NO162836B - Kortpuls-generator. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat for generering av signaler av kort varighet som reaksjon på en puls som er forbundet med apparatets inngangsklemmer, idet apparatet omfatter ladningsorganer med en ledende tilstand og en ikke-ledende tilstand for tilførsel av energi ved et utgangsorgan fra samme under den ledende tilstand, en flerhet av ladbare energilageranordninger som er forbundet med ladeorganer slik at alle blir ladet fra de samme ladeorganer hovedsakelig samtidig, bryterorganer med en ledende tilstand og en ikke-ledende tilstand og forbundet med flerheten av energilageranordninger for kobling av energilageranordningene hovedsakelig i serie under den ledende tilstand, en ut- ' gangsterminal som er forbundet med energilagringsanordningene ved hjelp av bryterorganene under den ledende tilstand av bryterorganene for å fremskaffe en energiutladningsbane for energi som er lagret i lageranordningene og for å skaffe et utgangssignal som er .representativt for energiutladningen fra energilageranordningene.

Tidligere kjente kortpulsgeneratorer anvendte kvikksølvrelé-bryter til å utlade en transmisjonslinje som var blitt ladet til en høy spenning gjennom en lang tidskonstant. Denne teknikk er istand til å tilveiebringe subnanosekundpulser med stigetid av størrelsesorden 100 picosekunder ved topp-pulsspenninger i størrelsesorden av flere hundre volt.

Disse brytere kan imidlertid ikke drives med meget store tast-forhold på grunn av de mekaniske begrensninger for en vibre-rende tunge som anvendes i disse for bryteroperasjonen. I tillegg har mekaniske kontakter tendens til å bli dårligere, hvilket medfører kraterdannelse e.l. (gittery) og støypulser. Ettersom den gradvise ødeleggelse av de mekaniske kontakter er proposjonal med antallet ganger som kontaktene åpnes o-" lukkes, er bryterens levetid omvendt proposjonal med tast-forholdet.

En annen teknikk som ble anvendt i de tidligere løsninger gjorde bruk av Hertzisk (gnistgap) generatorer. Disse anordninger kan levere pulser med amplituder av størrelsesorden 1000 volt og stigetider av størrelsesorden 100 picosekunder ved repetisjonsfrekvenser over 200 hertz. Hertziske generatorer har imidlertid en levetid som er begrenset av bredden av gnistgapet, hvilket bestemmer bredden av den genererte puls.

En nærliggende løsning på de mekaniske og levetidsmessige begrensninger hos kvikksølvbrytere og hertziske generatorer, er å anvende halvlederanordninger (solid state) som er istand til å omveksle hurtig og er meget pålitelige. Det er velkjent at tunneldioder, avalanche transistorer og såkalt step re-covery dioder kan anvendes for å generere en serie av im-pulsfunksjoner med en repetisjonstakt stort sett lik en driv-funksjonsfrekvens. Nanosekundpulser med stigetid av størrel-sesorden 25 picosekunder kan oppnås med tunneldioder. Disse generatorer er imidlertid anordninger med lav amplitude som når kun nivå av størrelsesorden 0,5 volt. Korte pulser med amplituder så store som 1000 volt er blitt generert med en seriestabel av avalanche transistorer. Stige- og falltiden for disse generatorer er av størrelsesorden 6 nanosekunder, hvilket for mange løsninger er for sakte. En betydelig forbedring i pulsstigetiden er blitt oppnådd med kombinasjonen av avalanche transistorer og steprecoverydioder. Disse anordninger oppviser stigetider av størrelsesorden 100 picosekunder, men gir kun toppamplituder av størrelsesorden 25 volt. En anordning omfattende et antall seriekoplede steprecovery dioder, som er istand til å gi pulsbredder av 200 picosekunder og pulsamplituder over 180 volt, omhandles i US patent 3.832.56 8. De høye pulsamplitudene hos denne anordning oppnås imidlertid kun når pulsgeneratoren drives mot en avstemt last av høy impedans. I tillegg er pulsrepe-tisjonstakten for anordningen begrenset til frekvenser av størrelsesorden 40 kHz.

