СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОКРАТНЫХ НАНО- И СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR SHAPING OF SINGLE NANOSECOND AND SUBNANOSECOND PULSES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Данное изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при проверке измерительных средств, для контроля временных характеристик скоростной осциллографической аппаратуры, а также для проверки искажений сигналов в кабельных линиях.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники и на решение которой направлено изобретение, является создание способа и устройства для формирования однократных субнаносекундных импульсов для проверки аппаратной функции осциллографа, а также для проверки искажений сигналов в кабельных линиях.
Известны аналогичные способы и устройства, направленные на решение данной задачи.
Например, устройство для формирования субнаносекундных импульсов [патент RU 2206175, МПК H03K 3/53, авторы: Никифоров М.Г., Балдыгин В.А.], и способ для формирования импульсов, который можно осуществить с помощью данного устройства. Способ включает зарядку формирующей линии (ФЛ) с помощью внешнего источника электрического питания, затем быструю зарядку выходной ФЛ от ФЛ через два разрядника-обострителя и две передающие линии (ПЛ) в нагрузку через электрическую емкость с формированием в нагрузке однократного субнаносекундного импульса с помощью срезающего разрядника, шунтирующего нагрузку.
Устройство формирования субнаносекундных импульсов включает в себя внешний источник электрического питания, систему формирования импульсов, состоящую из ФЛ, которая соединена через два разрядника-обострителя, и две ПЛ с выходной ФЛ, и источником электрического питания, одна из ПЛ подключена к нагрузке, причем токопроводы с нулевым потенциалом ФЛ и ПЛ являются их корпусами и соединены друг с другом.
Недостатком данного способа и устройства является использование внешнего источника электрического питания, усложняющего конструкцию всего устройства, а также сложность в изготовлении и в эксплуатации, требующей дополнительной настройки и дороговизна основных частей.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, который выбран в качестве прототипа, является устройство формирования однократных нано- и субнаносекундных импульсов, которое позволяет реализовать способ получения импульсов указанной длительности [А.И.Александрин, И.С.Самоделов. Генератор однократных наносекундных импульсов с регулируемыми амплитудой и длительностью // Приборы и техника эксперимента, №4, 1976, с.142-144].
Способ формирования однократных нано- и субнаносекундных импульсов включает в себя генерирование электрических однополярных импульсов требуемой длительности (от 0,5 нс и выше), дальнейшую передачу их в нагрузку при перемещении подвижного контакта и электрическом взаимодействии его с одним из неподвижных контактов ФЛ и токосъем при взаимодействии подвижного контакта с другим неподвижным контактом на общий контакт. Взаимодействие подвижного контакта с обоими неподвижными контактами осуществляют одновременно путем телескопического выдвижения подвижного контакта, постоянно взаимодействующего с одним из неподвижных контактов, до соприкосновения с другим неподвижным контактом. Перемещение осуществляют посредством электромагнита, подключенного к внешнему источнику питания. Требуемую длительность импульса достигают путем подбора длины ФЛ.
Устройство формирования содержит в себе внешнюю кабельную линию, заряжаемую от внешнего стабилизированного источника питания через развязывающее сопротивление, латунный корпус, являющийся общим контактом, в котором размещены изолятор с жестко закрепленным в нем подвижным контактом, два неподвижных контакта, размещенных с торцов корпуса, один из которых соединен с нагрузкой, при этом подвижный контакт выполнен в виде телескопического соединения цилиндрической формы для одновременного обеспечения электрического соединения с неподвижными контактами. Корпус и неподвижные контакты образуют герметичную камеру, которая заполнена водородом для обеспечения эрозионной стойкости контактов. Волновое сопротивление устройства должно быть согласовано с волновым сопротивлением подсоединенной внешней кабельной линии. Один из неподвижных контактов соединен с нагрузкой, которой является проверяемый осциллограф, а другой соединен через внешнюю кабельную линию, источник питания и развязывающее сопротивление с общим контактом.
