Генератор мощных сверхширокополосных радиоимпульсов

(51 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институтядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова(54) ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ РАДИОИМПУПЬСОВ(57) Использование; изобретение относитсяк формированию мощных радиочастотныхимпульсов наносекундной длительности и может быть использовано в радиолокации. Сущность изобретения: в генераторе мощных сверхширокополосных импульсов, содержащем формирующую коаксиальную линию 4 с разрядными промежутками 2 и 5, выполненными в ее центральном проводнике, для повышения мощности выходного радиоимпульса выходная антенна выполнена дипольной, ее вибраторы 7 и 8 лежат в одной плоскости и один из них подключен к центральному проводнику, а другой - к внешнему проводнику линии 4, Приведены соотношения для выбора места подключения вибраторов 7 и 8 и размещения разрядного промежутка 5, 3 ил.Изобретение относится к области преОбразования электрической энергии постояннага тока в импульсную в высокочастотном диапазоне спектра, а именно к формировани 1 о мощных радиочастотных импульсов наносекундной длительности (сверхширакополосных импульсов), и мажет быть использовано в радиолокации, научном эксперименте. Мощные радиоимпульсы необходимы для дальней космической связи, дистанционного зондирования . падстила 1 ощей поверхности в геологии, поиска скрытых обьектов, а также в ряде других областей науки и техники.Сверхширокапалосные (СШП) импульсы представля 1 ат собой радиосигналы, ширина спектра катарь 1 х Ь 1 соизмерима с их спедней 1 лстатай 1,(Ю/1 о = 1). ЭтОт класс сигналов позволяет на баг 1 ее высоком уров 11 е решать задачи Обнарукения и распознавац 1 ля целей, построения их радиолокационных изображений и т,д, При этом важну 1 О роль играет не только большая абсолютная ширина спектра СШП сигнала, достигаю цая единиц гигагерц, но и ега значител ьная атн Осител ьная щи рокополосность (Л И 0) (смнапример, Л.Ю,Астанин, А,А,КостылевОсновы сверхширакаполасных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989, с. 192), Фактически речь идет о сигналах, состоящих из одного или нескольких периодов колебания высокой частоты,Известен радиочастотный генератор(см, Пате 11 т США, Я. 4104558, опубл, 1978), содержащий высоковольтный источник питания и коаксиальный полуоткрытый резонатор с разрядным промежутком.Разрядный промежуток образован центральным проводником резонатора, представляющим собой стержень длиной Х/4 ( Я - рабочая длина волны резонатора) и электродам, выполненным на внутренней .поверхности торцовой стенки резонатора, При пробое разрядного промежутка в резонаторе возникают высокочастотные колебания, Вывод энергии осуществляется посредством петли связи в боковой поверхности резонатора. Хотя в коаксиальном резонаторе проще осуществлять селекцию колебаний по сравнению с валноводным (в коаксиальном резонаторе типы колебаний "расставлены" более редко), на и генератор с кааксиальным резонатором не лишен недостатков. К ним относится низкий КПД, связанный с возбуждением низкочастотных колебаний, наряду с рабочими высокочастотными (ВЧ) колебаниями. Поскольку коаксиальный резонатор работает на ТЕМ5 10 15 20 25 30 35 4045 50 55 типе колебаний без граничных частот, то низкочастотные колебания, обусловленные взаимодействием емкости резонатора и индуктивности штыря, будут всегда существовать и их практически нельзя устранить, например, посредством уменьшения емкости резонатора, т.к. последнее повлечет за собой утечку энергии колебаний резонатора. Перераспределение энергии между "паразитными" низкочастотными колебаниями и рабочими ВЧ-колебаниями приводит к снижению КПД, уровня выходной мощности устройства и стабильности генерируемых колебаний,Известен радиочастотный генератор на основе формирующей линии коаксиального типа с секцианированным центральным проводником (смнапример, Патент США М.3484619, опубл. 