Синфазные волны в ультразвуковой дефектоскопии: применение и особенности

Что такое синфазные волны. Как применяются синфазные антенные решетки в ультразвуковой дефектоскопии бетона. Какие преимущества дает использование синфазных решеток. Каковы особенности конструкции и работы синфазных антенных решеток.

Что такое синфазные волны и где они применяются

Синфазные волны — это волны, колеблющиеся в одной фазе. В ультразвуковой дефектоскопии синфазные волны используются в антенных решетках для контроля бетонных и других конструкций.

Основные области применения синфазных волн в ультразвуковом контроле:

• Дефектоскопия бетонных конструкций
• Измерение толщины изделий
• Поиск дефектов и неоднородностей в материалах
• Визуализация внутренней структуры объектов контроля

Синфазные антенные решетки позволяют повысить чувствительность и разрешающую способность ультразвукового контроля по сравнению с одиночными преобразователями.

Принцип работы синфазных антенных решеток

Синфазная антенная решетка состоит из множества отдельных ультразвуковых преобразователей, работающих синхронно. Основные принципы её работы:

• Все элементы решетки возбуждаются и принимают сигналы одновременно
• Сигналы от всех элементов суммируются, что повышает чувствительность
• За счет интерференции формируется узконаправленный ультразвуковой пучок
• Управляя задержками сигналов можно перемещать и фокусировать луч

Какие преимущества дает использование синфазных решеток в ультразвуковом контроле? Они позволяют:

• Повысить чувствительность контроля
• Улучшить разрешающую способность
• Обеспечить электронное сканирование и фокусировку
• Получать двумерные и трехмерные изображения дефектов

Особенности конструкции синфазных антенных решеток

При разработке синфазных антенных решеток для ультразвукового контроля бетона необходимо учитывать следующие особенности:

• Большое количество элементов (до нескольких десятков)
• Малый размер отдельных преобразователей
• Акустическая и электрическая развязка элементов
• Согласование с поверхностью контролируемого объекта
• Подпружинивание элементов для лучшего контакта

Также важно обеспечить параллельное соединение элементов для синфазного возбуждения и приема. Это позволяет упростить электронику прибора.

Применение синфазных решеток для контроля бетона

Ультразвуковая дефектоскопия бетона с помощью синфазных антенных решеток позволяет решать следующие задачи:

• Поиск внутренних дефектов и неоднородностей
• Обнаружение пустот, трещин, расслоений
• Измерение толщины бетонных конструкций
• Оценка прочности и однородности бетона
• Контроль арматуры и закладных деталей

По сравнению с традиционными методами, синфазные решетки обеспечивают более высокую производительность контроля больших площадей бетонных сооружений.

Преимущества синфазных решеток перед другими методами

Использование синфазных антенных решеток в ультразвуковой дефектоскопии бетона дает ряд важных преимуществ:

• Повышение чувствительности контроля за счет суммирования сигналов
• Улучшение разрешающей способности и точности измерений
• Возможность электронного сканирования без механического перемещения
• Получение двумерных и трехмерных изображений внутренней структуры
• Высокая производительность контроля больших площадей
• Возможность работы на шероховатых поверхностях

Эти преимущества делают синфазные решетки эффективным инструментом для неразрушающего контроля бетонных конструкций.

Ограничения и недостатки синфазных антенных решеток

Несмотря на все преимущества, синфазные решетки имеют некоторые ограничения:

• Сложность и высокая стоимость оборудования
• Необходимость специальной подготовки операторов
• Трудности интерпретации результатов контроля
• Ограниченная глубина прозвучивания в бетоне
• Сложность обнаружения вертикальных трещин

Какие факторы влияют на эффективность контроля бетона с помощью синфазных решеток? Основные из них:

• Качество акустического контакта с поверхностью
• Состояние поверхности бетона (шероховатость, наличие покрытий)
• Структура и однородность бетона
• Наличие арматуры и других металлических включений

Перспективы развития синфазных антенных решеток

Основные направления совершенствования синфазных решеток для ультразвукового контроля бетона:

• Увеличение количества элементов для повышения разрешения
• Применение новых пьезоматериалов с улучшенными характеристиками
• Разработка алгоритмов обработки сигналов и визуализации
• Создание портативных приборов с автономным питанием
• Интеграция с другими методами неразрушающего контроля

Эти усовершенствования позволят расширить возможности и повысить эффективность ультразвукового контроля бетонных конструкций с помощью синфазных антенных решеток.

