Электромагнитная совместимость: модальные технологии

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Томский государственный университет 
систем управления и радиоэлектроники 
 
 
 
 
 
 
 

А.М. Заболоцкий, Т.Р. Газизов  
 
 
 
 
 
 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ: 

МОДАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
 
 
 

Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство ТУСУРа 
2018

УДК 621.391.823:621.396.6(075.8) 
ББК 32.811.7я73 
 
З-125 
 
Рецензенты: 
Майстренко В.А., д-р техн. наук 
Дмитренко А.Г., д-р физ.-мат. наук 
 
 
 
 
 
 
 
 

Издательство осуществлено при финансовой поддержке 

Министерства образования и науки Российской Федерации 

(проект RFMEFI57417X0172) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Заболоцкий, Александр Михайлович 

З-125  
Электромагнитная совместимость: модальные технологии : 

учеб. пособие / А.М. Заболоцкий, Т.Р. Газизов. – Томск: Изд-во 
Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2018. – 132 с. 

ISBN 978-5-86889-799-3  
Рассматривается актуальная проблема электромагнитной совместимости 
радиоэлектронной аппаратуры. Для решения этой проблемы предлагается использовать модальные технологии. Материал учебного пособия основан на результатах научных исследований авторов.  
Для магистрантов и аспирантов, специализирующихся в области электромагнитной совместимости. 
УДК 621.391.823:621.396.6(075.8) 
ББК  32.811.7я73 
 

 
 
ISBN 978-5-86889-799-3 
 Заболоцкий А.М., Газизов Т.Р., 2018 

 
 Томск. гос. ун-т систем упр.  

 
 
и радиоэлектроники, 2018 

– 3 – 

Оглавление 
 
Список сокращений ......................................................................................... 4 
Введение ........................................................................................................... 5 
1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ 
РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ: ОБЗОР ................................. 8 
2. МОДАЛЬНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ В СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ ................. 11 
3. ТЕХНОЛОГИЯ МОДАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ................................... 31 
3.1. Разложение импульса в связанных линиях ...................................... 31 
3.2. Модальная фильтрация в печатных платах ..................................... 34 
3.3. Модальная фильтрация в кабелях ..................................................... 46 
Контрольные вопросы ............................................................................... 62 
4. ТЕХНОЛОГИЯ МОДАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ 
И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСА ............... 63 
4.1. Модальное разложение и последующее восстановление 
импульса в печатных платах .................................................................... 63 
4.2. Модальное разложение и последующее восстановление 
сигнала в кабелях ....................................................................................... 66 
Контрольные вопросы ............................................................................... 78 
5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОМЕХОЗАЩИТЫ 
РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ............................................. 79 
5.1. Модальный фильтр с боковой связью .............................................. 79 
5.2. Временные и частотные отклики модального фильтра  
с боковой связью ........................................................................................ 85 
5.3. Мощности рассеяния в модальном фильтре с боковой связью ..... 91 
5.4. Временной отклик модального фильтра  с TVS-сборкой .............. 97 
5.5. Макеты модальных фильтров с боковой связью ........................... 100 
5.6. Экспериментальные исследования модальных фильтров  
с боковой связью ...................................................................................... 104 
5.7. Модальный фильтр с лицевой связью ............................................ 113 
Контрольные вопросы ............................................................................. 125 
Заключение ................................................................................................... 126 
Литература .................................................................................................... 128 
 
 
 

– 4 – 

Список сокращений 
 
ДПП – двухсторонняя печатная плата 
ИС – интегральная схема 
МИС – монолитная интегральная схема 
МПЛ – микрополосковая линия 
МПЛП – многопроводная линия передачи 
МПП – многослойная печатная плата 
МФ – модальный фильтр 
ОПЛ – обращенная полосковая линия 
ППЛ – подвешенная полосковая линия 
ПТМП – помехозащищенная теплопроводная монтажная плата 
РЭА – радиоэлектронная аппаратура 
СКИ – сверхкороткий импульс 
СТФ – стеклотекстолит фольгированный 
ЦП – целостность питания 
ЦС – целостность сигнала 
ЭМП – электромагнитная помеха 
ЭМС – электромагнитная совместимость  
 

