СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ИМПУЛЬСА Российский патент 2014 года по МПК H03K5/02 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к области обработки импульсов, и может быть использовано в различных технических, в том числе, радиофизических системах, для усиления импульсов в различных системах передачи и приема информации и в других технических импульсных системах.

Известны способы усиления импульса (см., например, с.9-30, 266-268 в кн. Клягин Л.Е. Радиопередающие устройства / Л.Е.Клягин, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др. / под ред. В.В.Шахгильдяна. М.: Связь. 1980, 328 с.; сс.62-70, 116-130, 232-241 в кн. Белов Л.А. Радиопередающие устройства / Л.А.Белов, М.В.Благовещенский, В.М.Богачев и др. / под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина. М.: Радио и связь. 1982, 408 с.; сс.8, 54, 55 в кн. Цыкина А.В. Электронные усилители / А.В.Цыкина. М.: Радио и связь. 1982, 288 с., ее. 109-112, 340-343, 376-382 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с.).

Из известных, наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ усиления импульса, описанный на с. 109-112,3 40-343, 376-382 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с. и заключающийся, в частности, в формировании радиоимпульса за счет модуляции несущего колебания (при этом огибающая импульса определяется модулирующим колебанием), и в последующем усилении импульса.

В данном способе усиление импульса производится за счет непосредственного усиления высокочастотной, модулированной составляющей (несущего колебания) радиоимпульса. Низкочастотное (сравнительно с несущим колебанием усиливаемого импульса) модулирующее колебание, определяющее огибающую, является неотъемлемой частью результата модуляции высокочастотных колебаний - составляющих радиоимпульса (несущего колебания). Огибающей радиоимпульса, при этом, признается условная кривая, огибающая высокочастотное заполнение (несущую) радиоимпульса, описывающее аппроксимированное изменение амплитуды такого заполнения (несущего колебания). То есть, усиление основного сигнала (несущего колебания радиоимпульса) влечет и усиление амплитуды его огибающей (в абсолютном значении).

Аналогичным образом, как правило, производится усиление и других типов импульсов, например акустических, механических, гидродинамических импульсов.

Однако в случае использования импульсов сложных форм или сверхкоротких импульсов наличествует большее количество колебаний заполнения импульса. Поэтому возникают технические проблемы с усилением таких импульсов вследствие резонансной настройки усилителя или недостаточности его полосы пропускания (даже в случае широкополосных усилителей). Более того, при усилении импульсов за счет усиления ВЧ несущей используется дорогостоящая элементная база (сравнительно с низкочастотными усилительными элементами), что также является недостатком известных способов усиления. Помимо этого известный способ не обеспечивает усиление солитонов.

То есть, возникают технико-экономические проблемы и затруднения при усилении сверхширокополосных, сверхкоротких импульсов, а также при усилении солитонов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение усиления сверхширокополосных, сверхкоротких импульсов, а также усиление солитонов.

Технический результат выражается в создании способа усиления импульсов, в котором реализуется усиление сверхширокополосных, сверхкоротких импульсов и, кроме того, обеспечивается усиление солитонов.

Результат достигается тем, что в способе усиления импульса, включающем формирование импульса, осуществляемое модуляцией несущего колебания модулирующим колебанием, определяющим огибающую импульса, упомянутый сформированный импульс усиливают путем усиления его огибающей.

Кроме того, усиливаемый импульс может быть сформирован как солитон.

На дату подачи материалов заявки авторам не известны технические решения, совокупность существенных отличительных признаков которых совпадает с заявляемой.

Предлагаемое техническое решение описывается и реализуется, например, следующим образом.

Формирование импульса, в общем случае, осуществляют модуляцией несущего колебания модулирующим колебанием. Например, имеется некоторое высокочастотное несущее колебание u₀(t), которое модулируют низкочастотным модулирующим колебанием u₁(t). Модуляция принимается как результат сложения или перемножения (смешивания) колебаний

u₀(t)=U₀cos(ω₀t+φ₀)

и u₁(t)=U₁cos(Ω₁t+φ₁),

где u₀(t) - несущее (модулируемое) колебание; U₀, ω₀, φ₀ - амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания; t - параметр времени; u₁(t) -модулирующее колебание; U₁, Ω₁, φ₁ - амплитуда, частота и начальная фаза модулирующего колебания.