Недостатками прототипа являются:
- наличие внешнего источника питания, приводящее к усложнению в изготовлении и эксплуатации устройства формирования, а также к зависимости от системы питания;
- невозможность получения выходного импульса длительностью менее 0,5 нс, приводящее к ограничению функциональных возможностей, связанных с проверкой быстродействующей аппаратуры;
- выполнение в устройстве формирования подвижного контакта в виде телескопического соединения, которое требует высокой точности при изготовлении;
- обеспечение герметизации корпуса при сборке, что приводит к усложнению.
Техническим результатом способа является расширение функциональных возможностей способа (возможность определения характеристик быстродействующей регистрирующей аппаратуры и сигнальных трактов, предназначенных для работы с импульсами нано- и субнаносекундной длительности) за счет получения импульсов меньшей длительности.
Техническим результатом устройства является упрощение конструкции.
Дополнительным техническим результатом, который может быть получен при использовании заявляемого устройства, является повышение экономичности.
Указанный технический результат в способе формирования однократных нано- и субнаносекундных импульсов достигается тем, что способ включает в себя кроме общих с прототипом признаков, а именно: генерирование электрических однополярных импульсов требуемой длительности с передачей их в нагрузку при перемещении подвижного контакта и электрическом взаимодействии его с одним из неподвижных контактов формирующей линии и токосъемом при взаимодействии подвижного контакта с другим неподвижным контактом на общий контакт, отличительные: взаимодействие подвижного и неподвижных контактов осуществляют путем поочередного соприкосновения подвижного контакта с неподвижными, при этом перемещение подвижного контакта осуществляют по поверхности изолятора, формируя на поверхности подвижного контакта электростатические заряды, причем требуемую длительность импульса достигают путем подбора электрической емкости подвижного контакта С из следующего соотношения: С≤τ/Rнагр, где τ - требуемая длительность импульса, Rнагр - волновое сопротивление нагрузки.
Кроме этого перемещение осуществляют под действием силы тяжести при изменении пространственного положения изолятора, либо с помощью пневматического устройства.
Указанный технический результат в устройстве формирования однократных нано- и субнаносекундных импульсов достигается тем, что устройство содержит изолятор, неподвижные контакты, подвижный контакт, находящийся в соприкосновении с изолятором, и с возможностью взаимодействия с неподвижными контактами, один из которых предназначен для соединения с нагрузкой, а другой соединен с общим контактом, при этом подвижный контакт выполнен в форме шара, диаметр которого в 30-40 раз меньше длины изолятора, а изолятор выполнен в виде трубки, на торцах которой установлены неподвижные контакты, и соединение одного из них с общим контактом осуществлено посредством токопровода с нулевым потенциалом, причем шар установлен внутри трубки, с возможностью поочередного перемещения по ее внутренней поверхности от одного неподвижного контакта к другому.
Влияние отличительных признаков патентной формулы способа на технический результат.
Взаимодействие подвижного и неподвижных контактов путем поочередного их соприкосновения позволяет снизить электрическую емкость устройства формирования, что приводит к возможности получения длительности выходного импульса ниже 0,5 нс.
Осуществление перемещения подвижного контакта по поверхности изолятора, формирующего на поверхности подвижного контакта электростатические заряды, дает возможность исключить применение внешнего источника питания, что позволяет расширить область использования, а также упрощает конструкцию и эксплуатацию генератора и снижает его себестоимость.
Достижение требуемой длительности импульса путем подбора электрической емкости подвижного контакта С из соотношения: С≤τ/Rнагр, где τ - требуемая длительность импульса, Rнагр - волновое сопротивление нагрузки, позволяет формировать импульс с длительностью ниже 0,5 нс.
Осуществление перемещения подвижного контакта под действием силы тяжести при изменении пространственного положения изолятора позволяет уменьшить габариты устройства и упростить способ изготовления и обслуживания.
Осуществление перемещения подвижного контакта с помощью пневматического устройства позволяет автоматизировать процесс перемещения без применения электромагнита, что позволяет осуществить способ в областях, где невозможно применение электромагнитных полей.
