RU2210857C1

RU2210857C1 - Method for generating high-power short microwave pulses

Info

Publication number: RU2210857C1
Application number: RU2002112589A
Authority: RU
Inventors: В.И. Сергеев; Е.А. Сергеева; Я.А. Старец; В.И. Шевченко
Original assignee: Воронежское конструкторское бюро антенно-фидерных устройств (открытое акционерное общество)
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2003-08-20

Abstract

FIELD: microwave engineering. SUBSTANCE: method includes excitation of low-power microwave signal, amplification, and modulation of microwave signal. Low-power microwave signal is excited in the form of sine- waveform microwave carrier at frequency f₀ and phase φ₀ which is modulated either by frequency keying for which purpose its frequency is discretely varied obeying f₀, f₁, f₀, f₁..., law or by phase keying through discrete variation of its phase obeying φ₀, φ₁, φ₀, φ₁ law, or else by frequency and phase keying involving variation of its frequency and phase obeying (f₀ and φ₀), (f₁ and φ₁), (f₀ and φ₀), (f₁ and φ₁)..., law; in the process lifetime of modulated signal in the form of wave with f₀ frequency and φ₀ phase indicates pulse length and lifetime of modulated signal with carrier wave frequency f₁≠ f₀ and/or phase φ₁≠φ₀ shows pulse-to-pulse space length, where f₀ and φ₀ are constants and f₁ and/or φ₁ are constants or variables; then signal is selected at carrier wave frequency f₀ and phase φ₀ by frequency and/or band filtering of modulated microwave signal, whereupon signal obtained is amplified and filtered again to select high-power signal at carrier wave frequency f₀ and phase φ₀. EFFECT: reduced on-off time ratio of high-power short microwave pulses produced. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при проведении научных исследований, в автоматизированных измерительных системах и в других радиотехнических системах. The invention relates to microwave technology and can be used in research, in automated measuring systems and in other radio systems.

Известны способы формирования мощных коротких СВЧ- импульсов (см., например, . а. с. СССР N 862800, МПК H 03 K 12/00, H 01 P 1/14, опубл. БИ N 37, 1982 г., а.с. СССР N 1121776, МПК H 03 K 12/00, H 02 M 5/02, опубл. БИ N 40, 1984 г., статью "Сверхширокополосная радиолокация", "Радиотехника", 1995 г. , N 3, стр. 3-6), заключающиеся в накоплении в резонаторе энергии возбуждаемого синусоидального колебания с одномоментной разрядкой накопленной энергии в виде мощного СВЧ-импульса (что представляет собой период следования мощных СВЧ-импульсов) и повторении процесса накопления энергии и разрядки. Однако при большой мощности СВЧ-импульсов время накопления энергии в резонаторе (любого типа) не обеспечивает получение высокой частоты следования импульсов с малой скважностью. Known methods for the formation of powerful short microwave pulses (see, for example,. And. With. The USSR N 862800, IPC H 03 K 12/00, H 01 P 1/14, publ. BI N 37, 1982, and. S. USSR N 1121776, IPC H 03 K 12/00, H 02 M 5/02, publ. BI N 40, 1984, article "Ultra-wideband radar", "Radio Engineering", 1995, N 3, p. 3-6), which consists in the accumulation of energy in the resonator of the excited sinusoidal oscillation with the simultaneous discharge of the accumulated energy in the form of a powerful microwave pulse (which is the period following powerful microwave pulses) and the repetition of the process of energy storage and discharge. However, with a high power of microwave pulses, the energy storage time in the cavity (of any type) does not provide a high pulse repetition rate with a low duty cycle.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ формирования мощных коротких СВЧ-импульсов (см. а.с. СССР N 862800, МПК H 03 K 12/00, H 01 P 1/14, опубл. БИ N 37, 1982 г.), который включает (последовательно) возбуждение сигнала в виде несущего СВЧ синусоидального колебания, его накопление (усиление) в резонаторе и модуляцию путем одномоментной разрядки резонатора с образованием СВЧ-импульса. Данный способ позволяет формировать импульсы СВЧ-колебаний малой длительности и высокого уровня мощности с относительно большой частотой повторения. Однако формируемые импульсы имеют длительность порядка 100 нс, что для частот несущего колебания порядка 10 ГГц дает свыше 300 периодов несущего колебания в одном импульсе. Кроме того, факт использования разряжающегося резонатора при формировании импульсов не позволяет уменьшить период следования импульсов более чем до 10 мкс, т.е. не обеспечивается формирование таких импульсов, следующих с большой частотой повторения (малой скважностью). Of the known closest in technical essence is the method of forming powerful short microwave pulses (see AS USSR N 862800, IPC H 03 K 12/00, H 01 P 1/14, publ. BI N 37, 1982 ), which includes (sequentially) excitation of the signal in the form of a carrier microwave microwave sinusoidal oscillation, its accumulation (amplification) in the resonator and modulation by simultaneous discharge of the resonator with the formation of a microwave pulse. This method allows the formation of pulses of microwave oscillations of short duration and high power level with a relatively high repetition rate. However, the generated pulses have a duration of the order of 100 ns, which for frequencies of the carrier wave of the order of 10 GHz gives more than 300 periods of the carrier wave in one pulse. In addition, the fact of using a discharge cavity in the formation of pulses does not make it possible to reduce the pulse repetition period to more than 10 μs, i.e. the formation of such pulses following with a high repetition rate (low duty cycle) is not ensured.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение, длительности формируемых мощных СВЧ-импульсов и повышение частоты следования этих импульсов. The task to which the proposed technical solution is directed is to reduce the duration of the generated powerful microwave pulses and increase the repetition rate of these pulses.