– 5 – 

Введение 
 
Массовое 
проникновение 
радиоэлектронной 
аппаратуры 
(РЭА) в самые различные сферы общества, а особенно в управление критичными системами в военной, атомной, транспортной и 
космической отраслях, сделало общество сильно зависящим от 
устройств радиоэлектронной техники. Эта зависимость особенно 
опасна из-за уязвимости аппаратуры к воздействию электромагнитных помех, поскольку их уровни непрерывно возрастают 
(с ростом плотности размещения, компоновки и трассировки, 
а также частот воздействия), а уровни восприимчивости компонентов РЭА снижаются (с уменьшением запаса помехоустойчивости из-за снижения напряжения питания интегральных схем). Всё 
чаще выявляются ситуации, когда из-за этой зависимости удовлетворительное функционирование РЭА невозможно, что для критичных систем совершенно недопустимо, поскольку связано с 
риском больших материальных потерь, человеческих жертв и даже катастроф. Поэтому при разработке РЭА проблема помехоустойчивости1, рассматриваемая в электромагнитной совместимости (ЭМС), является актуальной. 
По данной проблеме ведутся активные исследования, причем 
в разных секторах (академическом, университетском, отраслевом) 
инженерных наук, известными школами, которыми руководят 
В.Е. Фортов (Россия, РАН), Л.Н. Кечиев (Россия, ВШЭ-МГИЭМ), 
С.А. Сухоруков (Россия, производство), J.L. ter Haseborg (Германия, Гамбургский технологический университет), W. Radasky 
(США, корпорация МЭК). Вопросы ЭМС печатных узлов и стойкости полупроводниковых компонентов к воздействию электростатических разрядов, эффективности экранирования, разработки 
схем и методов защиты от электромагнитных воздействий отражены в работах Б.Б. Акбашева, Н.В. Балюка, В.Ю. Кирилова, 
С.Ф. Чермошенцева. Исследования по оценке устойчивости  
цифровых вычислительных комплексов к воздействию электромагнитных полей и разработке методов и средств оценки влияния 

                                                 
1 Помехоустойчивость технического средства, устойчивость технического средства к 
ЭМП (immunity to a disturbance) – cпособность технического средства сохранять  
заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров (ГОСТ P 50397-2011 (МЭК 60050161:1990)). 

– 6 – 

электромагнитных импульсов отражены в работах Ю.В. Парфенова, Л.О. Мыровой, С.А. Сухорукова.  
Безопасность критичной инфраструктуры очень важна для 
общества, потому что ее неадекватное функционирование может 
привести к значительным потерям. Кроме того, преднамеренные 
электромагнитные силовые воздействия на электронную и радиоэлектронную аппаратуру могут вызвать ее сбой или неисправность. Особенно опасно воздействие сверхкороткого импульса 
(СКИ), так как существующие сетевые фильтры не защищают  
от него. Известно несколько промышленных устройств, защищающих от СКИ, но они имеют большие габариты и высокую 
стоимость. Таким образом, в настоящее время нет эффективной 
защиты против СКИ. Однако возрастание роли РЭА в функционировании важнейших объектов инфраструктуры делает эту защиту 
необходимой. Кроме того, увеличение срока активного существования космических аппаратов до 15 лет требует значительно завышенного запаса помехоустойчивости, поскольку за этот срок 
нежелательные электромагнитные воздействия могут возрасти до 
столь высоких уровней и частот, которые трудно даже спрогнозировать. Поэтому особенно актуально создание более совершенных 
пассивных методов защиты космических аппаратов путем улучшения их технологии и использования новых концептуальных 
принципов. 
Авторы настоящего учебного пособия предложили решить 
данную проблему за счет выявления новых закономерностей и 
связей в печатных структурах и кабелях. Детальное исследование 
модальных явлений (обусловленных разностью задержек мод поперечных волн в многопроводной линии передачи) в печатных 
структурах и кабелях позволило выявить скрытые возможности 
совершенствования ЭМС и сформулировать новые принципы радиационно-стойкой помехозащиты. 
В разделе 1 выполнен обзор исследований и решений по 
обеспечению помехоустойчивости РЭА. В разделе 2 представлен 
материал о модальных искажениях в связанных линиях. В разделе 3 расматривается технология модальной фильтрации. В разделе 4 рассматривается технология модального разложения и по- 
следующего восстановления импульса. В разделе 5 представлены 
устройства для помехозащиты РЭА.  

