СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА С КОРОТКИМ ФРОНТОМ Российский патент 1997 года по МПК H03K4/00 H01P1/16 

Предлагаемое изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано, например, для нужд время-импульсной метрологии и импульсной рефлектометрии в субнано- и пикосекундном диапазонах, где требуются импульсы с длительностью фронта τ_ф меньшей 50 пс, вплоть до единиц пикосекунд и менее.

Известны устройства формирования импульса с субнаносекундной длительностью фронта, содержащие в качестве собственно формирующего элемента соответственно электроразрядный и полупроводниковый коммутатор, т.е. активные элементы. В основе работы этих устройств заложены такие процессы, как электрический разряд в газе, в жидкости, в твердом теле и лавинный пробой в полупроводнике.

Первым недостатком устройств является использование активных элементов в каскадах формирования требуемого импульса, что снижает надежность соответствующей аппаратуры и эксплуатационные характеристики; вторым недостатком формирование импульса с длительностью фронта > 50пс и даже незначительное уменьшение этой величины сопряжено с большими технологическими трудностями и в основном невозможно.

Известно устройство для формирования импульса субнаносекундной длительности, содержащее первый разрядник, расположенный внутри линии передачи таким образом, что в ней возбуждается ТЕМ-волна, которая, распространяясь и взаимодействуя по пути с другими разрядниками (в линии передачи расположены еще 1-2 разрядника), обеспечивает формирование импульса требуемой длительности. Такое устройство позволяет получить импульсы с длительностью 100 пс при длительности фронта не менее 40 пс.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является способ, характеризующийся тем, что возбуждают ТЕМ-волну в линии передачи. Этот способ имеет общий с известными устройствами недостаток, заключающийся в том, что формирование короткого (40 50пс) фронта импульса осуществляется благодаря взаимодействию ТЕМ-волны с активным элементом-разрядником, что снижает надежность устройства. Кроме того, способ обеспечивает формирование импульса с длительностью фронта, в лучшем случае, не меньшей 40пс.

Целью предлагаемого изобретения является снижение длительности фронта формируемых импульсов, т.е. обеспечение τ_ф <40 пс вплоть до единиц пикосекунд и менее при простоте реализации способа.

Цель изобретения в способе формирования электромагнитного импульса с коротким фронтом, характеризующемся тем, что исходным импульсом с длительным фронтом возбуждают ТЕМ-волну в линии передачи, достигается тем, что пропускают ТЕМ-волну через включенный в линию передачи участок неоднородности, выполненный в виде линии передачи переменного сечения или ее изгиба и в результате трансформации ТЕМ-волны в волну ТМ типа получают электромагнитный импульс с длительностью фронта требуемой величины, определяемой конструктивными параметрами линии с введенным участком неоднородности.

Традиционно СВЧ-линии передачи выполняют однородными и стараются не допустить неоднородностей, т. к. последние являются источником сигнала помехи.

Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что в линию передачи специально вводят участок неоднородности в виде линии переменного сечения или ее изгиба и используют возникший электромагнитный импульс на высших типах волн (импульс "помехи"), параметры которого контролируются и определяются конструктивными параметрами линии передачи.

Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1; на фиг.2 модель линии передачи, иллюстрирующая механизм трансформации.

Принятые обозначения на фиг.1: блок связи 1, отрезки однородной линии передачи 2, 3, поглощающая нагрузка 5.

Отрезок 2 однородной линии передачи должен допускать существование и распространение волны ТЕМ-типа. Участок неоднородности 4 выполнен в виде линии передачи переменного сечения или ее изгиба, или комбинации того и другого, при этом форма поперечного сечения при постепенном переходе от 2 через 4 к 3 непрерывно изменяется. Блок связи 1 служит для возбуждения исходным импульсом, генерируемым сторонним устройством, ТЕМ-волны в отрезке 2 однородной линии передачи.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Исходный импульс от стороннего генератора через блок связи 1 возбуждает в отрезке линии передачи 2 ТЕМ-волну, которая, распространяясь по отрезку 2, доходит до участка неоднородности 4, происходит частичная трансформация ТЕМ-волны.

