ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ
PULSE FORMER

Изобретение относится к телекоммуникациям и позволяет формировать ультракороткие (менее 1 нс) электромагнитные импульсы в моно- и биполярном режимах при помощи сегнетоэлектрической линии передачи.
Известен формирователь импульсов по патенту США US 6753741, который может формировать импульсы с одним обостренным, а с другим расширенным фронтом по сравнению с исходным электромагнитным импульсом. Обострение достигается за счет сегнетоэлектрической нелинейной линии передачи.
В патенте США US 6690247 описано устройство для формирования ультракоротких электромагнитных импульсов, представляющее собой полупроводниковую нелинейную линию передачи и короткий отрезок линейной линии передачи на ее выходе. Длина отрезка определяет длительность формируемых электромагнитных импульсов. Недостатками являются отсутствие возможности электрически управлять длительностью формируемого импульса, а также монополярность формируемых импульсов.
Наиболее близкий аналог (прототип) описан в заявке на патент США US 2006/0158277. Устройство состоит из полупроводниковой нелинейной линии передачи, обостряющей один из фронтов исходного сигнала, и короткого отрезка линейной линии передачи на ее выходе, длина которого регулируется электрически, с помощью микроэлектромеханических ключей. Длительность формируемого импульса определяется временем распространения сигнала в отрезке линейной линии передачи, которое, в свою очередь, определяется длиной отрезка. Однако импульсы могут формироваться только в монополярном режиме, т.е. могут иметь только либо положительную, либо отрицательную полярность.
Технической задачей, решаемой данным изобретением, является создание устройства для формирования ультракоротких электромагнитных импульсов, в котором управление длительностью импульса осуществляется электрически, и импульсы могут формироваться в двух режимах: моно- и биполярном. В монополярном режиме импульсы имеют только либо положительную, либо отрицательную полярность, а в биполярном режиме - одновременно как положительную, так и отрицательную полярности.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый формирователь импульсов, так же как и известный, содержит нелинейную линию передачи и отрезок линейной линии передачи на ее выходе. Но, в отличие от известного, в предлагаемом формирователе в качестве материала нелинейной линии использован сегнетоэлектрик в параэлектрическом состоянии с нанесенными металлическими электродами, а закороченный отрезок линейной линии передачи содержит сегнетоэлектрический конденсатор, а к нелинейной линии через фильтры нижних частот подключен источник постоянного напряжения смещения.
Достигаемый технический результат - расширение номенклатуры и функциональных возможностей формирователя УК импульсов за счет создания формирователя УК импульсов на основе сегнетоэлектрика, способного формировать импульсы как в моно-, так и в биполярном режимах.
В частном случае нелинейная линия передачи выполнена в виде копланарной линии. Копланарная линия позволяет упростить технологию создания формирователя за счет расположения всех электродов в одной плоскости.
В другом частном случае нелинейная линия передачи выполнена в виде микрополосковой линии. Микрополосковая линия позволяет снизить амплитуду формируемых импульсов до единиц вольт за счет уменьшения толщины пленки сегнетоэлектрика.
В другом частном случае нелинейная линия передачи выполнена в виде полосковой линии. Полосковая линия позволяет повысить амплитуду формируемых импульсов до единиц киловольт за счет использования сегнетоэлектрической керамики.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 - функциональная схема формирователя импульсов на основе сегнетоэлектрической нелинейной линии передачи; фиг.2 - сигнал синусоидальной формы на входе формирователя импульсов; фиг.3 - сигнал на выходе нелинейной линии передачи в биполярном режиме; фиг.4 - сигнал, отраженный от окончания короткого отрезка линейной линии передачи в биполярном режиме; фиг.5 - последовательность ультракоротких электромагнитных импульсов на выходе формирователя в биполярном режиме; фиг.6 - сигнал на выходе нелинейной линии передачи в монополярном режиме; фиг.7 - сигнал, отраженный от окончания короткого отрезка линейной линии передачи в монополярном режиме; фиг.8 - последовательность ультракоротких электромагнитных импульсов на выходе формирователя в монополярном режиме; фиг.9 - вольт-фарадная характеристика сегнетоэлектрика и искажение передних фронтов входного сигнала после прохождения через нелинейную линию передачи на основе данного сегнетоэлектрика при отсутствии постоянного напряжения смещения; фиг.10 - вольт-фарадная характеристика сегнетоэлектрика и искажение передних фронтов входного сигнала после прохождения через нелинейную линию передачи на основе данного сегнетоэлектрика при подаче постоянного напряжения смещения; фиг.11 - схематичное изображения спектра последовательности ультракоротких электромагнитных импульсов на выходе формирователя в биполярном режиме; фиг.12 - схематичное изображение спектра последовательности ультракоротких электромагнитных импульсов на выходе формирователя в монополярном режиме; фиг.13 - топология нелинейной копланарной линии передачи; фиг.14 - топология нелинейной микрополосковой линии передачи; фиг.15 - топология нелинейной полосковой линии передачи.
