Генератор коротких импульсов

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах, работающих в частотном режиме, а также при разработке источников коротких высоковольтных импульсов. В основу изобретения поставлена задача разработки генератора коротких импульсов, обеспечивающего разделение входного импульса с плоской вершиной на N коротких импульсов с заданной длительностью, что позволило бы путем суммирования полученных импульсов сформировать с высоким КПД импульс с заданной длительностью и амплитудой, по крайней мере в N раз превышающей амплитуду выходного импульса. Генератор коротких импульсов содержит: источник переменного сигнала N формирователей, короткого импульса, N накопительно-коммутационных блоков и выходной блок. Источник переменного сигнала подключен к входу первого формирователя короткого импульса. Первые выходы N формирователей короткого импульса подключены к соответствующим входам выходного блока, а второй выход каждого формирователя короткого импульса соединен через накопительно-коммутационный блок. Каждый формирователь короткого импульса выполнен в виде E-тройника, первый выход которого соединен с параллельно включенными накопительным и коммутационным элементами, а к второму выходу E-тройника подключен последовательный LC-контур, а каждый накопительно-коммутационный блок выполнен в виде подключенного параллельно его входу накопительного элемента и включенного между входом и выходом блока коммутационного элемента. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах, работающих в частотном режиме, а также при разработке источников коротких высоковольтных импульсов.

Известен генератор коротких импульсов (В.В. Кремнев, Г.А. Месяц. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. М.: Наука СО, 1987, с. 5), содержащий источник переменного сигнала и N линий одинаковой электрической длины, причем с одного конца линии соединены параллельно и подключены к источнику переменного сигнала, а на другом конце линии соединены последовательно и подключены к выходу генератора.

Недостаток этого генератора коротких импульсов заключается в том, что он имеет невысокий коэффициент трансформации. Кроме того, происходит искажение формы трансформирующего импульса.

Известен также генератор коротких импульсов (Л.А. Меерович и др. Магнитные генераторы импульсов. М. : Советское радио, 1968, с. 13), содержащий источник переменного сигнала, подключенный через зарядный элемент к накопительно-коммутационному блоку, который выполнен в виде подключенного к его входу накопительного элемента и включенного между входом и выходом коммутационного элемента, который выполнен в виде дросселя с насыщающимся сердечником.

Недостаток этого генератора заключается в том, что он не обеспечивает получение импульсов малой длительности и большой амплитуды, так как с уменьшением длительности формируемого короткого импульса увеличиваются потери энергии в сердечнике дросселя, иными словами КПД устройства снижается.

В основу изобретения поставлена задача разработки генератора коротких импульсов с такими формирователями коротких импульсов, конструктивное выполнение которых обеспечило бы разделение входного импульса с плоской вершиной на N коротких импульсов заданной длительности, что позволило бы короткие импульсы суммировать в один импульс заданной длительности с амплитудой, по крайней мере в N раз превышающей амплитуду входного импульса, и повысило бы КПД при генерации коротких импульсов большой амплитуды.

Поставленная задача решена тем, что генератор коротких импульсов, содержащий источник переменного сигнала и накопительно-коммутационный блок, выполненный в виде подключенного параллельно его входу накопительного элемента и включенного между входом и выходом блока коммутационного элемента, причем выход накопительно-коммутационного блока соединен с выходом генератора, согласно изобретению, снабжен вторым выходом, выходным блоком, выход которого совмещен с вторым выходом генератора, N формирователями короткого импульса и N 1 накопительно-коммутационными блоками, где N=1,2,3...i..., причем каждый формирователь короткого импульса выполнен в виде E-тройника, первый выход которого соединен с параллельно включенными накопительным и коммутационным элементами, а к второму выходу E-тройника подключен последовательный LC-контур, при этом вход E-тройника первого формирователя короткого импульса соединен с источником переменного сигнала, который выполнен в виде генератора импульсов с плоской вершиной, второй выход E-тройника i-го формирователя короткого импульса через i-й накопительно-коммутационный блок соединен с выходом E-тройника i+1 формирователя короткого импульса, первые выходы E-тройников подключены к соответствующим входам выходного блока, а с первым выходом генератора соединен выход N-го накопительного-коммутационного блока.

Целесообразно, чтобы выходной блок был выполнен в виде N-цепочек из последовательно соединенных формирующе-трансформирующего блока и защитно-обострительного блока, включенных между соответствующими входами выходного блока и его выходом.

В ряде случаев выгодно, чтобы выходной блок был выполнен в виде сумматора и N цепочек из последовательно соединенных формирующе-трансформирующего блока, защитно-обострительного блока и линии задержки, включенных между соответствующими входами выходного блока и сумматора, выход которого соединен с выходом выходного блока.