Акустические Контрольные Системы — Синфазные антенные решетки в ультразвуковой дефектоскопии бетона

Авторы: Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Самокрутов А.А.

Широкое применение эхо-метода в ультразвуковой дефектоскопии бетонных конструкций несмотря на растущие требования практики и достигнутые в последнее время успехи сдерживается значительной сложностью электроакустической части дефектоскопической аппаратуры. Высокий уровень структурного шума бетона, слабая направленность ультразвуковых преобразователей, плохой акустический контакт их с бетоном при использовании обычных контактных смазок заставляют использовать в такой аппаратуре многоэлементные антенные решётки с синтезированной фокусировкой [1: 2]. Проблема акустического контакта в них решена применением элементов с точечным контактом, не нуждающихся в контактных жидкостях. В результате разрешающая способность аппаратуры и минимальные размеры обнаруживаемого локального дефекта не превышают длины волны ультразвука в бетоне.

Такие, в частности, характеристики достигнуты с помощью управляемой от компьютера 36-элементной антенной решётки, каждый элемент которой снабжён собственным генератором зондирующих импульсов и предварительным усилителем.

Если поставить задачу обнаружения дефектов порядка 2 — 3 длин волн или протяжённых дефектов, то есть силовой арматуры, коммуникаций или, наконец, задачу измерения толщины конструкций, а такие случаи чаще всего и встречаются на практике, то антенную систему можно существенно упростить.

Рис. 1. Схема антенной решетки эхо — импульсного прибора для контроля бетона

Синфазное возбуждение всех элементов решётки и синфазный приём ими сигналов можно осуществить простым параллельным соединением всех элементов между собой. В результате необходимость в поочерёдном возбуждении элементов и таком же переключении элементов на приём отпадёт. Вместо многоканального приёмно-передающего устройства понадобится один генератор и один приёмный тракт. Антенная решётка может быть выполнена без встроенных генераторов и усилителей сигналов в каждом элементе, так как уровень принятого сигнала на выходе решётки будет существенно выше уровня собственных шумов и помех приёмного тракта, в отличие от случая решётки с переключаемыми элементами. Все реализации сигналов, которые в аппаратуре с синтезируемой фокусировкой, обрабатывались поочерёдно [3], в данном случае будут обрабатываться одновременно.

Шаг расположения элементов решётки и размеры её апертуры следует выбирать исходя из радиуса корреляции структурного шума бетона и требуемой чувствительности в дальней зоне, то есть точно также, как для решётки с синтезируемой фокусировкой [1: 2]. Однако организация излучения и приёма сигналов элементами решётки может быть выполнена двумя способами: первый — все элементы излучают и затем принимают сигналы, второй — половина элементов излучает, а другая половина принимает. В первом случае решётку естественно назвать совмещённой, во втором — раздельно-совмещённой (РС), по аналогии с ультразвуковыми преобразователями.

Не равное количество излучателей и приёмников в РС решётке использовать не следует по причине худших характеристик обнаружения. В частности, потенциальное увеличение отношения сигнал/шум (структурный шум) по сравнению с парой излучатель — приёмник, равное произведению количества излучающих элементов на количество приёмных в РС решётке, при равенстве числа излучателей и приёмников будет наибольшим.

Рис. 2. Антенная решетка ультразвукового дефектоскопа А1220.

Преимущества РС решётки перед совмещённой с одинаковым общим количеством элементов состоят в следующем. РС решётка кроме основного даёт также сигнал, вызванный прохождением ультразвуковых импульсов вдоль поверхности бетона от излучателей к приёмникам. Этот сигнал можно использовать для измерения скорости ультразвука в объекте контроля. Кроме того, РС решётка обладает существенно меньшей мёртвой зоной, определяемой в основном помехами от волн Рэлея, которые распространяются между излучателями и приёмниками. Из-за большого различия путей прохождения этих волн помехи от них распределены в относительно небольшом интервале времени и их амплитуды превышают структурный шум бетона всего в 3 — 4 раза. У совмещённой решётки мёртвая зона определяется скоростью затухания собственных колебаний пьезоэлементов после их возбуждения. Несмотря на хорошее демпфирование пьезоэлементов их собственные колебания затухают до уровня соизмеримого со структурным шумом в бетоне к моменту, соответствующему приёму эхо-сигналов с глубин порядка 500 — 700 мм. У РС решётки мёртвая зона почти на порядок меньше.

