RU2313870C1

RU2313870C1 - Method and device for generating and receiving super-short carrier-free electromagnetic pulsed signals

Info

Publication number: RU2313870C1
Application number: RU2006121141/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Самсонов (RU); Александр Васильевич Самсонов; Иль Александрович Самсонов (RU); Илья Александрович Самсонов; Евгений Михайлович Маминов (RU); Евгений Михайлович Маминов; Лев Семенович Лазарев (RU); Лев Семенович Лазарев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Муромский радиозавод"
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-27

Abstract

FIELD: short-range radio communication and radar systems.

SUBSTANCE: proposed method includes storage of electric field potential by means of storage capacitor, avalanche discharge of storage capacitor, reception and radiation of electromagnetic wave by means of receiving-radiating element, concurrent generation, transmission, and radiation of pulsed signals. Electric field potential is stored by storage capacitor simultaneously with its storage at receiver input from current waves formed by pulses of receiving electromagnetic wave across two separated conductors of transceiving element; avalanche discharge of storage capacitor is conducted simultaneously with generation of current waves in same conductors producing radiated electromagnetic wave pulse. Device implementing proposed method has sawtooth current pulse generator connected to storage capacitor, avalanche diode, receiving-radiating element, and receiver. Receiving-radiating element is made in the form of two separated conductors shorted out on one end; they are series-connected with avalanche diode and storage capacitor at input and parallel-connected with receiver input through controlled limiter.

EFFECT: enhanced antenna efficiency and gain, as well as noise immunity, reduced power loss.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам формирования и приема импульсных электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей и применяется в радиосвязных и радиолокационных системах ближнего действияThe invention relates to methods for generating and receiving ultrashort pulsed electromagnetic signals without a carrier and is used in short-range radiocommunication and radar systems

Такие сигналы носят название сверхширокополосных короткоимпульсных сигналов. Их применение повышает скорость передачи информации, помехоустойчивость и уменьшает энергетические затраты. (Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985).Such signals are called ultra-wideband short-pulse signals. Their use increases the speed of information transfer, noise immunity and reduces energy costs. (Harmut H.F. Nonsinusoidal waves in radar and radio communications. Trans. From English. M: Radio and communication, 1985).

В известных способах формирования и приема импульсных электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей применяются традиционные для радиотехники, использующей несущую сигнала, разделенные последовательно во времени действия: генерирование электромагнитных импульсов генератором, передача их на антенну линией передачи и излучение антенной при формировании электромагнитных сигналов и, соответственно, прием электромагнитных импульсов антенной и передача их линией передачи на приемник при приеме электромагнитных сигналов. (Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Визирь В.А., Ефремов В.М., Зорин В.Б., Ковальчук Б.М., Кошелев В.И., Плиско В.В., Сухушин К.Н. Генератор гигаваттных импульсов сверхширокополосного излучения. Приборы и техника эксперимента. 2000. №2. с.52-88).In the known methods for generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier, traditional radio engineering using a signal carrier, sequentially separated in time, is used: generating electromagnetic pulses by a generator, transmitting them to the antenna by a transmission line and emitting an antenna when generating electromagnetic signals and, accordingly, receiving electromagnetic pulses by an antenna and transmitting them by a transmission line to a receiver when receiving electromagnetic signals catch. (Andreev Yu.A., Buyanov Yu.I., Vizir V.A., Efremov V.M., Zorin V.B., Kovalchuk B.M., Koshelev V.I., Plisko V.V., Sukhushin KN Generator gigawatt pulses of ultra-wideband radiation. Instruments and experimental equipment. 2000. No. 2. S. 52-88).

Использование таких разделенных по времени действий для формирования и приема импульсных электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей приводит прежде всего к проблеме преобразования электрического сигнала в электромагнитный (однополярного импульса в биполярный), к проблеме согласования всех самостоятельных устройств друг с другом по импульсному сигналу, к малому коэффициенту направленного действия самостоятельной антенны (сверхширокополосной антенны).The use of such time-divided actions for generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier leads first of all to the problem of converting an electric signal into an electromagnetic one (unipolar pulse to bipolar), to the problem of matching all independent devices to each other by a pulse signal, to a small coefficient directional action of an independent antenna (ultra-wideband antenna).

