Способ формирования наносекундных СВЧ-импульсов Советский патент 1992 года по МПК H01P1/14 H01P7/04 

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для формирования мощных высокочастотных импульсов для целей радиолокации наземных объектов, имеющих малую ЭПР.

Использование формирователей СВЧ- импульсов длительностью от единиц до десяти наносекунд в станциях нелинейной радиолокации (HP Л С) позволяет определять дальность с точностью до 1-1,5 м и увеличить максимальную дальность в 2 раза при увеличении мощности генератора накачки в 80 раз. Приемники нелинейно РЛС рассчитаны на частоту 2-й или 3-й гармоники частоты зондирующего сигнала и имеют высокую чувствительность, так как относительная мощность гармонической составляющей в отраженном сигнале невелика.

Поэтому в течение всей длительности микросекундного импульса генераторной лампы генератора накачки приемник оказывается закрытым вследствие высокочастотных помех и паразитного сигнала, просачивающегося по СВЧ-цепям. Вследствие этого локации объектов в ближней зоне не может быть проведена, и способ увеличения зоны за счет ее ближней части является задачей изобретения.

Известен способ формирователя СВЧ- импульсов, который заключается в том, что СВЧ-энергию накапливают в резонансной системе, а после достижения заданной напряженности электрического поля изменяют фазу возбуждающей волны на ж. Инверсию фазы осуществляют во входной цепи мощного клистронного усилителя и

1

ся о о

00

длительность сигнала с измененной фазой составляет г1/6 часть от общей длительности импульса. Амплитуда выходного СВЧ- импульса имеет максимальное значение в момент инверсии фазы, а затем быстро спадает, так что на выходе импульс СВЧ имеет форму трапеции с длительностью по основанию, изменяющейся от нескольких сотен наносекунд до одной микросекунды,

К недостатком способа относится то, что после излучения импульса мощная усилительная лампа продолжает работать в течение времени, состоящего 1/6 от общей длительности импульса, Общая дпитель- ность зависит от добротности системы, величины связи и для медных резонаторов близка к величине 5-6 мкс, Время работы клистрона после инверсии фазы будет 0,7-1 мкс, и в течение этого времени приемник НРЛС будет закрыт помехами Таким образом объекты, расположенные на расстоянии от излучающей антенны менее (100-150) м не будут обнаружены. С учетом того, что дальность известных НРЛС не превышает радиуса такой же величины (100-150) м, станция с передатчиком данного вида становится неработоспособной.

Известен также способ формирования СВЧ-импульсов, заключающийся в том, что импульс СВЧ-генератора накачки подают на элемент возбуждения резонэтооа, и в момент окончания действия плоской части огибающей при достижении максимального поля в резонаторе на пусковой электрод подается высоковольтный импульс.

Подробнее формирование наногекунд- ных СВЧ-импульсов по данному способу происходит следующим образом.

Импульс, поступающий от СВЧ-генератора накачки к резонатору, приводит к возбуждению в нем электромагнитного поля. Во время действия импульса амплитуда колебаний в резонаторе нарастает и достигает к концу плоской части вершины огибающей своего максимального значения. В этот момент на пусковой электрод подается высоковольтный поджигающий импульс, искра разряда вызывает СВЧ-раз- ряд в основном промежутке, что приводит к установлению сильной связи возбужденного вида колебаний с выходным отверстием, Сильная связь устанавливается за время много меньшее, чем постоянная времени резонатора, и энергия электромагнитного поля излучается за период времени, приблизительно равный времени двойного пробега волны вдоль длины резонатора.

В качестве резонансного объема используется резонатор стоячей волны, ограниченный с одной стороны Т-образным

соединением с короткозамкнутым плечом. В этом плече расположен коммутатор, включающий в себя пусковой электрод, который расположен вне объема резонатора соосно

с отверстием, выполненным в стенке в области максимального электрического поля стоячей волны.