Недостаток РС решётки по сравнению с совмещённой — это меньшее на 3 дБ отношение сигнала к структурному шуму в дальней зоне. Это отношение у совмещённой решётки, как и у решётки с синтезируемой фокусировкой определяется половиной квадрата количества элементов [1], а у РС решётки, как не трудно видеть, определяется произведением половин от общего количества элементов, что равно только четверти квадрата количества элементов.

Следует заметить, что если в дефектоскопе выполнять зондирование дважды в каждой точке расположения антенной решётки на объекте контроля и от каждой принятой реализации сигналов использовать ту часть, которая имеет лучшее отношение сигнал/шум, то достоинства обоих типов решёток можно объединить. Для этого путём стробирования нужно к начальному временному интервалу реализации сигналов РС решётки, соответствующему глубинам до 700 мм, «подшить» часть реализации, соответствующей глубинам более 700 мм и принятой после второго зондирования с электрически соединёнными между собой группами излучающих и приёмных элементов. Для такого соединения нужен, естественно, электронный ключ.

Рис. 3. Осцилограмма эхо — сигналов, принятых антенной решеткой дефектоскопа А1220 при контроле плиты из капролона толщиной 106 мм.

Практическое воплощение приведённых выше рассуждений можно проиллюстрировать на разработанном авторами и выпускаемом в настоящее время ультразвуковом дефектоскопе А1220 для контроля бетонных конструкций. Он состоит из 24-элементной РС антенной решётки и электронного блока с графическим экраном. Вид решётки приведён на рис. 2. Все элементы акустически развязаны друг от друга и имеют мягкий подпружиненный подвес, обеспечивающий контроль бетона с неровностями поверхности до 8 мм. Элементы разделены на одинаковые группы излучателей и приёмников, представляющие собой матрицы из 4x 3 элементов. Элементы в каждой группе соединены параллельно и подключены с стандартному коаксиальному разъёму. Любая из групп элементов может быть излучающей или приёмной.

На рис. 3 представлена осциллограмма сигнала на выходе приёмного тракта дефектоскопа А1220 при установке антенной решётки на капролоновую плиту толщиной 106 мм. Капролон не создаёт структурных помех, что даёт возможность оценить характер реальных сигналов антенной решётки. На этой осциллограмме хорошо видны первый и второй донные сигналы в плите. Они находятся в моменты времени около 200 и 380 мкс, соответственно. Несколько периодов колебаний в интервале времени от 25 до 120 мкс представляют собой сумму сигналов от поверхностных волн в плите, распространяющихся от излучающих элементов решётки к приёмным.

Рис. 4. Изображение с экрана дефектоскопа А1220: слева (а) — донный сигна с глубины 800 мм; справа (б) — эхо -сигнал от пустого канала диаметром 30 мм на глубине 130 мм и донный сигнал с глубины 400 мм.

На рис. 4 приведены изображения с экрана дефектоскопа А1220, на которых виден донный сигнал с глубины 800 мм в бетоне (а) и эхо-сигнал от 30 мм бокового сверления, центр которого лежит на глубине 130 мм под поверхностью бетона (б). Импульс на рис. 2б правее сигнала от сверления — донный сигнал с глубины 400 мм.

Эти изображения показывают, что использование простой антенной системы на основе синфазной решётки позволяет вести контроль бетонных изделий эхо-методом с целью поиска достаточно крупных дефектов или измерений толщины конструкции.

Литература

• Ковалев А.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г., Яковлев Н.Н. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция // Дефектоскопия. 1990. № 2. С. 29 — 4.
• Kozlov V. N., Samokrutov A. A., Shevaldykin V. G. Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method. — Nondestructive Testing and Evaluation. 1997, Vol. 13, pp. 73 — 84.
• Shevaldykin V. G., Kozlov V. N., Samokrutov A. A. Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact. 7th European conference on Non-Destructive Testing. 26 — 29 May, 1998, Copenhagen.

Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Регистрация на конференцию «Феноменология транспорта
в литературе и искусстве: прошлое, настоящее, будущее»

Как поступить в БелГУТ

Как получить место

в общежитии БелГУТа

ГОРЯЧАЯ ЛИНИЯ 
по вопросам приемной кампании

События

Все события

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
					1	2
3	4	5	6 Дата : 2023-04-06	7 Дата : 2023-04-07	8	9
10 Дата : 2023-04-10	11	12	13 Дата : 2023-04-13	14	15	16
17 Дата : 2023-04-17	18	19 Дата : 2023-04-19	20 Дата : 2023-04-20	21 Дата : 2023-04-21	22	23
24	25	26 Дата : 2023-04-26	27 Дата : 2023-04-27	28	29	30

Все анонсы

• Смотр-кастинг конкурса «Мисс и Мистер БелГУТа». ..
• ФИНАЛ весенней серии игр «ЧТО? ГДЕ? КОГДА?» среди …
• Билеты на концерт Дианы Анкудиновой…
• Дни доноров 26 и 27 апреля 2023
• Музыкальный квартирник
• Программа. V Международная научно-практическая кон…
• Программа. I Международная научно-практическая кон…
• ЕДИ «Ключевые аспекты послания Президента Республ…
• Игра между сборными командами БелГУТа и БГЭУ…
• Поздравление Высокопреосвященнейшего Стефана с Вос…

Анонсы

Университет

Абитуриентам

Студентам

Конференции

Приглашения

Смотр-кастинг конкурса «Мисс и Мистер БелГУТа»…

ФИНАЛ весенней серии игр «ЧТО? ГДЕ? КОГДА?» среди …

Билеты на концерт Дианы Анкудиновой…

Дни доноров 26 и 27 апреля 2023

Новости

Университет

Международные связи

Спорт

ИВР

Жизнь студентов

Новости подразделений



• Воспитательная работа

Сделаем чище свой Дом!
23 апреля 2023

• Университет

Лекторский потенциал – достояние университета!. ..
21 апреля 2023

• Воспитательная работа

Послание Президента обсудили с молодежью Жлобинщины…
21 апреля 2023

• Университет

На форуме ТИБО-2023 «Цифровое развитие Беларуси»…
21 апреля 2023

• Спорт

Спартакиада вузов по гиревому спорту
21 апреля 2023

• Воспитательная работа

Дорогами мира и созидания. Мемориал в д. Бацунь…
21 апреля 2023

• Воспитательная работа

Встреча с председателем ЦИК Беларуси
21 апреля 2023

• Университет

С юбилеем! Борис Валерьевич Рябцев
21 апреля 2023

• Университет

Образование на всю жизнь
20 апреля 2023

Другие новости

• Неделя леса — БелГУТ посадил дубовую рощу. ..
• «Праздник Светлой Пасхи» в БелГУТе
• Эстафета «Живая память благодарных поколений» передана дальше…
• Победа БелГУТа в матче Республиканской студенческий футбольной лиги…
• Диалоговая площадка, посвященная обсуждению послания президента Респуб…
• Победа в соревнованиях по плаванию в рамках Республиканской Универсиад…
• Лидер РОО «Белая Русь» Олег Романов на встрече со студентами вузов в Б…
• Третий тур весенней серии «Что? Где? Когда?» для студентов…
• Материалы I конференции «Архитектура и строительство: традиции и иннов…
• Встреча студентов с военнослужащими Гомельской пограничной группы…
• 70-я спартакиада студентов. Шахматы

БелГУТ на Доске почета

Достижения университета

КУДА ПОСТУПАТЬ

Все факультеты

Предложения

Все предложения

Видеотека

Все видео

Фотогалерея

Все фото

Руководство по преобразованию мод, его причинам и решениям

Дифференциальные пары чаще всего обсуждаются с точки зрения их допуска на согласование импеданса и длины, как с целью обеспечения надлежащего согласования в приемнике, так и с целью подавления синфазного шума. Для межсоединений, таких как межплатные соединения или каскадные схемы линий передачи, у вас есть важный показатель соответствия электромагнитной совместимости, который иногда упускают из виду. Это преобразование режима, которое можно визуализировать в измерении S-параметра для передачи дифференциального и синфазного сигнала.

