Генератор мощных сверхширокополосных радиоимпульсов Советский патент 1992 года по МПК H03K3/64 H01P7/00 

Изобретений относится к области преобразования электрической энергии посто- я н ног о тока в импульсную в высокочастотном диапазоне спектра, а именно к формированию мощных радиочастотных импульсов наносекундной длительности (сверхширокополосных импульсов), и может быть использовано в радиолокации, научном эксперименте. Мощные радиоимпульсы необходимы для дальней космической связи, дистанционного зондирования подстилающей поверхности в геологии, поиска скрытых объектов, а также в ряде других областей науки и техники.

Сверхширо.кополосные (СШП) импульсы представляют собой радиосигналы, ширина спектра которых ДТ соизмерима с их спеднсй чясюгой I0( Af/fo 1). Этот класс сигналов позволяв на более высоком уровне решать задачи обнаружения и рэспозна- иания целей, построения их радиолокационных изображений и т.д. При этом важную роль играет не только большая абсолютная ширина спектра СШП сигнала, достигающая единиц гигагерц, но и его значительная относительная широкополос- ность (Af/fo) (см., например, Л.Ю.Астанин, А.А.Костылев/Основы

сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989, с. 192). Фактически речь идет о сигналах, состоящих из одного млн нескольких периодов колебания высокой частоты,

Известен радиочастотный генератор (см. Патент США, № 4104558, опубл. 1978), содержащий высоковольтный источник питания и коаксиальный полуоткрытый резонатор с разрядным промежутком. Разрядный промежуток образован центральным проводником резонатора, представляющим собой стержень длиной А/4 ( Х рабочая длина волны резонатора) и электродом, выполненным на внутренней поверхности торцовой стенки резонатора. При пробое разрядного промежутка в резонаторе возникают высокочастотные колебания. Вывод энергии осуществляется посредством петли связи в боковой поверхности резонатора. Хотя в коаксиальном резонаторе проще осуществлять селекцию колебаний по сравнению с волноводным (в коаксиальном резонаторе типы колебаний расставлены более редко), но и генератор с коаксиальным резонатором не лишен недостатков. К ним относится низкий КПД, связанный с возбуждением низкочастотных колебаний, наряду с рабочими высокочастотными (ВЧ) колебаниями, Поскольку коаксиальный резонатор работает на ТЕМ

типе колебаний без граничных частот, то низкочастотные колебания, обусловленные взаимодействием емкости резонатора и индуктивности штыря, будут всегда существовать и их практически нельзя устранить, например, посредством уменьшения емкости резонатора, т.к. последнее повлечет за собой утечку энергии колебаний резонатора. Перераспределение энергии между па0 разитными низкочастотными колебаниями и рабочими ВЧ-колебзниями приводит к снижению КПД, уровня выходной мощности устройства и стабильности генерируемых колебаний.

5 Известен радиочастотный генератор на основе формирующей линии коаксиального типа с секционированным центральным проводником (см., например, Патент США №3484619, опубл. 1969), в котором запасен0 ная энергия постоянного тока без промежуточных этапов преобразуется в радиочастотный импульс. Данное устройство, взятое нами за прототип, содержит первичный накопитель электрической энергии,

5 входную коаксиальную линию, формирующую коаксиальную линию, устройство вывода. Входная линия выполнена заодно с формирующей коаксиальной линией, имеющей секционированный внутренний про0 водник.

К входной линии через разрядный промежуток подключен первичный накопитель энергии и со стороны боковой поверхности линии подключено устройство вывода пол5 учаемых радиоимпульсов, выполненное в виде коаксиального излучателя. Каждая секция внутреннего проводника формирующей линии поддерживается изолирующими шайбами из материала, характеризующего0 ся малым уровнем потерь на СВЧ и соединена с внешним проводником коаксиальной формирующей линии высокоомным резистором для отекания остаточного заряда ли- иии, препятствующего достижению

5 высокой частоты повторения импульсов. Секции внутреннего проводника формирующей линии отделены друг от друга разрядными промежутками с воздухом в качестве самовосстанавливающегося диэлектриче0 ского материала.