Во всех случаях огибающая имеет меньшую частоту, чем несущая. То есть принимается, что Ω₁<ω₀.

В результате смешивания, перемножения (модуляции) модулируемого и модулирующего колебаний, модулированный сигнал будет описываться как импульс

$$u_{и}\left(t\right)=u_0\left(t\right)\cdot u_1\left(t\right)=\frac{U_0{U}_1}{2}\cos \left\{\left({\omega }_0+{\Omega }_1\right)t+\left({\phi }_0+{\omega }_1\right)\right\}+\frac{U_0{U}_1}{2}\cos \left\{\left({\omega }_0-\Omega \right)t+\left({\phi }_0-{\omega }_1\right)\right\},$$

или, соответственно известным описаниям (см. с. 107-112, 384-386 в кн. Каганов В. И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.:

Горячая линия - Телеком, 2007, 542 с.), в зависимости от отношения амплитуд U₀ и U₁

$$u_{к}\left(t\right)=U_0\cos \left\{{\omega }_{0}t+{\varphi }_0\right\}+\frac{U_1}{2}\cos \left\{\left({\omega }_0+{\Omega }_1\right)t+\left({\varphi }_0+{\varphi }_1\right)\right\}+\frac{U_1}{2}\cos \left\{\left({\omega }_0-{\Omega }_1\right)t+\left({\varphi }_0-{\varphi }_1\right)\right\}$$ ,

либо $$u_{к}\left(t\right)=U_1\cos \left\{{\Omega }_{1}t+{\varphi }_1\right\}+\frac{U_0}{2}\cos \left\{\left({\omega }_0+{\Omega }_1\right)t+\left({\varphi }_0+{\varphi }_1\right)\right\}+\frac{U_0}{2}\cos \left\{\left({\omega }_0-{\Omega }_1\right)t+\left({\varphi }_0-{\varphi }_1\right)\right\}$$ ,

где u_и(t) или u_к(t) - модулированный сигнал (сформированный импульс, в частности - радиоимпульс).

Как правило, принимается, что коэффициент модуляции $$m=\raisebox{1ex}{$U_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$U_0$}\right.\le 1$$

Импульсная форма модулированного сигнала возникает при значениях m≈1.

То есть результатом модуляции или результатом ограничения высокочастотного (несущего) колебания во времени является радиоимпульс (или электрический импульс). Огибающая такого импульса является условной кривой

- законом изменения, например, амплитуды высокочастотного заполнения (несущего колебания) импульса. Радиоимпульс (электрический импульс) при этом описывается выражением u_и(t) или u_к(t) как результат названной модуляции ВЧ-колебаний низкочастотным модулирующим колебанием, и является волновым пакетом.

Как видно из аналитического описания импульса, в спектре сформированного импульса присутствуют составляющие на частотах ω₀ (частота несущей - одна из двух основных составляющих спектра), Ω₁ (частота огибающей - другая из двух основных составляющих спектра, соответствующая частоте модулирующего колебания), (ω₀+Ω₁) (комбинационная, суммарная частота), (ω₀-Ω₁) (комбинационная, разностная частота). При этом аналитически показана взаимосвязь между амплитудой сформированного импульса и произведением амплитуд несущей и огибающей (определяемой модулирующим колебанием). То есть усиление импульса (рассматриваемое, как увеличение его амплитуды) возможно за счет увеличения амплитуды любой из составляющих его спектра. В настоящем случае, усиление огибающей (увеличение амплитуды U₁, спектральной составляющей импульса на частоте Ω₁) влечет усиление импульса (увеличение его амплитуды).

Усиление огибающей импульса (в данном случае, радиоимпульса или электрического импульса) может производиться за счет выполнения следующих действий:

- усиление огибающей (с использованием активного, усилительного элемента), как усиление низкочастотного (сравнительно с высокочастотной несущей) колебания на частоте модулирующего колебания (определяющего огибающую импульса) Ω₁;

- усиление огибающей, как усиление составляющей спектра импульса на частоте модулирующего колебания (определяющего огибающую импульса) Ω₁;

- усиление огибающей за счет накачки энергии (как непосредственно в усиливаемый импульс, так и в среду распространения (область нахождения) импульса), на частоте модулирующего колебания (определяющего огибающую импульса) Ω₁, что может производиться, например, в порядке параметрического усиления радиоимпульса или электрического импульса в плазменной среде или в параметрическом усилителе.