Технический результат выражается в формировании мощных коротких СВЧ-импульсов с малой скважностью (2-10). The technical result is expressed in the formation of powerful short microwave pulses with low duty cycle (2-10).

Результат достигается тем, что в способе формирования мощных коротких СВЧ-импульсов, включающем возбуждение маломощного СВЧ-сигнала, усиление и модуляцию СВЧ-сигнала, упомянутый маломощный СВЧ сигнал возбуждают в виде несущего СВЧ синусоидального колебания с частотой f₀ и фазой φ₀, которое сначала, модулируют путем частотной и/или фазовой манипуляции, дискретно изменяя его частоту и/или фазу по закону (f₀ и/или φ₀), (f₁ и/или φ₁), (f₀ и/или φ₀), (f₁ и/или φ₁) ..., при этом время существования модулированного сигнала в виде колебания с частотой f₀ и фазой φ₀ определяет длительность импульса и соизмеримо с периодом этого колебания, а время существования модулированного сигнала с частотой несущего колебания f₁≠f₀ и/или фазой φ₁≠φ₀ - длительность паузы между импульсами, где f₀ и φ₀ - const, a f₁ и/или φ₁ - const или varia, потом осуществляют селекцию сигнала. с частотой несущего колебания f₀ и фазой φ₀, производя полосовую частотную и/или фазовую фильтрацию модулированного СВЧ-сигнала, затем полученный сигнал усиливают и повторно фильтруют, осуществляя селекцию мощного сигнала, с частотой несущего колебания f₀ и фазой φ₀.The result is achieved in that in the method for generating high-power short microwave pulses, including excitation of a low-power microwave signal, amplification and modulation of a microwave signal, said low-power microwave signal is excited in the form of a carrier microwave sinusoidal oscillation with a frequency f ₀ and phase φ ₀ , which first modulate by frequency and / or phase manipulation, discretely changing its frequency and / or phase according to the law (f ₀ and / or φ ₀ ), (f ₁ and / or φ ₁ ), (f ₀ and / or φ ₀ ), (f ₁ and / or φ ₁ ) ..., while the lifetime of the modulated signal in the form of an oscillation with a frequency f ₀ and the phase φ ₀ determines the pulse duration and is commensurate with the period of this oscillation, and the lifetime of the modulated signal with the carrier frequency f ₁ ≠ f ₀ and / or phase φ ₁ ≠ φ ₀ is the pause duration between pulses, where f ₀ and φ ₀ - const , af ₁ and / or φ ₁ - const or varia, then the signal is selected. with the frequency of the carrier wave f ₀ and phase φ ₀ , performing bandpass frequency and / or phase filtering of the modulated microwave signal, then the received signal is amplified and re-filtered, selecting a powerful signal, with the frequency of the carrier wave f ₀ and phase φ ₀ .