Термин «преобразование мод» чаще всего обсуждается в контексте оптики, особенно когда волны преломляются при прохождении через границу раздела двух сред, где волна может измениться от истинно неполяризованной (TEM) волны до частично или полностью поляризованная волна. В конструкции электроники, и особенно в конструкции высокоскоростных межсоединений, преобразование режима должно быть ограничено ниже некоторого значения, чтобы гарантировать, что сигналы могут быть прочитаны и интерпретированы в приемнике. В этой статье мы рассмотрим краткий обзор преобразования режима в высокоскоростном проектировании с некоторыми примерами из распространенных дифференциальных стандартов.

Термин «преобразование режима» относится к преобразованию дифференциального сигнала в синфазный сигнал. Это немного упрощает ситуацию; дело не в том, что вся мощность, содержащаяся в дифференциальном сигнале, преобразуется в синфазный сигнал. Вместо этого преобразованная часть сигнала может быть распределена по частотной области и наблюдаться при измерении S-параметров определенного типа. По сути, дифференциальный сигнал потерял часть своей энергии при преобразовании в синфазный сигнал, поэтому дифференциальный сигнал может оказаться невосстановимым, если слишком большая часть сигнала будет преобразована в синфазный сигнал.

У вас может возникнуть искушение спросить: зачем нам вообще заботиться о преобразовании мод и результирующем синфазном шуме? Разве дифференциальный приемник не устраняет синфазный шум? Есть два ответа на это, которые следует учитывать:

• Синфазные токи приводят к синфазным излучаемым электромагнитным помехам (дипольное излучение), которые могут привести к сбоям при испытаниях на излучение, когда они очень сильные. Это может произойти во время скорости фронта, поэтому у вас будет сильное излучение во время высокоскоростной передачи сигнала по печатной дифференциальной паре/разъему или кабелю.
• Приемники могут подавлять большую часть принимаемого ими синфазного шума, но не весь, поэтому синфазные токи следует ограничивать. Опять же, это важно во время граничной скорости; синфазная часть сигнала может быть намного сильнее, чем то, что приемник может надежно подавить, когда преобразование моды высокое.

Пределы преобразования режима

Какая часть этого синфазного сигнала слишком велика? Ответ заключается в том, что не требуется слишком много синфазного шума, распространяющегося от ввода-вывода к кабелю, чтобы вызвать сбой ЭМС. Удельный ток является функцией частоты и будет зависеть от конкретного стандарта, с которым вы работаете. Например, продукты класса A и класса B FCC будут иметь другие ограничения, чем продукты CISPR; В приведенной ниже таблице приведены эти ограничения для продуктов класса A и класса B FCC (благодаря сбору данных Генри Отту).

Частота	FCC класс А	FCC Класс B
<1,7 МГц*	40 мкА	10 мкА
1,7–30 МГц*	120 мкА	10 мкА
30 МГц**	24 мкА	8 мкА
50 МГц**	14 мкА	5 мкА
100 МГц**	11 мкА	3,5 мкА

* На основе пределов кондуктивного излучения
** На основании пределов излучения допустимы по сравнению с током дифференциального сигнала.

Что касается стандартных пределов сигнализации, то они зависят от стандарта и места проведения измерения. Обратите внимание, что стандартные пределы сигнализации определяют производительность оборудования; они не определяют пределы излучения, необходимые для прохождения испытаний на электромагнитную совместимость. Например, в USB 3 предел преобразования режима в сопряженных кабельных сборках составляет -20 дБ во всей указанной полосе пропускания сигнала, поэтому все межсоединение может допускать много синфазного шума и при этом функционировать в соответствии со спецификацией. Обратите внимание, что «функционирование в соответствии со спецификацией» и соответствие FCC/CISPR не обязательно одно и то же.

Причины преобразования режима

Асимметрия в разводке на печатной плате или в проводке, используемой в кабеле, вызовет преобразование режима в дифференциальных межсоединениях. Другой способ думать об этом состоит не в том, что он создает новый синфазный шум там, где его не было, а в том, что асимметрия задерживает появление пересечения нуля по направлению к краям или создает фазовую задержку между двумя сигналами на каждой трассе. В результате дифференциальному приемнику сложнее полностью подавить синфазный шум во всей полосе пропускания сигнала.