Во всех перечисленных случаях не производится какое-либо специальное выделение составляющей спектра импульса на частоте модулирующего колебания (частоте огибающей) Ω₁. To есть не производится подавление других составляющих спектра импульса.

При указанном усилении импульса (в частности, радиоимпульса, электрического импульса) с помощью активного элемента, следует обеспечить требуемую полосу пропускания (например, или широкополосность, или гребенчатость полосы пропускания, или двухрезонансную полосу пропускания - для частот ω₀, Ω₁, либо четырехрезонансную полосу, для основных составляющих спектра импульса ω₀, Ω₁, и суммо-разностных частот (ω₀±Ω₁)) усилителя, фильтров и активного элемента, чтобы обеспечить прохождение через соответствующие радиотехнические тракты колебаний с частотами ω₀, Ω₁, и, в случае необходимости, на комбинационных, суммо-разностных частотах (ω₀±Ω₁).

Учитывая, что приведенные аналитические выражения показывают взаимодействие между основными составляющими спектра импульса (между несущей и огибающей), следует, что увеличение амплитуды любой из основных составляющих спектра импульса приводит к усилению другой основной составляющей спектра импульса.

Кроме того, взаимосвязь спектральных элементов импульса может быть обеспечена резонансным соответствием частот Ω₁ и ω₀ (что означает резонансность частот Ω₁ и ω₀). В таком случае, колебание на более высокой частоте является гармоникой колебания более низкой частоты. Такое соответствие частот можно охарактеризовать как внутреннюю когерентность импульса. Приведенные обоснования взаимосвязи энергий (амплитуд) колебаний на частотах ω₀, Ω₁, в случае частотного соответствия колебаний, как гармоник, известны, как результат разложения в ряд Фурье сформированного импульса (модулируемого колебания - несущей, модулированной модулирующим колебанием - огибающей). Известно, что при накачке энергии в нулевую гармонику будут увеличиваться амплитуды всех остальных гармоник.

Таким образом, при усилении импульса за счет усиления его огибающей (в соответствии с предлагаемым техническим решением) должна быть задействована большая энергия, чем при непосредственном усилении одиночного модулирующего колебания на частоте Ω₁, т.к. такая энергия включает и энергию для усиления модулируемого колебания на частоте ω₀. Однако такая большая энергия обеспечивает усиление и огибающей (на частоте модулирующего колебания), и несущей (на частоте модулируемого колебания), и является не большей, чем энергия, затрачиваемая на усиление импульса за счет усиления ВЧ составляющих.

Фактически, усиление импульса за счет усиления его огибающей соответствует известным аналитическим преобразованиям (см., например, с.110 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с.), и подтверждено экспериментально. При этом результат усиления описывается выражением

U_и(t)=A·u_и(t) или u_к(t)=А·u_к(t),

где А - численный показатель усиления импульса (увеличения его амплитуды).

Для модуляции с целью получения радиоимпульсов используют смешение ВЧ и НЧ колебаний (определяющих несущую и огибающую импульса соответственно), которое подразумевает как суммирование, так и перемножение смешиваемых сигналов (с.107-112, 384-386 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с.), т.к. обыкновенное сложение колебаний приводит к получению модулированного сигнала не импульсного вида.

Идеальным случаем радиоимпульса считается ограниченное во времени одно колебание с одной частотой и детерминированной амплитудой - так называемый телеграфный или манипулированный сигнал - ее. 107,112 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с.

Реально, т.к. длительность радиоимпульса (электрического импульса) ограничена во времени, его огибающая описывается более сложной формой, например, по нормальному закону (гауссовское распределение), или солитонным решением какого-либо нелинейного уравнения (например, кубического нелинейного уравнения Шредингера) - см. патент РФ №2262797, 2003, бюл. №29, 2005, «Способ формирования нелинейных сигналов», МКИ Н03В 19/05, 28/00, а в составе импульса будет присутствовать большое количество колебаний с разными амплитудами и частотой - с.347 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с.