Предпочтительно, чтобы коммуникационные и защитно-обострительные элементы были выполнены в виде дросселя с насыщающимся сердечником, а формирующе-трансформирующие блоки с частотной характеристикой, соответствующей высокочастотному фильтру.

Такое выполнение генератора коротких импульсов обеспечивает: получение синхронизирующего импульса при сохранении амплитуды и формы входного импульса за счет сокращения его длительности; получение из входного импульса с плоской вершиной пачки импульсов с требуемой скважинностью и амплитудой, причем число импульсов в пачке можно изменять; получение короткого высоковольтного импульса при высоком КПД.

На фиг. 1 изображена блок-схема генератора коротких импульсов; на фиг. 2 структурная схема формирователя короткого импульса; на фиг. 3 структурная схема накопительного-коммуникационного блока; на фиг. 4 блок-схема варианта выполнения выходного блока; на фиг. 5 временные диаграммы, поясняющие работу генератора.

Генератор коротких импульсов содержит источник 1 переменного сигнала, формирователи 2 короткого импульса, накопительно-коммутационные блоки 3 и выходной блок 4. Выход N-го накопительно-коммутационного блока 3 подключен к первому выходу 5 генератора коротких импульсов, а выход выходного блока 4 к его второму выходу 6. Выход источника 1 переменного сигнала подключен к входу первого формирователя 2 короткого импульса, а его первый выход - к первому входу (1) выходного блока 4. Первые выходы других N-1 формирователей 2 короткого импульса подключены к соответствующим входам (2), (3),...(i), (i+1),... (N) выходного блока 4. Второй выход i-го формирователя 2 короткого импульса подключен к входу i+1 формирователя 2 короткого импульса через i-й накопительно-коммутационный блок 3, а второй выход N-го формирователя 2 короткого импульса подключен к входу N-го накопительно-коммутационного блока 3.

Каждый формирователь 2 короткого импульса содержит E-тройник, вход 7 которого совмещен с входом формирователя 2, выход 8 совмещен с первым выходом формирователя 2, а выход 9 с его вторым выходом. В выходную ветвь E-тройника, соединенную с его выходом 8, включены параллельно соединенные коммутационный элемент 10 и накопительный элемент 11, а в другую выходную ветвь E-тройника включен последовательный LC-контур 12, настроенный на основную частоту формируемого короткого импульса.

Каждый накопительно-коммутационный блок содержит подключенный к его блоку накопительный элемент 16, а между входом 14 и выходом 15 блока коммутационный элемент 17.

Выходной блок 4 содержит (фиг. 4) сумматор 18 с входами 19 и выходом 20, совмещенным с вторым выходом 6 генератора коротких импульсов, и N цепочек из последовательно соединенных формирующе-трансформирующего блока 21, защитно-обострительного блока 22 и линии 23 задержки, включенных между входами (1), (2). ..,(i), (i+1),...(N) выходного блока 3 и соответствующими входами сумматора 18. Этот вариант выполнения выходного блока 4 позволяет получить короткий импульс большой амплитуды.

В качестве накопительных элементов 11, 16 могут быть использованы емкости, а в качестве коммутационных элементов 10 и 17 и защитно-обострительных блоков 22 дроссель с насыщающимся сердечником.

Конструктивное выполнение выходного блока 4 зависит от конкретных особенностей использования генератора коротких импульсов, при этом наличие в нем последовательно соединенных формирующе-трансформирующего блока 21 и защитно-обострительного блока 22 является обязательным во всех случаях.

Генератор коротких импульсов работает следующим образом.

От источника 1 переменного сигнала на вход первого формирователя 2 короткого импульса подается входной импульс с плоской вершиной и амплитудой, равной E₁ (фиг. 5). Вход каждого формирователя 2 короткого импульса совмещен с входом 7 соответствующего E-тройника, при этом распределение энергии падающего импульса между выходными ветвями E-тройника зависит от состояния, в котором находятся коммутационные элементы 10, 17. В исходном состоянии коммутационный элемент 10 формирователей 2 короткого импульса, коммутационный элемент 17 накопительно-коммутационных блоков 3 и защитно-обострительные блоки 22 находятся в разомкнутом состоянии. Поэтому в интервале времени, в течение которого энергия падающего импульса изменяется от нуля до максимального значения, происходит зарядка накопительного элемента 11, элемента последовательного LC-контура 12 первого формирователя 2 короткого импульса, а также накопительного элемента 16 первого накопительно-коммутационного блока 3 и элементов формирующе-трансформирующего блока 21, соединенного с первым формирователем 2 короткого импульса. При зарядке накопительного элемента 11 и элементов формирующе-трансформирующего блока 21 на втором выходе 6 генератора коротких импульсов сигнал (предимпульс) отсутствует, так как защитно-обострительный блок 22 находится в разомкнутом состоянии. Кроме того, на стадии зарядки накопительных элементов отсутствует сигнал 4 на выходе 15 первого накопительно-коммутационного блока 3, поскольку коммутационный элемент 17 находится в разомкнутом состоянии.