Для увеличения направленности излучения и приема антенной приходится применять антенные решетки (Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И.., Сухушин К.Н. «Элемент сканирующей антенной решетки для излучения мощных сверхширокополосных электромагнитных импульсов». Радиотехника и электроника, 1999 г., т.44. №5. с.531-537).To increase the directivity of radiation and antenna reception, one has to use antenna arrays (Andreev Yu.A., Buyanov Yu.I., Koshelev V.I .., Sukhushin KN “Element of a scanning antenna array for the emission of powerful ultra-wideband electromagnetic pulses.” Radio engineering and Electronics, 1999, v. 44. No. 5. p.531-537).

Данные элементы сканирующей антенной решетки для излучения мощных сверхширокополосных электромагнитных импульсов имеют малый коэффициент направленного действия. Объединение этих элементов в решетку позволяет повысить коэффициент направленного действия, но антенная система в результате становится громоздкой, возникает взаимовлияние элементов друг на друга, что уменьшает КПД и искажает сигналы.These elements of the scanning antenna array for the emission of powerful ultra-wideband electromagnetic pulses have a small directional coefficient. The combination of these elements in the array allows to increase the coefficient of directional action, but the antenna system as a result becomes cumbersome, there is a mutual influence of the elements on each other, which reduces the efficiency and distorts the signals.

Техническим результатом изобретения является увеличение КПД и коэффициента направленного действия антенны с обеспечением оптимальных размеров антенной системы.The technical result of the invention is to increase the efficiency and directional coefficient of the antenna to ensure optimal dimensions of the antenna system.

С этой целью в способе формирования и приема импульсных электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей, включающем накопление потенциала электрического поля накопительным конденсатором, лавинный разряд накопительного конденсатора, прием и излучение электромагнитной волны, процесс накопления потенциала электрического поля накопительным конденсатором производят одновременно с накоплением потенциала электрического поля на входе приемника от волн тока, образующихся от импульсов принимаемой электромагнитной волны на двух разнесенных проводниках приемо-излучательного элемента, а лавинный разряд накопительного конденсатора производят одновременно с образованием волн тока в тех же проводниках приемно-излучательного элемента, формирующих импульс излучаемой электромагнитной волны.To this end, in the method of generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier, including the accumulation of the electric field potential by the storage capacitor, the avalanche discharge of the storage capacitor, the reception and emission of an electromagnetic wave, the process of accumulating the electric field potential by the storage capacitor is performed simultaneously with the accumulation of the electric field potential at receiver input from current waves generated from pulses of a received electromagnetic wave conductors on two spaced transceiver-radiative element, and avalanche discharge the storage capacitor are performed simultaneously with the formation of waves in the current conductors of the same receiver-radiative elements forming the electromagnetic wave pulse radiated.

Устройство для реализации данного способа формирования и приема импульсных электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей содержит генератор импульсов пилообразного тока, соединенный с накопительным конденсатором, лавинный диод (или газовый разрядник), приемо-излучательный элемент, приемник, причем приемо-излучательный элемент выполнен в виде двух разнесенных проводников, закороченных на одном из концов, а на входе последовательно соединенных с лавинным диодом и накопительным конденсатором и, через управляемый ограничитель, параллельно соединенных с входом приемника. При этом, если проводники разомкнуты на выходе, то на входе они закорочены через дроссель.A device for implementing this method of generating and receiving ultrashort pulsed electromagnetic signals without a carrier comprises a sawtooth current pulse generator connected to a storage capacitor, an avalanche diode (or gas spark gap), a receiving-emitting element, a receiver, wherein the receiving-emitting element is made in the form of two spaced conductors shorted at one end, and at the input, connected in series with the avalanche diode and the storage capacitor and, through a controlled a contactor connected in parallel with the input of the receiver. Moreover, if the conductors are open at the output, then at the input they are shorted through the inductor.

Таким образом, в предлагаемом способе операции генерирования, передачи и излучения импульсных сигналов совмещены по времени. Формирование электромагнитного импульса начинается в момент времени начала лавинного процесса и продолжается в течение времени распространения волн тока по проводникам приемно-излучательного элемента. Эти волны тока не только переносят энергию от накопительного конденсатора, но и излучают ее, создавая направленное излучение по направлению своего распространения. Энергия из накопительного конденсатора не поступает в приемник, параллельно подсоединенный к входу приемо-излучательного элемента через последовательно соединенное с приемником управляемое ограничительное устройство. Импульсный сигнал на вход приемника поступает от проводников приемо-излучательного элемента, на который действует подающая электромагнитная волна, в моменты времени накопления энергии в накопительном устройстве от источника при выключенном ограничительном устройстве. Таким образом, осуществляется временное разделение излучаемого антенной сигнала от принимаемого этой же антенной сигнала.Thus, in the proposed method, the operations of generating, transmitting and emitting pulsed signals are time-aligned. The formation of an electromagnetic pulse begins at the time of the beginning of the avalanche process and continues during the propagation time of the current waves along the conductors of the receiving-emitting element. These current waves not only transfer energy from the storage capacitor, but also emit it, creating directional radiation in the direction of its propagation. Energy from the storage capacitor does not enter the receiver parallel connected to the input of the receiving-emitting element through a controllable limiting device connected in series with the receiver. The pulse signal to the input of the receiver comes from the conductors of the receiving-emitting element, which is affected by the supplying electromagnetic wave, at the moments of time of energy accumulation in the storage device from the source when the limiting device is off. Thus, a temporary separation of the signal emitted by the antenna from the signal received by the same antenna is carried out.

