RU1778909C - Генератор мощных сверхширокополосных радиоимпульсов - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к формированию мощных радиочастотных импульсов наносекундной длительности и может быть использовано в радиолокации. Сущность изобретени : в генераторе мощных сверхширокополосных импульсов, содержащем формирующую коаксиальную линию 4 с разр дными промежутками 2 и 5, выполненными в ее центральном проводнике , дл  повышени  мощности выходного радиоимпульса выходна  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 соотношени  дл  выбора места подключени  вибраторов 7 и 8 и размещени  разр дного промежутка 5, 3 ил.

Description

Изобретений относитс  к области преобразовани  электрической энергии посто-   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 дл  дальней космической св зи, дистанционного зондировани  подстилающей поверхности в геологии, поиска скрытых объектов, а также в р де других областей науки и техники.

Сверхширо.кополосные (СШП) импульсы представл ют собой радиосигналы, ширина спектра которых ДТ соизмерима с их спеднсй ч сюгой I0( Af/fo 1). Этот класс сигналов позвол в на более высоком уровне решать задачи обнаружени  и рэспозна- иани  целей, построени  их радиолокационных изображений и т.д. При этом важную роль играет не только больша  абсолютна  ширина спектра СШП сигнала, достигающа  единиц гигагерц, но и его значительна  относительна  широкополос- ность (Af/fo) (см., например, Л.Ю.Астанин, А.А.Костылев/Основы

сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и св зь, 1989, с. 192). Фактически речь идет о сигналах, состо щих из одного млн нескольких периодов колебани  высокой частоты,

Известен радиочастотный генератор (см. Патент США, № 4104558, опубл. 1978), содержащий высоковольтный источник питани  и коаксиальный полуоткрытый резонатор с разр дным промежутком. Разр дный промежуток образован центральным проводником резонатора, представл ющим собой стержень длиной А/4 ( Х рабоча  длина волны резонатора) и электродом, выполненным на внутренней поверхности торцовой стенки резонатора. При пробое разр дного промежутка в резонаторе возникают высокочастотные колебани . Вывод энергии осуществл етс  посредством петли св зи в боковой поверхности резонатора. Хот  в коаксиальном резонаторе проще осуществл ть 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 относитс  низкий КПД, св занный с возбуждением низкочастотных колебаний, нар ду с рабочими высокочастотными (ВЧ) колебани ми, Поскольку коаксиальный резонатор работает на ТЕМ

типе колебаний без граничных частот, то низкочастотные колебани , обусловленные взаимодействием емкости резонатора и индуктивности штыр , будут всегда существовать и их практически нельз  устранить, например, посредством уменьшени  емкости резонатора, т.к. последнее повлечет за собой утечку энергии колебаний резонатора . Перераспределение энергии между па0 разитными низкочастотными колебани ми и рабочими ВЧ-колебзни ми приводит к снижению КПД, уровн  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 на  энерги  посто нного тока без промежуточных этапов преобразуетс  в радиочастотный импульс. Данное устройство , вз тое нами за прототип, содержит первичный накопитель электрической энергии,

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

К входной линии через разр дный промежуток подключен первичный накопитель энергии и со стороны боковой поверхности линии подключено устройство вывода пол5 учаемых радиоимпульсов, выполненное в виде коаксиального излучател . Кажда  секци  внутреннего проводника формирующей линии поддерживаетс  изолирующими шайбами из материала, характеризующего0 с  малым уровнем потерь на СВЧ и соединена с внешним проводником коаксиальной формирующей линии высокоомным резистором дл  отекани  остаточного зар да ли- иии, преп тствующего достижению

5 высокой частоты повторени  импульсов. Секции внутреннего проводника формирующей линии отделены друг от друга разр дными промежутками с воздухом в качестве самовосстанавливающегос  диэлектриче0 ского материала.

Устройство-прототип работает следующим образом. От первичного накопител  энергии зар жаетс  входна  лини , в которой формируетс  бегуща  волна напр же5 ни .

Эта волна, назовем ее исходной, распростран етс  по формирующей линии. Энерги , запасенна  в бегущей волне, дробитс  путем последовательных отражений от разр дных промежутков и их поочередном срабатывании. При этом формируютс  серии с количеством импульсов, равным числу разр дных промежутков. При соответствующем выборе длин секций и времени пробо  разр дных промежутков можно добитьс  формировани  импульсов симметричной формы так, что серии будут представл ть собой радиоимпульсы с несинусоидальной несущей, котора  может составл ть сотни мегагерц и единицы гигагерц (см., например, Хармут X. Радиолокатор с синтезированной апертурой и несинусоидальной несущей. Экспресс-информаци  РСВЧ, 1981, № 5, с. 10). Длительность каждого импульса в серии определ етс  временем развити  разр да каждого разр дного промежутка. Так, при времени разр да 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, объ сн етс  низкой стабильностью генерируемых колебаний из-за разброса времени срабатывани  разр дных промежутков или практического отсутстви  их синхронизации, поскольку пробой разр дных промежутков в устройстве-прототипе  вл етс  по своей сути самопробоем. При этом врем  развити  разр да на каждом из промежутков зависит от целого набора параметров как собственно промежутка, так и электродов, ограничивающих промежуток. В силу этою будет иметь место временна  нестабильность в срабатывании каждого разр дника, сравнима  с длительностью периода колебаний, составл ющего дес тые 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 разр дный промежуток.