В момент достижения энергией падающего импульса максимального значения срабатывает коммутационный элемент 10 первого формирователя 2 короткого импульса. В результате ветвь E-тройника, соединенная с его выходом 8, оказывается закороченной и, начиная с этого момента, поступление энергии импульса в эту ветвь прекращается. Здесь следует отметить, что поступление высокочастотной энергии в ветвь E-тройника, соединенную с его выходом 8, не происходит при прохождении плоской вершины и хвостовой части входного импульса, так как формирующе-трансформирующие блоки 21 выполнены с частотной характеристикой высокочастотных фильтров.

После срабатывания коммутационного элемента 10 первого формирователя 2 короткого импульса начинается разряд накопительного элемента 11 и элементов, входящих в состав формирующе-трансформирующего блока 21. В результате на входе (1) выходного блока 4 образуется короткий импульс. Для обеспечения максимальной передачи накопленной энергии на вход (1) выходного блока 4 в выходную ветвь E-тройника, соединенную с выходом 9, включен последовательный LC-контур, настроенный на основную частоту формируемого короткого импульса. Таким образом, при разряде накопительного элемента 11 и элементов, входящих в состав формирующе-трансформирующего блока 21, обеспечиваются условия последовательного резонанса на входе ветви E-тройника, соединенной с выходом 9. Иными словами, на время формирования короткого импульса в одной ветви E-тройника вход другой его ветви оказывается закороченным, и тем самым уменьшается энергия отраженной волны и увеличивается энергия, передаваемая на выход 8 E-тройника.

Форма и амплитуда сформированного короткого импульса зависят от конкретного конструктивного выполнения формирующе-трансформирующего блока 21, при реализации которого могут быть использованы рекомендации, приведенные в книге О. Н. Литвиненко "Формирующе-трансформирующие цепи". М.: Советское радио, 1974. В частности, амплитуда короткого импульса может быть в зависимости от использования схемы меньше, равной или больше амплитуды входного импульса. Единственным ограничением на использование известных схем является, как уже отмечалось выше, соответствие частотной характеристики схемы высокочастотному фильтру. При прохождении короткого импульса защитно-обострительного блока 22 происходит обострение его фронта, а длина отрезка волновода, соединяющего выход генератора 6 с нагрузкой, должна быть такой, чтобы двойное время пробега короткого импульса по волноводу было не меньше оставшейся длительности входного импульса.

При срабатывании коммутационного элемента 17 энергия, накопленная в последовательном LC-контуре 12 и в накопительном элементе 16 первого накопительно-коммутационного блока 3, затрачивается на формирование фронта другого импульса с плоской вершиной, длительность которого меньше длительности входного импульса, а амплитуда равна E₁. В зависимости от параметров коммутационного элемента 17 срабатывание его может быть как раньше срабатывания коммутационного элемента 10, так и одновременно или позже. Кроме того, соотношение параметров накопительных элементов, включенных в различные выходные ветви E-тройника, также влияет на время срабатывания коммутационного элемента 17. В результате срабатывания коммутационного элемента 17 оставшаяся часть входного импульса передается на выход 15 блока 3.

Сформированный на выходе 15 первого накопительно-коммутационного блока 3 импульс с плоской вершиной и амплитудой E₁ поступает на вход второго формирователя 2 короткого импульса. При этом процесс формирования второго короткого импульса идентичен описанному выше.

Таким образом на входах (1), (2), (3),...(i), (i+1),...(N) выходного блока 4 последовательно формируются короткие импульсы при подаче на вход первого формирователя 2 короткого импульса с плоской вершиной.

В зависимости от числа включенных последовательно чередующихся блоков 2 и 3 генератор коротких импульсов может быть использован в следующих режимах.

Режим генерации синхронизирующего импульса. В этом случае генератор коротких импульсов содержит один формирователь 2 короткого импульса (N=1) и один накопительно-коммутационный блок 3 и может быть использован в высоковольтной аппаратуре, работающей в частотном режиме (лазеры, разрядники, ионные и электронные диоды и т.п.). С помощью линии 23 задержки обеспечивается требуемое временное согласование импульсов короткого импульса и оставшейся части входного импульса с плоской вершиной (в этом случае выходной блок 4 сумматора 18 не содержит).

Режим генерации пачки коротких импульсов. В этом случае генератор коротких импульсов содержит столько пар блоков 2 и 3, сколько требуется коротких импульсов в пачке.

