Сложение сверхкоротких импульсов с помощью сумматора конструкции Уилкинсона

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ВГУ»), г. Воронеж, Россия

Сложение сверхкоротких импульсов с помощью сумматора конструкции Уилкинсона

А.М. Бобрешов, А.Е. Елфимов, Г.К. Усков, А.С. Жабин

Аннотация

В работе исследуется возможность увеличения амплитуды сверхкоротких импульсов и формирования биполярного импульса методом сложения сигналов, формируемых несколькими генераторами c использованием кольцевого сумматора конструкции Уилконсона.

Ключевые слова: СШП сигналы, сверхкороткие импульсы, СВЧ, сложение импульсов, биполярный импульс, моноцикл Гаусса.

амплитуда сверхкороткий импульс генератор

Abstract

Addition of ULTRA-SHORT PULSES by Wilkinson Power combiner

A. M. Bobreshov1, А. Е. Elfinov1, G. K. Uskov1, A. S. Zhabin1

1Voronezh State University (VSU), Voronezh, Russia

The possibility of increasing the amplitude of ultra-short pulses and the formation of a bipolar pulse by adding signals from several generators in the Wilkinson ring power combiner has been investigated.

Keywords: UWB signals, ultrashort pulses, microwave, pulse addition, bipolar pulse, Gauss monocycle.

Введение

Импульсная радиолокация находит применение в самых различных областях науки и техники, например, в системах связи для IoT (Internet of Things) и локации объектов через преграды [1]. В последнее время для решения различных задач было предложено использовать последовательности сверхкоротких импульсов и сигналы субнаносекундной длительности сложной формы [2]. Для практической реализации результатов данных исследований необходимо формировать такие сигналы. Кроме этого, дальность действия импульсной радиосистемы напрямую зависит от мощности излучаемого сигнала. Исходя из этого, возникает задача повышения амплитуды формируемого импульса.

Одним из путей решения данных задач является использование сумматоров сигналов. Несмотря на кажущуюся простоту, проектирование сумматоров для сверхкоротких импульсов является сложной задачей, так как ширина спектра используемых сигналов имеет порядок нескольких гигагерц. При прямом подключении нескольких генераторов сверхкоротких импульсов (СКИ), реализованных по схеме работы [3], к общей нагрузке имеет место их влияние на работу друг друга [6] и, искажение формируемого импульса. В конечном итоге увеличение амплитуды не происходит, что было показано как экспериментально, так и при помощи моделирования.

В настоящей работе представлен сумматор на основе кольцевой конструкции Уилкинсона [4, 5]. Экспериментально удалось добиться увеличения амплитуды формируемого импульса при помощи сложения СКИ, сформированных несколькими генераторами [1]. Кроме того, подавая на входы сумматора сверхкороткие импульсы положительной и отрицательной полярности с задержкой во временной области относительно друг друга, на выходе был получен биполярный импульсный сигнал.

1. Модель сумматора

Схематичный внешний вид кольцевого сумматора представлен на рисунке 1. Он обладает двумя входами (2 и 3 в обозначениях рисунка 1) и одним выходом (1 в обозначениях рисунка 1). Для развязки между входами устройства используется балластный резистор R. Рабочие частоты сумматора определяются геометрическими размерами полосков в кольце и конкретными значениями входных и выходного сопротивлений.

Рис. 1 Кольцевой сумматор

Для расширения полосы сумматора была выполнена оптимизация его геометрических размеров (радиус кольца, ширина и длина полосков). Для импульса с длительность 0,5 нс, спектр по уровню -20 дБ сосредоточен в полосе частот от 0,5 до 5 ГГц. Исходя из этого при оптимизации были определены параметры кольцевого сумматора для которых S12 принадлежало от -3 дБ до -4 дБ, S23 и S22 было меньше -10 дБ в полосе от 0,5 ГГц до 5 ГГц. Рассчитанные S-параметры кольцевого сумматора, представлены на рисунке 2.

Рис. 2 S-параметры кольцевого сумматора

2. Результаты эксперимента

Для подтверждения результатов моделирования было проведено экспериментальное исследование работы кольцевого сумматора. Печатная плата сумматора изготовлена из материала FR4 толщиной 0,8 мм (рисунок 3). Ширина полосков кольца сумматора составила 0,7 мм при радиусе 5 мм.

