ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 4 · РАДИОТЕХНИКА

Исследование влияния способов трассировки дифференциальных линий передачи на их помехоустойчивость

С.В. Власов1, М.С. Мурманский1, Е.С. Жечев1

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.4.13 УДК 621.391.825 EDN HTTYSH

Аннотация

Исследование посвящено анализу влияния способов трассировки дифференциальных линий передачи на их устойчивость к кондуктивным электромагнитным помехам (ЭМП) в дифференциальном и синфазном режимах. Проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) остается актуальной в условиях роста требований к высокоскоростным интерфейсам, таким как LVDS, USB и HDMI, используемым в современных электронных системах. Возникающая в этих устройствах уязвимость к электромагнитным воздействиям требует разработки новых методов трассировки, способных эффективно подавлять как сверхширокополосные (СШП), так и узкополосные (УП) помехи. Методология исследования включает квазистатическое и электродинамическое моделирование временных и частотных характеристик линий передачи. В рамках работы были исследованы три типа трассировки проводников - меандровая, спиральная и прямая, с варьированием числа витков. Основной целью исследования является определение оптимальных схем трассировки проводников для обеспечения устойчивости дифференциальных линий передачи к СШП и УП помехам. Полученные результаты показывают, что спиральная трассировка с 9 витками наиболее эффективна для подавления СШП ЭМП в дифференциальном режиме, а прямая трассировка демонстрирует лучшее подавление УП ЭМП в синфазном режиме. Минимум амплитуды выходного напряжения для СШП ЭМП достигается при спиральной трассировке проводников с 9 витками и составляет 0,089 В (при напряжении на входе 0,5 В), а для УП ЭМП - при прямой реализации и составляет 0,112 В. Установлено, что изменение количества витков при спиральной или меандровой трассировке не влияет на частоту среза, но влияет на средние значения коэффициента передачи и коэффициента отражения от входа.

  • дифференциальный режим
  • синфазный режим
  • схемы трассировки
  • N-нормы
  • микрополосковая линия
  • временной отклик
  • преднамеренные электромагнитные помехи
  • электромагнитная совместимость
Abstract (in English)

Investigation of the influence of transmission line routing methods on their noise immunity in differential and common-mode operation

The study focuses on analyzing the impact of differential transmission line routing techniques on their immunity to conducted electromagnetic interference (EMI) in differential and common-mode operations. Ensuring electromagnetic compatibility (EMC) remains a pressing issue as the demand for high-speed interfaces, such as LVDS, USB, and HDMI, continues to grow in modern electronic systems. The susceptibility of these devices to electromagnetic disturbances necessitates the development of new routing methods capable of effectively suppressing both ultra-wideband (UWB) and narrowband (NB) interference. The research methodology involves quasi-static and electrodynamic modeling of the temporal and frequency characteristics of transmission lines. Three conductor routing types were investigated-meander, spiral, and straight-with variations in the number of turns. The primary objective of the study is to determine optimal conductor routing schemes to enhance the immunity of differential transmission lines against UWB and NB interference. The results indicate that spiral routing with 9 turns is most effective in suppressing UWB EMI in differential mode, while straight routing demonstrates superior suppression of NB EMI in common mode. The minimum output voltage amplitude for UWB EMI is achieved with spiral routing featuring 9 turns, amounting to 0.089 V (with an input voltage of 0.5 V), whereas the lowest amplitude for NB EMI is observed with straight routing at 0.112 V. It was established that changing the number of turns in spiral or meander routing does not affect the cutoff frequency but does influence the average values of the transmission coefficient and input reflection coefficient.