Ved en kombinasjon av det som fremgår av artikkelen "Avalanche transistors give fast pulses" i Electronic Design og US-patentskrift 3.997.843 kan der fremskaffes en kort puls-utgang, men denne kjente kombinasjon gir ikke anvisning på bruken av dioder som er slik polet at de kutter ut opplad-ningsorganene ved et gitt energinivå, enn si anviser at diodene og lagringsorganene er serieforbundet når bryterorganene leder. Videre gir den kjente kombinasjon ikke noen antydning om innlemmelsen av en pulsformer som etablerer et utgangssignal med en syklus, idet hver halvdel av syklusen har motsatt polaritet. Ifølge US-patentskrift 3.997.843 blir overføringslinjene imidlertid benyttet som forsinkelses-linjer og utgjør ikke pulsformere. Utskiftningen av en pulsformer, slik denne blir definert i henhold til den foreliggende oppfinnelse, med anordningen i henhold til US-patent-skrif t 3.997.843, vil ikke fremskaffe det dublett-utgangssignal som den foreliggende oppfinnelse forårsaker.

Ifølge oppfinnelsen vil man da oppnå en reaksjon hos to-tilstandsorganene like overfor dublett-pulsen, noe som hverken er beskrevet eller antydet i det tidligere nevnte US-patentskrift 3.822.568.

Ved et apparat av den innledningsvis angitte art, går den foreliggende oppfinnelse ut på at apparatet ytterligere omfatter en flerhet av en-veis strømlederanordninger forbundet med ladeorganene og polet for å innstille ladeorganene til den ikke-ledende tilstand når der påtrykkes et energinivå, og at der er anordet puls-formerorganer som er forbundet med energilageranordningene ved hjelp av bryterorganene under den ledende tilstand av bryterorganene for å fremskaffe nevnte utgangssignal som representativt for energiutladning fra energilageranordningene, ved at utgangssignalet har en varighet av en syklus med den ene halvpart av syklusen ved en første polaritet og en halvpart av syklusen ved en annen polaritet som er motsatt den første polaritet, og at to-tilstandsorganer er forbundet med pulsformerorganene for svitsijbart å fremskaffe en ledende tilstand når utgangssignalet har den første polaritet og til en ikke-ledende tilstand når utgangssignalet er ved den annen polaritet.

En pulsgenerator ifølge den foreliggende oppfinnelse vil nå beskrives i nærmere detalj i eksempels form med henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 er et koplingsdiagram over en drivkrets for pulsgeneratoren ifølge oppfinnelsen. Fig. 2-er et koplingsskjerna for <p>ulsgeneratoren som reagerer på drivkretsen i fig. 1.

Fig. 3 er en ekvivalentkrets for pulsgeneratoren i fig. 2

som gjelder under ladningsintervallet.

Fig. 4 er en ekvivalentkrets for pulsgeneratoren i fig. 2 som gjelder under impulsintervallet.

I fig. 1 er vist en drivkrets 10, som kan anvendes for en kortpuls generator ifølge foreliggende oppfinnelse, hvilken omfatter en ladekrets 11, en bryterkrets 12, en pulsformings-krets 13 og tre kondensatorer C^, C og C^. Drivkretsen 10 omfatter dessuten transistorer lia, 11b og lic som er koplet i parallell med respektive dioder lid, lie og llf. Hver transistor lia, 11b og lic kan være av den type som er kjent in-nenfor, teknikken som MP5 UIO, mens hver av diodene lid,

lie og llf kan være av den type som er kjent innen teknikken som 1N914. Katodeovergangen i dioden og basis i transistorene for de parallelle par lia - lid, 11b - lie og lic - llf er koplet via respektive motstander R-^a/ R^fcj°9 Rlc'°^ en term-'--nal 14 til en krafttilførsel (ikke vist), mens transistorens emitterovergang og diodens anode hos disse transistor-diode-par er hhv. koplet til kondensatorene C^, og C 3 og kollek-toren for transistorene lia, 11b og lic er hhv. koplet til terminalen 14 via motstanden R--', R-,, og R0c. Kondensatorene C, ,

2a 2b 2c 1

C2 og lades parallelt fra terminalen 14 ved strøm som flyter gjennom de tilsvarende transistorer. Ladeperioden er relativt hurtig ettersom den strøm som kreves for ladning av kondensatorene i realiteten multipliseres med transistorenes 3.