1969), в котором запасенная энергия постоянного тока без промежуточных этапов преобразуется в радиочастотный импульс, Данное устройства, взятое нами за прототип, содержит первичный накопитель электрической энергии, входную кааксиальную линию, формирующую коаксиальную линию, устройство вывода. Входная линия выполнена заодно с формирующей коаксиальнай линией, имеющей секцианированный внутренний проводник,К входной линии через разрядный промежуток подключен первичный накопитель энергии и со стороны боковой поверхности линии подключено устройство вывода получаемых радиаимпульсав, выполненное в виде коаксиального излучателя. Каждая секция внутреннего проводника формирующей линии поддерживается изолирующими шайбами из материала, характеризующегося малым уровнем потерь на СВЧ и соединена с внешним проводником коаксиальной формирующей линии высокоамным резисторам для стекания остаточного заряда линии, препятствующего достижению высокой частоты повторения импульсов. Секции внутреннего проводника формирующей линии отделены друг от друга разрядными промежутками с воздухом в качестве самовосстанавливающегося диэлектрического материала,Устройство-прототип работает следующим образом, От первичного накопителя энергии заряжается входная линия, в которой формируется бегущая волна напряжения.Эта волна, назовем ее исходной, распространяется по формирующей линии. Энергия, запасенная в бегущей волне, дробится путем последовательных отражений от разрядных промежутков и их поачеред 17789095 10 15 20 25 30 8 - второй виоратор дипольной антен 40 ны; 45 50 55 ном срабатывании. При этом формируются серии с количеством импульсов, равным числу разрядных промежутков, При соответствующем выборе длин секций и времени пробоя разрядных промежутков можно добиться формирования импульсов симметричной формы так, что серии будут представлять собой радиоимпульсы с несинусоидальной несущей, которая может составлять сотни мегагерц и единицы гигагерц(см., например, Хармут Х, Радиолокатор с синтезированной апертурой и несинусоидальной несущей. Экспресс-информация РСВЧ, 1981, М 5, с. 10), Длительность каждого импульса в серии определяется временем развития разряда каждого разрядного промежутка. Так, при времени разряда 0,6 нс с помощью устройства-прототипа получены радио- импульсы длительностью 6,4 нс с несущей частотой 1 о = 600 МГц и пиковой мощностью Р =-100 кВт,Однако устройство-прототип имеет ограничение по пиковой мощности выходного радиоимпульса. Это ограничение, с одной стороны, обьясняется низкой стабильностью генерируемых колебаний из-за разброса времени срабатывания разрядных промекутков или практического отсутствия их синхронизации, поскольку пробой разрядных промекутков в устройстве-прототипе является по своей сути самопробоем, При этом время развития разряда на каждом из промежутков зависит от целого набора параметров как собственно 3 промекутка, так и электродов, ограничивающих промежуток, В силу этого будет иметь место временная нестабильность в срабатывании каждого разрядника, сравнимая с длительностью периода колебаний, составляющего десятые 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 форми- . рующей линии выполнить одной коротко- замкнутой секцией, оставив один разрядный промекуток.Целью изобретения является повышение пиковой мощности выходного сверхширокополосного радиоимпульса.Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем, как и прототип, отрезок формирующей коаксиальнай линии, заполненной самовосстанавливающейся диэлектрической средой, которая подключена одним концом к накопителю энергии, а другой ее конец короткозамкнут,и в которую включены первый и второй в направлении от накопителя разрядные промежутки, выполненные в центральном проводнике, и выходную антенну, подключенную к формирующей коаксиальной линии перпендикулярно ее продольной оси, в отличие от прототипа выходная 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 расстоянии 11с ьи /2 от второго разрядного промежутка. а длина 12 секции от второго разрядного промежутка до короткозамкнутого конца формирующей коаксиальной линии выбрана из условия 12с т, /4, где с - скорость света; ти - длительность исходного импульса накопителя