– 7 – 

Учебное пособие предназначено для магистрантов и аспи- 
рантов, специализирующихся в области электромагнитной совместимости. 
Отзывы 
можно 
направить 
по 
адресу 
zabolotsky_am@mail.ru. 

 
 

– 8 – 

1. Обеспечение помехоустойчивости 
радиоэлектронной аппаратуры: обзор 
 
Основные устройства защиты сети электропитания, предлагаемые ЗАО «ЭМСОТЕХ»: суперфильтр; трансфильтр; трансформаторная подстанция; корректор напряжения; помехозащищенный 
щит питания компьютеров; фильтр подавления помех и перенапряжений для источников электропитания. Примечательно, что в 
2014 г. компания представила пилотный образец фильтра подавления сверхширокополосных импульсов ФСШПИ-6,3А в сети постоянного или переменного тока до 6,3 А с максимальным рабочим напряжением в цепи «провод – провод» 380 В (рисунок 1.1) 
[1]. Он предназначен для защиты линий электропитания от высоковольтных сверхширокополосных импульсов субнаносекундной 
длительности.  
 

 
Рисунок 1.1 – Внешний вид фильтра подавления  
сверхширокополосных импульсов  
производства ЗАО «ЭМСОТЕХ» 
 
В [2] рассмотрена проблема помехоустойчивости и инфор- 
мационной безопасности вычислительной техники при кондуктивных воздействиях по сети электропитания. Авторы представили результаты экспериментальных исследований, показавшие, что 
применение широко распространенных внешних устройств защиты, таких как сетевые фильтры и источники бесперебойного питания, не дает существенного ослабления электромагнитных  
помех при импульсном воздействии по сети электропитания, причем чем короче длительность импульса, тем меньшее ослабление 

– 9 – 

он испытывает. Предлагаются технические решения, направленные на повышение помехоустойчивости при электромагнитных 
воздействиях по сети электропитания как на уровне вычислительной техники, так и на уровне внешних устройств ее защиты.  
Показано, что применение комбинации известных и новых технических устройств позволяет повысить помехоустойчивость вычислительной техники, тем не менее, при уменьшении длительности помехового импульса эффективность предложенных авторами 
решений также снижается.  
Современные решения по конструированию помехозащитных 
фильтров предложены в [3]. Не теряет своей актуальности работа 
[4], весьма полезная для системного подхода к решению задач  
помехозащиты аппаратуры. Примечательна также книга по за- 
землению [5], изучение которой представляется полезным для  
понимания не только принципов, но и нюансов грамотного про- 
ектирования системы схемной, силовой и корпусной земель.  
Фундаментальные основы целостности сигнала изложены в [6], 
а системный подход к анализу целостности сигнала (ЦС) при проек-тировании высокоскоростной аппаратуры – в [7]. Теоретические основы линий передачи, используемые для анализа ЦС при 
конструировании цифровых и аналоговых электронных систем, 
представлены в [8, 9]. В [10] рассмотрено электрическое моделирование и проектирование 3D интегральных схем (ИС). Для учета 
специфических вопросов ЭМС ИС полезна книга [11]. Авторы 
[12] делают акцент на особенностях топологии ИС, позволяющих 
уменьшить влияние паразитных эффектов, а также освещают вопросы защиты цепей ИС. 
Безусловным лидером по публикациям результатов самых новых в мире исследований в области ЭМС был и остаетcя журнал 
IEEE Transactions on EMC, в отдельных статьях которого много 
ценных сведений, применимых для создания технологии помехозащиты критичной РЭА, например по исследованию фильтра 
электромагнитных помех с экстракцией паразитных элементов 
каждого из его компонентов [13] или экстракции частотной зависимости параметров материалов [14]. Кроме отдельных статей в 
текущих номерах, примечательны его тематические выпуски, из 
которых выделяются посвященные аэрокосмической ЭМС [15], 