Strøm fortsetter å flyte gjennom transistorene lia, 11b og lic og lader kondensatorene C^, og C-. inntil lekkasjestrøm gjennorn dioden hos hver transistor-diode parallell kombinasjon, og den tilsvarende avalanche transistor hos bryteren 12, slik som f.eks. transistoren 12 for transistor-diode parallell kombinasjonen lia - lid, motforspenner transistorens basis. Når denne tilstand nåes, blokkeres transistoren lia, 11b og lic. Denne operasjonen lader kondensatorene , og C, parallelt med tilførselsspenningen på terminalen 14, som kan være 230 volt.

Under ladeperioden og ved dens fullførelse, blir avalanche transistoren 12a, 12b og 12c i alt vesentlig blokkert, på grunn av en -6V tilførsel som er koplet til deres styre-elektrode fra terminalene 16a, 16b og 16c via hhv. motstander R,, , R-, og R-, , idet kun lekkasjestrøm flyter gjennom disse.

j cl j Q jC

En positiv triggerpuls fra en serie av positive triggerpulser 17 av bredde 0<3 høyde A, ko<p>let via en terminal 18 og dioder 21 og 22 til basisen hos transistoren 12a, bevirker sistnevnte til lavinegjennombrudd, og plasserer derved kondensatoren C, i serie med kondensatoren C ? og oppretter et spenningsnivå på diodens lie anode som er summen av spenning-ene over kondensatorene og . Denne sumspenning bevirker dioden lie til å lede, idet sumspenningen plasseres på transistorens 12 kollektor. Sumspenningen gir transistoren 12b overspenninger som bevirker lavinegjennombrudd hos samme, og derved plasserer de tre kondensatorene C^, og C., i serie og oppretter en spenning på diodens llf anode som bevirker den til å lede og derved kopler sumspenningen for alle tre kondensatorene til transistorens 12c basis. Summen av spen-ningene over de tre kondensatorene C^, C2 og C., bevirker lavinegjennombrudd hos transistoren 12c, hvorved kretsen til jord fullføres, via et pulsformingsnettverk 13 som kan være en koaksialkabellengde, slik som RG, 141/U, kortsluttet i en ende, gjennom kondensatorene , C og C-. utlades, for derved å tilveiebringe en puls på en utgangsterminal 23.

Formen av utgangspulsen bestemmes av den minste kondensatoren i en seriekjede som, f.eks. kan være kondensatoren C^. Denne kondensator kan dannes av en halvstiv RG,141/U kabel av kort lengde med en åpen kretsavslutning. Utladningstiden for denne kondensator bestemmer pulsbredden og er gitt av 2 /-^/v^ hvor i ^ er kabelens lengde og v^ er forplantningshastigheten i denne. RG 141/U kabelen har en kapasitet av ca. 1 picofarad pr. cm og vil gi en pulsbredde av ca. 2 nanosekunder når er stort sett lik 5,3 cm.

Når lavinegjennombrudd oppstår i transistoren 12c, blir en halvpart av den utladede energi fra kondensatorene C^, C2 og CU koplet til utgangsterminalen 23 og en halvpart koples

til pulsformeren 13, hvilken omfatter en kortsluttet koak-sialledning av lengde-. Signaler som koples til pulsformeren 13 forplanter seg til den kortsluttede enden av denne, er-farer en faseomsnuing ved denne, og reflekteres fra den kortsluttede enden, og ankommer ved inngangsenden etter et tids-forløp av 2^ 2/^ 2' ^vor v2 er forplantningshastigheten langs transmisjonslinjen omfattende pulsformeren 13. Ved det tids-punkt som signalet kommer tilbake til pulsformerens 13 inn-gangsende, blokkeres transistoren 12c, hvilket bevirker at den reflekterte puls fra pulsformeren 13 koples til utgangsterminalen 23, hvorved det der opprettes en dublettpuls 24. Dublettpulsen 24 vil ha en positiv toppamplitude h^ stort sett lik 120V, en negativ toppamplitude stort sett lik 65V, og en total bredde TT^ som er stort sett lik 4 nanosekunder, en periode av en 250 MHz bølge, når i tillegg til de tidligere angitte parametre, har kretskomponenten de følgende verdier:

En tilpasningsmotstand Rg kan koples til utgangsterminalen 23 når en utgangspuls som er stort sett ringfri ønskes. Denne motstand, når den er av passende verdi (vanligvis 50 ohm), eliminerer i alt vesentlig multirefleksjoner mellom transistoren 12c og utgangsterminalen 23. Ved hjelp av denne motstand forbedres i betydelig grad pulsformen på utgangsterminalen 23, idet den samtidig minsker toppuls amplituden der og bør kun anvendes når en stort sett ringfri utgangspuls ønskes.

