ГЕНЕРАТОР СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
SUBNANOSECOND PULSE GENERATOR

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам генерирования субнаносекундных импульсов.
Известен генератор импульсов, содержащий источник питания, ключ, соединенный с источником питания первой индуктивностью, диод с резким восстановлением обратного сопротивления, соединенный с ключом цепью, состоящей из последовательно соединенных второй индуктивности и конденсатора, и нагрузку, соединенную с указанным диодом с резким восстановлением обратного сопротивления (Vitaliy Prokhorenko, Volodymyr Ivashchuk, Sergiy Korsun.Drift Step Recovery Devices Utilization for Electromagnetic Pulse Radiation, Iiiterriatioiial Coriference on GI-OLIPIeZne~tr ating Radal; 21-24 Jioie, 2004, Deljt, The Netlwrlands, pp.195-198).
Цикл работы этого генератора состоит из двух тактов. В течение первого такта ключ находится в проводящем состоянии. Одна из составляющих тока ключа, линейно нарастающая во времени, протекает по первой индуктивности и приводит к накоплению энергии магнитного поля в первой индуктивности. Вторая составляющая тока ключа является колебательной. Она протекает по второй индуктивности, заряжает конденсатор и приводит к накоплению электронно-дырочной плазмы в диоде с резким восстановлением обратного сопротивления. Первый такт заканчивается, когда ток второй индуктивности меняет свое направление. Во втором такте цикла ключ размыкается, а протекание тока второй индуктивности приводит к рассасыванию плазмы в диоде. Величина указанного тока нарастает во времени вследствие разряда конденсатора и преобразования энергии магнитного поля в первой индуктивности. В конце второго такта восстанавливается высокое сопротивление диода с резким восстановлением обратного сопротивления, и ток второй индуктивности переключается в нагрузку, что вызывает короткий всплеск напряжения на нагрузке. Рассмотренный цикл накопления и рассасывания заряда диода с резким восстановлением обратного сопротивления не является оптимальным. Поэтому рассмотренный выше генератор не позволяет получить наилучшие энергетические показатели отдельного импульса при заданной элементной базе.
Кроме того, для накопления энергии магнитного поля во второй индуктивности на втором такте цикла эффективно используется только небольшая часть длительности цикла работы, а колебательный характер тока второй индуктивности не позволяет использовать устройство для генерирования импульсов с периодом повторения, меньшим, чем период колебаний контура, состоящего из конденсатора устройства и его второй индуктивности.
Невысокая предельная частота повторения импульсов является недостатком рассмотренного выше генератора.
Известен генератор импульсов по патенту US 6087871, класс Н03К 3/33, 11.07.2000 (пункт 5 формулы изобретения), содержащий первый и второй источники питания, первый и второй ключи, включенные между указанными источниками питания и формирующей цепью, которая содержит первую накопительную индуктивность, первый вывод которой соединен с первым выводом второй накопительной индуктивности, второй вывод которой соединен с первым ключом, диод с резким восстановлением обратного сопротивления, нагрузку, соединенную с указанным диодом, и цепь накачки, которой соединены указанный диод с резким восстановлением обратного сопротивления и второй 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 резким восстановлением обратного сопротивления, причем указанный разделительный диод и указанный диод с резким восстановлением обратного сопротивления соединены в встречной полярности, один относительно другого.
В этом устройстве длительность накопления энергии в первом и втором указанных индуктивных накопителях определяется длительностью проводящего состояния управляемых ключей и может превышать длительность рассасывания заряда в указанном диоде с резким восстановлением обратного сопротивления, что позволяет получать большие значения энергии импульсов.
Недостатком упомянутого выше генератора является сложность и высокие требования к стабильности временных соотношений устройства управления двумя ключами генератора, переключение которых необходимо производить в строго определенной последовательности.
Известен также генератор импульсов (прототип) по патенту US 6087871, класс Н03К 3/33, 11.07.2000 (пункт 1 формулы изобретения), содержащий источник питания, ключ, включенный между указанным источником питания и формирующей цепью, которая содержит первую накопительную индуктивность, первый вывод которой соединен с первым выводом второй накопительной индуктивности, второй вывод которой соединен с ключом, диод с резким восстановлением обратного сопротивления, нагрузку, соединенную с указанным диодом, и цепь накачки, которой соединены указанный диод с резким восстановлением обратного сопротивления и 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 резким восстановлением обратного сопротивления, причем указанный разделительный диод и указанный диод с резким восстановлением обратного сопротивления соединены в встречной полярности один относительно другого.
