Применение нелинейной линии передачи для уменьшения длительности сверхкороткого импульсного сигнала

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет (ФГБОУ ВО ВГУ), Воронеж, Россия

Применение нелинейной линии передачи для уменьшения длительности сверхкороткого импульсного сигнала

А.М. Бобрешов, А.С. Жабин, А.А. Жидков, Г.К. Усков

Аннотация

В работе представлены результаты экспериментального исследования метода уменьшения длительности сверхкороткого импульсного сигнала с помощью нелинейной линий передачи. В результате эксперимента удалось уменьшить длительность формируемого сигнала с 550 пс до 475 пс.

Ключевые слова: нелинейная линия передач, сверхширокополосные сигналы, субнаносекундный импульс, генератор сверхкоротких импульсов.

Abstract

application of nonlinear transmission line for ultra-short pulse duration reduction

A. M. Bobreshov1, A. S. Zhabin1, A. A. Zhidkov1, G. K. Uskov1

1Voronezh State University (VSU), Voronezh, Russia

The results of the experimental research of the nonlinear transmission lines application for the ultra-short pulse duration reduction have been presented. The duration of the generated pulse signal was reduced from 550 ps to 475 ps.

Keywords: nonlinear transmission line, ultra-wideband signals, subnanosecond pulse, ultrashort pulse generator.

Введение

сверхкороткий импульсный сигнал радиолокация

Импульсная сверхширокополосная радиолокация используется для решения самых различных задач, таких как измерение пульса и дыхания человека [1], обнаружение скрытого под одеждой оружия [2] и определение диэлектрической проницаемости вещества [3]. Разрешающая способность радиолокационной системы определяется шириной полосы частот используемого сигнала, согласно выражению [4]:

, (1)

где c - скорость света, BW - ширина полосы частот сигнала. Одним из путей расширения спектра импульсного сигнала является уменьшение его длительности. Для решения этой задачи могут быть использованы нелинейные линии передач, (НЛП) (nonlinear transmission line, NLTL) [5, 6]. В качестве нелинейного элемента в НЛП зачастую используется варикап. Длительность переходных процессов, связанных с перераспределением электронов и дырок в полупроводниковой структуре варикапа, соизмерима с длительностью генерируемого СКИ. Поскольку изменение величины нелинейной емкости связано с динамикой носителей заряда, возникает вопрос о применимости НЛП для сокращения длительности импульсов субнаносекундной длительности.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию применения нелинейной линии передачи для уменьшения длительности субнаносекундных видеоимпульсов.

К выходу генератора сверхкоротких импульсов (СКИ) была подключена нелинейная линия передачи, что позволило понизить длительность выходного сигнала на 14%, с 550 пс до 475 пс. Также стоит отметить, что использование НЛП для формирования СКИ позволило уменьшить уровень звона выходного сигнала.

1. Нелинейная линия передач

Нелинейная линия передач представляет собой соединение LC цепочек, где индуктивность или емкость являются нелинейными элементами. Нелинейность обусловлена свойствами электронных компонентов, тогда как отрицательная дисперсия может возникать из-за структурной периодичности линии. В данной работе исследуется линия, состоящая из шунтирующей емкости, зависящей от напряжения, и последовательного элемента, который является коротким участком микрополосковой линии. Структура такой линии передачи изображена на рисунке 1.

Рис. 1 Нелинейная линия передач

Вольт-фарадная характеристика нелинейной емкости представлена на рисунке 2. При малых напряжениях смещения значение емкости C близко к значению C0 - емкости при напряжении смещения. С ростом обратного смещения емкость убывает по закону:

(2)

где Vj - встроенный потенциал, M - показатель, характеризующий величину градиента концентрации легирующей примеси в p-n-переходе.

Из рисунка 2 видно, что результирующая выходная емкость увеличивается при малом обратном напряжении смещения, что приводит к уменьшению наклона переднего и заднего фронтов у основания импульса. Пиковое значение напряжения генерируемого сигнала уменьшает результирующую емкость таким образом, что она не оказывает существенного влияния на форму выходного сигнала.

Скорость распространения сигнала в нелинейной линии передачи определяется соотношением:

, (3)

Рис. 2 Сверхкороткий импульс (слева) и вольт-фарадная характеристика (справа)

следовательно скорость зависит от величины напряжения смещения нелинейной емкости. Нарастание импульса приводит к уменьшению C(V) и возрастанию х.