Ved dublettpulsens fullførelse, hvilket for de ovenfor gitte parametre kan anses som en periode av en 250 MHz bølge, blokkeres transistorene 12a, 12b og 12c, transistorene lia, 11b og lic leder, og kondensatorene C^, og C, lades på ny

for å gjenta den ovenfor beskrevne prosess ved mottagelsen av en påfølgende puls i pulstoget 17.

I forbindelse med kortpuls generatoren 30 i fig. 2, koples dublettpulsen 24 til en steprecovery diode (SRD) 31 via en kondensator 32 og en induktans L. En negativ forspenning, hvilken kan være -6 volt, er koplet via en terminal 34, en motstand R7 og en drosselinduktans 35 til SRD 31 for å opp-rette en inital ikke-ledende tilstand. En kondensator 36

er koplet mellom jord og overgangen mellom drossen 35 og induktansen L. Når den positive halvperiode av dublettpulsen 24 koples til SRD 31, omkoples den hurtig til sin ledende tilstand, og tilveiebringer derved en vei mot jord av liten motstand. En ekvivalent krets for denne tilstand er vist i fig. 3, hvor V^ er spenningsfallet over SRD 31 og Rg er dens seriemotstand i dens ledende tilstand. Under denne frem-ledingstilstand, lagres minoritetsbærerne i SRD 31. Disse minoritetsbærere fjernes fullstendig under den negative halvperiode av dublettpulsen, hvilket brått driver SRD 31

til blokkert tilstand. Dette hurtige opphør av diodestrømmen bevirker den energi som er lagret i induktansens L magnet-felt til å frembringe en halv sinusformet spenningsimpuls over SRD 31 på resonansfrekvensen for kombinasjonsreduktanten L og motforspenningskapasitansen C rhos SRD 31. Ekvivalent-kretsen for denne operasjonsperiode er vist i fig. 4, hvor R^ er lastmotstanden. Under denne overgang tilveiebringer kondensatoren 36 i realiteten en kortslutning til jord, og kopler således induktansen L parallelt med kondensatoren C rog lastmotstanden R Xj. Med denne kretsen vil den impuls som leveres over lastmotstanden R^ ha en varighet t gitt av

SRD 31 kan være en MA 44483 fra Microwave Associates, Burling-ton, Massachusetts. Tilbakevirkningskapasitansen for denne anordning er av størrelsesorden 1,4 picofarad. Ved anvendelse av denne kåpasitans, kan en impulsbredde av størrelsesorden picosekunder muliggjøres med en induktans lik 6 picohenry og en lastmotstand lik 50 ohm.

I den reile kretsen vil parasittkapasitanser bevirke at pulsbredden er av størrelsesorden 4 00 picosekunder. Toppampli-tuden Ap for den oppnådde puls med denne krets var av stør-relsesorden 100 volt ved en pulsrepetisjonsfrekvens av 100 KHz, dvs, repetisjonsfrekvensen for triggerpulssekvensen.

Claims (7)

