ГЕНЕРАТОР СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ С ОБОСТРИТЕЛЕМ ФРОНТА

Полезная модель относится к технике СВЧ диапазона и предназначена для формирования видеоимпульсов длительностью от 100 пс при амплитуде 20 В.
Известен генератор импульсов, схема которого состоит из источника питания, транзисторного ключа, соединенного с источником питания первой индуктивностью, диодом с накоплением заряда, соединенного с транзистором цепью, состоящей из последовательно соединенных конденсатора и второй индуктивности, и нагрузки, соединенную с указанным диодом с накоплением заряда (Vitaliy Prokhorenko, Volodymyr Ivashchuk, Sergiy Korsun. Drift Step Recovery Devices Utilization for Electromagnetic Pulse Radiation, Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar; 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands, pp. 195-198).
Работу генератора по описанной выше схеме можно разделить на два этапа. В течение первого этапа транзистор открыт. Одна из составляющих тока стока транзистора со временем линейно возрастает, протекает через первую индуктивность, приводит к накоплению в ней энергии магнитного поля. Вторая составляющая тока стока транзистора течет от конденсатора, разряжая его, через вторую индуктивность, что приводит к заполнению электронно-дырочной плазмой активной области диода с накоплением заряда.
Во время второго этапа транзистор закрыт, ток через вторую индуктивность течет в другом направлении и удаляет заряд, накопленный в диоде. При этом происходит накопление энергии магнитного поля в первой и второй индуктивности. В завершении второго этапа работы генератора происходит резкое восстановление высокого обратного сопротивления диода с накопление заряда, и ток второй индуктивности переключается в нагрузку в виде импульса сверхмалой длительности.
В рассмотренном генераторе процесс накопления и удаления заряда из диода не является оптимальным. Энергия магнитного поля во второй индуктивности возрастает лишь в течение небольшой части цикла работы генератора. В связи с чем рассмотренный генератор не позволяет получать наилучших энергетических показателей отдельного импульса при заданной элементной базе.
Колебательный характер тока второй индуктивности не позволяет использовать генератор для формирования импульсов с периодом следования, меньшим, чем период колебания контура, состоящего из конденсатора и второй индуктивности.
Минимальная длительность генерируемого импульса, которую можно получить, используя рассмотренный генератор, ограничена скоростью переключения диода с накоплением заряда из проводящего состояния в непроводящее состояние и номиналами элементов схемы. Для заданной элементной базы минимальная длительность сверхкороткого импульса в этой схеме составила 350 пс.
Известен генератор субнаносекундных импульсов по патенту US 6087871, класс Н03К 3/33, 11.07.2000, содержащий первый и второй источники положительного напряжения питания, первый и второй транзисторы, которые работают в ключевом режиме и соединяют через ограничительные резисторы указанные источники питания с цепью формирования, которая содержит первую накопительную индуктивность, первый вывод которой соединен с первым выводом второй накопительной индуктивности, второй вывод которой соединен с первым ключом, диод с накоплением заряда, нагрузку, соединенную с указанным диодом, и цепь накачки, в которой соединены указанный диод с накоплением заряда и второй транзисторный ключ, причем указанная цепь накачки состоит из включенных последовательно индуктивности накачки и резистора накачки; кроме того, генератор содержит разделительный диод, подключенный к первому выводу первой накопительной индуктивности и соединенный последовательно с указанным диодом с накоплением заряда, причем разделительный диод и диод с накоплением заряда включены во встречном направлении один относительно другого.
В этом устройстве длительность фазы накопления энергии магнитного поля в двух накопительных индуктивностях определяется временем, в течение которого транзистор открыт. Это время может превышать длительность удаления заряда из активной области диода с накоплением заряда, что позволяет достигать больших значений энергии генерируемых импульсов.
К недостаткам описанного выше генератора можно отнести сложность и высокие требования к стабильности временных соотношений устройства управления двумя транзисторными ключами генератора, переключение которых необходимо производить в строго определенной последовательности.
Две накопительные индуктивности затягивают задний фронт сверхкороткого импульса, из-за этого генератор, работающий по рассмотренной схеме, не позволит сформировать сигнал длительностью менее 200 пс.
Задачей настоящей полезной модели является сокращение длительности формируемых сверхкоротких импульсов до 100 пс при амплитуде 20 В.
Техническим результатом настоящей полезной модели является уменьшения времени спада заднего фронта формируемого импульсного сигнала.
