ГЕНЕРАТОР СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ
GENERATOR OF ULTRA-SHORT PULSES WITH ELECTRONIC CONTROL OF DURATION

Изобретение относится к импульсной СВЧ технике, а именно к устройствам формирования импульсных сигналов сверхмалой длительности с функцией управления длительностью.
Известен генератор импульсов по патенту US 7869526 В2, 11.01.2011, который состоит из источника синусоидального напряжения, который соединен через резистор и накопительную индуктивность с анодом первого диода с накоплением заряда, катодом второго диода с накоплением заряда и резистором, и конденсатором, входящих в состав RC цепочки, определяющей крутизну фронта генерируемых импульсов.
Работу генератора по описанной выше схеме можно рассматривать как две чередующиеся друг за другом фазы, которые соответствуют положительному и отрицательному полупериоду синусоидального напряжения источника питания. Так как диоды с накоплением заряда включены во встречном направлении, накопление заряда для первого диода происходит одновременно с удалением заряда из полупроводниковой структуры второго диода и последующем обрыве тока через него. Переключение первого диода из проводящего состояния в закрытое приводит к формированию переднего фронта сверхкороткого импульса. Формирование заднего фронта обуславливается переключением второго диода с накоплением заряда. Номиналы резистора и конденсатора в RC цепочке определяют крутизну переднего и заднего фронта. Изменения длительности сверхкороткого импульса происходит за счет изменения времени нарастания и спада фронтов.
Недостатком рассмотренной схемы является то, что одновременно с управлением длительностью происходит изменение амплитуды формируемого импульсного сигнала. Также следует отметить, что для изменения длительности сверхкороткого импульса необходимо изменять номиналы элементов схемы. Такой подход является неудобным при эксплуатации законченного устройства в составе систем связи или радиолокации.
Известен генератор импульсов с функцией управления длительностью импульсов, который состоит из соединенных параллельно контура генерации сверхкоротких импульсов, в который входят последовательно включенные источник синусоидального напряжения, токоограничивающий резистор и диод с накоплением заряда, и контура фазовой подстройки, состоящего из нескольких блоков, каждый из которых включает в себя источник положительного напряжения питания, который через индуктивность и резистор подключается к аноду первого pin-диода, к которому параллельно подключается цепью задержки, состоящая из последовательно соединенных линии задержки, длина которой зависит от порядкового номера блока и двух pin-диодов, катод первого pin-диода соединяется с общей землей через индуктивность (Sertac Yilmaz, I. Tekin. Ultra-Wideband N-Bit Digitally Tunable Pulse Generator; pp. 438-441).
В контуре генерации сверхкороткого импульса формируется сигнал с резким фронтом, который разделяется на две составляющие. Первая составляющая поступает непосредственно на выход генератора, вторая составляющая проходит через контур фазовой подстройки, где инвертируется и задерживается относительно первой компоненты на время, равное длительности импульса. Импульсный сигнал на выходе генератора формируется путем сложения двух компонент.
N
В случае, если первый pin-диод смещен положительно, второй и третий pin-диоды смещены отрицательно, при этом составляющая сигнала в контуре фазовой подстройки будет распространяться через первый pin-диод. В случае, если первый pin-диод смещен отрицательно, сигнал будет распространяется через линию задержки. Различные комбинации смещения положительного и отрицательного смещения pin-диодов во всех блоках позволяют получить 2 значений длительности, где N - количество блоков в контуре фазовой подстройки.
К недостаткам рассмотренного генератора относится то, что управление длительностью осуществляется дискретно. Кроме того, линии задержки значительно увеличивают габариты конечного устройства. Еще одним недостатком рассмотренного устройства являются низкие значения амплитуды генерируемых импульсов. Значения, которые приводят авторы в своей работе, не превышают нескольких вольт.
Известен генератор импульсов с функцией управления длительностью импульсов, который состоит из цепи формирования сверхкороткого импульса, включающую в себя соединенные последовательно первый источник отрицательного напряжения питания, ограничительный резистор, первый диод с накоплением заряда, катод которого соединяется с входной емкостью, и накопительной индуктивностью, первый вывод которой соединяется с первым выводом разделительной емкости, второй вывод которой подключен к цепи обострения фронта импульса, состоящей из источника отрицательного напряжения питания, ограничительного резистора и второго диода с накоплением заряда, катод которого соединяется с выходной емкостью (Gou Yongsheng, Liu Yongsheng, Liu Baiyu, Bai Yonglin, Ouyang Xain, Zhang Wei, Li Yan and Xue Yingdong. A technology to generate fast-edge pulses using step recovery diode; pp. 378-381).
