УПРАВЛЯЕМЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ СВЯЗАННЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НЕЛИНЕЙНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ
CONTROLLED PULSE SHAPER BASED ON BOUND FERROELECTRIC NON-LINEAR TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к телекоммуникациям и позволяет формировать ультракороткие (менее 1 нс) электромагнитные импульсы при помощи связанных сегнетоэлектрических линий передачи.
Известен формирователь импульсов по патенту США N 6,753,741, 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 N 6,690,247 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 однополярность формируемых импульсов.
Наиболее близкий аналог (прототип) описан в заявке на патент США N 2006/0158277. Устройство состоит из полупроводниковой нелинейной линии передачи, обостряющей один из фронтов исходного сигнала, делителя мощности, второй полупроводниковой нелинейной линии передачи, работающей в линейном режиме и являющейся электрически управляемой линией задержки, а также противофазного сумматора мощности. Длительность формируемого импульса определяется временем задержки сигнала во второй нелинейной линии передачи. Однако формируемые импульсы 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 формируемые импульсы имеют одновременно как положительную, так и отрицательную полярности.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый формирователь импульсов, так же как и известный, содержит отрезки двух нелинейных линий передачи. Но в отличие от известного, в предлагаемом формирователе линии имеют между собой непрерывную, распределенную по длине электромагнитную связь, а в качестве материала линий используется сегнетоэлектрик в параэлектрическом состоянии с нанесенными металлическими электродами, одна из нелинейных линий является линией возбуждения, а другая - линией ответвления, выходом формирователя импульсов является окончание линии ответвления, одно из двух оставшихся окончаний связанных нелинейных линий является открытым концом, а другое соединено с отрезком линейной линии передачи, содержащей сегнетоэлектрический конденсатор, и закорочено. Достигаемый технический результат - расширение номенклатуры формирователей УК-импульсов за счет создания формирователя УК-импульсов на основе сегнетоэлектрика.
В частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные копланарные линии передачи. Копланарные линии позволяют упростить технологию создания формирователя за счет расположения всех электродов в одной плоскости.
В другом частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные микрополосковые линии передачи. Микрополосковые линии позволяют снизить амплитуду формируемых импульсов до единиц вольт за счет уменьшения толщины пленки сегнетоэлектрика.
В другом частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные полосковые линии передачи. Полосковые линии позволяют повысить амплитуду формируемых импульсов до единиц киловольт за счет использования сегнетоэлектрической керамики.
В другом частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные полосковые линии передачи, где область связи заполнена линейным диэлектриком. Заполнение области связи линейным диэлектриком позволяет улучшить согласование формирователя на входе и выходе за счет снижения эффективной диэлектрической проницаемости структуры.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 показана функциональная схема управляемого формирователя импульсов на основе связанных нелинейных линий передачи; на фиг.2 - вольт-фарадная характеристика сегнетоэлектрика и обострение переднего фронта входного сигнала после прохождения через нелинейную линию передачи на основе данного сегнетоэлектрика; на фиг.3 - сигнал синусоидальной формы на входе формирователя импульсов; на фиг.4 - сигнал, отраженный от окончания линии ответвления, в плоскости у выхода формирователя; на фиг.5 - сигнал, отраженный от окончания линии возбуждения, в плоскости у выхода формирователя; на фиг.6 - ультракороткий электромагнитный импульс на выходе формирователя; на фиг.7 - топология связанных нелинейных копланарных линий передачи; на фиг.8 - топология связанных нелинейных микрополосковых линий передачи; на фиг.9 - топология связанных нелинейных полосковых линий передачи; на фиг.10 - топология связанных нелинейных полосковых линий передачи с областью связи, заполненной линейным диэлектриком.
Управляемый формирователь импульсов (фиг.1) состоит из линии возбуждения 1, соединенной с линейной линией передачи 2, содержащей сегнетоэлектрический конденсатор и на конце которой реализовано условие короткого замыкания 3, и линии ответвления 4, в начале которой реализовано условие холостого хода 5. Входом 6 формирователя является начало линии возбуждения, а выходом 7 - окончание линии ответвления.
Принцип работы управляемого формирователя импульсов состоит в следующем. На вход 6 устройства подается сигнал синусоидальной формы (фиг.2). По мере распространения сигнала вдоль линии возбуждения 1 происходит обострение его переднего фронта за счет нелинейности линии. В результате уменьшения погонной емкости линии (копланарная, микрополосковая, полосковая) при увеличении напряжения (фиг.6) различные участки фронта сигнала распространяются вдоль нелинейной линии передачи с различными скоростями, что приводит к обострению фронта по мере прохождения сигнала по линии. Одновременно за счет распределенной электромагнитной связи происходит частичное ответвление входного сигнала в линию ответвления 4. Направленное распространение в линии ответвления достигается в результате интерференции возбужденных в ней волн, которые, складываясь, в направлении окончания линии ответвления взаимно гасятся, а в направлении начала линии ответвления образуют результирующий ответвленный сигнал (фиг.3). Как известно, при уровне связи линий 3 дБ амплитуда прошедшего и ответвленного сигналов одинакова и равна половине амплитуды исходного входного сигнала. Поскольку в начале линии ответвления реализовано условие холостого хода 5, то сигнал отражается без изменения фазы и поступает на выход 7 формирователя (фиг.3). Сигнал, распространяющийся в линии возбуждения, отражается от ее окончания 3, а затем ответвляется в линию ответвления в направлении выхода формирователя. Поскольку сигнал был отражен от короткого замыкания, то его фаза изменилась на 180 градусов (фиг.4), кроме того сигнал задержан на время 2t, где t - время прохождения короткого отрезка 2 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 ультракороткий электромагнитный импульс, длительность которого зависит от времени задержки сигнала в отрезке линейной линии передачи, то есть управляется изменением емкости конденсатора.
Конструкцию управляемого формирователя импульсов рассмотрим на примере формирователя импульсов на основе связанных копланарных линий передачи (фиг.7). Металлические электроды 8, 9, 10, 11 формируются на слое сегнетоэлектрика 12, который, в свою очередь, сформирован на подложке из линейного диэлектрика 13. Сегнетоэлектрик и электроды 8 и 9 образуют линию возбуждения 1, которая является входом формирователя 6, а линию ответвления 4 образуют соответственно сегнетоэлектрик и электроды 10 и 11. Область связи линий находится между электродами 9 и 10. Окончание области связи реализовано за счет отдаления друг от друга электродов 9 и 10. По окончании области связи 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. Электроды 10 и 11 вместе с линейным диэлектриком образуют выход формирователя 7.