При этом модуляция сигнала может быть осуществлена путем последовательного переключения сигналов с параметрами (f₀ и φ₀) и с параметрами (f₁ и/или φ₁) по закону t₀, t₁, t₀, t₁..., где t₀ - время существования сигнала с параметрами (f₀ и φ₀), а t₁ - время существования сигнала с параметрами (f₁ и/или φ₁) от источников сигналов, соответственно с параметрами (f₀ и φ₀) и (f₁ и/или φ₁).In this case, the signal modulation can be carried out by sequentially switching the signals with parameters (f ₀ and φ ₀ ) and with parameters (f ₁ and / or φ ₁ ) according to the law t ₀ , t ₁ , t ₀ , t ₁ ..., where t ₀ is the time of existence of a signal with parameters (f ₀ and φ ₀ ), and t ₁ is the time of existence of a signal with parameters (f ₁ and / or φ ₁ ) from signal sources, respectively, with parameters (f ₀ and φ ₀ ) and ( f ₁ and / or φ ₁ ).

Кроме того, для оптимизации условий фазовой фильтрации длительность паузы между импульсами должна быть кратна не целому числу периодов СВЧ-сигнала с частотой несущего колебания f₁ и/или фазой φ₁.In addition, to optimize the phase filtering conditions, the pause duration between pulses should be a multiple of an integer number of microwave signal periods with a carrier frequency f ₁ and / or phase φ ₁ .

На дату подачи материалов заявки авторам не известно техническое решение, совокупность отличительных существенных признаков которого совпадает с заявляемой. At the filing date of the application materials, the authors do not know the technical solution, the set of distinctive essential features of which coincides with the claimed one.

На фиг.1-5 представлены эпюры СВЧ-сигнала на различных стадиях процесса формирования СВЧ-импульсов, где А_M (ордината) - амплитудная характеристика, а t (абсцисса) - время.Figure 1-5 presents the plot of the microwave signal at various stages of the process of forming microwave pulses, where A _M (ordinate) is the amplitude characteristic, and t (abscissa) is time.

На фиг.1 - маломощный СВЧ синусоидальный сигнал. Figure 1 - low-power microwave sinusoidal signal.

На фиг.2 - частотно-фазово-манипулированный СВЧ-сигнал. Figure 2 - frequency-phase-manipulated microwave signal.

На фиг.3 - СВЧ сигнал после первой фильтрации. Figure 3 - microwave signal after the first filtering.

На фиг.4 - усиленный СВЧ-сигнал. Figure 4 - amplified microwave signal.

На фиг.5 - мощный СВЧ-сигнал после повторной фильтрации (сформированные мощные короткие СВЧ-импульсы). Figure 5 - powerful microwave signal after re-filtering (generated powerful short microwave pulses).

Предлагаемый способ формирования мощных коротких СВЧ-импульсов заключается в следующем. The proposed method for generating powerful short microwave pulses is as follows.

С помощью генератора СВЧ синусоидального сигнала возбуждают маломощное СВЧ синусоидальное колебание с частотой f₀ и фазой φ₀ (см. фиг.1). В качестве генератора, может быть использован источник СВЧ-колебаний, указанный в а. с. СССР N 862800, МПК H 03 K 12/00, H 01 P 1/14, опубл. БИ N 37, 1982 г. Этот СВЧ синусоидальный сигнал с помощью частотного и/или фазового манипулятора модулируют, дискретно изменяя его частоту и/или фазу по закону (f₀ и/или φ₀), (f₁ и/или φ₁), (f₀ и/или φ₀), (f₁ и/или φ₁) и т.д., причем f₁≠f₀, а φ₁≠φ₀. В рамках одного сигнала f₀ и φ₀ - const, а f₁ и/или φ₁ - const или varia, т.е. частота f₁ и/или фаза φ₁ могут иметь различные значения при выполнении условий f₁≠f₀ и φ₁≠φ₀, поскольку производимая далее селекция сигнала с частотой f₀ и фазой φ₀ обеспечивает подавление колебаний с любыми другими частотами и/или фазой.Using a microwave sinusoidal signal generator, a low-power microwave sinusoidal oscillation is excited with a frequency of f ₀ and a phase of φ ₀ (see figure 1). As a generator, a microwave source specified in a can be used. from. USSR N 862800, IPC H 03 K 12/00, H 01 P 1/14, publ. BI N 37, 1982. This microwave sinusoidal signal is modulated using a frequency and / or phase manipulator, discretely changing its frequency and / or phase according to the law (f ₀ and / or φ ₀ ), (f ₁ and / or φ ₁ ) , (f ₀ and / or φ ₀ ), (f ₁ and / or φ ₁ ), etc., moreover, f ₁ ≠ f ₀ and φ ₁ ≠ φ ₀ . Within the framework of one signal, f ₀ and φ ₀ are const, and f ₁ and / or φ ₁ is const or varia, i.e. the frequency f ₁ and / or the phase φ ₁ can have different values when the conditions f ₁ ≠ f ₀ and φ ₁ ≠ φ ₀ are fulfilled, since the further selection of the signal with a frequency f ₀ and phase φ ₀ suppresses oscillations with any other frequencies and / or phase.