Устройство-прототип работает следующим образом. От первичного накопителя энергии заряжается входная линия, в которой формируется бегущая волна напряже5 ния.

Эта волна, назовем ее исходной, распространяется по формирующей линии. Энергия, запасенная в бегущей волне, дробится путем последовательных отражений от разрядных промежутков и их поочередном срабатывании. При этом формируются серии с количеством импульсов, равным числу разрядных промежутков. При соответствующем выборе длин секций и времени пробоя разрядных промежутков можно добиться формирования импульсов симметричной формы так, что серии будут представлять собой радиоимпульсы с несинусоидальной несущей, которая может составлять сотни мегагерц и единицы гигагерц (см., например, Хармут X. Радиолокатор с синтезированной апертурой и несинусоидальной несущей. Экспресс-информация РСВЧ, 1981, № 5, с. 10). Длительность каждого импульса в серии определяется временем развития разряда каждого разрядного промежутка. Так, при времени разряда 0,6 не с помощью устройства-прототипа получены радиоимпульсы длительностью 6,4 не с несущей частотой f0 600 МГц и пиковой мощностью Р 100 кВт.

Однако устройство-прототип имеет ограничение по пиковой мощности выходного радиоимпульса. Это ограничение, с одной стороны, объясняется низкой стабильностью генерируемых колебаний из-за разброса времени срабатывания разрядных промежутков или практического отсутствия их синхронизации, поскольку пробой разрядных промежутков в устройстве-прототипе является по своей сути самопробоем. При этом время развития разряда на каждом из промежутков зависит от целого набора параметров как собственно промежутка, так и электродов, ограничивающих промежуток. В силу этою будет иметь место временная нестабильность в срабатывании каждого разрядника, сравнимая с длительностью периода колебаний, составляющего десятые доли и единицы наносекунд. Это приведет к ограничению пиковой мощности сформированных радиоимпульсов. С другой стороны, амплитуда импульсов в устройстве-прототипе не превышает амплитуды исходного импульса, что также ограничивает пиковую мощность выходного радиоимпульса Повысить пиковую мощность радиоимпульса с одновременным повышением стабильности частоты колебаний можно, если внутренний проводник формирующей линии выполнить одной коротко- замкнутой секцией, оставив один разрядный промежуток.

Целью изобретения является повышение пиковой мощности выходного сверхширокополосного радиоимпульса.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем, как и прототип, отрезок формирующей коаксиальной

линии, заполненной самовосстанавливающейся диэлектрической средой, которая подключена одним концом к накопителю энергии, а другой ее конец короткозамкнут,

ив которую включены первый и второй в направлении от накопителя разрядные промежутки, выполненные в центральном проводнике, и выходную антенну, подключенную к формирующей коаксиальной линии перпендикулярно ее продольной оси, в отличие от прототипа выходная антенна выполнена дипольной, один из вибраторов которой подключен к центральному проводнику, а другой - к внешнему проводнику формирующей коаксиальной линии, при этом плоскость, в которой лежат оба вибратора, расположена на расстоянии Н с Гц /2 от второго разрядного промежутка, а длина Is секции от второго

разрядного промежутка до короткозамкну- того конца формирующей коаксиальной линии выбрана из условия 2 5: с ги /4, где с - скорость света; Гц -длительность исходного импульса накопителя электрической

энергии.

Конструкция предлагаемого устройства представлена фиг.1, где обозначено:

1 - первичный накопитель электрической энергии;

2 - развязывающий разрядный промежуток.

3- входная коаксиальная линия;

4- формирующая коаксиальная линия;

5- рабочий разрядный промежуток; б - секция внутреннего проводника

формирующей линии;

7- первый вибратор дипольной антенны;

8- второй вибратор дипольной антен- ны;

9-диэлектрическая шайба.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема устройства в тех же обозначениях, что и на фиг, 1, Дополнительно указана позиция

10, которой обозначен высокоомный резистор и накопитель энергии представлен в виде емкости С и резисторов RI и На.

На фиг. 3 показана диаграмма, примерно отображающая процесс формирования

импульсов в формирующей линии 4.