Кроме ТЕМ-волны на участке 4 возникает электромагнитный импульс на волне ТМ-типа, который и используют, выводя его с точки наблюдения, находящейся внутри участка неоднородности 4 или отрезка линии передачи 2 с помощью вспомогательной антенны. Поглощающая нагрузка 5 уменьшает отражения в линии передачи. Блок связи 1 в простейшем случае может представлять собой совокупность двух проводников, соединяющих сторонний генератор с внутренней и внешней жилами кабельной линии передачи 2.

Как видно из фиг. 2, иллюстрирующей механизм трансформации ТЕМ-волны, модель отрезков 2 и 3 линии передачи образована двумя проводящими поверхностями П1 и П2, расположенными параллельно при Z<0 и Z>θ.

В соответствии с предложенным способом исходным импульсом в линии передачи возбуждают ТЕМ-волну. В положительном направлении оси Z из левого полуслоя (Z<0), расположенного между двумя параллельными и идеально проводящими поверхностями П1 и П2, распространяется ТЕМ-волна, у которой вектор напряженности электрического поля перпендикулярен направлению ее распространения. Включенная в линию распределенная неоднородность в виде линии передачи переменного сечения при θ>Z>0 приводит к изменению направления вектора напряженности электрического поля и, как следствие, появлению отличной от нуля компоненты этого вектора в направлении распределения волны, т.е. к формированию волны ТМ типа. Таким образом осуществляют операцию предлагаемого способа: пропускают ТЕМ-волну через включенный в линию передачи участок неоднородности, выполненный в виде линии передачи переменного сечения или ее изгиба, и в результате трансформации ТЕМ-волны в волну ТМ типа получают электромагнитный импульс с длительностью фронта требуемой величины.

Проведенные авторами заявки расчеты показали, что длительность фронта электромагнитного импульса, формируемого исходным импульсом, в адиабатическом приближении удовлетворяет неравенству:

ε и μ диэлектрическая и магнитная проницаемости среды между поверхностями П1 и П2,
С скорость света в вакууме С=3X10 (см x c),
D расстояние между поверхностями П1 и П2.

Формула (1), полученная из строгих электродинамических решений краевой задачи для уравнений Максвелла, имеет ясную физическую интерпритацию, определяя длительность фронта как половину времени пролета световым лучом расстояния D.

Применение формулы (1) при e = μ = 1 дает длительность формируемого импульса не более 10 пс при Δ 0,6 см, что не представляет никаких технологических трудностей. Как видно из формулы (1), длительность фронта электромагнитного импульса практически не зависит от параметров исходного импульса и определяется конструктивными параметрами линии. Это позволяет путем надлежащего выбора конструктивных параметров линии выполнить необходимые требования по максимально допустимой длительности фронта. Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить электромагнитный импульс с длительностью фронта порядка единиц пикосекунд и менее, при простоте его реализации.

Использование: время-импульсная метрология и импульсная рефлектометрия. Цель: снижение длительности фронта формируемого импульса при простоте реализации предлагаемого способа. Сущность: использование возникающего на высших типах волн дополнительного импульса, для получения которого в волноводную линию специально вводят участок неоднородности. Положительный эффект: получение импульсов с короткими фронтами единиц пикосекунд и менее, простота реализации способа, надежность устройства, реализующего способ, из-за отсутствия активных элементов. 2 ил.

Способ формирования электромагнитного импульса с коротким фронтом, характеризующийся тем, что исходным импульсом с длительным фронтом возбуждают ТЕМ волну в линии передачи, отличающийся тем, что пропускают ТЕМ волну через включенный в линию передачи участок неоднородности, выполненный в виде линии передачи переменного сечения или его изгиба и в результате трансформации ТЕМ волны в волну ТМ типа получают электромагнитный импульс с длительностью фронта требуемой величины, определяемой конструктивными параметрами линии передачи с неоднородностью.