Технический результат достигается тем, что генератор сверхкоротких импульсов с обострителем фронта, содержащий первый и второй источники положительного напряжения питания, соединенные через ограничительные резисторы с цепью формирования, которая содержит первую накопительную индуктивность, первый выход которой соединен через ограничительный резистор с первым источником положительного напряжения питания, первый диод с накоплением заряда, нагрузку, согласно полезной модели содержит также источник отрицательного напряжения питания, соединенный с формирующей цепью через транзистор, работающий в режиме ключа, разделительную емкость, первый вывод которой соединен со вторым выводом накопительной индуктивности и с анодом первого диода с накоплением заряда, дополнительный диод с накоплением заряда, выполняющий функцию обострителя заднего фронта, анод которого соединен со вторым выводом разделительной емкости и со вторым источником положительного напряжения питания через ограничительный резистор, а катод соединен с нагрузкой.
На фиг. 1 приведена схема первого аналога, на фиг. 2 - схема второго аналога.
На фиг. 3 приведена схема генератора согласно настоящей полезной модели.
На фиг. 4 изображены эпюры напряжений на нагрузке генератора 50 Ом с обострителем фронта и без обострителя фронта,
Генератор субнаносекундных импульсов согласно настоящей полезной модели (Фиг. 3) содержит источник отрицательного напряжения питания 1, транзистор 2, работающий в режиме ключа, включенный между указанным источником питания и формирующей цепью, которая содержит накопительную индуктивность 3, первый вывод которой соединен через ограничительный резистор 4 с первым источником положительного напряжения питания 5, второй вывод накопительной индуктивности 3 соединен с анодом первого диода с накоплением заряда 6 и первым выводом разделительной емкости 7, вновь введенный диод с накоплением заряда 8, анод которого соединен со вторым выводом разделительной емкости и вторым источником положительного напряжения питания 9 через ограничительный резистор 10, а катод соединен с нагрузкой 11.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии транзистор закрыт, под действием ток от первого источника положительного напряжения 5 в активную область диода с накоплением заряда 6 инжектируются носители заряда, и происходит накопление электронно-дырочной плазмы. Аналогичный процесс происходит со вторым источником положительного напряжения 9 и диодом с накоплением заряда 8. Для ограничения прямого тока через диоды установлены резисторы 4 и 10. Когда запускающий импульс открывает транзистор 2, от источника отрицательного напряжения питания 1 через индуктивность 3 начинает протекать ток, удаляющий накопленный заряд из диода 6. В течение всей фазы удаления заряда, ток накопительной индуктивности 3 и энергия магнитного поля в ней постоянно нарастают. Когда концентрация накопленного заряда в диоде 6 достигнет нуля, происходит восстановление запирающих свойств диода. Ток индуктивности 3 переключается в нагрузку 11, что приводит к формированию сверхкороткого импульса напряжения отрицательной полярности на нагрузки. До момента переключения диода с накоплением заряда 6 диод 8, находится в проводящем состоянии и обеспечивает связь цепи формирования и нагрузки. При появлении импульса отрицательной полярности на аноде диода с накоплением заряда 8, заряд, накопленный в его полупроводниковой структуре, стремительно удаляется. Формирование резкого заднего фронта сверхкороткого импульса на выходе генератора происходит, когда диод 8 переключается в закрытое состояние.
Обостритель фронта работает наиболее эффективно, если соблюдаются определенные временные соотношения в переключении диодов 6 и 8. Когда начало переключения диода 8 запаздывает относительно завершения переключение диода 6, обострение происходит не на всей протяженности заднего фронта. Момент переключения диодов 6 и 8 определяется режимами их работы, а именно прямыми и обратными токами. Для получения импульсов определенной амплитуды, регулируя режимы работы генератора с обострителем фронта можно подобрать такой режим, когда длительность сверхкороткого импульса будет минимальна. Применение обострителя позволило сократить длительность формируемых сверхкоротких импульсов до 100 пс при амплитуде 20 В.
Эпюры напряжений и токов на фиг. 4 получены при моделировании генератора с обострителем фронта. В модели генератора использовался ключ на высокочастотном полевом транзисторе LX401, источник отрицательного напряжения питания -15 В, первый источник положительного напряжения питания +7 В, второй источник положительного напряжения питания +2 В и модель диода с накоплением заряда, эквивалентная по своим параметрам диоду 2А609Б.