Сравнение измеренных частотных характеристик печатных плат с модальным резервированием до и после отказа при разных температурах

Введение. Модальное резервирование (МР) – новый способ резервирования электрических цепей за счет сильной электромагнитной связи между их проводниками, не только повышающий надежность, но и обеспечивающий электромагнитную совместимость. MР может быть полезным для критически важных радиоэлектронных устройств, например космических аппаратов, которые должны работать не только стабильно и непрерывно, но и при экстремальных температурах. Между тем до сих пор МР исследовалось только при комнатной температуре, без учета климатических условий.
Цель работы. Представление результатов экспериментального исследования частотных характеристик печатных плат с МР при низкой и высокой температурах для оценки эффективности МР до и после отказов.
Материалы и методы. В НПЦ "Полюс" (г. Томск) изготовлены макеты печатных плат (ПП) из отечественного материала марки СТФ, содержащие микрополосковую линию без МР и с его применением, имитирующие работу без отказов и с отказами двух видов. С помощью векторного анализатора цепей исследовались частотные зависимости S-параметров макетов при изменении температуры в климатической камере тепла-холода от –50 до 150 °С. Измерялись коэффициенты передачи и отражения в обоих направлениях распространения сигналов.
Результаты. Показано, что в рабочей цепи печатных плат с МР при повышении температуры от комнатной до 150 °С все S-параметры увеличиваются максимально до 2 дБ при отсутствии отказов и до 29 дБ при их наличии. При снижении температуры до –50 °С эти параметры увеличиваются максимально до 0.8 дБ при отсутствии отказов и до 23 дБ при их наличии. При низкой температуре наблюдается повышение резонансных частот до 500 МГц, а при высокой – их снижение. Выявлено, что почти во всем исследуемом диапазоне частот параметры 12 S и 21 S для печатных плат с МР до 1.2 дБ меньше, чем без МР, а после отказов до 0.5 дБ меньше, чем до отказов. Параметры 11 S и 22 S после отказа типа короткого замыкания в среднем на 5 дБ меньше, чем до отказа и без МР, а после отказа типа холостого хода – на 4 дБ выше.
Заключение. Показано, что эффект МР сохраняется после отказа, почти не влияя на полезный сигнал, за исключением высоких температур, при которых диапазон рабочих частот полезного сигнала может значительно уменьшиться. В перспективе целесообразно уменьшение чувствительности характеристик к изменению температуры за счет выбора других материалов ПП, а также исследование излучаемых эмиссий от печатных плат с МР до и после отказов при влиянии климатических условий.

1. Gazizov T. R., Zabolotsky A. M. New Approach to EMC Protection // 18th Intern. Zurich Symp. on Electromagnetic Compatibility. Munich, Germany, 24–28 Sept. 2007. P. 273–276. doi:10.1109/EMCZUR.2007.4388248

2. Medvedev A. V. Studying the Propagation of an Ultrashort Pulses in a Cable Attached to a PCB System with Modal Reservation // IEEE Intern. Conf. of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Souzga, Russia, 30 June – 04 July 2021. P. 167–170. doi:10.1109/EDM52169.2021.9507706

3. Gazizov A. T., Zabolotsky A. M., Gazizov T. R. UWB Pulse Decomposition in Simple Printed Structures // IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility. 2016. Vol. EC-58, iss. 4. P. 1136–1142. doi:10.1109/TEMC.2016.2548783.

4. Шарафутдинов В. Р., Газизов Т. Р. Анализ способов резервирования на основе модальной фильтрации // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 3. С. 117–144. doi:10.24411/2410-9916-2019-10307

5. Paul C. R. Introduction to Electromagnetic Compatibility. Wiley Interscience, 2006. 1013 p.

6. Денисенко В. В. Аппаратное резервирование в промышленной автоматизации. Ч. 1 // Современные технологии автоматизации. 2008. № 2. С. 90–99. URL: https://www.cta.ru/cms/f/369991.pdf (дата обращения 06.01.2023)

7. Денисенко В. В. Аппаратное резервирование в промышленной автоматизации. Ч. 2 // Современные технологии автоматизации. 2008. № 3. С. 94–98. URL: https://www.cta.ru/cms/f/373347.pdf (дата обращения 06.01.2023)

8. Kapur K. C., Pecht M. Reliability engineering. John Wiley & Sons, 2014. 514 p.

9. Gizatullin Z. M., Gizatullin R. M. Investigation of the Immunity of Computer Equipment to the Power-Line Electromagnetic Interference // J. of Communications Technology and Electronics. 2016. Vol. 61, № 5. P. 546–550. doi:10.1134/S1064226916050053

10. Patel M. R. Spacecraft Power Systems. CRC Press, 2005. 691 p.

11. Using N-Norms for Analyzing Symmetric Protective Electrical Circuits with Triple Modal Reservation / Y. S. Zhechev, A. V. Zhecheva, A. A. Kvasnikov, A. M. Zabolotsky // Symmetry. 2021. Vol. 13, № 12. P. 2390. doi:10.3390/sym13122390

12. Medvedev A. V., Sharafutdinov V. R. Using modal reservation for ultrashort pulse attenuation after failure // IEEE Intern. Multi-Conf. on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), Novosibirsk, Russia, 21–27 Oct. 2019. P. 293–296. doi:10.1109/SIBIRCON48586.2019.8958018

13. Medvedev A. V., Zhechev Y. S. Analysis of Frequency Characteristics of a Structure with Single Modal Reservation Before and After Failure // IOP Conf. Ser.: Material Science and Engineering. 2020. Vol. 862, № 022037. P. 1–6. doi:10.1088/1757-899x/862/2/022037

14. Demakov A. V., Komnatnov M. E. TEM Cell for Testing Low-Profile Integrated Circuits for EMC // Intern. Conf. of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Chemal, Russia, 29 June – 03 Jul. 2020. P. 154–158. doi:10.1109/EDM49804.2020.9153508