Формирователь импульсов (фиг.1) состоит из нелинейной линии передачи 1 и короткого отрезка линейной линии передачи 2, содержащего сегнетоэлектрический конденсатор и на конце которого реализовано условие холостого хода 3. Постоянное напряжение смещения подается на нелинейную линию от источника 4 через фильтры нижних частот 5. Входом 6 формирователя является начало нелинейной линии передачи, а выходом 7 - ее окончание.
Принцип работы формирователя импульсов в биполярном режиме состоит в следующем. Постоянное напряжение смещения от источника 4 отсутствует. На вход 6 устройства подается сигнал синусоидальной формы (фиг.2). По мере распространения сигнала вдоль нелинейной линии 1 происходит обострение его переднего фронта за счет нелинейности сегнетоэлектрика. В результате уменьшения погонной емкости линии (копланарная, микрополосковая, полосковая) при увеличении напряжения различные участки фронта сигнала распространяются вдоль нелинейной линии передачи с различными скоростями, что приводит к обострению фронта по мере прохождения сигнала по линии. Причем вследствие симметричности вольт-фарадной характеристики сегнетоэлектрика для обоих полупериодов входного синусоидального сигнала происходит обострение переднего фронта и растяжение заднего (фиг.9). Прошедший через нелинейную линию сигнал представлен на фиг.3. Половина мощности сигнала с выхода нелинейной линии ответвляется в короткий отрезок линейной линии передачи 2 с последующим отражением от его короткозамкнутого окончания 3. Поскольку сигнал отражается от короткого замыкания, то его фаза изменяется на 180 градусов (фиг.4), кроме того, сигнал задерживается на время 2t, где t - время прохождения отрезка линейной линии передачи, содержащей сегнетоэлектрический конденсатор. Электрическая длина отрезка, а следовательно, и время t управляются изменением значения емкости включенного в отрезок конденсатора. В результате интерференции сигналов, изображенных на фиг.3 и фиг.4, на выходе устройства формируется последовательность ультракоротких электромагнитных импульсов обеих полярностей (фиг.5). Длительность импульсов зависит от времени задержки сигнала в отрезке линейной линии передачи, то есть управляется изменением емкости конденсатора. Спектр такой последовательности схематично представлен на фиг.11. Гармоники в спектре следуют с удвоенной частотой входного синусоидального сигнала.
Принцип работы формирователя импульсов в монополярном режиме состоит в следующем. На нелинейную линию 1 от источника 4 подается постоянное напряжение смещения, что приводит к отсутствию симметрии вольт-фарадной характеристики сегнетоэлектрика. На вход 6 устройства подается сигнал синусоидальной формы (фиг.2). В результате изменения погонной емкости линии (копланарная, микрополосковая, полосковая) при увеличении напряжения различные участки фронта сигнала распространяются вдоль нелинейной линии передачи с различными скоростями, что приводит к искажению фронта по мере прохождения сигнала по линии. Причем вследствие несимметричности вольт-фарадной характеристики сегнетоэлектрика передний фронт положительного полупериода входного синусоидального сигнала обостряется, а отрицательного полупериода - расширяется (фиг.10). Прошедший через нелинейную линию сигнал представлен на фиг.6. Половина мощности сигнала с выхода нелинейной линии ответвляется в короткий отрезок линейной линии передачи 2 с последующим отражением от его короткозамкнутого окончания 3. Поскольку сигнал отражается от короткого замыкания, то его фаза изменяется на 180 градусов (фиг.7), кроме того, сигнал задерживается на время 2t, где t - время прохождения отрезка линейной линии передачи, содержащей сегнетоэлектрический конденсатор. Электрическая длина отрезка, а следовательно, и время t управляются изменением значения емкости включенного в отрезок конденсатора. В результате интерференции сигналов, изображенных на фиг.6 и фиг.7, на выходе устройства формируется последовательность ультракоротких электромагнитных импульсов, имеющих полярность постоянного напряжения смещения (фиг.8). Длительность импульсов зависит от времени задержки сигнала в отрезке линейной линии передачи, то есть управляется изменением емкости конденсатора. Спектр такой последовательности схематично представлен на фиг.12. Гармоники в спектре следуют с частотой входного синусоидального сигнала.
Конструкцию формирователя импульсов рассмотрим на примере формирователя импульсов на основе нелинейной микрополосковой линии передачи (фиг.14). Между металлическими электродами 8 и 9 сформирован слой сегнетоэлектрика 11. Сегнетоэлектрик и электроды 8 и 9 образуют нелинейную линию передачи 1, начало которой является входом формирователя 6. Электроды 8 и 9 подключены к выводам источника постоянного напряжения смещения 4 через фильтры нижних частот 5. По окончании нелинейной линии передачи сегнетоэлектрик заменен на линейный диэлектрик, электроды 8 и 9 образуют вместе с линейным диэлектриком отрезок линейной линии передачи 2, на конце которого, между электродами 8 и 9, помещен сегнетоэлектрический конденсатор, образуя тем самым короткое замыкание 3. Выход формирователя 7 реализован по окончанию нелинейной линии передачи путем ответвления от электрода 9.