Для цитирования

Власов С.В., Мурманский М.С., Жечев Е.С. Исследование влияния способов трассировки дифференциальных линий передачи на их помехоустойчивость // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.4.13

Литература

  1. Medvedev A.V., Zhechev Y.S., Gazizov T.R. Experimental study of a structure with single modal reservation before and after failure // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2022. - Т. 64. - №. 4. - P. 1171-1181.
  2. Li W. et al. Electromagnetic compatibility prediction method under the multifrequency in-band interference environment // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2017. - Т. 60. - №. 2. - P. 520-528.
  3. Zou M. et al. Multi-bus protocol Controller Based on SpaceWire // 2022 International SpaceWire & SpaceFibre Conference (ISC). - IEEE, 2022. - С. 01-04.
  4. Xu Y. et al. SEED modeling of an ESD gun discharge to a USB cable surrogate // 2021 IEEE International Joint EMC/SI/PI and EMC Europe Symposium. - IEEE, 2021. - P. 1159-1164.
  5. Hilavin S. et al. Analysis of repeatability and uncertainty issues in radiated emission tests regarding HDMI ports // 2016 International Symposium on Electromagnetic Compatibility-EMC EUROPE. - IEEE, 2016. - P. 61-65.
  6. Wang X., Fang Y. Design of Wideband Filtering Balanced-to-Unbalanced In-Phase Power Divider with High Common-Mode Suppression // 2021 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC). - IEEE, 2021. - P. 1-3.
  7. Özkök M. et al. Adjustable EMI Shielding on Electronic Packages Realized by Electrolytic Plating // 2019 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ). - IEEE, 2019. - P. 191-194.
  8. Костелецкий В.П. Обзор гибридных фильтров для защиты радиоэлектронных средств от кондуктивных помех // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2022. - Т. 25. - №. 1. - С. 37-47.
  9. Капура И.А., Бакуменко Б.В. Анализ методов и средств защиты радиоэлектронной аппаратуры от воздействия мощных электромагнитных излучений // Системи обробки iнформацiї. - 2010. - №. 6. - С. 87-90.
  10. Терентьев Д.Е., Сторожук Н.Л. Защита оборудования и объектов связи от опасных электромагнитных влияний // Информация и космос. - 2004. - №. 3. - С. 38-45.
  11. Ivantsov I.A., Mikola P.V., Surovtsev R.S. Reflections in a Meander Line Turn of Two Segments as a Resource for Suppressing UWB Excitations // 2023 IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). - IEEE, 2023. - P. 410-413.
  12. Samoylichenko M.A., Zhechev Y.S., Gazizov T.R. Signal Integrity Analysis of Modal Filters Formed by Modification of Microstrip Lines and Coplanar Waveguides // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. - 2024. - Т. 13. - №. 1. - P. 35-41.
  13. Sagiyeva I.Y. et al. Modal filter based on a microstrip line with two side conductors grounded at both ends // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2023. - Т. 65. - №. 5. - P. 1371-1378.
  14. Zhechev Y.S. et al. Routing technique for microwave transmission lines to ensure UWB interference immunity // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2023. - Т. 71. - №. 12. - P. 5304-5316.
  15. Vlasov S.V., Zhechev Y.S. Characteristics of Coupled Differential Pairs from the Perspective of Increasing their Immunity to Intentional Electromagnetic Interference // 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). - IEEE, 2024. - P. 623-627.
  16. Попов Ю.И., Попов С.И. Вычисление минимального по длине пути проводника в топологической трассировке печатного монтажа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - №. 6 (82). - C. 117-122.
  17. Lee C.A. et al. Delay-Matching Routing for Advanced Packages // 2023 IEEE/ACM International Conference on Computer Aided Design (ICCAD). - IEEE, 2023. - P. 1-8.
  18. Wu R.B., Chao F.L. A new flat spiral routing to minimize crosstalk penalty in delay line // Proceedings of Electrical Performance of Electronic Packaging. - IEEE, 1995. - С. 203-206.
  19. Compatibility E. Part 1-5: High Power Electromagnetic (HPEM) Effects on Civil Systems // Standard IEC. - 2004. - P. 61000-1.
  20. Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment, MIL-STD-461F, Interface Standard. - 2007.
  21. Baum C.E. Norms and eigenvector norms // Mathematics Notes. - 1979. - Т. 63. - P. 1-42.
  22. Куксенко С.П. и др. Новые возможности системы моделирования электромагнитной совместимости TALGAT // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2015. - №. 2 (36). - С. 45-50.
  23. Zimmerman W.B.J.Introduction to COMSOL multiphysics // Multiphysics modeling with finite element methods. - 2006. - P. 1-26.