1. Apparat for generering av signaler av kort varighet som reaksjon på en puls som er forbundet med apparatets inngangsklemmer, idet apparatet omfatter ladningsorganer (11) med en ledende tilstand og en ikke-ledende tilstand for til-førsel av energi ved et utgangsorgan fra samme under den ledende tilstand, en flerhet av ladbare energilageranordninger ( Ci, C2, C3) som er forbundet med ladeorganer slik at alle blir ladet fra de samme ladeorganer hovedsakelig samtidig, bryterorganer (12) med en ledende tilstand og en ikke-ledende tilstand og forbundet med flerheten av energilageranordninger (C]_, C2 , C3) for kobling av energilageranordningene (Cj_, C21 C3) hovedsakelig i serie under den ledende tilstand, en utgangsterminal som er forbundet med energilagringsanordningene (C^, Cj , C3) ved hjelp av bryterorganene (12) under den ledende tilstand av bryterorganene (12) for å fremskaffe en energiutladningsbane for energi som er lagret i lageranordningene (C^, C21 C3) og for å skaffe et utgangssignal som er representativt for energiutladningen fra energilageranordningene (C]_, C2# C3) , karakterisert ved at apparatet ytterligere omfatter en flerhet av en-veis strømlederanordninger (lid, lie, llf) forbundet med ladeorganene (11) og polet for å innstille ladeorganene til den ikke-ledende tilstand når der påtrykkes et energinivå, og at der er anordnet puls - formerorganer (13) som er forbundet med energilageranordningene (C]_, C2/ C3) ved hjelp av bryterorganene (12) under den ledende tilstand av bryterorganene for å fremskaffe nevnte utgangssignal som er representativt for energiutladning fra energilageranordningene (C-j_, C2, C3) , ved at utgangssignalet har en varighet av en syklus med den ene halvpart av syklusen ved en første polaritet og en halvpart av syklusen ved en annen polaritet som er motsatt den første polaritet, og at to-tilstandsorganer (31) er forbundet med pulsformerorganene (13) for svitsjbart å fremskaffe en ledende tilstand når utgangssignalet har den første polaritet og til en ikke-ledende tilstand når utgangssignalet er ved den annen polaritet.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver energilageranordning i flerheten av energilageranordninger (C^, C2/ C3) er en kondensator.

3. Apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at ladningsorganene (11) omfatter et terminalorgan (14) for kobling til en kilde for elektrisk energi, og en flerhet av transistorer (lia, 11b, lic) som hver har en emitter forbundet med en av de nevnte flerhet av kondensatorer (C^, 0. 21 C3) , at bryterorganet (12) omfatter en flerhet av transistorer (12a, 12b, 12c) som hver har en kollektor som er forbundet med basisen hos en tilsvarende av transistorene (lia, 11b, lic) av ladningsorganene (11) for en initialtransistor i bryterorganet til en nestsiste transistor i samme, en emitter forbundet gjennom en av kondensatorene (C-^, C2 > C3) til emitteren hos en ikke-tilsvarende transistor (lia, 11b, lic) hos ladeorganet (11), idet initialtransistoren (12a) hos bryterorganet har en basis forbundet for å motta triggerpulser (13) og en slutt-transistor (12c) i bryterorganet som har en emitter forbundet med pulsformerorganene (13), idet flerheten av en-veis strøm-lederanordhingene (lid, lie, llf) er respektivt forbundet mellom basisen og emitter hos en tilsvarende transistor (lia, 11b, lic) hos ladeorganene (11) og polet slik at ved et ladenivå for kondensatoren forbundet med emitteren, vil strøm flyte gjennom en-veis strømledeanordningen for å innstille transistoren som svarer til den ensrettede strømledende anordning i den ikke-ledende tilstand.

4. Apparat som angitt i krav 3,karakterisert ved at pulsformerorganene omfatter en koaksialkabel (13) av forhåndsbestemt lengde (I2) med en indre leder forbundet med emitteren hos slutttran-sistoren (12c) i bryterorganet (12) ved den første ende, og en ytre leder forbundet med den indre leder ved en annen ende.

5. Apparat som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at en av kondensatorene (C3) omfatter en koaksialkabel som har en indre leder forbundet med ladeorganene (11) og en ytre leder forbundet med bryterorganene (12).

6. Apparat som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at det ytterligere innbefat-ter induktive organer (L) med en første port forbundet med pulsformerorganene (13), og en annen port forbundet med to-tilstandsorganene (31) for lagring av energi når to-tilstandsorganene befinner seg i den ledende tilstand og for utladning av lagret energi når to tilstandsorganene befinner seg i ikke-ledende tilstand.

7. Apparat som angitt i krav 6, karakterisert ved at de induktive organer har en induktans-verdi (L) og to-tilstandsorganene utgjøres av en steprecovery diode (31) med en tilbakevirkningskapasitans av verdi (Cr), idet denne kapasitans og induktororganet er forbundet i et parallellt forhold under den ikke-ledende tilstand, for derved å fremskaffe en spenningspuls som er halvparten av en resonansfrekvens bestemt av en parallell kombinasjon av en kondensator av verdi (Cr) og en induktans av verdien L.