В этом случае выходной блок содержит N цепочек из последовательно соединенных формирующе-трансформирующего блока 21 и защитно-обострительного блока 22, включенных между входами (1), (2),...(i), (i+1),...(N) выходного блока 4 и вторым выходом 6 генератора.

Для получения паче к импульсов той или иной скважинности в каждую упомянутую выше цепочку могут быть включены линии 23 задержки.

Режим генерации высоковольтного короткого импульса. В этом случае генератор коротких импульсов содержит N пар идентичных блоков 2 и 3, причем Tu⁰+Tu¹ где Tu⁰ длительность входного импульса с плоской вершиной; Tu¹ длительность импульса с плоской вершиной на выходе первого накопительно-коммутационного блока 3.

С помощью линий 23 задержки (фиг. 4) обеспечивается одновременно подача всех сформированных коротких импульсов на соответствующие входы 19 сумматора 18, на выходе 20 которого формируется сигнал с амплитудой, равной сумме амплитуд суммируемых коротких импульсов.

В результате выделения из входного импульса с плоской вершиной коротких импульсов, число которых равно N_max, на выходе 5 генератора имеет место импульс, не имеющий плоской вершины. После соответствующей трансформации, например, по известной методике (см., например, У. Бостик и др. Накопление и коммутирование энергии больших плотностей. М.: Мир, 1979, с. 93-97, он может быть также использован как в режиме генерации пачки импульсов, так и в режиме генерации высоковольтного импульса.

Предлагаемый генератор позволяет получить импульсы тока и напряжения с высокой частотой следования и длительностью, существенно меньшей разности между Tu⁰ - Tu¹.

Формула изобретения

1. Генератор коротких импульсов, содержащий источник переменного сигнала и накопительно-коммутационный блок, выполненный в виде подключенного параллельно его входу накопительного элемента и включенного между входом и выходом блока коммутационного элемента, причем выход накопительно-коммутационного блока соединен с выходом генератора, отличающийся тем, что он снабжен вторым выходом, выходным блоком, выход которого совмещен с вторым выходом генератора, N формирователями короткого импульса и N - 1 накопительно-коммутационными блоками, где N = 2, 3, ..., i ..., причем каждый формирователь короткого импульса выполнен в виде E-тройника, первый вход которого соединен с параллельно включенными накопительным и коммутационным элементами, а к второму выходу E-тройника подключен последовательный LC-контур, при этом вход E-тройника первого формирователя короткого импульса соединен с источником переменного сигнала, который выполнен в виде генератора импульсов с плоской вершиной, второй выход E-тройника i-го формирователя короткого импульса через i-й накопительно-коммутационный блок соединен с входом E-тройника (i + 1)-го формирователя короткого импульса, первые выходы E-тройников подключены к соответствующим входам выходного блока, при этом с первым выходом генератора соединен выход N-го накопительно-коммутационного блока, а выходной блок выполнен в виде N цепочек из последовательно соединенных формирующе-трансформирующего блока и защитно-обострительного блока, включенных между соответствующими входами выходного блока и его выходом.

2. Генератор коротких импульсов, содержащий источник переменного сигнала и накопительно-коммутационный блок, выполненный в виде подключенного параллельно его входу накопительного элемента и включенного между входом и выходом блока коммутационного элемента, причем выход накопительно-коммутационного блока соединен с выходом генератора, отличающийся тем, что он снабжен вторым выходом, выходным блоком, выход которого совмещен с вторым выходом генератора, N формирователями короткого импульса и N - 1 накопительно коммутационными блоками, где N = 2, 3, ..., i, ..., причем каждый формирователь короткого импульса выполнен в виде E-тройника, первый выход которого соединен с параллельно включенными накопительным и коммутационным элементами, а к второму выходу E-тройника подключен последовательный LC-контур, при этом вход E-тройника первого формирователя короткого импульса соединен с источником переменного сигнала, который выполнен в виде генератора импульсов с плоской вершиной, второй выход E-тройника i-го формирователя короткого импульса через i-й накопительно-коммутационный блок соединен с входом E-тройника (i + 1)-го формирователя короткого импульса, первые выходы E-тройников подключены к соответствующим входам выходного блока, при этом с первым выходом генератора соединен выход N-го накопительно-коммутационного блока, а выходной блок выполнен в виде сумматора и N цепочек из последовательно соединенных формирующе-транспортирующего блока, защитно-обострительного блока и линии задержки, включенных между соответствующими входами выходного блока и сумматора, выход которого соединен с выходом выходного блока.

3. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что коммутационные и защитно-обострительные элементы выполнены в виде дросселя с насыщающимся сердечником.

4. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что формирующе-трансформирующие блоки выполнены с частотной характеристикой, соответствующей высокочастотному фильтру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5