До появления запускающего импульса на входе генератора, через первый диод с накоплением заряда протекает прямой ток от первого источника напряжения. При этом происходит накопление энергии магнитного поля в индуктивности и накопление заряда в активной области диода. Запускающий импульс способствует тому, что первый диод с накоплением заряда оказывается смещен в обратном направлении и ток через него удаляет накопленный заряд. В момент времени, когда концентрация свободных носителей в активной области приблизится к нулю, происходит обрыв тока через диод и передача энергии, накопленной в индуктивности, в виде импульса сверхмалой длительности через разделительную емкость в цепь обострения. Второй диод с накоплением заряда также находится в проводящем состоянии. Сформированный импульс создает условия, при которых накопленный заряд удаляется из полупроводниковой структуры второго диода с накоплением заряда. Как только накопленный заряд будет полностью удален из второго диода с накоплением заряда, сверхкороткий импульс будет сформирован в нагрузку.
При фиксированной длительности запускающего импульса и напряжения питания первого источника отрицательного напряжения, длительность импульса на выходе генератора определяется временем, которое потребуется для удаления заряда из активной области второго диода. Регулируя напряжения второго источника отрицательного питания, можно управлять длительностью формируемого сверхкороткого импульсного сигнала.
Недостатком рассмотренного устройства являются низкие значения амплитуды генерируемых импульсов. Также недостатком рассмотренного устройства является большая длительность формируемого импульсного сигнала, авторы работы приводят значения более 1 нс. Оба эти недостатка существенно ограничивают область применения устройства.
Известен генератор импульсов (прототип) по патенту РФ №2457615 (МПК Н03K 3/33, опубл. 27.07.2012), который содержит источник отрицательного напряжения питания 1, транзистор 2, работающий в ключевом режиме и включенный между источником питания 1 и формирующей цепью, формирующая цепь содержит первую накопительную индуктивность 3, первый вывод которой соединен с первым выводом второй накопительной индуктивности 4, а второй вывод соединен с транзисторным ключом, сток и исток которого соединены емкостью 5, диод с накоплением заряда 6, разделительную емкость 7, нагрузку 8, цепь связи, которая соединяет нагрузку с катодом диода, источник положительного напряжения питания 9, который соединен со вторым выводом накопительной индуктивности 4 и цепью, состоящей из параллельно соединенных резистора 10 и диода Шоттки 11, причем катод указанного диода с накоплением заряда соединен с первым выводом указанной первой накопительной индуктивности.
Цикл работы устройства начинается с перехода ключа в замкнутое состояние и имеет четыре стадии. На первой стадии протекание тока источника питания через ключ приводит к перезарядке емкости исток-сток до напряжения источника питания и возникновению линейно нарастающих со временем токов в накопительных индуктивностях. В течение первой стадии через диод протекает прямой ток, что приводит к накоплению электронно-дырочной плазмы в активной области диода и энергии магнитного поля в накопительных индуктивностях. Основным процессом во время второй стадии работы является обмен энергией между второй накопительной индуктивностью и емкостью ключа. Ток через первую накопительную индуктивность продолжает нарастать, а ток через вторую накопительную индуктивность уменьшается, ток накачки диода сначала уменьшается, а затем меняет знак, то есть накопленный заряд начинает удалять. Во время третьей стадии работы диод с накоплением переключается из проводящего состояния в состояние с высоким обратным сопротивлением. При этом токи индуктивных элементов переключаются в нагрузку и тем самым приводят к передаче накопленной энергии магнитного поля в нагрузку. Во время четвертой стадии работы генератора восстанавливается исходное состояние устройства.
Рассмотренный генератор обладает высоким КПД и частотой следования, однако, в нем не предусмотренна функция управления длительностью формируемого импульсного сигнала.
Техническим результатом настоящего изобретения является реализация управления длительностью формируемого сверхкороткого импульса за счет использования зависимости времени переключения диода с накоплением заряда из проводящего состояния в закрытое состояние от режима работы генератора.