Побочным эффектом является то, что асимметрия допускает связь некоторого шума, который может существовать только в одном проводнике, но не в другом, или который может не полностью проникать в оба проводника одинаковой величины. Опять же, синфазные токи не будут полностью нейтрализованы, поскольку они могут быть не синфазными, поэтому в принимаемом сигнале появится некоторый шум.

Асимметрия возникает по следующим причинам:

• Изменения геометрии (несоответствие длины или поперечного сечения)
• Диэлектрическая проницаемость и постоянная распространения, например, от переплетения волокна
• Колебания импеданса, возможно, из-за указанных выше причин или из-за паразитных помех
• Связанные сегменты задержки, такие как дифференциальная серпантинная маршрутизация (см. пример ниже)
• Подача сигнала из несимметричной системы (на печатной плате) в симметричную систему (витая пара)

На печатной плате это связано с трассировкой, неоднородностями материала или более простыми неоднородностями, такими как зазоры заземления в слабо связанных дифференциальных парах.

Каждый из этих эффектов создаст преобразование режима в различных диапазонах частот, которые можно просмотреть в данных S-параметров. Например, переплетение волокон и вклад паразитной емкости появятся на более высоких частотах, в то время как изменения геометрии могут привести к преобразованию широкополосных мод. Поскольку это измерение в частотной области, мы используем S-параметры для количественной оценки преобразования режима (измеряется в дБ путем сравнения мощности дифференциального и синфазного сигналов).

Пример измерения преобразования режима

Ниже показан базовый пример измерения преобразования режима. Для данного канала мы определяем два типа S-параметров, которые используются для количественной оценки преобразования режима:

• Преобразование дифференциального режима в синфазный (SCD21): мы вводим тестовый сигнал дифференциального режима и измеряем выходной сигнал синфазного сигнала. .
• Общий для преобразования дифференциального режима (SDC21): Мы вводим тестовый сигнал синфазного сигнала и измеряем выходной сигнал дифференциального режима.

В приведенном ниже примере показано преобразование режима, созданное в частотной области секциями серпантинной маршрутизации, используемыми для задержки дифференциальных пар в параллельной шине.

Пример измерений преобразования режима. [Источник]

Интерпретация с использованием S-параметров имеет смысл, и она применима к каналам на плате или каскадной сети, которые используют тип межсоединения (печатная плата + ввод/вывод + кабель + ввод/вывод + плата). Эта методология также применима к межплатным разъемам, где разъем играет ту же роль, что и кабель. Независимо от того, как структурировано межсоединение, важным моментом является следующее:

Джиттер и преобразование моды

измерения преобразования режима? Фактически, вы можете сделать именно это с помощью простой формулы, используя данные S-параметров. Основные отношения:

Преобразование между S-параметрами преобразования режима и дрожанием.

Это должно сказать вам кое-что важное: джиттер зависит от тестовой частоты! Правая часть в приведенном выше уравнении является функцией частоты, и обратите внимание, что угловая частота появляется в левой части. Просто введите данные S-параметров на каждой тестовой частоте, и вы сможете рассчитать джиттер на этой конкретной частоте. Поскольку мы имеем дело с дифференциальными парами, мы обычно измеряем T-джиттер как долю единичного интервала (UI), поскольку это то, что вы могли бы прочитать на глазковой диаграмме.

Все это должно иллюстрировать необходимость согласования длины между двумя сторонами дифференциальной пары и симметрии при маршрутизации. Когда я говорю «симметрия в трассировке», я не обязательно имею в виду «жесткую связь», как это часто предписывают в основных руководствах по проектированию высокоскоростных печатных плат. Скорее я имею в виду следующее:

• Постоянная распространения для каждой трассы в паре должна быть одинаковой по всей длине маршрута, независимо от того, расположены ли трассы бок о бок на всем протяжении.
• Односторонний импеданс каждой трассы должен быть одинаковым по всей длине маршрута, независимо от того, расположены ли трассы бок о бок на всем протяжении.
• Любые изменения импеданса/постоянной распространения (например, из-за паразитной емкости) должны одинаково проявляться на обеих трассах в паре. Известно, что асимметрия в этой области является одним из основных факторов преобразования мод.