Недостатком способа является то, что во время и после формирования наносекун0 дного СВЧ-импульса происходит излучение электромагнитных колебаний на частотах гармонических составляющих. Это излучение связано с тем, что коммутацию осуществляют в момент времени, когда амплитуда

5 напряженности поля в резонаторе максимальна или же продолжает нарастать, но ее величина достигла критического значения. Амплитуда достигает максимального значения в момент окончания действия плоской

0 части вершины огибающей СВЧ-импульса генератора накачки, однако длительность спада задней части импульса достигает величины порядка ста наносекунд, причем ее конкретное значение зависит от особенно5 стей работы высоковольтного модулятора. Известны способы сокращения длительностей фронта и спада импульса СВЧ-генера- торов, однако ввиду конечной добротности резонаторов генераторной лампы длитель0 ность может быть сокращена не более чем до 30-50 не. В течение этого времени генератор накачки остается интенсивным источником помех, содержащих гармонические составляющие. Приемник НРЛС обладает

5 высокой чувствительностью (90-100 дБ)от- носительно 1 Вт мощности гармонической составляющей, и в течение 30-50 не он остается закрытым помехой. Это означает, что участок в радиусе 7 м не попадает в зону

0 обнаружения, которая таким образом сокращается на 20-30%, если принять максимально достижимую дальность 20-35 м.

Цель изобретения - снижение уровня помех, содержащих гармонические состав5 ляющие после окончания формирования на- носекундного СВЧ-импульса.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу энергию накапливают в резонаторе путем подачи на его вход

0 СВЧ-импульса накачки и передают накопленную энергию в нагрузку, передачу накопленной энергии осуществляют в момент окончания СВЧ-импульса накачки.

По всем известным методом формиро5 вания СВЧ-импульсов и во всех известных устройствах большая связь с нагрузкой устанавливается в момент нарастания амплитуды поля в резонаторе или же в момент достижения максимальной амплитуды при окончании действия плоской части вершины

огибающей СВЧ-импульса накачки. По предлагаемому способу большая связь и передача энергии в нагрузку происходит в момент полного окончания действия импульса генератора накачки, т е через интервал времени, равный длительности среза задней части импульса, после окончания действия плоской части вершины огибающей СВЧ-импульса накачки. Следовательно, передачу накопительной энергии осуществляют при спадающем поле в резонаторе. Установление большой связи и передача энергии в момент полного окончания действия импульса генератора накачки является существенным отличием способа и позволяет в принципе осуществлять локацию в ближней зоне.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, поясняющее способ; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие способ.

Устройство содержит генератор 1 накачки; блок 2 синхронизации; высоковольтный генератор 3; накопительный резонатор 4; элемент 5 возбуждения; выходной узел 6 резонансного объема; пусковой разрядник 7 осциллограф 8;согласованную нагрузку 9.

Блок 2 синхронизации соединен с генератором 1 накачки и высоковольтным генератором 3. Генератор 1 накачки с помощью СВЧ-тракта соединен с элементом возбуждения резонатора 5. Один из электродов пускового разрядника 7 подключен с высоковольтному генератору 3. Выходной узел 6 соединен с согласованной нагрузкой 9 с помощью выходного тракта. В тракт включен ответвитель, к которому подключен осциллограф 8.

Формирование импульса происходит следующим образом

От блока 2 синхронизации запускающий импульс подают на генератор 1, который вырабатывает микросекундный СВЧ-импульс с длительностью по основанию (t2-to). Огибающая СВЧ-импульса изображена нарис.2а. где11, момент окончания ее плоской части. Этот импульс передают на элемент 5 резонатора 4, который возбуждается в течение отрезка времени (t2-t0). С момента времени to до ti амплитуда поля в резонаторе нарастает по экспоненциальному закону, а затем начинает уменьшаться, В нормально работающем формирователе СВЧ-импульсов во время коммутации и выводе энергии амплитуда поля резко падает, что соответствует в выбранном масштабе времени вертикальной линии на фиг.2в. Пунктирной линией представлена зависимость амплитуды для случая, когда в резонаторе не осуществляют коммутацию, а электромагнитные колебания после окончания действия импульса СВЧ-генератора свободно затухают.