В связи с этим имеет место сжатие сигнала во временной области. Таким образом, зависимость скорости распространения сигнала в НЛП от его величины лежит в основе предлагаемого способа уменьшения длительности формируемого СКИ.

2. Генерация сверхкороткого импульсного сигнала

Схема генератора сверхкоротких импульсов [7] представлена на рисунке 3. Рабочий цикл генератора состоит из трех стадий. Первая стадия начинается, когда запускающий импульс открывает транзистор VT и диод VD1 смещается в прямом направлении. При этом в полупроводниковой структуре диода происходит накопление носителей заряда. Начало второй стадии работы генератора соответствует закрытию транзистора VT. Диод VD1 смещается в обратном направлении, и имеет место экстракция носителей заряда из его активной области. Третья стадия рабочего цикла генератора начинается, когда весь накопленный заряд покидает активную область диода VD1. Высокое обратное сопротивление диода VD1 стремительно восстанавливается, и ток, текущий через индуктивность L, переключается в цепь нагрузки с формированием на ней импульса субнаносекундной длительности.

Рис. 3 Схема генератора сверхкоротких импульсов

Нормальным является режим работы варикапа, когда рабочая точка находится на отрицательной ветви вольт-фарадной характеристики. Во время второй стадии работы генератора выходная емкость С2 перезаряжается и напряжение на нагрузке становится отрицательным. В этом случае варикапы смещаются в прямом направлении. Во избежание этого было предложено установить диод Шоттки VD2 в цепь нагрузки. Таким образом, были обеспечены условия, при которых в течение всего рабочего цикла генератора к варикапам прикладывается только отрицательное напряжение смещения.

3. Постановка эксперимента

На рисунке 4 представлена блок-схема эксперимента. Генератор импульсов Agilent 81104A формировал сигнал запуска для генератора СКИ. Источником сверхкороткого импульсного сигнала выступал генератор на основе диода с накоплением заряда. Амплитуда и длительность формируемых импульсов составляла 34 В и 550 пс, соответственно. Осциллограммы сверхкоротких импульсов без использования нелинейной линии передачи и с её подключением к выходу генератора СКИ представлены на рисунке 5. Выходной сигнал генератора СКИ поступал на вход нелинейной линии передачи, состоящей из линейной индуктивности и нелинейной емкости. Выход НЛП был подключен к стробоскопическому осциллографу DCA-X86100D с полосой пропускания 20 ГГц.

Рис. 4 Блок-схема эксперимента

В данной работе рассматривались нелинейные линии передачи, состоящие из одного, двух и трех LC-звеньев. В качестве нелинейной емкости использовался варикап BB833. Роль линейных индуктивностей выполняли микрополосковые линии шириной 1,15 мм и длинами 5, 10 и 15 мм, выполненные на материале FR-4 толщиной 1 мм. Ширина полосков рассчитывалась для согласования с 50-омным входом осциллографа и выходом генератора.

4. Результаты эксперимента

Параметры формируемого импульсного сигнала на выходе однозвенной нелинейной линии передачи с длинной полоска 5, 10 и 15 мм представлены в таблице 1. С увеличение длины полоска наблюдается небольшое уменьшение амплитуды, связанное с затуханием сигнала в материале подложки микрополоска. Длительность регистрируемого импульсного сигнала определялась по уровню 0,5 от амплитуды. При увеличении длины полоска до 15 мм наблюдалось уменьшение длительности с 548 пс до 503 пс.

Параметры формируемого импульсного сигнала с использованием одно-, двух- и трехзвенной нелинейной линии передачи представлены в таблице 2. Применение трехзвенной НЛП позволило уменьшить длительность СКИ до 475 пс. При этом длительность фронтов увеличилась. Объясняется это тем, что при малых напряжениях смещения, т.е. у основания импульса, результирующая выходная емкость достигала значений 25 пФ. Таким образом, наклон переднего фронта и спада импульса уменьшался, а их длительность увеличивалась. Длительность фронтов формируемого сигнала измерялась по уровню 10% и 90% от значения амплитуды.

Рис. 5 Осциллограмма выходного сигнала с без использования нелинейной линии передачи и с её подключением к выходу генератора СКИ

Таблица 1 Параметры формируемого сигнала на выходе однозвенной НЛП с длинной полозка 5, 10 и 15 мм

Стоит заметить, что амплитуда СКИ практически не менялась (менее 1,5 В) при подключении нелинейной линии передач к выходу генератора. Емкость варикапа при его смещении до -34 В составляла менее 1 пФ, что пренебрежимо мало в сравнении с выходной емкостью генератора СКИ.