Технический результат достигается тем, что в генераторе сверхкоротких импульсов с электронным управлением длительностью, включающем первую накопительную индуктивность, второй вывод который соединен с первым выводом второй накопительной индуктивности, катодом диода с накоплением заряда и первым выводом разделительной емкости, второй вывод которой соединяется с нагрузкой; первый вывод первой накопительной индуктивностью через параллельно соединенные диод Шоттки и резистор подключается к положительному каналу первого блока управления режимами работы генератора; первый вывод второй накопительной индуктивности подключается к отрицательному каналу второго блока управления режимами работы генератора параллельно соединенными транзисторным ключом и емкостью транзистора сток-исток, согласно изобретению, дополнительно содержится двухканальный блок управления режимами работы генератора, каждый канал, положительной и отрицательной полярности, состоит из стабилизатора напряжения, вход которого подключается к внешнему источнику напряжения питания, подстроечный вывод стабилизатора напряжения подтянут к его выходу резистором и соединяется с выходом операционного усилителя, отрицательный вход которого соединяется с его выходом через резистор обратной связи и подтягивается к земле при помощи другого резистора, а на положительный вход операционного усилителя подается сигнал управления.
На фиг. 1 - схема устройства-прототипа.
На фиг. 2 - схема генератора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 - эпюры импульсов напряжения нагрузке генератора 50 Ом.
Устройство состоит из блока управления режимами работы генератора и блока формирования сверхкоротких импульсов. Генератор субнаносекундных импульсов с электронным управлением длительности согласно настоящему изобретению (Фиг. 2) содержит первый операционный усилитель 12, отрицательный вход которого соединяется с его выходом через резистор обратной связи 13 и подтягивается к земле при помощи другого резистора 14, на положительный вход указанного операционного усилителя подается сигнал управления, определяющий напряжение на его выходе, который соединяется с подстроечным выводом стабилизатора положительного напряжения 15, вход указанного стабилизатора напряжения подключается к источнику положительного напряжения питания 16, а выход через резистор 17 соединяется с подстроечным выводом и через цепь, состоящую из параллельно соединенных диода Шоттки 18 и резистора 19, соединяется с первым выводом второй накопительной индуктивности 20, второй вывод второй накопительной индуктивности 21 соединяется с катодом диода с накоплением заряда 22 и первым выводом выходной емкостью 23, второй вывод которой подключен к нагрузке 24; второй операционный усилитель 25, отрицательный вход которого соединяется с его выходом через резистор обратной связи 26 и подтягивается к земле другим резистором 27, на положительный вход указанного операционного усилителя подается сигнал управления, определяющий напряжение на его выходе, который соединяется с подстроечным выводом стабилизатора отрицательного напряжения 28, вход которого подключается к источнику отрицательного напряжения питания 29, а выход подключен через резистор 30 к подстроечному выводу и соединен с истоком полевого транзистора 31, исток и сток которого соединены емкостью 32, сток указанного транзистора соединен с первым выводом первой накопительной индуктивности, второй вывод накопительной индуктивности соединен с катодом диода с накоплением заряда и вторым выводом второй накопительной индуктивности.
Работа устройства
Сигналы, которые подаются на входы блока управления режимами работы генератора, определяют величины прямого и обратного тока через диод с накоплением заряда. Когда транзисторный ключ 31 переходит в замкнутое состояние, емкость 32 ключа перезаряжается до напряжения, заданного внешним сигналом. Ток через диод с накоплением заряда приводит к накоплению электронно-дырочной плазмы в его активной области и энергии магнитного поля в накопительных индуктивностях. После того как транзисторный ключ 31 размыкается, начинается процесс обмена энергией между второй накопительной индуктивностью 21 и емкостью ключа 32. При этом ток через диод 18 сначала уменьшается, а затем меняет знак, то есть начинается удаление заряда диода из полупроводниковой структуры диода. Как только концентрация носителей заряда в активной области приблизится к нулю, диод с накоплением заряда переключается из проводящего состояния в состояние с высоким обратным сопротивлением. Токи индуктивных элементов переключаются в нагрузку и тем самым приводят к передаче накопленной энергии магнитного поля в нагрузку. Время переключения, а следовательно, и длительность генерируемого импульса, зависит от величины прямого тока. Таким образом, регулируя напряжения сигналов на входах блока управления режимами работы, можно добиться управления длительностью формируемого импульсного сигнала сверхмалой длительности в пределах от 350 пс до 1500 пс.