Недостатком упомянутого выше устройства является большая амплитуда колебаний тока в цепи накачки во время переходного процесса после восстановления высокого обратного сопротивления диода с резким восстановлением обратного сопротивления. Переходной процесс протекает также и в цепи указанных индуктивных накопителей, но при соблюдении определенных соотношений между величинами индуктивности накопителей, внутренней емкости ключа и длительности его проводящего состояния указанный переходной процесс практически заканчивается сразу после генерации импульса. Условия же, при которых быстро заканчивается переходной процесс, в цепи накачки оказываются другими. Поэтому переходные процессы ограничивают предельную частоту повторения импульсов и, кроме того, вызывают необходимость введения в цепь накачки значительных потерь энергии, рассеиваемой на сопротивлении накачки, то есть уменьшают коэффициент полезного действия устройства.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение предельной частоты повторения импульсов, генерируемых устройством, вследствие уменьшения длительности переходных процессов в формирующей цепи генератора.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее источник отрицательного напряжения питания, ключ, включенный между указанным источником питания и формирующей цепью, которая содержит первую накопительную индуктивность, первый вывод которой соединен с первым выводом второй накопительной индуктивности, второй вывод которой соединен с ключом, диод с резким восстановлением обратного сопротивления, нагрузку, и цепь связи, которой соединена нагрузка с катодом указанного диода, согласно изобретению, введен дополнительный источник положительного напряжения питания, который соединен со вторым выводом указанной первой накопительной индуктивности вновь введенной цепью, состоящей из параллельно соединенных диода Шоттки и резистора, причем катод указанного диода с резким восстановлением высокого обратного сопротивления соединен с первым выводом указанной первой накопительной индуктивности.
На фиг.1 - схема первого аналога, на фиг.2 - схема второго аналога, на фиг.3 - прототипа изобретения.
На фиг.4 - схема генератора согласно настоящему изобретению,
на фиг.5 - эпюры токов накопительных индуктивностей генератора согласно настоящему изобретению в течение длительности одного цикла работы,
на фиг.6 - эпюры напряжений на ключе и на нагрузке генератора 50 Ом в течение длительности одного цикла работы,
на фиг.7 - эпюры токов накопительных индуктивностей генератора согласно настоящему изобретению при работе с частотой повторения импульсов 50 МГц.
на фиг.8 - эпюры напряжений на ключе и на нагрузке генератора согласно настоящему изобретению при работе с частотой повторения импульсов 50 Мц.
Эпюры напряжений и токов на фиг.5-фиг.8 получены при моделировании конкретного устройства. В модели конкретного генератора использовался ключ на высокочастотном полевом транзисторе LX401, источник отрицательного напряжения питания -5В, источник положительного напряжения питания +5В, диод с резким восстановлением обратного сопротивления, идентичный по своим характеристикам с диодом КД609.
Генератор субнаносекундных импульсов согласно настоящему изобретению (Фиг.4) содержит источник отрицательного напряжения питания 29, ключ 30, включенный между источником питания 29 и формирующей цепью(ключом 30 может быть биполярный или полевой транзистор, который всегда имеет внутреннюю емкость, представленную на схеме фиг.4 конденсатором 31), формирующая цепь содержит первую накопительную индуктивность 32, первый вывод которой соединен с первым выводом второй накопительной индуктивности 33, второй вывод которой соединен с ключом 30, диод с резким восстановлением обратного сопротивления 34, нагрузку 35, цепь связи 36, которой соединена нагрузка 35 с катодом диода 34, вновь введенный источник положительного напряжения питания 37, который соединен со вторым выводом первой накопительной индуктивности 32 вновь введенной цепью, состоящей из параллельно соединенных диода Шоттки 38 и резистора 39, причем катод указанного диода с резким восстановлением высокого обратного сопротивления 34 соединен с первым выводом указанной первой накопительной индуктивности 32.
Полярность источников питания 29, 37 и диодов 34, 38 может быть изменена на противоположную без изменения принципа работы устройства. При этом изменится полярность импульса на нагрузке 35. Цепь связи диода 34 с нагрузкой 35 кроме конденсатора 36 может содержать также и индуктивность.
Работа устройства.
В исходном состоянии ключ 30 разомкнут, потенциал второго вывода второй накопительной индуктивности 33 (и внутренней емкости 31) равен потенциалу положительного вывода источника питания 37, токи в индуктивных накопителях 32 и 33 равны нулю. Цикл работы устройства начинается с перехода ключа 30 в замкнутое состояние и имеет четыре стадии. Первая стадия заканчивается, когда ключ 30 размыкается. Тогда же начинается вторая стадия, которая заканчивается, когда полностью рассасывается заряд, накопленный в диоде 34. В течение третьей стадии работы энергия магнитного поля, накопленная в элементах 32 и 33 генератора на первой и второй стадиях его работы, перетекает в нагрузку. Во время четвертой стадии происходит восстановление начального состояния устройства.