Совмещение операций генерирования, передачи, излучения и разделения импульсных сигналов позволяет решить проблему сверхширокополосности, повысить КПД и коэффициент направленного действия антенны и оптимизировать энергетические затраты.Combining the operations of generating, transmitting, emitting and separating pulsed signals allows solving the problem of ultra-wideband, increasing the efficiency and directional coefficient of the antenna and optimizing energy costs.

Схема устройства, в котором реализуется предлагаемый способ, представлена на чертежах, где:A diagram of a device in which the proposed method is implemented is presented in the drawings, where:

на фиг.1 приведена схема устройства с проводниками, закороченными на выходе,figure 1 shows a diagram of a device with conductors shorted to the output,

на фиг.2 - схема устройства с проводниками, закороченными на входе.figure 2 is a diagram of a device with conductors shorted to the input.

Источник импульсов пилообразного тока (ИПТ) 1 (фиг.1) соединен через ограничительное сопротивление 2 с накопительным конденсатором 3, который через импульсный лавинный диод 4 соединен с входами (Вх) проводников 5 и 6 приемо-излучательного элемента (И). Входы проводников 5 и 6 приемо-излучательного элемента через управляемый ограничитель (О) 7 соединены с входами приемника (Пр) 8. Источник импульсов пилообразного тока 1 соединен также с устройством управления (УУ) 9 ограничителем 7. Проводники 5 и 6 приемо-излучательного элемента закорочены на одном из концов, а именно: или на входе (Вх), или на выходе (Вых). Причем в первом случае (на входе) они должны быть закорочены через дроссель (Др) 10 (фиг.2).The sawtooth current pulse source (IPT) 1 (Fig. 1) is connected through a limiting resistance 2 to a storage capacitor 3, which is connected through the pulse avalanche diode 4 to the inputs (Vx) of the conductors 5 and 6 of the receiving-emitting element (I). The inputs of the conductors 5 and 6 of the receiving-emitting element through a controlled limiter (O) 7 are connected to the inputs of the receiver (Pr) 8. The pulse source of the sawtooth current 1 is also connected to the control device (UE) 9 of the limiter 7. Conductors 5 and 6 of the receiving-radiating element shorted at one of the ends, namely: either at the input (Bx), or at the output (Out). Moreover, in the first case (at the input), they must be shorted through the inductor (Др) 10 (Fig. 2).

Устройство работает следующим образом. От источника импульсов пилообразного тока 1 через ограничительное сопротивление 2 осуществляется заряд накопительного конденсатора 3. Через закороченные выходы проводников 5 и 6 (фиг.1), или через дроссель 10 (фиг.2), напряжение на конденсаторе 3 запирает диод 4. Ток в проводниках 5 и 6 приемо-излучательного элемента очень мал и проводники выполняют функцию приемной антенны. Волны тока в проводниках, возбужденных электромагнитными импульсами волны из окружающего пространства, создают напряжение на входе приемника. Импульсы электромагнитной волны сначала возбуждают выходы проводников и продолжают передавать энергию импульсам тока в проводниках по мере продвижения их ко входу проводников. Этим обеспечивается направленность приема антенны.The device operates as follows. From the pulse source of the sawtooth current 1, the storage capacitor 3 is charged through the limiting resistance 2. Through the shorted outputs of the conductors 5 and 6 (Fig. 1), or through the inductor 10 (Fig. 2), the voltage across the capacitor 3 locks the diode 4. The current in the conductors 5 and 6 of the receiving-emitting element is very small and the conductors act as a receiving antenna. Current waves in conductors excited by electromagnetic wave pulses from the surrounding space create a voltage at the input of the receiver. The pulses of an electromagnetic wave first excite the outputs of the conductors and continue to transmit energy to the current pulses in the conductors as they move to the input of the conductors. This ensures the directivity of receiving the antenna.