Рис. 3 Реализация сумматора конструкции Уилкоясона на микрополосках

Входы сумматора подключались к выходам генераторов СКИ [3]. Напряжение на выходе сумматора регистрировалось стробоскопическим осциллографом DCA-X 86100D с входным сопротивлением 50 Ом и полосой пропускания 20 ГГц. Осциллограммы сигналов на входах и выходе сумматора представлены на рисунке 4. Амплитуда импульса, подаваемого с генераторов на оба входа сумматора, равнялась 31,3 В. Длительность регистрируемого импульсного сигнала определялась относительно уровня 0,5 амплитуды и составила 300 пс. В результате, при использовании сумматора удалось увеличить амплитуду формируемого сигнала до 37 В (рисунок 4). При этом форма и длительность импульса остались без изменения. Таким образом, складывая сигналы с выходов двух генераторов возможно сформировать СКИ с амплитудой на 18,2% больше, по сравнению с единичным импульсом. При прямом подключении выходов генераторов к общей нагрузке, длительность СКИ увеличивается и отсутствует рост амплитуды.

Рис. 4 Осциллограммы импульсного сигнала на входе (справа) и выходе (слева) сумматора

3. Формирование биполярного импульса

При подключении ко входам сумматора импульсов разной полярности и смещенных во времени относительно друг друга возможно формирование биполярного импульса. Использованные для этого в эксперименте СКИ представлены на рисунке 4. Их амплитуды составляли ±30 В при длительности по полувысоте (как положительного, так и отрицательного) 300 пс. В результате суммирования СКИ различной полярности на выходе формировался биполярный импульс (рисунок 5) размах которого
составил 33,1 В.

Рис. 5 Импульсы на входе кольцевого сумматора

Рис. 6 Биполярный импульс, полученный на выходе сумматора.

Заключение

В работе исследована возможность увеличения амплитуды сверхкоротких импульсов и формирования биполярного импульса методом сложения сигналов, формируемых несколькими генераторами. С использованием разработанного кольцевого сумматора конструкции Уилконсона и двух идентичных формирователей СКИ удалось повысить амплитуду формируемого сигнала в 1,18 раза. Длительность и форма импульсов при этом соответствуют сигналу, формируемому одиночным генератором. Также в работе продемонстрирована возможность формирования биполярных импульсов методом суммирования сигналов.

Благодарности

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

Литература

1. Дмитриев В. Технология передачи информации с использованием сверхширокополосных сигналов (UWB). Часть 2. / В. Дмитриев // Компоненты и технологии - 2004. - №1. - С. 1-4.

2. Cam Nguyen, Meng Miao, Design of CMOS RFIC Ultra-Wideband Impulse Transmitters and Receivers. Springer International Publishing AG, 2017. -- 118 p.

3. A. M. Bobreshov, Novel Tunable Ultrashort Pulse Generator With High Amplitude and Low Ringing Level / A. M. Bobreshov, A. S. Zhabin, V. A. Stepkin, G. K. Uskov // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - Nov. 2017. Vol 27. - P. 1013-1015.

4. Молорацкий Л. Г., Явич Л. Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. Москва : Советское радио, 1972. - 232 с.

5. Веселов Г. И., Егоров Е. Н., Алехин Ю. Н., Воронина Г. Г., Романюк В. А., Разевиг В. Д., Чаплин А. Ф., Шеремет М. В., Микроэлектронные устройства СВЧ. Москва : Высшая школа, 1988. - 280 с.

6. Protiva P. High power monocycle pulse generator for through-the-wall radar transmitter / Pavel Protiva, Jan Mrkvica, Jan Machбc // Asia Pacific Microwave Conference. - 7-10 Dec. 2009.

References

1. Dmitriev V. Technology of information transfer using ultra-wideband signals (UWB). Part 2. / V. Dmitriev // Components and technologies - 2004. - №1. - p. 1-4.Ivanov, A. B., Peter, B. V., Estimation of signals parameters against the background noise. M.: Radio, 1986. - 264 p.

2. Cam Nguyen, Meng Miao, Design of CMOS RFIC Ultra-Wideband Impulse Transmitters and Receivers. Springer International Publishing AG, 2017. -- 118 p.

3. A. M. Bobreshov, Novel Tunable Ultrashort Pulse Generator With High Amplitude and Low Ringing Level / A. M. Bobreshov, A. S. Zhabin, V. A. Stepkin, G. K. Uskov // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - Nov. 2017. Vol 27. - P. 1013-1015.

4. Moloratsky L. G., Yavich L. R. Design and calculation of microwave elements on strip lines. Moscow: Soviet Radio, 1972. - 232 p.

5. Veselov G. I., Egorov E. N., Alekhin Yu. N., Voronina G. G., Romanyuk V. A., Razevig V. D., Chaplin A. F., Sheremet M. V., Microelectronic devices microwave. Moscow: High School, 1988. - 280 p.

6. Protiva P. High power monocycle pulse generator for through-the-wall radar transmitter / Pavel Protiva, Jan Mrkvica, Jan Machбc // Asia Pacific Microwave Conference. - 7-10 Dec. 2009.

Размещено на Allbest.ru