Предлагаемый генератор состоит из первичного накопителя электрической энергии 1, входной коаксиальной линии 3, формирующей коаксиальной линии 4 устройства вывода 7, 8. Накопитель энергии представляет собой, например, конденсатор С, соединенный с источником постоянногонапряжениячерезтокоограничивающий резистор RI, а через

демпфирующий резистор R2, развязывающий разрядный промежуток 2-е входной коаксиальной линией 3, Секция 6 формирующей линии 4 и внутренний проводник входной линии 3 поддерживаются посредством диэлектрических шайб 9. Секция 6 соединена накоротко вторым своим концом с внешним проводником формирующей линии 4. Первый вибратор 7 устройства вывода соединен с внутренним проводником входной линии 3, а второй вибратор 8 - с внешним проводником входной линии.

Генератор работает следующим образом.

Импульс с напряжения от первичного накопителя энергии 1 через разделительный разрядный промежуток 2 подается во входную линию 3, заряжая ее до напряжения U. При длительности входного импульса г„ Т, где Г - эпектричоская длина входной линии, последняя работает так же, как и на постоянном токе. В исходном состоянии разрядный промежуток 5,разомкнут, Распросфзняющиисл по входной линии исходный импульс 11 (фиг.З А) длительностью Гц и амплитудой U подходит к разомкнутому разрядному промежутку 5 и отражается высоким импедансом этого промежутка в. рязомкнутом состоянии. Если исходный импульс имеет свехпробивную амплитуду по отношению к разрядному промежутку 5, то последний резко пробьется и импеданс в этом сечении формирующей линии станет близким волновому импедансу Z линии, Это обеспечит крутое переходное затухание отраженной ранее от промежутка 5 части исходного импульса, завершающее процесс отражения. Далее эта отраженная часть исходного (падающего) импульса уже в виде отдельного короткого импульса 12 (фиг. 3 Б.С) будет распространяться по формирующей линии 4 к ее началу. Исходный импульс 11. пройдя замкнутый промежуток 5, начинает распространяться по участку формирующей линии за промежутком 5 и заряжает этот участок. Дойдя до короткозамкнутого конца формирующей линии 4, исходный импульс 11 за вычетом первоначально отразившейся от промежутка 5 части, отразится теперь уже от короткозамкнутого конца формирующей линии 4 с изменением фазы и в виде импульса (фиг. 3 Д) будет распространяться к началу формирующей линии 4. Поскольку к этому моменту времени разрядный промежуток 5 еще не восстановился до исходного состояния, импульс 13 пройдет через него и вслед за импульсом 12с задержкой на время Ti поступит на дипольную антенну 7, 8. Таким образом устройство будет излучаться импульс длительностью в один квазипериод колебания.

Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы выполнялось соотношение

Ти Т,

пр

(1)

где Ги - длительность исходного импульса 11 (фиг.З А);

ТПр - время развития пробоя промежутка, равное длительности отраженного импульса 12 (фиг.З В).

Если время развития пробоя на промежутке ТПр будет равно двойному времени

прохождения исходного импульса 11 по секции 6 формирующей линии, то в последней будет формироваться импульс напряжения в виде симметричной знакопеременной функции. Этот импульс как и классический

радиоимпульс может излучаться и распространяться в свободном пространстве.

Поскольку квазипериод получаемого колебания будет определяться длиной секции б формирующей линии, выбираем ее длину

с учетом воздушного заполнения линии из соотношения

И С Ги/4 ,

(2)

где с - скорость света; ти - длительность исходного импульса первичного накопителя электрической энергии.

В процессе формирования выходного сверхширокополосного сигнала отраженный от разрядного промежутка импульс уменьшает длительность исходного импульса на величину, равную своей длительности. При выполнении условия (2) формируется биполярный импульс с интервалом между

его положительной и отрицательной частями, равным длительности каждой из них, при этом длительность первой из частей импульса определяется временем развития разряда (пробоя) разрядного промежутка,

длительность второй части определяется разницей между длительностями исходного и отраженного от промежутка импульсов, а интервал между частями импульса равен двойной электрической длине 6. Именно для

обеспечения возможности формирования

импульса заданной формы и выбирается

длина секции 6, связанная с длительностью

исходного импульса соотношением (2).