33
32
29
37
33
32
29
37
32
33
На первой стадии протекание тока источника питания 29 через ключ 30 приводит к перезаряду емкости ключа 31 до напряжения источника питания 29 и возникновению линейно нарастающих со временем токов в накопительных индуктивностях 32 и 33. Если выполняется соотношение L/L<E/E (где L и L - величины индуктивности элементов 33 и 32 схемы, E и Е - абсолютные значения напряжения источников питания 29 и 37), то диод 34 оказывается смещенным в прямой полярности и через него протекает ток накачки, равный разности токов элементов 33 и 32 схемы на фиг.4. В течение всей первой стадии через диод 34 протекает прямой ток, что приводит к накоплению электронно-дырочной плазмы в его активной области. Происходит также накопление энергии магнитного поля в элементах 33 и 32. Эпюры токов I и I приведены на фиг.5. На эпюрах фиг.5 рассматриваемая первая стадия работы устройства начинается в момент времени 5.5 нс и заканчивается в момент времени 12.5 нс, когда ключ 30 размыкается.
33
31
33
В течение второй стадии работы устройства диод 34 находится в состоянии с низким сопротивлением. Ток первой накопительной индуктивности 32 и энергия магнитного поля в ней продолжают нарастать. Основным процессом во время второй стадии работы является обмен энергией между второй накопительной индуктивностью 33 и емкостью 31 ключа 30. Указанный процесс протекает так, что сначала ток Iуменьшается, а напряжение U на емкости 31 увеличивается. Когда ток Iстановится равным нулю, начинается разряд емкости 31 и возрастание тока второй накопительной индуктивности 33, но уже в другом направлении.
32
33
33
32
33
32
Поскольку во время второй стадии ток I продолжает нарастать, а ток Iуменьшается, ток накачки диода 34 сначала уменьшается, а затем меняет знак, то есть начинается рассасывание заряда диода 34. На эпюрах фиг.5 и фиг.6 вторая стадия работы устройства начинается в момент времени 12.5 нс и заканчивается в момент времени 14.8 нс, когда полностью рассасывается заряд электронно-дырочной плазмы в диоде 34. На начальном участке второй стадии (когда I-I>0) еще продолжается накопление заряда диода 34, далее происходит полное рассасывание указанного заряда как током I, так и током I. На эпюрах фиг.5 и фиг.6 вторая стадия работы устройства начинается в момент времени 12.5 нс и заканчивается в момент времени 14.8 нс, когда полностью рассасывается заряд электронно-дырочной плазмы в диоде 34. На отрезке времени от 12.5 нс до 13.5 нс еще продолжается накопление заряда диода 34.
32
33
Во время третьей стадии работы диод с резким восстановлением обратного сопротивления находится в состоянии высокого сопротивления, его инжекционный ток практически равен нулю. Поэтому токи индуктивных элементов 32 и 33 переключаются в нагрузку 35 и тем самым приводят к передаче накопленной энергии магнитного поля в нагрузку. При параметрах генератора, используемых на практике, процесс оказывается апериодическим, на нагрузке 35 наблюдается одиночный короткий импульс напряжения. Токи I и I элементов 32 и 33 на третьей стадии работы быстро уменьшаются (по абсолютной величине) и к концу стадии устанавливается равенство токов . На эпюрах фиг.5 и фиг.6 третья стадия работы устройства начинается в момент времени 14.8 не и заканчивается в момент времени 15.2 нс.
32
33
31
31
Во время четвертой стадии работы восстанавливается исходное состояние устройства. Переходной процесс на указанной стадии представляет собой свободные колебания в цепи, состоящей из последовательно соединенных емкости 31 ключа 30, индуктивных элементов 32 и 33 и вновь введенных параллельно соединенных диода Шоттки 38 и резистора 39. Моделирование устройства показывает, что возможен такой режим работы, при котором амплитуда указанных колебаний равна нулю. Условиями для практически отсутствия переходного процесса на четвертой стадии работы устройства являются равенство нулю токов I и I в конце третьей стадии и равенство напряжения U на емкости 31 ключа 30 напряжению источника питания 37. Однако практически работоспособное устройство должно работать и при небольшом нарушении указанных условий. Быстрое восстановление исходного состояния происходит также и вследствие наличия вновь введенной цепи, состоящей из параллельно соединенных диода Шоттки 38 и резистора 39. Резистор вносит потери в колебательную систему и обеспечивает быстрое апериодическое затухание переходного процесса. Причем, в целом сочетание элементов в предлагаемом устройстве таково, что при выполнении указанных ранее условий отсутствия переходного процесса на четвертой стадии работы ток накопительной индуктивности 32 протекает в прямом направлении через диод Шоттки 38 в течение всего цикла работы. Поэтому потери энергии незначительны. Через резистор 39 значительный ток протекает только тогда, когда в конце третьей стадии направление тока в элементах 32 и 33 противоположно прямому току диода 39, или напряжение U оказывается меньше, чем напряжение источника питания 37, то есть при существенном нарушении оптимального режима работы устройства. На эпюрах фиг.5 и фиг.6 четвертая стадия работы устройства начинается в момент времени 15,2 нс и заканчивается в момент времени 18 нс. Переходной процесс на четвертой стадии работы устройства также хорошо виден на эпюрах фиг.7-фиг.8.