Влияние отличительных признаков патентной формулы устройства формирования на технический результат.
Выполнение подвижного контакта в форме шара позволяет исключить его заклинивание при перемещении, что обеспечивает надежность устройства при простоте изготовления.
Использование шара диаметром в 30-40 раз меньше длины изолятора позволяет при малой емкости подвижного контакта получить амплитуду импульса до нескольких десятков вольт без использования внешнего источника электрического питания, тем самым упростить конструкцию и эксплуатацию устройства. Данное соотношение установлено экспериментальным путем.
Выполнение изолятора в виде трубки, на торцах которой установлены неподвижные контакты, позволяет применить стандартные разъемы на концах изолятора, которые легко заменяются.
Соединение одного из неподвижных контактов с общим контактом посредством токопровода с нулевым потенциалом упрощает конструкцию по сравнению с прототипом, так как нет необходимости в использовании развязывающего сопротивления и других элементов, а также обеспечивает возвращение электрического заряда в устройство, что повышает экономичность устройства.
Расположение шара внутри трубки, с возможностью поочередного перемещения по ее внутренней поверхности от одного неподвижного контакта к другому, обеспечивает наработку статического электричества, что позволяет обходиться без внешнего источника электрического питания.
Рассмотрим вариант реализации предлагаемого способа в виде устройства, конструкция которого представлена на фиг.1, где 1 - изолятор, 2 - подвижный контакт, 3 - неподвижный контакт, 4 - общий контакт, 5 - нагрузка, 6 - токопровод с нулевым потенциалом. На фиг.2 представлена форма выходного сигнала при положительной полярности, а на фиг.3 - форма сигнала при отрицательной полярности, которые получены при подключении токопровода с нулевым потенциалом к разным концам устройства.
Устройство представляет собой изолятор, выполненный в виде полой трубки из органического стекла длиной 10 см, подвижный контакт выполнен в виде металлического шара диаметром 3 мм, токопровод с нулевым потенциалом длиной 0,2 м, два неподвижных контакта и общий контакт представляют собой разъемы типа СРГ-50, нагрузкой устройства является кабельная линия длиной два метра и с волновым сопротивлением 50 Ом.
Устройство для формирования однократных субнаносекундных импульсов работает следующим образом. Для получения выходного сигнала на скоростном осциллографе (не показано) подсоединяют нагрузку 5 к одному из неподвижных контактов 3 и к общему контакту 4, при этом к другому противоположному неподвижному контакту 3 подсоединяют общий контакт 4 с помощью токопровода с нулевым потенциалом 6. После чего для получения электростатического заряда на поверхности подвижного контакта 2 обеспечивают его перемещение по поверхности изолятора 1 к неподвижному контакту 3, соединенным с общим контактом 4, и возвращают обратно к противоположному неподвижному контакту 3. В этот момент формируется электрический однополярный импульс при стекании накопленного электростатического заряда с подвижного контакта 2 в нагрузку 5, через неподвижный контакт 3. Для повторного получения импульса повторяют только две последние операции. Для получения в нагрузке 5 импульса другой полярности переключают нагрузку 5 к неподвижному контакту 3, к которому был присоединен токопровод с нулевым потенциалом 6, а сам токопровод с нулевым потенциалом 6 подсоединяют к неподвижному контакту 3, к которому была присоединена нагрузка 5.
На предприятии была проведена конструкторская проработка и создан работоспособный генератор. При регистрации осциллографической аппаратуры с полосой пропускания 10 ГГц были получены импульсы положительной и отрицательной полярности с длительностью, равной пределу аппаратного разрешения 100 пс, измеренной по ширине импульса на полувысоте, при этом амплитуда сигнала была в пределах 2÷7 В. В настоящее время данный генератор активно используется для проверки кабельных линий на предмет искажений сигналов, а также для контроля временных характеристик скоростной осциллографической аппаратуры.