– 10 – 

целостности питания и ЭМС на уровне печатных плат [16], применению нанотехнологий в ЭМС (нано-ЭМС) [17]. 
Активно развиваются технологии разработки фильтров, интегрированных в структуру печатных плат. Ярким примером является конструкция фильтра, совмещающего в себе фильтр синфазной моды и корректор (equalizer) дифференциальной моды [18]. 
Также примечательны конструкции интегрированных планарных 
фильтров синфазной моды [19–22]. Исследуются паразитные и 
взаимные связи в фильтрах [23], экстракция магнитных параметров элементов планарных фильтров [24]. В [25] представлены методы расчета первичных параметров полосковых связанных линий, рассмотрено применение связанных линий для создания 
корректоров ФЧХ, изложены основы анализа и проектирования 
таких устройств. Устройства фазовой обработки сигналов с использованием цепей с распределенными параметрами отражены в 
работах как отечественных, так и зарубежных исследователей 
[26–30]. Варианты неотражающих фильтров (поглощающего типа) рассмотрены в работах [31–35].  
 

– 11 – 

2. Модальные искажения в связанных линиях 
 
Различие в скоростях распространения синфазной и дифференциальной мод в связанных линиях вызывает «расщепление» 
сигнала в активном и соответственно в пассивном проводниках на 
«быструю» и «медленную» составляющие, что приводит к искажению сигнала [36]. Такие искажения в связанных линиях обусловлены различием задержек распространения мод. Далее они 
будут называться модальными искажениями и рассматриваться 
в «чистом» виде (в отсутствие других искажений) в зависимости 
от числа связанных линий и их параметров [37–39]. 
Рассмотрим влияние модальных искажений на форму импульсного сигнала в активном проводнике микрополосковой линии. Структура микрополосковой линии (МПЛ) с покрывающим 
диэлектрическим слоем представлена на рисунке 2.1, где t и w – 
толщина и ширина проводников соответственно, s – расстояние 
между ними, d – расстояние от проводника до края структуры, 
h1 – толщина подложки, h2 – толщина диэлектрического слоя.  
 
 

  r  1 =   3 

  r  2 =   5 

h    1 

h    2 
4 
3
2
1 

w 
w 
w 
w
s 
s 
s 
d 
d 
t 
t 
t 
t 

 
Рисунок 2.1 – Поперечное сечение многопроводной  
микрополосковой линии с покрывающим диэлектрическим слоем 
 
Во всех вариантах параметры структуры таковы, что t/w=0,05; 
d/w=1; s/w=1; h1/w=0,5, а относительная толщина подложки 
h2/w = 0; 0,1; 0,15; …; 1. Относительная диэлектрическая проницаемость подложки 
1
r = 3, покрывающего слоя 
2
r
= 5. Потери и 
дисперсия не учитываются, а к концу каждого проводника подключаются резисторы с сопротивлением, равным соответствующим диагональным элементам матрицы импедансов (т.е. на конце 
линий обеспечивается псевдосогласование). 
Формы сигналов в конце активного проводника (проводник 1) 
для двух, трех и четырех (N = 2, 3, 4) связанных микрополосковых 
линий представлены в таблицах 2.1 и 2.2. Они получены при