Стоит отметить, что применение НЛП для сжатия сверхкоротких импульсов позволило уменьшить уровень и повысить частоту побочных колебаний после генерации импульса. Как видно из осциллограмм на рисунке 5, после формирования СКИ на выходе генератора присутствуют высокочастотные колебания, с которыми можно бороться при помощи режекторного фильтра.

Таблица 2 Параметры формируемого сигнала на выходе одно-, двух- и трехзвенной НЛП

Заключение

Применение нелинейной линии передач является перспективным направлением для уменьшения длительности субнаносекундных видеоимпульсов. В результате экспериментального исследования удалось уменьшить длительность импульсного сигнала с 550 пс до 475 пс. Потери в амплитуде сигнала при этом составили менее 5% от максимума.

Благодарности

Работа выполнена в рамках грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-6872.2018.9).

Литература

1. I. Seflek, Y.E. Acar, E. Yaldiz. “An Overview of Developments in Bio-Radar Applications.” // 2018 CIEA International Conference on Innivative Engineering Applications, 20-22 Sep. 2018, С. 479-484.

2. A. D. Pitcher, J. J. McCombe, E. A. Eveleigh, N. K. Nikolova. “Compact Transmitter for Pulsed-Radar Detection of On-Body Concealed Weapons.” // 2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS, 10-15 June 2018, С. 919-922.

3. Y. Ahajjam, O. Aghzout, J. M. Catala-Civera, F. Penaranda-Foix, A. Driouach. An Advanced Electrical Properties Measurement Approach with a Designed Bi-Static Ultra-Wideband Impulse Radar Sensor. // Progress In Electromagnetics Research, 2018, Т. 75. - С. 167-178.

4. D. Oloumi, J.W. Ting, K. Rambabu. Design of Pulse Characteristics for Near-Field UWB-SAR Imaging. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, T. 64, №. 8, 2016.

5. M. S. Nikoo, S. M. A. Hashemi, F. Farzaneh, Theory of Terminated Nonlinear Transmission Lines. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Т 66, № 1. 2018.

6. K. G. Lyon, F. Yu, E. Ch. Kan, A UWB-IR Transmitter Using Frequency Conversion in Nonlinear Transmission Lines With 16 pJ/pulse Energy Consumption. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Т 58, № 12. 2010.

7. А.М. Бобрешов, В.А. Степкин, Ю.И. Китаев, Г.К. Усков. Генерация сверхкоротких импульсных сигналов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2011. - Т14. №3. - С. 103.

References

1. I. Seflek, Y.E. Acar, E. Yaldiz. “An Overview of Developments in Bio-Radar Applications.” // 2018 CIEA International Conference on Innivative Engineering Applications, 20-22 Sep. 2018, С. 479-484.

2. A. D. Pitcher, J. J. McCombe, E. A. Eveleigh, N. K. Nikolova. “Compact Transmitter for Pulsed-Radar Detection of On-Body Concealed Weapons.” // 2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS, 10-15 June 2018, С. 919-922.

3. Y. Ahajjam, O. Aghzout, J. M. Catala-Civera, F. Penaranda-Foix, A. Driouach. An Advanced Electrical Properties Measurement Approach with a Designed Bi-Static Ultra-Wideband Impulse Radar Sensor. // Progress In Electromagnetics Research, 2018, Т. 75. - С. 167-178.

4. D. Oloumi, J.W. Ting, K. Rambabu. Design of Pulse Characteristics for Near-Field UWB-SAR Imaging. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, T. 64, №. 8, 2016.

5. M. S. Nikoo, S. M. A. Hashemi, F. Farzaneh, Theory of Terminated Nonlinear Transmission Lines. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Т 66, № 1. 2018.

6. K. G. Lyon, F. Yu, E. Ch. Kan, A UWB-IR Transmitter Using Frequency Conversion in Nonlinear Transmission Lines With 16 pJ/pulse Energy Consumption. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Т 58, № 12. 2010.

7. A.M. Bobreshov, Y.I. Kitaev, V.A. Stepkin, G.K. Uskov. Ultra-short pulse generation // Physics of wave processes and radiotechnical systems. - 2011. - Т14. №3. - С. 103.

Размещено на Allbest.ru