Что касается последнего пункта, есть отличная статья, которую я рекомендую читателям посмотреть, как заземление может повлиять на преобразование режима:

• Джейз А.; Аршамбо, Б.; Коннор, С. «Преобразование дифференциального режима в синфазный на дифференциальных сигнальных переходах из-за асимметричных конфигураций GND Via». В соответствии с , 1 июня 2014 г.

Как я уже упоминал ранее (как и другие эксперты), так называемая «жесткая связь» не является требованием для передачи дифференциального сигнала, если трассы спроектированы соответствующим образом, хотя и дает некоторые преимущества с точки зрения шум. Кроме того, это единственный способ обеспечить соблюдение спецификации дифференциального импеданса без близлежащей заземляющей пластины. Тщательно продумайте, как вы хотите развести дифференциальную пару, и определите ее импеданс, так как это поможет предотвратить преобразование режима. На сегодняшний день самый простой способ обеспечить достижение всех этих целей — просто стиснуть зубы и развести все с принудительной симметрией и жесткой связью. К счастью, современные инструменты САПР делают все это очень просто.

После того, как вы определили требования к преобразованию режима дифференциальной пары, вы можете создать геометрию дифференциальной пары и правила трассировки, используя лучшие в отрасли функции разводки печатных плат в Altium Designer®. Интегрированный Layer Stack Manager включает в себя сверхточный полевой решатель для расчета импеданса в стандартных геометриях, и вы можете мгновенно применять результаты в качестве правила проектирования в своих инструментах маршрутизации. Когда вы закончили свой проект и хотите передать файлы своему производителю, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу и совместное использование ваших проектов.

Мы лишь немного коснулись возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.

Создание и подавление синфазного тока

В этой статье обсуждается создание синфазного тока в типичной цепи и объясняется эффективность синфазного дросселя при дифференциальном и синфазном токах.

Модель цепи синфазного тока

Рассмотрим типичную модель схемы, показанную на рис. 1.

Рисунок 1: Типовая схема модели

Если поля, создаваемые прямым током, компенсируют поля обратных токов и отсутствуют другие цепи, источники или пути связи, то прямой ток равен обратному току. Практически в любой практической схеме имеет место другой сценарий, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Реалистичная модель схемы

_D обозначается как дифференциальный режим (DM) тока , в то время как _C называется синфазным током (CM) . Токи ДМ обычно являются функциональными токами, равными по величине и противоположными направлениями. CM (нежелательные) токи равны по величине и имеют одинаковое направление. (В следующем разделе мы покажем пример схемы, в которой создаются синфазные токи).

При анализе токов DM и CM мы часто используем модель цепи, показанную на рисунке 3, где, помимо токов DM и CM, мы показываем всего токи ₁ и ₂ текут в одном направлении. Причина этого в том, что классическую теорию цепей легче применить к полным токам, чем к отдельным токам. Как только уравнения для полных токов составлены, мы просто заменяем полные токи в полученных выражениях дифференциальными и/или синфазными токами. Этот подход будет продемонстрирован далее в этой статье при обсуждении синфазного дросселя.

Рисунок 3: Модель цепи, показывающая суммарные токи

Суммарные протекающие токи ₁ и ₂ связаны с токами DM и CM как

  (1а)

  (1б)

Сложение и вычитание уравнений. (1a) и (1b) дают

  (2а)

  (2б)

Таким образом, через суммарные токи токи DM и CM можно выразить как

  (3а)

 (3б)

Возвращаясь к рисунку 3, мы замечаем, что чего-то не хватает, так как закон тока Кирхгофа (KCL) кажется нарушенным. Ток в узел А не равен току выхода из узла А :

  (4)

Что произошло с суммарным синфазным током 2 _C , поступающим в узел A ? Где его обратный путь?

Один из возможных путей возврата показан на рис. 4, где синфазные токи возвращаются к источнику в виде токов смещения через паразитную емкость.

Рисунок 4: Обратный путь синфазных токов

Создание синфазного тока

Существует много сценариев, при которых могут создаваться синфазные токи; некоторые из них легче понять или объяснить, чем другие. В этом разделе мы представляем, пожалуй, самый интуитивно понятный и простой сценарий с использованием типичной схемы, подобной показанной на рис. 5.

