате модального разложения, в частности за счет уменьшения результирующей амплитуды напряжения на выходе МФ, опасность воздействия СКИ на компоненты РЭА, подключенные к выходу МФ, может значительно уменьшиться. Однако изменение температуры может повлиять на эффективность проявления свойств МФ у МПЛ, а значит, ее защитных свойств. В целях получения новых оригинальных результатов в данном контексте применения МПЛ очень важно проанализировать искажения формы временного отклика таких МФ при изменении T. Цель данной работы - оценить влияние температуры на временной отклик модального фильтра на основе МПЛ с двумя боковыми проводниками, заземленными на обоих концах. Использовались два подхода: измерения макета МФ и его квазистатическое моделирование в системе TALGAT [13]. Поперечное сечение изготовленного макета МФ представлено на рис. 1, а. Его параметры: t = 105 мкм, w = 0.45 мм, w1 = 0.2 мм, h = 0.5 мм, d = 1 мм, s = 0.45 мм, εr = 4.7, tg δ = 0.03, l = 328 мм. Материал макета СТФ-2-105-0.5. Общие размеры макета 100×100 мм. На рис. 1, б и в представлены фото верхнего и нижнего слоев макета. Для уменьшения длины макета он согнут в меандр. Связь между полувитками меандра очень слабая, поскольку расстояние между ними 10 мм. МФ соединялся с измерительным оборудованием SMA-соединителями. Моделирование выполнено при T = -50, 25 и 150 °С с помощью температурной модели, представленной в работе [14]. Температурный коэффициент линейного расширения меди принят 17⋅10-6 К-1, а диэлектрической основы макета по осям Z и Y - 70⋅10-6 и 17⋅10-6 К-1 соответственно [15]. Для материала СТФ-2-105-0.5 с εr = 4.7 температурный коэффициент принят 8.33⋅10-4 К-1. Рис. 1. Поперечное сечение (а), фото верхнего (б) и нижнего (в) слоев макета МФ Моделировалась принципиальная электрическая схема, представленная на рис. 2, а, где сигнальный проводник соединен с источником СКИ, представленным на схеме идеальным источником ЭДС E и внутренним сопротивлением R1. На другом конце проводник соединен с R2. Параметры схемы: длина линии l = 328 мм, внутренние сопротивления источника СКИ и нагрузки R1 = R2 = 50 Ом. В качестве СКИ при моделировании и измерении принят трапециевидный импульс с амплитудой ЭДС 1 В и временами нарастания, плоской вершины и спада по 40 пс (рис. 2, б). Рис. 2. Принципиальная электрическая схема (а) и форма воздействующей ЭДС (б) Измерения выполнены однократно при изменении температуры от -50 до 150 °С с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ) R&S ZVA 40 (погрешности измерения модуля коэффициентов передачи и отражения (S-параметры) составляют 0.1-1.0 и 0.4-3 дБ соответственно в зависимости от частоты и значения) при размещении макета в климатической (испытательной) камере тепла-холода ESPEC SU-262 (колебания температуры: ±0.3 °С (-60 ... +100 °С); ±0.5 °C (101.1- 150 °C)). ВАЦ соединялся c SMA-соединителями измерительными кабелями R&S ZV-Z195 и Semflex 60637. Затем измеренные частотные зависимости S-параметров были преобразованы во временные отклики в Advanced Design System. Таким образом, погрешности измерения S-параметров определяют точность моделирования временных откликов. На рис. 3 представлены результаты моделирования и измерения при T = -50, 25, 150 °С. Видно, что СКИ раскладывается на 2 импульса. С увеличением температуры задержки импульсов увеличиваются как при моделировании, так и при измерении, а амплитуды импульсов уменьшаются. Из результатов моделирования без учета изменения потерь (рис. 3, а) видно, что амплитуды импульсов значительно отличаются от измеренных. Так как известно, что с увеличением T возрастают потери, то дополнительно проведено тестовое моделирование с учетом изменения потерь в диэлектрике в 2 раза при T = -50, 150 °С (рис. 3, б). Видно, что амплитуды импульсов уменьшились так же, как и при измерении, поскольку потери влияют на дисперсию. Рис. 3. Формы напряжения на выходе макета МФ, полученные при моделировании без учета (а) и с учетом (б) изменения потерь в диэлектрике и измерении (в) для T = -50 (- -), 25 (--), 150 °С (• •) Выполнена количественная оценка отклонений задержки и амплитуды напряжения импульса 1 (таблица). Она показала хорошую согласованность результатов моделирования и измерения, а также малое влияние температуры на задержку (модуль отклонения около 1%) и значительное влияние на амплитуду (модуль отклонения 21-36%). Относительные отклонения (от T = 25 °С) задержек и амплитуд напряжения импульса 1 Результат T, °С Δt, % ΔU, % Моделирование с учетом изменения потерь - 50 -0.57 21.42 150 1.15 -35.71 Измерение - 50 -1.12 26.67 150 1.12 -33.33 Для более ясного сравнения результатов моделирования и измерения они представлены отдельно для T = -50, 25, 150 °С на рис. 4. Видна хорошая согласованность результатов для учета изменения потерь и измерений по задержкам импульса 1 (±3.55% при T = -50 °С, ±1.72% при T = 25 °С и ±2.84% при T = 150 °С). Моделирование с учетом изменения потерь в 2 раза для T = = -50 и 150 °С показало, что амплитуды импульсов совпали с измеренными. Рис. 4. Формы напряжения на выходе макета МФ, полученные при моделировании без учета (- -) и с учетом (• •) изменения потерь и измерении (--) для T = -50 (а), 25 (б), 150 °С (в) Таким образом, в работе представлена оценка влияния температуры на временной отклик МФ на основе МПЛ с двумя боковыми проводниками, заземленными на концах. Оценка выполнена по результатам квазистатического моделирования с учетом температурной модели в системе TALGAT и измерения изготовленного макета МФ с помощью камеры тепла-холода ESPEC SU-262. Представлены результаты моделирования без учета потерь, с учетом потерь и измерения при температурах -50, 25 и 150 °С. Выполнена количественная оценка отклонений задержки и амплитуды напряжения, показавшая согласованность результатов моделирования и измерения. Результаты работы могут быть полезны для проектирования помехозащитных линий передачи на печатных платах, используемых при разных климатических условиях.

Скачать электронную версию публикации