После полного окончания действия импульса СВЧ-генератора в момент t2 от блока 2 синхронизации подают управляющий импульс на высоковольтный генератор 3, с выхода которого высоковольтный пусковой импульс передают на электрод поджигающего разрядника 7. Разряд в поджигающем

разряднике 7 иницирует СВЧ-разряд в основном промежут к е° гТ0йҐоДящий к установлению сильной связи возбужденного поля с выходным отверстием 6. Тогда энергия поля в виде короткого йШпульса изяучается в нагрузку 9, а его форма и амплитуда контролируются осциллографом 8. На фиг.2с изображена огибающая выходного импульса с пиковой мощностью PI совместно с огибающей импульса СВЧ-генератора накачки

При формировании импульса в момент t2 по предлагаемому способу, так как описано выше, во время г)бредачи энергии из накопительного резонатора 4 магнетрон

отключен и не генерирует колебания на основной частоте и частоте гармонических составляющих. Это позволяет, в частности при использований формирователя в качестве передатчика НРЛС, производить локацию объектов, расположенных вблизи станции.

При формировании импульса в момент достижения максимального значения уровня поля в резонаторе,так как это показано

на фиг.2с, в течение времени At магнетрон остается работающим и является источником интенсивных помех с частотами гармонических составляющих. Если таким способом импульс формируется в НРЛС, то

в радиусе (с At)/2 метров объекты не могуто быть обнаружены. Тогда как по предлагаемому способу зона обнаружения увеличивается за счет ближней границы. Здесь с - скорость света.

Способ применим если длительность заднего среза импульса магнетрона (или другой генерирующей лампы) At много меньше постоянной времени т резонатора. Для большинства практических случаев это

условие выполняется, что можно показать на конкретном примере.

Постоянная времени медного резонатора в 30-сантиметровом диапазоне длин волн т с при соответствующей нагруженной

добротности e -32QQ. Длительность заднего среза импульса магнетрона может быть получена 30-50 не, а коммутация через 30 не после окончания действия плоской части огибающей импульса магнетрона приведет

к тому, что выходная мощность уменьшиться на 6% относительно мощности, которая могла бы быть получена при коммутации в момент достижения максимального поля в резонаторе (фиг,2а). При A КС уменьшение мощности составит 9,5%.

Уменьшение мощности выходных импульсов относительно оптимального знамения на 10-30% является вполне приемлемой величиной, так как усиление мощности в медных резонаторах достигает 80,и при задержке коммутации на время, равное длительности заднего спада, усиление составит 72-56. С другой стороны локация объектов, удаленных более, чем на (c At)/2, может производиться как обычно при коммутации в момент достижения максимального поля в резонаторе, поскольку временная развязка с помехой достигается задержкой отраженного сигнала.

$,Следует отметить, что в 30-сантиметровом диапазоне добротность & медных резонаторов можно увеличить до 10000, так как собственная добротность достигает 20000. Тогда в передатчике возбуждающий импульс может иметь At 150 не, что достижимо с помощью традиционных модуляторов без специального изменения Их конструкции.

$,

В том случае, если At-50 не, то при формировании импульса по предлагаемому способу зона обнаружения увеличивается на 7 м за счет уменьшения радиуса ближней

5 границы. Если не увеличение зоны составит 21 м. С учетом того, что максимальная дальность достигается 25-35 м в первом случае зона обнаружения увеличивается на 30%, во втором случае использо10 вание способа в принципе обеспечивает работоспособность НРЛС.

В настоящее время НРЛС начинают широко использоваться для исследования поверхностных слоев почвы и обнаружения

15 подповерхностных объектов, и поэтому заявляемый способ имеет большое научное и народно-хозяйственное значение Формула изобретения Способ формирования наносекундных

20 СВЧ-импульсов, заключающийся в том, что накапливают энергию в резонаторе путем подачи на его вход СВЧ-импульса накачки и передают накопленную энергию в нагрузку, отличающийся тем, что, с целью 25 снижения уровня помех, содержащих гармонические составляющие после окончания формирования наносекундного СВЧ-импульса, передачу накопленной энергии осуществляют в момент окончания импульса

30 накачки,

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в передатчиках радиолокационных станций,. Цель изобретения - снижение уровня помех, содержащих гармонические составляющие после окончания формирования наносекундного СВЧ- импульса. По всем известным способам формирования наносекундных СВЧ-им- пульсов накопленную энергию передают в нагрузку в момент достижения максимальной амплитуды при окончании действия плоской части вершины СВЧ-импульса накачки. Передачу накопленной энергии в нагрузку осуществляют в момент полного окончания импульса накачки. 2 ил. - . з-. f Jfc-- 4- Ј

Фиг.

о)

At i2-tf

Фиг2