Время развития разряда на промежутке

может быть доведено до величины 1,0...0,3 не, а это означает, что такую же длительность будут иметь импульсы, составляющие сигнал, сформированный предложенным устройством. Времена такого порядка соответствуют периоду высокочастотных колебаний с частотой 1,0...3,0 ГГц, т.е. с помощью предложенного устройства можно получить сигнал в один квазипериод колебания, который по своему составу относится к классу сверхширокополосных радиоимпульсов (см., например, Л.Ю.Астанин, А.А.Костылев. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М,: Радио и связь, 1989, 192 с). С другой стороны, длительность таких сигналов и спектральный состав позволяют считать их и практически использовать как радиоимпульсы с так называемой нссинусоидальной несущей (см,, например, Х.Ф.Хармут. Несмнусои- дэльные волны в радиолокации и радиосвязи. Пер. с англ. М,: Радио и связь, 1985, с. 376). Поскольку при формировании сверх- широкополосного импульса возможно его искажение за счет, например, интерференции исходного и отраженного импульсов, распространяющихся по линии, необходимо определенное расположение дипольной антенны по отношению к разрядному промежутку. В процессе рассмотрения динамики формирования сверхширокополосного импульса определено, что дипольную антенну необходимо располагать от разрядного промежутка на расстоянии, определяемом соотношением

12 с ги/2 .

(3)

Здесь как и ранее с - скорость света; Г4 - длительность исходного импульса. Зз время, необходимое электромагнитной волне на преодоление расстояния в об конца, закончатся все переходные процессы и к дипольной антенне поступит сформированный чистый импульс заданной формы (фиг. 3 Д).

Импульсную мощность сформированного радиоимпульса можно найти из соотношения (см. патент США № 3434619, опубл. 1969):

Вт,

(4)

где U - амплитуда исходного импульса, Е. Если предположить, что формирующая линия сможет без пробоя выдержать напряжение 1000 кВ, то теоретическая оценка мощности, достижимой с помощью предложенного устройства, составляет 1 ГВт.

Выполнение рабочей секции формирующей линии длиной И, связанной соотношением (2) с длительностью исходного импульса, позволило упростить устройство и повысить пиковую мощность выходного

радиоимпульса, т.е. повысить выходную мощность генератора. Выполнение этой же секции с закороткой на одном из концов обеспечивает формирование радноимпульса длительностью в один период колебаний наиболее простыми средствами без введения дополнительных устройств. Дипольная антенна повышает пиковую мощность выходного радиоипульса за счет того, что ее

характеристики могут быть частотно независимыми.

При практической реализации предложенного устройства в качестве входной 3 и формирующей 4 линий используется жесткэя коаксиальная линия из латуни с внут,- ренним диаметром внешнего проводника DI 50 мм и внутренним проводником диаметром D2 10 мм. Волновое сопротивление линии при этом7 100 Ом. Внутренний

проводник фиксируется с помощью диэлектрических шайб, выполненных из фторопласта.

В качестве первичного накопителя электрической энергии используется конденсатор С емкостью 100 пФ, подключенный через демпфирующий резистор R 2 кОм к входной линии 3 и через токоограничиваю- щий резистор RI - 10 Ом - к источнику постоянного напряжения U --- 30 кБ. Разрядный промежуток 5 формирующей линии 1 образован концом внутреннего проводника входной линии 3 и концом секции 6. Исходя из предлагаемой несущей частоты формируемого сверхширокополосного радиоимпульса, длина секции 6 формирующей линии выбрана длиной И 10 см. Взаимным перемещением секций - электродов регулируется длина разрядного промежутка. Для этого в средней части секции бив диэлектрпческой шайбе 9 выполнены резьбы.

В качестве самовосстанавливающейся диэлектрической среды используется воздух при нормальном атмосферном давлении.