электрической энергии,Конструкция предлагаемого устройства представлена фиг.1, где обозначено:1 - первичный накопитель электрической энергии;2 - развязывающий разрядный промежуток: 3 - входная коаксиальная линия; 4 - формирующая коаксиальная линия; 5 - рабочий разрядный промежуток; 6 - секция внутреннего проводникаформирующей линии; 7 - первый вибратор дипольной антенны; 9 - диэлектрическая шайба,На фиг. 2 приведена принципиальная схема устройства в тех же обозначениях, что и на фиг, 1, Дополнительно указана позиция 10, которой обозначен высокоомный резистор и накопитель энергии представлен в виде емкости С и резисторов Я 1 и Я 2,На фиг, 3 показана диаграмма, примерно отображающая процесс формирования импульсов в формирующей линии 4.Предлагаемый генератор состоит из первичного накопителя электрической энергии 1, входной коаксиальной линии 3, формирующей коаксиальной линии 4 устройства вывода 7, 8. Накопитель энергии представляет собой, например, конденсатор С, соединенный с источником постоянногонапряжения через токоограничивающий резистор В, а черезиТпр 30 35 40 45 50 55 демпфиру 1 ощий резистор В 2, развязывающий разрядный промежуток 2 - с входной коаксиальной линией 3, Секция 6 формирукщей линии 4 и внутренний проводник входной л 1 лнии 3 поддерживаются посредсгвом диэлектрических шайб 9. Секция 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 следу 1 ощим образом,Импульс с напряжения от первичного накопителя э 11 ергии 1 через разделительный разрядный промежуок 2 подается во зходну 1 о лини 1 О 3, збряжая ее до напрякения 11. Г 1 ои длительности входного импульса гпГ, ГДе Г - эле 1;три 1 ескаЯ Длина вхОДной линии, послед 11 ЯЯ работает так же, как и 11 а постОЯнном токе. В исхОДном сОстОЯ- нии разряднь 1 Й промежуток 5,разомкнут, Распросграня 1 эщи 1 Йс 1 по входной линии исходный импульс 11 (фиг.3 А) длительностью ти и змпл 1 л удой О подходит к разомкнуто му разрядному промектку 5 и отражается высоким импедансом этого промежутка в. разомкнутом состоянии, Если исходный импульс имеет свехпооблвну 1 о амплитуду по О п 1 ошени;о к разрядному промежутку 5, то последний резко пробьется и импеданс в этом сечеьяли формирующей линии станет бЛИЗКИМ ВОЛ 1 ГОВОМу 1 лМПЕдаНСу Е ЛИНИИ, ЭтО обеспечит крутое переходное затухание отраженной ранее от промежутка 5 части исходного импульса, завеошающее процесс отражения. Далее эта отраженная часть исходного (падаощего) импульса уже в влде Отдельного короткого импульса 12 (фиг, 3 Б.С) будет распространяться по формирующей линли 4 к ее началу, Исходный импульс 11, пройдя замкнутый промежуток 5, начинает распространяться по участку формирующеи линии за промежутком 5 и заряжает этот участок, Дойдя до короткозамкнутого конца формирующей линии 4, исходный импульс 11 за вычетом первоначально отразлвшейся от промежутка 5 части, отразится теперь уже от короткозамкнутого конца формирующей линии 4 с изменением фазы и в виде импульса фиг, 3 Д) будет распространяться к началу формирующей линии 4. Поскольку к этому моменту времени разрядный промежуток 5 еще не восстановился до исходного состояния, импульс 13 пройдет через него и вслед за импульсом 12 с задержной на время Т 1 поступит на дипольную антенну 7, 8, Таким образом устройство бу 5 10 15 20 дет излучаться импульс длительностью в один квазипериод колебания.Для нормальной работы устройства неОбходимо, чтобы выполнялось соотношение где г - длительность исходного импульса 11 (фиг,З А);Тпр - время развития пробоя промежутка, равное длительности отраженного импульса 12 (фиг,З В).Если время развития пробоя на промежутке Тпр будет равно двойному времени прохождения исходного импульса 11 по секции 6 формирующей линии, то в последней будет формироваться импульс напряжения в виде симметричной знакопеременной функции. Этот импульс как и классический радиоимпульс может излучаться и распространяться в свободном пространстве.