Описание процессов формирования импульса соответствует известным процедурам с гармоническими колебаниями или с более сложными сигналами (см., например, сс.35-38 в кн. Колачева Н.М. Колебания в механических и электрических системах / Н.М.Колачева, М.Я.Израилович, Л.В.Соломатина. М.: Изд-во ГОУ ВПО «МГИРЭА (ТУ)». 2007, 72 с.; патент РФ №2210857, 2002, бюл. №23, 2003, «Способ формирования мощных коротких СВЧ импульсов» (МКИ Н03K 12/00)).

Указанные процедуры - модуляция, смешение, перемножение, обеспечивающие формирование импульса, могут производиться, например, как в телеграфном режиме (методом манипуляции: включения и отключения, с частотой Ω₁, источника колебаний с частотой ω₀), так и с использованием модулятора, смесителя, перемножителя, например, в соответствии с алгоритмом и со схемами приведенными на с.384-396 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с. Также радиоимпульсы могут быть сформированы соответственно устройствам, описанным в патенте РФ №2262797, 2003, бюл. №29, 2005. Способ формирования нелинейных сигналов / Володин И.А., Дмитриев В.Г., Макаров С.Б., Сергеев В.И., Сергеева Е.А. (для формирования солитонов), или на с.445-486 в кн. Гусев В.Г. Электроника / В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. М.: Высшая школа. 1982, 495 с., или на с.215-225, 228-231 в кн. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х ч. Ч. 2 / У.М.Сиберт. М.: Мир. 1988, 360 с.

Усиление огибающей (определяемой модулирующим колебанием с частотой Ω₁) может производиться с использованием, например, устройств, описанных на сс.120-220 в кн. Гусев В.Г. Электроника / В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. М.: Высшая школа. 1982, 495 с., или на с.120-140 в кн. Цыкин Г.С. Усилители электрических сигналов / Г.С.Цыкин. М.: Энергия. 1969, 384 с. Также, например, может быть использован параметрический усилитель как с сосредоточенными, так и с распределенными (например, за счет усиления электромагнитных колебаний, при накачке энергии в плазменное образование) параметрами, что описано, в частности на с. 11-105, 144-196 в кн. Мари Ж. Низкочастотные параметрические усилители с ортогональным магнитным управлением / Ж.Мари. М.: Мир. 1967, 232 с., или на с.311-315 в кн. Александров А.Ф. Лекции по электродинамике плазмоподобных сред / А.Ф.Александров, А.А.Рухадзе. М.: Изд-во Московского университета. Физический факультет МГУ. 1999, 336 с.

Кроме того, усиление огибающей может производиться путем смешивания (перемножения) сформированного импульса с колебанием на частоте модулирующего колебания Ω₁, на смесителе или перемножителе, с коэффициентом преобразования, равным единице. То есть усиление импульса производится за счет именно накачки энергии в сформированный импульс на частоте его огибающей. В этом случае уровень увеличения амплитуды огибающей импульса (т.е. уровень усиления импульса) регулируется амплитудой накачиваемого колебания (на частоте Ω₁). Данный случай представляет один из возможных вариантов построения усилительной цепи для усиления огибающей.

Аналогичным образом, в качестве импульса (волнового пакета), усиливаемого путем усиления низкочастотной огибающей, может быть использован солитон.

Приведенное аналитическое описание показывает возможность усиления различных типов импульса, например, для случаев радиоимпульсов (электрических импульсов), акустических, механических, гидродинамических импульсов. Справедливость приведенного описания подтверждена экспериментально.

Таким образом, рассмотренный способ усиления импульса обеспечивает усиление короткого (сверхкороткого), широкополосного (сверхширокополосного) импульса и солитонов за счет усиления огибающей такого волнового пакета.

Изобретение относится к импульсной технике. Технический результат заключается в обеспечении усиления сверхширокополосных, сверхкоротких импульсов и солитонов. Способ усиления импульса заключается в том, что формируют импульс, осуществляя модуляцию несущего колебания модулирующим колебанием, определяющим огибающую формируемого импульса, и усиливают огибающую сформированного импульса. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ усиления импульса, заключающийся в том, что формируют импульс, осуществляя модуляцию несущего колебания модулирующим колебанием, определяющим огибающую формируемого импульса, и усиливают огибающую сформированного импульса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что усиливаемый импульс формируют как солитон.