Генератор мощных сверхширокополосных радиоимпульсов

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ в1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4866670/09 (22) 13,07.90 (46) 30.11.92. Бюл. ¹ 44 (71) Н ауч но-исследо вател ьский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова (72) В.П.Шиян, С.А,Новиков и С.B.Разин (56) Патент США ¹ 4104558, кл. Н 03 К 3/64, опублик. 1978, Патент США ¹ 3484619, кл. Н 01 P 7/00, опублик. 1969. (54) ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ CBEPXLUVlPOКОПОЛОСНЫХ РАДИОИМПУПЬСОВ (57) Использование; изобретение относится к формированию мощных радиочастотных импульсов наносекундной длительности и

„„Ы2„„1778909 Al (51)5 Н 03 К 3/64, Н 01 Р 7/00 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 проводнику, а другой — к внешнему проводнику линии 4. Приведены соотношения для выбора места подключения вибраторов 7 и 8 и размещения разрядного промежутка 5, 3 ил.

1778909

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии постоя ннorо 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 обьектов, а также в ряде друг«x областей науки и техники.

Сверхширокополосные (СШП) импульсы представляют собой радиосигналы, ширина сг.ектра которых Л f соизмерима с их спедней гасioToë 1,>(М/4 = 1). Этот класс сигналов позволяет на более DblcoKoM уровне pel!JBTh Задачи обнаружения и распозна вопия целей. построения их радиолокационных изображений и т.д. При этом важную роль играет не только большая абсолютная ширина спектра СШП сигнала, достигаю;цая единиц гигагерц, но и его значительная относительная широкополосность (Л !10) (см., например, Л.IO,Астанин, А.А, Костылев Основы сверхширокополасных радиолокационных измерений. M. Радио и связь, 1989, с. 192), Фактически речь идет о сигналах, состоящих из одного или нескольких периодов колебания высокой частоты, Известен радиочастотный генератор (см. Патент США, Я - 4104558, опубл. 1978), содер>кащий высоковольтный источник питания и коаксиальный полуоткрытый pesoнатор с разрядным промежутком.

Разрядный промежуток образован центральным проводником резонатора, представляющим собой стержень длиной Х/4 (Л вЂ” 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

1 посредством петли связи в боковой поверхности резонатора. Хотя в коаксиальном резонаторе проще осуществлять селекцию колебаний по сравнению с волноводным (в коаксиальном резонаторе типгя колебаний

"расставлены" более редко), но и генератор с коаксиальным резонатором не лишен недостатков. К ним относится низкий КПД, связанный с возбу>кдением низкочастотных колебаний, наряду с рабочими высокочастотными (ВЧ) колебаниями. Поскольку коаксиальный резонатор работает на ТЕМ

55 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 "паразитными" низкочастотными колебаниями и рабочими ВЧ-колебаниями приводит к снижению КПД, уровня выходной мощности устройства и стабильности генерируемых колебаний.

Известен радиочастотный генератор на основе формирующей линии коаксиального типа с секционированным центральным проводником (см„например, Патент США

% 3484619, опубл. 1969), в котором запасенная энергия постоянного тока без промежуточных этапов преобразуется в радиочастотный импульс, Данное устройство, взятое нами за прототип, содержит первичный накопитель электрической энергии, входную коаксиальную линию, формирующую коаксиальную линию, устройство вывода. Входная линия выполнена заодно с формирующей коаксиальной линией, имеющей секционированный внутренний проводник.

К входной линии через разрядный промежуток подключен первичный накопитель энергии и со стороны боковой поверхности линии подключено устройство вывода получаемых радиоимпульсов, выполненное в виде коаксиального излучателя. Каждая секция внутреннего проводника формирующей линии поддерживается изолирующими шайбами из материала, характеризующегося малым уровнем потерь на СВЧ и соединена с внешним проводником коаксиальной формирующей линии высокоомным резистором для стекания остаточного заряда линии, препятствующего достижению высокой частоты повторения импульсов.

Секции внутреннего проводника формирующей линии отделены друг от друга разрядными промежутками с воздухом в качестве самовосстанавливающегося диэлектрического материала, Устройство-прототип работает следующим образом, От первичного накопителя энергии заряжается входная линия, в которой формируется бегущая волна напряжения.

Эта волна, назовем ее исходной, распространяется по формирующей линии.