В качестве возможного варианта исполнения манипулятора может быть использован частотный манипулятор по патенту РФ N 2107384, МПК Н 03 С 7/02, опубл. БИ N 8, 1998 г. Манипуляция осуществляется таким образом, что время существования СВЧ синусоидального колебания с частотой f₀ и фазой φ₀, определяющее длительность формируемого импульса, соизмеримо с периодом этого колебания, т. е. длительность формируемого импульса равна одному или нескольким периодам несущего СВЧ синусоидального колебания. Время существования модулированного сигнала с частотой несущего колебания f₁ и/или фазой φ₁, определяющее время паузы между импульсами, выбирается таким, чтобы отношение периода следования формируемых импульсов к длительности одиночного импульса (т. е. скважность) лежало в пределам 2-10. Вид частотно-фазово-манипулированного СВЧ синусоидального сигнала представлен на фиг.2. Кроме того, модуляция сигнала может быть произведена путем последовательного переключения сигналов с параметрами (f₀ и φ₀) и с параметрами (f₁ и/или φ₁) по закону t₀, t₁, t₀, t₁. .., где t₀ - время существования сигнала с параметрами (f₀ и φ₀), а t₁ - время существования сигнала с параметрами (f₁ и/или φ₁). Причем, в случаях осуществления фазовой фильтрации, оптимизация ее условий достигается при длительности паузы между импульсами кратной не целому числу периодов СВЧ-сигнала с частотой несущего колебания f₁ и/или фазой φ₁.As a possible embodiment of the manipulator, a frequency manipulator according to the patent of the Russian Federation N 2107384, IPC Н 03 С 7/02, publ. BI N 8, 1998. The manipulation is carried out in such a way that the lifetime of the microwave sinusoidal oscillation with frequency f ₀ and phase φ ₀ , which determines the duration of the generated pulse, is comparable with the period of this oscillation, that is, the duration of the formed pulse is equal to one or several periods carrier microwave sinusoidal oscillation. The lifetime of a modulated signal with a carrier frequency f ₁ and / or phase φ ₁ , which determines the pause time between pulses, is chosen so that the ratio of the period of the generated pulses to the duration of a single pulse (i.e., duty cycle) lies in the range of 2-10. View frequency-phase-manipulated microwave sinusoidal signal is presented in figure 2. In addition, the modulation of the signal can be performed by sequentially switching the signals with parameters (f ₀ and φ ₀ ) and with parameters (f ₁ and / or φ ₁ ) according to the law t ₀ , t ₁ , t ₀ , t ₁ . .., where t ₀ is the signal lifetime with parameters (f ₀ and φ ₀ ), and t ₁ is the signal lifetime with parameters (f ₁ and / or φ ₁ ). Moreover, in cases of phase filtering, the optimization of its conditions is achieved when the duration of the pause between pulses is a multiple of not an integer number of periods of the microwave signal with the frequency of the carrier wave f ₁ and / or phase φ ₁ .

Затем осуществляют селекцию СВЧ-сигнала с частотой несущего колебания f₀ и фазой φ_0/, производя полосовую частотную и/или фазовую фильтрацию модулированного СВЧ сигнала. Эпюра СВЧ сигнала после выделения полезного сигнала с частотой f₀ и фазой φ₀ представлена на фиг.3. В качестве полосового частотного фильтра может быть использован фильтр по а.с. СССР N 1758723, опубл. БИ N 32, 1992 г.Then carry out the selection of the microwave signal with a carrier frequency f ₀ and phase φ _{0 /} , performing band-pass frequency and / or phase filtering of the modulated microwave signal. The plot of the microwave signal after highlighting the useful signal with a frequency f ₀ and phase φ ₀ is presented in figure 3. As a band-pass frequency filter, a filter by a.s. USSR N 1758723, publ. BI N 32, 1992

