Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Заболоцкий, Александр Михайлович

• Заболоцкий, Александр Михайлович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) на тему «Способы совершенствования передачи импульсных сигналов в межсоединениях элементов и устройств вычислительной техники и систем управления»

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.

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 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.

В исследованиях использовались: компьютерное и экспериментальное моделирование, квазистатический подход, модальный анализ, метод моментов.

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.

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 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.

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 ТАЬОАТ использовался для оценки паразитных электромагнитных эффектов в печатных платах и в кабелях аппаратуры, разрабатываемой в НПЦ «Полюс». -Приложение 1.

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.) - Приложение 2.

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.

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. — Приложение 7.

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.

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 - Приложения 9-12.

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.

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 149 наим., 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.

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 диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Заболоцкий, Александр Михайлович

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.

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Заболоцкий, Александр Михайлович, 2010 год

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.