Целью изобретени   вл етс  повышение пиковой мощности выходного сверхширокополосного радиоимпульса.

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

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

ив которую включены первый и второй в направлении от накопител  разр дные промежутки , выполненные в центральном проводнике , и выходную антенну, подключенную к формирующей коаксиальной линии перпендикул рно ее продольной оси, в отличие от прототипа выходна  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 рассто нии Н с Гц /2 от второго разр дного промежутка, а длина Is секции от второго

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

энергии.

Конструкци  предлагаемого устройства представлена фиг.1, где обозначено:

1 - первичный накопитель электрической энергии;

2 - разв зывающий разр дный промежуток .

3- входна  коаксиальна  лини ;

4- формирующа  коаксиальна  лини ;

5- рабочий разр дный промежуток; б - секци  внутреннего проводника

формирующей линии;

7- первый вибратор дипольной антенны;

8- второй вибратор дипольной антен- ны;

9-диэлектрическа  шайба.

На фиг. 2 приведена принципиальна  схема устройства в тех же обозначени х, что и на фиг, 1, Дополнительно указана позици 

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

На фиг. 3 показана диаграмма, примерно отображающа  процесс формировани 

импульсов в формирующей линии 4.

Предлагаемый генератор состоит из первичного накопител  электрической энергии 1, входной коаксиальной линии 3, формирующей коаксиальной линии 4 устройства вывода 7, 8. Накопитель энергии представл ет собой, например, конденсатор С, соединенный с источником посто нногонапр жени через токоограничивающий резистор RI, а через

демпфирующий резистор R2, разв зывающий разр дный промежуток 2-е входной коаксиальной линией 3, Секци  6 формирующей линии 4 и внутренний проводник входной линии 3 поддерживаютс  посредством диэлектрических шайб 9. Секци  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 напр жени  от первичного накопител  энергии 1 через разделительный разр дный промежуток 2 подаетс  во входную линию 3, зар жа  ее до напр жени  U. При длительности входного импульса г„ Т, где Г - эпектричоска  длина входной линии, последн   работает так же, как и на посто нном токе. В исходном состо нии разр дный промежуток 5,разомкнут, Распросфзн ющиисл по входной линии исходный импульс 11 (фиг.З А) длительностью Гц и амплитудой U подходит к разомкнутому разр дному промежутку 5 и отражаетс  высоким импедансом этого промежутка в. р зомкнутом состо нии. Если исходный импульс имеет свехпробивную амплитуду по отношению к разр дному промежутку 5, то последний резко пробьетс  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 отражени . Далее эта отраженна  часть исходного (падающего) импульса уже в виде отдельного короткого импульса 12 (фиг. 3 Б.С) будет распростран тьс  по формирующей линии 4 к ее началу. Исходный импульс 11. пройд  замкнутый промежуток 5, начинает распростран тьс  по участку формирующей линии за промежутком 5 и зар жает этот участок. Дойд  до короткозамкнутого конца формирующей линии 4, исходный импульс 11 за вычетом первоначально отразившейс  от промежутка 5 части, отразитс  теперь уже от короткозамкнутого конца формирующей линии 4 с изменением фазы и в виде импульса (фиг. 3 Д) будет распростран тьс  к началу формирующей линии 4. Поскольку к этому моменту времени разр дный промежуток 5 еще не восстановилс  до исходного состо ни , импульс 13 пройдет через него и вслед за импульсом 12с задержкой на врем  Ti поступит на дипольную антенну 7, 8. Таким образом устройство будет излучатьс  импульс длительностью в один квазипериод колебани .

Дл  нормальной работы устройства необходимо , чтобы выполн лось соотношение

Ти Т,

пр

(1)

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

ТПр - врем  развити  пробо  промежутка , равное длительности отраженного импульса 12 (фиг.З В).

Если врем  развити  пробо  на промежутке ТПр будет равно двойному времени

прохождени  исходного импульса 11 по секции 6 формирующей линии, то в последней будет формироватьс  импульс напр жени  в виде симметричной знакопеременной функции. Этот импульс как и классический

радиоимпульс может излучатьс  и распростран тьс  в свободном пространстве.

Поскольку квазипериод получаемого колебани  будет определ тьс  длиной секции б формирующей линии, выбираем ее длину

с учетом воздушного заполнени  линии из соотношени 

И С Ги/4 ,

(2)

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

В процессе формировани  выходного сверхширокополосного сигнала отраженный от разр дного промежутка импульс уменьшает длительность исходного импульса на величину, равную своей длительности. При выполнении услови  (2) формируетс  бипол рный импульс с интервалом между

его положительной и отрицательной част ми , равным длительности каждой из них, при этом длительность первой из частей импульса определ етс  временем развити  разр да (пробо ) разр дного промежутка,

длительность второй части определ етс  разницей между длительност ми исходного и отраженного от промежутка импульсов, а интервал между част ми импульса равен двойной электрической длине 6. Именно дл 

обеспечени  возможности формировани 

импульса заданной формы и выбираетс 

длина секции 6, св занна  с длительностью

исходного импульса соотношением (2).