При достижении запирающего напряжения на диоде 4 величины напряжения пробоя начинается лавинный процесс уменьшения сопротивления диода 4, сопровождающийся резким увеличением тока. Накопительный конденсатор 3 начинает быстро разряжаться. Напряжение на входе проводников 5 и 6 практически не меняется, но возникает импульс тока, который распространяется вдоль проводников от входа к выходу проводников. При этом энергия импульсов тока постепенно расходуется на излучение, направленное вдоль проводников.When the blocking voltage at the diode 4 is reached, the breakdown voltage begins the avalanche process of decreasing the resistance of the diode 4, accompanied by a sharp increase in current. The storage capacitor 3 starts to discharge quickly. The voltage at the input of conductors 5 and 6 remains virtually unchanged, but a current pulse arises that propagates along the conductors from the input to the output of the conductors. In this case, the energy of the current pulses is gradually spent on radiation directed along the conductors.

По мере быстрого разряда накопительного конденсатора 3 сопротивление импульсного лавинного диода 4 восстанавливается. Большое сопротивление ограничителя 7 и, соответственно, малое напряжение на входе проводников 5 и 6 приемо-излучательного элемента во время разряда накопительного конденсатора 3 препятствуют перегрузке приемника 8 во время излучения. Накопительный конденсатор 3 снова начинает заряжаться. Скорость нарастания пилообразного тока и постоянная времени заряда накопительного конденсатора определяют период повторения излучаемых импульсов. Сопротивление ограничителя 7 в цепи приемника 8 убывает во времени от начала периода повторения до его конца. При этом увеличивается по линейному закону чувствительность приемника для сигналов от удаленных от устройства объектов.With the rapid discharge of the storage capacitor 3, the resistance of the pulse avalanche diode 4 is restored. The high resistance of the limiter 7 and, accordingly, the low voltage at the input of the conductors 5 and 6 of the receiving-emitting element during the discharge of the storage capacitor 3 prevent the overload of the receiver 8 during radiation. The storage capacitor 3 starts charging again. The rise rate of the sawtooth current and the charge time constant of the storage capacitor determine the repetition period of the emitted pulses. The resistance of the limiter 7 in the circuit of the receiver 8 decreases in time from the beginning of the repetition period to its end. At the same time, the sensitivity of the receiver for signals from objects remote from the device increases linearly.

Приемо-излучательный элемент из двух близкорасположенных проводников представляет антенну с бегущей волной магнитного тока. Расстояние «d» между проводниками, их форма и длина «L» подбираются в зависимости от формы и пространственной длительности импульсного электромагнитного сигнала, обеспечивая его эффективное направленное излучение.The receiving and emitting element of two closely spaced conductors is an antenna with a traveling magnetic current wave. The distance "d" between the conductors, their shape and length "L" are selected depending on the shape and spatial duration of the pulsed electromagnetic signal, ensuring its effective directional radiation.

Реализация предлагаемого способа позволяет повысить КПД и коэффициент направленного действия антенны и оптимизировать энергетические затраты.Implementation of the proposed method allows to increase the efficiency and directional coefficient of the antenna and optimize energy costs.

Claims

1. A method of generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier, including the accumulation of the electric field potential by a storage capacitor, an avalanche discharge of a storage capacitor, the reception and emission of an electromagnetic wave by a receiving-emitting element, characterized in that the process of accumulating the electric field potential by a storage capacitor is performed simultaneously with the accumulation the potential of the electric field at the input of the receiver from current waves generated from impulses cos received electromagnetic waves at two spaced conductors priemoizluchatelnogo element and avalanche discharge the storage capacitor are performed simultaneously with the formation of the current waves in the same conductors forming the electromagnetic wave pulse radiated.

2. A device for implementing a method of generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier, comprising a sawtooth current pulse generator connected to a storage capacitor, an avalanche diode, a receiving-emitting element, a receiver, characterized in that the receiving-emitting element is made in the form of two spaced conductors shorted from one end, but from the input connected in series with the avalanche diode and the storage capacitor and, through a controlled limiter, parallel connected to the input of the receiver.

3. A device for implementing a method of generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier according to claim 2, characterized in that the conductors are shorted at the output.

4. A device for implementing a method of generating and receiving pulsed electromagnetic signals of ultrashort duration without a carrier according to claim 2, characterized in that the conductors are open at the output and shorted through the inductor at the input.