Энергия, запасенная в бегущей волне, дробится путем последовательных отражений от разрядных промежутков и их поочеред1778909

20

45

55 ном 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 Х, Радиолокатор с синтезированной апертурой и несинусоидальной несущей. Экспресс-информация РСВЧ, 198 I, N 5, с. 10). Длительность каждого импульса в серии определяется временем развития разряда каждого разрядного промежутка. Так, при времени разряда 0,6 нс с помощью устройства-прототипа получены радиоимпульсы длительностью 6,4 нс с несущей частотой fo = 600 МГц и пиковой мощностью P =-100 кВт, Однако устройство-прототип имеет ограничение по пиковой мощности выходного радиоимпульса. Это ограничение, с одной стороны, обьясняется низкой стабильностью генерируемых колебаний из-за разброса времени срабатывания разрядных проме>кутков или практического отсутствия их синхронизации, поскольку пробой разрядных прîMe>êóòêов в устройстве-пpîòîòèпе является по своей сути самопробоем, При этом время развития разряда на каждом из промежутков зависит от целого набора параметров как собственно 3 проме>кутка, так и электродов, ограничивающих промежуток. В силу этого 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 форми- . рующей линии выполнить одной короткозамкнутой секцией, оставив один разрядный проме>куток.

Целью изобретения является повышение пиковой мощности выходного сверхширокополосного радиоимпульса.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содер>кащем, как и прототип, отрезок формирующей коаксиальнай линии, заполненной самовосстанавливающейся диэлектрической средой, которая подключена одним концом к накопителю энергии, а другой ее конец короткозамкнут, и в 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 11 с т /2 от второго разрядного промежутка. а длина t2 секции от второго разрядного промежутка до короткозамкнутого конца формирующей коаксиальной линии выбрана из условия tz =. с т„, /4, где с — скорость света; ти — 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;

6 — секция внутреннего проводника формирующей линии;

7 — первый вибратор дипольной антенны;

8- — второй вибратор дипольной антенны;

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 емкос-.и С и резисторов R1 и R2

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 постоянного напряжения через токоограничивающий резистор R<, а через

1 778909 и Тпр

30

40

55 демпфиру>ощий резистор В2, развязывающий разрядный промежуток 2 — с входной коаксиальной линией 3. Секция 6 формирукнцей линии 4 и внутренний проводник входной л>лнии 3 поддерживаются посредсгвом 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 лин>ли 3, а второй вибратор 8 — с внешним проводником входной линии.

Генератор работает следу>ощим образом, Импульс с напряжения от первичного накопителя э»ергии 1 через разделитель>>i! I po3p>! !III É промежуток 2 подается во зходну>о лини>О 3, ".,:é"ðÿæàÿ ее до напряженияя > >. П Ок> Длительности вхОДного импульса

Т;.1 > Г, ГДе à — зле>;три >Ос каЯ Длина вхОДнОЙ линии, послед»ЯЯ работает так же, как и »а постОЯнном Tol(8. В исхОДном сОстОЯниi l разрядный промежуток 5,разомкнут.

Расг>рг>сi раня>ощийся по входной линии ис хог>»ь>Й> импульс 11 (фиг.3 А) длительностью ти и амплигудой > > подходит к разомкнуто" му разрядному г>роме>к тку 5 и отражается высоким к»">педансом этого промежутка в. р;>зомкнутом состоянии, Если исходныЙ импульс имеег свехпробивну>о амплитуду по о IIIo>T>e!>I»;о к разрядному промежутку 5, то последний резко пробьется и импеданс в этом сеченли формирующей линии станет близким волновому импедансу Z линии, Это обеспечит крутое переходное затухание отраженной ранее от промежутка 5 части исходного импульса, завеошающее процесс отражения. Далее эта отраженная часть исходного (пада>ощего) импульса уже в виде

Отдельного короткого импульса 12 (фиг, 3

Б.С) будет распространяться по формирующей линли 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 отразлвшейся 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 линли 4.

Поскольку к этому моменту времени разрядный промежуток 5 еще не восстановился до исходного состояния, импульс 13 пройдет через него и вслед за импульсом 12 с задержкой на время Т1 поступит на дипольную антенну 7, 8, Таким образом устройство бу5

20 дет излучаться импульс длительностью в один квазипериод колебания.

Для нормальной работы устройства неОбходимо, чтобы выполнялось соотношение где г>> — длительность исходного импульса

11 (фиг,3 А);

T!p — время развития пробоя промежутка, равное длительности отраженного импульса 12 (фиг,3 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 напряжен>ля в виде симметричной знакопеременной функции. Э вЂ” îò импульс как и классический радиоимпульс может излучаться и распространяться в свободном пространстве.