Поскольку квазипериод получаемого колебания будет определяться длиной секции 6 формирующей линии, выбираем ее длину с учетом воздушного заполнения линии из соотношения 1с тлl4, (2) где с - скорость света; т, - длительность исходного импульса первичного накопителя электрической энергии,В процессе формирования выходного сверхширокополосного сигнала отраженный от разрядного промежутка импульс уменьшаетдлительность исходного импульса на величину, равную своей длительности, При выполнении условия (2) формируется биполярный импульс с интервалом между его положительной и отрицательной частями, равным длительности каждой из них, при этом длительность первой из частей импульса определяется временем развития разряда (пробоя) разрядного промежутка, длительность второй части определяется разницей между длительностями исходного и отраженного от промежутка импульсов, а интервал между частями импульса равен двойной электрической длине 6, Именно для обеспечения возможности формирования импульса заданной формы и выбирается длина секции 6, связанная с длительностью исходного импульса соотношением (2),Время развития разряда на промежутке может быть доведено до величины 1,0.0,3 нс, а это означает, что такую ке длительность будут иметь импульсы, составляющие сигнал, сформированный предлокенным устройством. Времена такого порядка соот 1778909 105 10 20 2 г 30 12с ти/2 3) ветствуют периоду высокочастотных колебаний с частоой 1,03,0 ГГц, т.е. с помощью предложенного устройства можно получить сигнал в один квазипериод колебания. который по своему составу относится к классу сверхширокополосных радиоимпульсов смнапример, Л,Ю.Астанин, А,А. Костылев. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - Ы,; Радио и связь, 1989, 192 с), С другой стороны, длительность таких сигналов и спектральный состав позволяют считать их и практически использовать как радиоимпульсы с так называемой несинусоидальной несущей (смнапример, Х.Ф,Хармут, Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. Пер, с англ. М,; Радио и связь, 1985, с.376), Поскольку при формиршзании сверх- широкополосного импульса возможно его искажение за счет, например, интерференции исходного и отраженного ил,пульсов, распространяющихся по линии, необходимо определеннос расположение дипольной антенны по отношению к разрядному промекутку, В процессе рассмотрения динамики формирования сверхширокополосного импульса определено, что дипольную антенну необходимо располагать от разрядного промекутка на расстоянии, определяемом соотношением Здесь как и ранее с - скорость света; ивдлительность исходного импульса, За время, необходимое электромагнитной волнена преодоление расстояния в оба конца,закончатся все "переходные" процессы и кдипольной антенне поступит сформированныи "чистый" импульс заданной формы(фиг, 3 Д),Импульсную мощность сформированного радиоимпульса мокно найти из соотношения (см. патент США М 3434619, опубл,1969): Римп = 10 О Вт, (4)где О - амплитуда исходного импульса, В. Если предположить, что фоомирующая линия сможет без пробоя выдержать напряжение 1000 кВ, то теоретическая оценка мощности, достикимой с помощью предлокенного устройства, составляет 1 ГВт.Выполнение рабочей секции формирующей линии длиной 11, связанной соотношением (2) с длительностью исходного импульса, позволило упростить устройство и повысить пиковую мощность выходного 35 40 45 50 55 радиоимпульса, т.е. повысить выходну 1 о мощность генератора. Выполнение этой же секции с закороткой на одном из концов обеспечивает формирование радиоимпульса длительностью в один период колебаний наиболее простыми средствами без введения дополнительных устройств. Дипольная 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 используется жесткая коаксиальная линия из латуни с внутиренним диаметром внешнего проводника 01 = 50 мм и внутренним проводником диаметром О 2 = 10 мм, Волновое сопротивление линии при этом 7. =. 100 Ом, Внугренний проводник фиксируется с помощью диэлектрических шайб, выполненных из фторопласта,В качестве первичного накопителя электрической энергии используется конденсатор С емкостью 100 пФ, подключенный через демпфирующий резистор Б =- 2 кОм к входной линии 3 и через токоограничивающий рЕЗиСтОр Й 1 = 10 Ом - к иоточнику постоянного напряжения 1) - . 