Врем  развити  разр да на промежутке

может быть доведено до величины 1,0...0,3 не, а это означает, что такую же длительность будут иметь импульсы, составл ющие сигнал, сформированный предложенным устройством. Времена такого пор дка соответствуют периоду высокочастотных колебаний с частотой 1,0...3,0 ГГц, т.е. с помощью предложенного устройства можно получить сигнал в один квазипериод колебани , который по своему составу относитс  к классу сверхширокополосных радиоимпульсов (см., например, Л.Ю.Астанин, А.А.Костылев. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М,: Радио и св зь, 1989, 192 с). С другой стороны, длительность таких сигналов и спектральный состав позвол ют считать их и практически использовать как радиоимпульсы с так называемой нссинусоидальной несущей (см,, например, Х.Ф.Хармут. Несмнусои- дэльные волны в радиолокации и радиосв зи . Пер. с англ. М,: Радио и св зь, 1985, с. 376). Поскольку при формировании сверх- широкополосного импульса возможно его искажение за счет, например, интерференции исходного и отраженного импульсов, распростран ющихс  по линии, необходимо определенное расположение дипольной антенны по отношению к разр дному промежутку . В процессе рассмотрени  динамики формировани  сверхширокополосного импульса определено, что дипольную антенну необходимо располагать от разр дного промежутка на рассто нии, определ емом соотношением

12 с ги/2 .

(3)

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

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

Вт,

(4)

где U - амплитуда исходного импульса, Е. Если предположить, что формирующа  лини  сможет без пробо  выдержать напр жение 1000 кВ, то теоретическа  оценка мощности, достижимой с помощью предложенного устройства, составл ет 1 ГВт.

Выполнение рабочей секции формирующей линии длиной И, св занной 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 введени  дополнительных устройств. Дипольна  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 используетс  жесткэ  коаксиальна  лини  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 фиксируетс  с помощью диэлектрических шайб, выполненных из фторопласта .

В качестве первичного накопител  электрической энергии используетс  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 посто нного напр жени  U --- 30 кБ. Разр дный промежуток 5 формирующей линии 1 образован концом внутреннего проводника входной линии 3 и концом секции 6. Исход  из предлагаемой несущей частоты формируемого сверхширокополосного радиоимпульса , длина секции 6 формирующей линии выбрана длиной И 10 см. Взаимным перемещением секций - электродов регулируетс  длина разр дного промежутка. Дл  этого в средней части секции бив диэлектрпческой шайбе 9 выполнены резьбы.

В качестве самовосстанавливающейс  диэлектрической среды используетс  воздух при нормальном атмосферном давлении .

Устройство вывода представл ет 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 выбираетс  величиной 1 МОм и служит дл  стекэнич остаточного зар да формирующей линии на землю в паузах между импульсами. При соответствующем выборе длины разр дного промежутка с учетом вышеперечисленных

параметров с помощью предлагаемого устройства ожидаетс  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 разр дных промежутков, момент их пробо  определ етс  разбросом статистического времени запаздывани  разр да. Поскольку имеетс  нестабильность запуска разр дников в пределах 1 не/см {например. Г,А.Мес ц, Генерирование мощных наносе- кундных импульсов. М,: Советское радио, 1974, с, 88-89), то будет иметь место временна  нестабильность генерируемых устройством-прототипом колебаний.

Что касаетс  предложенного устройства , то, поскопьку оно формирует единичный импульс, имеюща  место временна  нестабильность не играет большои роли дл  прак- тики. Вли ние нестабильности (прив зки начальной сЬлзь1 колебани ) может, олчлко, про вит i,c« при v устройств-) и периодический режим работы.

Исход  из величин зар дного напр жени  устройства-прототипа и мощности выходного радиоимпульса, КПД составл ет 50%. Однако в прототипе формирующа  лини  выполнена с согласующим сопро:ивле- нием нл конце, поэтому часть запасенной в исходной волне (импульсе) знерши, оставшейс  после завершени  процесса формировани  пачки (серии) импульсов, рассеиваетсч в согласующем сопротивлении , т.е. безвозвратно тер етс . В предложенном же генераторе согласующее сопротивление отсутствует, а ото означает, что уменьшаетс  поп   безвозвратных потерь энергии.

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

работает в режиме КЗ с изменением пол рности падающего (исходного) импульса. Отсюда возрастает пикова  мощность сформированного сверхширокополосного радиоимпульса.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

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

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

   подключенную к формирующей коаксиальной линии перпендикул рно к ее продольной оси, отличающийс  тем, что, с целью повышени  пиковой мощности выходного радиоимпульса, выходна  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 рассто нии

   р, f

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

   на из услови  г - 2р где с - скорость

   света, Гц - длительность исходного импульса накопител  электрической энергии.

   Г ti «Жпынли  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 «