Поскольку квазипериод получаемого колебания будет определяться длиной секции

6 формирующей линии, выбираем ее длину с учетом воздушного заполнения линии из соотношения

I1 с т„, 4, (2) где с — скорость света; т, — длительность исходного импульса первичного накопителя электрической энергии, В процессе формирования выходного сверхширокополосного сигнала отраженный от разрядного промежутка импульс уменьшаетдлительность 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 нс, а это означает, что такую >ке длительность будут иметь импульсы, составляющие сигнал, сформированный предло>кенным устройством. Времена такого порядка соот1778909

5

20

2г

12 с тиг 2 . (3) ветствуют периоду высокочастотных колебаний с часто ой 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, A,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 несинусоидальной несущей (см„например, X.Ô,Õàðìóò. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. Пер, с англ. М,; Радио и связь, 1985, с.

376), Поскольку при формиоовании сверхширокополосного импульса возможно его искажение за счет, например, интерференции исходного и отраженного импульсов, распространяющихся по линии, необходимо определеннос расположение дипольной антенны по отношению к разрядному проме>кутку, В процессе рассмотрения динамики формирования сверхширокополосного импульса определено, что дипольную антенну необходимо располагать от разрядного проме>кутка на расстоянии, определяемом соотношением

Здесь как и ранее с —; r4— длительность исходного импульса. За время, необходимое электромагнитной волне на преодоление расстояния в оба конца, закончатся все "переходные" процессы и к дипольной антенне поступит сформиропанныи "чистый" импульс заданной формы (фиг. 3 Д), Импульсную мощность сформированного радиоимпульса мо>кно найти из соотношения (см. патент США ¹ 34346 19, опубл.

1969):

Римп = 10 U Вт, (4) -3 2 где U — амплитуда исходного импульса, E

Если предположить. что формирующая линия сможет без пробоя выдержать напряжение 1000 кВ, то теоретическая оценка мощности, дости>кимой с помощью предло>кенного устройства, составляет 1 ГВт.

Выполнение рабочей секции формирующей линии длиной 11, связанной соотношением (2) с длительностью исходного импульса, позволило упростить устройство

И ПОВЫСИТЬ ПИКОВУ1О МОЩНОСТЬ ВЫХОДНОГО

55 радиоимпульса, т.е. повысить выходную мощность генератора. Выполнение этой же секции с закороткой на одном из концов

Обеспечивает формирование радиоимпульса 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 жесткая коаксиальная линия из латуни с внути ренним диаметром внешнего проводника

01 = 50 мм и внутренним проводником диаметром Dz = 10 мм, Волновое сопротивление линии при этом Z =. 100 Ом, Внугренний проводник фиксируется с помощью диэлектрических шайб, выполненных из фторопласта, В качестве первичного накопителя электрической энергии используется конденсатор С емкостью 100 пФ, tlopKJIlo÷åííûI>I через демпфирующий резистор R =- 2 кОм к входной линии 3 и через токоограничивающий рЕЗиСтОр R1 = 10 OM — к иоточнику постоянного напряжения 1) — 30 кв, Разрядный проме>куток 5 формиру.ощей линии 1 образован концом внутреннего проводника входной линии 3 и концом секции 6. Исходя из предлагаемой несущей частоты формируемого сверхширокополосного радиоимпульса, длина секции 6 формиру ощей линии выбрана длиной I1 = 10 см. B=-аимны 1 геремещением секций — электродов регулируется длина Оазрядного проMåæóòка. Для этого в средней части секции 6 и в дизлектриче— ской шайбе 9 выполнены резьбы.

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

Устройство вывода представляет собой дипольную антенну, рассчитанную па излучение колебаний с длиной волны ).-= 50 см.

При этом каждый из вибраторов выбран равныь. 12,5 см. Резистор 1 выбирается величиной 1 МОм и служит для стекания остаточного заряда формирующей линии IIa земл.о в паузах между импульсами. Г!ри соответствующем выборе длины разрядного промежутка с учетом вышеперечисленных параметров с помощью прьдлагаемого устройства ожидается получить радиоимпульсы с квазипериодом Т1 = 1,6 нс с несуьцей частотой тo = 600 МГц и пиковой мощностью

100...1000 кВТ.

1778909

ДЬЕМ. 5:

Составитель С.Новиков

Техред М.Моргентал Корректор З,Салко

Редактор

Заказ 4201 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101