Устройство вывода представляет собой дипольную антенну, рассчитанную на излучение колебаний с длиной волны А- 50 см. При этом каждый из вибраторов выбран равным 12,5 см. Резистор 1 выбирается величиной 1 МОм и служит для стекэнич остаточного заряда формирующей линии на землю в паузах между импульсами. При соответствующем выборе длины разрядного промежутка с учетом вышеперечисленных

параметров с помощью предлагаемого устройства ожидается получить радиоимпульсы с квазипериодом Т ч 1,6 не с несущей частотой f0 600 МГц и пиковой мощностью 100...1000 кВт.

В устройстве-прототипе, содержащем несколько разрядных промежутков, момент их пробоя определяется разбросом статистического времени запаздывания разряда. Поскольку имеется нестабильность запуска разрядников в пределах 1 не/см {например. Г,А.Месяц, Генерирование мощных наносе- кундных импульсов. М,: Советское радио, 1974, с, 88-89), то будет иметь место временная нестабильность генерируемых устройством-прототипом колебаний.

Что касается предложенного устройства, то, поскопьку оно формирует единичный импульс, имеющая место временная нестабильность не играет большои роли для прак- тики. Влияние нестабильности (привязки начальной сЬлзь1 колебания) может, олчлко, проявит i,c« при v устройств-) и периодический режим работы.

Исходя из величин зарядного напряжения устройства-прототипа и мощности выходного радиоимпульса, КПД составляет 50%. Однако в прототипе формирующая линия выполнена с согласующим сопро:ивле- нием нл конце, поэтому часть запасенной в исходной волне (импульсе) знерши, оставшейся после завершения процесса формирования пачки (серии) импульсов, рассеиваетсч в согласующем сопротивлении, т.е. безвозвратно теряется. В предложенном же генераторе согласующее сопротивление отсутствует, а ото означает, что уменьшается поп я безвозвратных потерь энергии.

Кроме того, в устройстве-прототипе сформированный импульс с несинусоидальной несущей имеет амплитуду, практически равную амплитуде исходной волны напряжения. В предложенном же устройстве размах импульса в 2 раза больше, т.к. линия

работает в режиме КЗ с изменением полярности падающего (исходного) импульса. Отсюда возрастает пиковая мощность сформированного сверхширокополосного радиоимпульса.

Формула изобретения

Генератор мощных сверхширокополосных радиоимпульсов, содержащий отрезок формирующей коаксиальной линии, заполненной самовосстанавливающейся диэлектрической средой, которая подключена одним концом к накопителю электрической

энергии, а другой ее конец короткозамкнут и в которую включены первый и второй в направлении от накопителя разрядные про- , выполненные в центральном проводнике, и выходную антенну,

подключенную к формирующей коаксиальной линии перпендикулярно к ее продольной оси, отличающийся тем, что, с целью повышения пиковой мощности выходного радиоимпульса, выходная антенна

выполнена дипольной, один из вибраторов которой подключен к центральному проводнику, а другой - к внешнему проводнику формирующей коаксиальной линии, при этом плоскость, в которой лежат оба вибратора, расположена на расстоянии

р, f

И о г второго разрядного промежутка, а длина 2 секции от второго разрядного промежутка до короткозамкнутого конца формирующей коаксиальной линии выбраС

на из условия г - 2р где с - скорость

света, Гц - длительность исходного импульса накопителя электрической энергии.

Использование: изобретение относится к формированию мощных радиочастотных импульсов наносекундной длительности и может быть использовано в радиолокации. Сущность изобретения: в генераторе мощных сверхширокополосных импульсов, содержащем формирующую коаксиальную линию 4 с разрядными промежутками 2 и 5, выполненными в ее центральном проводнике, для повышения мощности выходного радиоимпульса выходная антенна выполнена дипольной, ее вибраторы 7 и 8 лежат в одной плоскости и один из них подключен к центральному прободнику, а другой - к внешнему проводнику линии 4. Приведены соотношения для выбора места подключения вибраторов 7 и 8 и размещения разрядного промежутка 5, 3 ил.

Г ti «Жпынлия к «Sescetoe« е сжгаг 9У ;1

ffi

/

{/

й-rJ

7

J

I/

5 6

и

12

If.

А

А В

С D

f2

$W. 5

11 t

//I

I

/J

МММ

I I

/5

П

I «