Полученный сигнал (последовательность СВЧ-импульсов) усиливают и повторно (уже мощный сигнал) фильтруют. Эпюры сигнала представлены, соответственно, на фиг.4 и фиг.5. The received signal (a sequence of microwave pulses) is amplified and re-filtered (already a powerful signal). The plot of the signal are presented, respectively, in figure 4 and figure 5.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет сформировать мощные короткие СВЧ-импульсы со следующими параметрами результирующего сигнала (для частоты несущего колебания порядка 10 ГГц): длительность годного импульса - 300 нс ... 3-5 нс; скважность - 2...10; импульсная мощность - 50-150 кВт. Уровень подавления помех и шумов (в т.ч. несущего колебания на основной частоте) во время паузы, за счет двойной селективной фильтрации - до 40-50 дБ по мощности. Данная величина подавления помех и шумов значительным образом улучшает технико-экономические параметры формирования импульсов за счет уменьшения затрат на тепловые потери и потери при излучении энергии в течение паузы между импульсами. В результате получаем сигнал, состоящий из мощных коротких импульсов, длительностью до одного периода несущего СВЧ-колебания, следующих с большой частотой (малой скважностью - до 2). Thus, the use of the proposed method allows you to generate powerful short microwave pulses with the following parameters of the resulting signal (for the carrier frequency of the order of 10 GHz): the duration of the valid pulse is 300 ns ... 3-5 ns; duty cycle - 2 ... 10; pulse power - 50-150 kW. The level of suppression of noise and noise (including the carrier wave at the fundamental frequency) during a pause, due to double selective filtering, is up to 40-50 dB in power. This amount of suppression of noise and noise significantly improves the technical and economic parameters of the formation of pulses by reducing the cost of heat loss and loss during the emission of energy during a pause between pulses. As a result, we obtain a signal consisting of powerful short pulses of up to one period of carrier microwave oscillation, followed with a high frequency (low duty cycle - up to 2).

Claims

1. The method of generating powerful short microwave pulses, including the excitation of a low-power microwave signal, amplification and modulation of a microwave signal, characterized in that the low-power microwave signal is excited in the form of a carrier microwave sinusoidal oscillation with a frequency f ₀ and phase φ ₀ , which modulate either by frequency manipulation, discretely changing its frequency according to the law f ₀ , f ₁ , f ₀ , f ₁ . . . , or modulate by phase manipulation, discretely changing its phase according to the law φ ₀ , φ ₁ , φ ₀ , φ ₁ . . . , or modulate by frequency and phase manipulation, discretely changing its frequency and phase according to the law (f ₀ and φ ₀ ), (f ₁ and φ ₁ ), (f ₀ and φ ₀ ), (f ₁ and φ ₁ ). . . . while the lifetime of the modulated signal in the form of an oscillation with frequency f ₀ and phase φ ₀ determines the pulse duration, and the lifetime of the modulated signal with frequency of the carrier oscillation f ₁ ≠ f ₀ and / or phase φ ₁ ≠ φ ₀ is the pause duration between pulses where f ₀ and φ ₀ is const, af ₁ and / or φ ₁ is const or varia, then the signal is selected with the carrier frequency f ₀ and phase φ ₀ , performing band-pass frequency and / or phase filtering of the modulated microwave signal, then the received signal is amplified and re-filtered, performing powerful selection signal from the carrier wave frequency f ₀ and phase φ _0.

2. The method according to p. 1, characterized in that the modulation of the signal is carried out by sequentially switching signals with parameters (f ₀ and φ ₀ ) and with parameters (f ₁ and / or φ ₁ ) according to the law t ₀ , t ₁ , t ₀ , t ₁ . . . , where t ₀ is the time of existence of a signal with parameters (f ₀ and φ ₀ ), and t ₁ is the time of existence of a signal with parameters (f ₁ and / or φ ₁ ) from signal sources, respectively, with parameters (f ₀ and φ ₀ ) and (f ₁ and / or φ ₁ ).

3. The method according to p. 1, characterized in that the duration of the pause between pulses is a multiple of not an integer number of periods of the microwave signal with an oscillation frequency f ₁ and / or phase φ ₁ .