.

Рисунок 5: Цепь только с дифференциальными токами

В этой идеализированной схеме прямой ток состоит только из дифференциального тока _D протекающий от источника к нагрузке, а обратный ток состоит только из дифференциального тока _D равного по величине и протекающего в обратном направлении от нагрузки к источнику.

Имейте в виду, что это не постоянные токи. Это высокочастотные радиочастотные токи, которые распространяются в виде волн тока (и напряжения) и имеют связанные с ними электромагнитные волны, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: ЭМ волны, связанные с дифференциальными токами

Теперь рассмотрим сценарий, в котором схема, показанная на рис. 6, находится в дальней зоне другого источника, генерирующего однородные плоские электромагнитные волны, как показано на рис. 7.

Рисунок 7: Исходная схема в дальней зоне другого источника электромагнитного поля

Обратите внимание, что волны, генерируемые источником в дальней зоне, распространяются в одном направлении. Когда волны дальнего поля достигают исходной цепи, мы имеем сценарий, показанный на рисунке 8.

Рисунок 8: СМ-волны и связанные с ними СМ-токи

Точно так же, как ток дифференциального режима имеет связанную с ним DM-волну, CM-волна имеет соответствующий CM-ток, как показано на рис. 8. При рисовании электрических цепей мы обычно не показываем связанные EM-волны, поэтому типичная токовая цепь DM/CM показана просто как схема на рисунке 9.

Рисунок 9: Обозначение токов DM и CM

Подавление тока CM с помощью дросселя CM

Синфазный дроссель, показанный на рисунке 10, состоит из пары проводов, по которым текут токи ₁ и ₂ намотаны на ферромагнитный сердечник.

Как мы увидим, синфазный дроссель (в идеале) блокирует синфазные токи и не влияет на дифференциальные токи.

Токи, показанные на рисунке 10, и общий ток, протекающий по каждому проводу, показаны на рисунке 11.

Рисунок 10: Синфазный дроссель

        

Рисунок 11: DM-, CM- и суммарные токи, протекающие по каждому проводу

Исследуем влияние дросселя на токи в режимах CM и DM. Схемная модель дросселя представлена ​​на рисунке 12, где L ₁ и L ₂ — собственные индуктивности каждой обмотки, M — взаимная индуктивность [1, 2].

Рисунок 12: Модель схемы дросселя CM

Используя модель на рисунке 12, мы рассчитываем импеданс каждой обмотки как

 (5а)

 (5б)

Для определения влияния дросселя на токи ДМ пусть

 (6а)

 (6б)

Использование уравнений. (6) в уравнении (5а) получаем

 (7а)

Аналогично, используя уравнения. (6) в уравнении (5б) получаем

 (7б)

Таким образом, импеданс, наблюдаемый по току ДМ в каждой обмотке, составляет

  (8)

В идеальном случае, когда L = M , мы имеем

  (9)

Таким образом, идеальный дроссель КМ прозрачен для токов ДМ, т. е. совершенно не влияет на них во всем диапазоне частот. Соответственно, вносимые потери в дифференциальном режиме идеального дросселя CM должны составлять 0 дБ во всем диапазоне частот. Неидеальные, реалистичные дроссели CM демонстрируют вносимые потери DM, подобные показанным на рисунке 13 [3].

Рисунок 13. Вносимые потери дросселей Murata CM в дифференциальном режиме

Далее определим влияние дросселя на токи СМ. Для этого пусть

 (10а)

  (10b)

Использование уравнений. (10) в уравнении (5а) получаем

  (11а)

Аналогично, используя уравнения. (10) в уравнении (5б) получаем

 (11б)

Таким образом, импеданс, воспринимаемый током CM в каждой обмотке, составляет

  (12)

Таким образом, дроссель CM вставляет индуктивность L + M в каждой обмотке, а следовательно, имеет тенденцию блокировать токи КМ. В идеале эта общая индуктивность должна быть очень большой во всем диапазоне частот. Соответственно, синфазные вносимые потери идеального дросселя CM должны быть очень большими во всем диапазоне частот. Неидеальные, реалистичные дроссели CM демонстрируют вносимые потери CM, подобные показанным на рисунке 14 [3].