30 кБ, Разрядный промежуток 5 формиру.ащей линии 1 образован концомвнутреннего проводника входной линии 3 и концом секции 6. Исходя из предлагаемой несущей частоты формируемого сверхширокополосного радиоимпульса, длина секции 6 формирующей линии выбрана длиной 11= 10 см, Взаимным геремещением секций - электродов регулируется длина оазрядного промежутка, Для этого в средней час 1 и секции 6 и в диэлектрической шайбе 9 выполнены резьбы,В качестве самовосстанавливающейся диэлектрической среды используетсч воздух при нормальном атмосферном давлении,Устройство вывода представляет собой дипольную антенну, рассчитанную на излучение колебаний с длиной волны Л. 50 см, При этом каждый из вибраторов выбран равным 12,5 см, Резистор 1 выбирается величиной 1 МОм и служит для стекания остаточного заряда формирующей линии на земл,о в паузах между импульсами. Гри соответствующем выборе длины разрядного промежутка с учетом вышеперечисленных параметров с помощью прьдлагаемого устройства ожидается получить радиоимпульсы с квазипериодом Т 1 = 1,6 нс с несув 1 ей частотой то = 600 МГц и пиковой мощностью 100. 1000 к Вт, 1778909 12В устройстве-прототипе, содержащемнесколько разрядных промежутков, моментих пробоя определяется разбросом статистического времени запаздывания разряда.Поскольку имеется нестабильность запуска 5разрядников в пределах 1 нсСм (например.Г,А.Месяц, Генерирование мощных наносекундных импульсов, М,: Советское радио,1974, с, 88-89), то будет иметь место временная нестабильность генерируемых устройством-прототипом колебаний.Что касается предложенного устройства, то, поскольку оно формирует единичныйимпульс, имеющая место временная нестабильность не играет большой роли для прак.тики, Влияние нестабильности (привязкиначальной фазы колебания) может, однако,црочви 1 ьс 1 г 1 ри г 1 ереводе устргэйства в периодический режим работы,Исходя из г 1 еги 1 и 1 зарядного 1 г 1 црякения устройства-г 1 ро 1 отица и мощности выхОДнОГО радиоимпульсй, КПД составляет50 О, Однако в прототипе формирующая, лини 1 ВьПолнена с соглс 1 су 1 ощим соцро гивлением на конце, поэтому часть запасенной в 25исхОдной вОлне импульсе) энерГии, Оставшейся после завершения процесса формирования пачки (серии) импульсов,рассеиваетсч в согласующем сопротивлении, т,е. безвозвратно теряется, В предложенном же генераторе согласующеесопротивление Отсутствует, а это означает,что уменьшается доля безвозвратных потерь энергии,Кроме того, в устройстве-прототипе 35сформированный импульс с несинусоидальной несуЦей имеет амплитуду, практическиравную амплитуде исходной волны напряжения. 3 предложенном же устройстве размах импульса в 2 раза больше, .тж, линич 40 работает в режиме КЗ с изменением полярности падающего (исходного) импульса, Отсюда возрастает пиковая мощность сформированного сверхширокополосного радиоим пульса,Формула изобретенияГенератор мощных сверхширокополосных радиоимпульсов, содержащий отрезок формирующей коаксиальной линии, заполненной самовосстанавливающейся диэлектрической средой, которая подкл 1 очена одним концом к накопителю электрической энергии, а другой ее конец короткозамкнут и в которую включены первый и второй в направлении от накопителя разрядные промежутки, выполненные в центральном проводнике, и выходную антенну, подключенную к формирующей коаксиальной линии перпендикулярно к ее продольной оси, о.т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения пиковой мощности выходкого радиоимпульса, выходная 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 расстояниис гг1 , ог второго разрядного промежутка, а длина 2 секции от второго разрядного промежутка до короткозамкнутого конца фоомирующей коаксиальной линии выбрас ,на из условия 24, Где с- скорость света, т 1 - длительность исходного импульса накопителя электрической энергии,1778909 Составитель С.НовикТехред М.Моргентал орректор З,Салко Редактор Гагарина, 10 Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г, Ужго каэ 4201 Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5