формирователь наносекундных импульсов

Формула изобретения

ФОРМИРОВАТЕЛЬ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий управляемый ключ тока со схемой управления, соединенный последовательно с дросселем, источником питания и первичной обмоткой насыщающегося трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с конденсатором и первым диодом с накоплением заряда, содержащий также второй диод с накоплением заряда и резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения вторичной обмотки с конденсатором, отличающийся тем, что, с целью получения двуполярного импульса с формой, близкой к синусоидальной, введены третий диод и короткозамкнутый шлейф, представляющий собой, например, отрезок коаксиального кабеля, жила и оплетка которого соединены на одном конце, причем второй и третий диоды включены последовательно между точкой соединения вторичной обмотки с первым диодом и одной клеммой выхода, общая точка первого диода и конденсатора соединена с другой клеммой выхода, второй вывод резистора соединен с точкой соединения второго и третьего диодов, разомкнутые концы шлейфа подключены к клеммам выхода, при этом второй и третий диоды соединены разнополярными электродами, а первый и второй диоды - однополярными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радио и акустолокации, где требуются импульсы с формой, близкой к одному периоду синусоиды.

Известен формирователь, содержащий управляемый ключ тока со схемой управления, соединенный последовательно с дросселем, источником питания и первичной обмоткой насыщающегося трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с конденсатором и диодом с накоплением заряда (ДНЗ) или же дрейфовым диодом с резким восстановлением запирающих свойств (ДДРВ), а нагрузка подключена параллельно диоду. Выходной импульс формирователя имеет типичное значение фронта 1-10 нс, а длительность спада в оптимальном режиме в несколько раз больше длительности фронта [1].

Используя два таких формирователя с разными полярностями выходных импульсов, введя задержку, равную длительности импульса по основанию в один из формирователей, и, объединив каким-либо образом выходы, например, через согласованный тройник, можно получить двуполярный импульс. Основным недостатком такого устройства является далекая от синусоидальной форма импульса вследствие разных длительностей фронта и спада первичных импульсов.

Известна схема формирователя с одинаковой длительностью фронта и спада [2] , в который по сравнению с [1] введены дополнительный диод, обеспечивающий быстрый спад импульса, и RC-цепь его запитки. На основе формирователя описанным выше образом может быть создан формирователь двуполярного импульса. Недостатками такого устройства (они же относятся и к пре-дыдущему аналогу) являются удвоение оборудования и необходимость стабильной задержки между импульсами запуска и к выходными импульсами в каждом первичном формирователе. Форма выходного импульса такого устройства ближе к синусоидальной, но все же отличается от нее за счет того, что реальные импульсы формирователей [1] и [2] неизбежно имеют относительно немедленные части фронта и спада с длительностью, превышающей в несколько раз полуширину импульса и уровнем в единицы - десятки процентов от амплитуды импульса.

Медленная составляющая фронта возникает из-за падения напряжения на диоде на стадии протекания через него обратного тока до момента формирования крутого фронта. Медленная составляющая спада для устройства [2] может иметь разный знак и связана как с наличием в схеме конденсаторов между диодами и выходом, так и с наличием собственной емкости второго диода. Наличие медленных составляющих в первичных импульсах приводит либо к разной амплитуде положительной и отрицательной частей двуполярного импульса, либо к необходимости их временного разноса, т.е. к увеличению длительности импульса.

Целью изобретения является получение двуполярного импульса с формой, близкой к синусоидальной.

Это достигается тем, что к формирователю наносекундных импульсов, создающему первичный импульс и содержащему управляемый ключ тока со схемой управления, соединенный последовательно с дросселем, источником питания и первичной обмоткой насыщающегося трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с конденсатором и диодом с накоплением заряда (ДНЗ) или дрейфовым диодом с резким восстановлением (ДДРВ), а также содержащему второй диод также ДНЗ или ДДРВ, формирующий спад импульса и резистор, обеспечивающий его запитку прямым током от конденсатора, добавлены третий диод, включенный в обратном направлении по отношению к полярности первичного импульса и обеспечивающий отсечку медленных составляющих первичного импульса на уровне своего лавинного напряжения, и короткозамкнутый шлейф, формирующий противоположную полярность импульса.

На фиг. 1 изображена схема формирователя; на фиг. 2 и 3 - временная диаграмма работы с момента замыкания ключа.

Формирователь (фиг. 1) содержит источник 1 питания, насыщающийся трансформатор (Тр) 2, дроссель 3, ключ 4 со схемой управления, конденсатор (С) 5, резистор (R) 8, первый 6, второй 7 и третий 9 диоды D1, D2, D3, короткозамкнутый шлейф 10, выход 11. Полярности диодов могут быть обратны показанным, при этом сменяется полярность полуволн выходного импульса. Обмотки Тр сфазированы так, чтобы после открывания ключа через диоды D1 и D2 пошел прямой ток.

На фиг. 2 и 3 показаны 1 - напряжение на С, 2 - ток D1, 3 - ток D2, 4 - напряжение на D1 (первичный импульс), 5 - напряжение в точке соединения D2 и D3 в отсутствии шлейфа, 6 - напряжение на выходе в отсутствии шлейфа, 7 - напряжение на выходе при наличии шлейфа. Для удобства восприятия масштаб на фиг. 3 (в области формирования выходного импульса) растянут. Масштабы времени показаны для одной из конкретных реализаций. Моменты времени t₁ - замыкание ключа, t₂ - замагничение Тр и переполюсовка тока D1, t₃ - начало закрывания D1, t₄ - амплитуда первой полуволны выходного импульса. Полярности напряжений показаны относительно общей шины (Земли) выхода. Положительными показаны прямые токи D1 и D2.

Формирователь работает следующим образом.

После замыкания ключа С заряжается прямым током D1. По достижении максимального напряжения на С трансформатор замагничивается и разряд С идет в основном через вторичную обмотку замагниченного Тр. Ключ на этапе t₃ - t₄ закрывается. Ток D1 пропорционален производной напряжения на С, в конце разряда С достигается равенство прошедших через D1 в прямом и обратном направлениях зарядов, и D1 закрывается за время в единицы - доли наносекунд. D1 разрывает текущий через него обратный ток и на нем формируется первичный импульс. Прямой ток D2 обеспечивается резистором R и пропорционален напряжению на С. D2, как и D1 запирается при равенстве прошедших в прямом и обратном направлениях зарядов и тем самым обеспечивает спад импульса, т.е. в зависимости от выбора R начало спада может происходить сразу же после прохождения фронта первичного импульса либо несколько ранее или позднее. Таким образом выбор R совместно с выбором типов диодов и других параметров схемы позволяет установить равные длительности фронта и спада импульса в общей точке D2 и D3 и варьировать его полуширину.

Заряд, проходящий через D2, много меньше заряда, проходящего через D1, поскольку амплитуда обратного тока D2 (т.е. тока нагрузки) может быть только меньше амплитуды обратного тока D1 (часть тока идет на зарядку собственной емкости D1), а длительность обратного тока второго диода много меньше длительности обратного тока первого. Поскольку для ДНЗ и ДДРВ к моменту их закрывания должно выполняться равенство прошедших в прямом и в обратном направлениях зарядов, то прямой ток второго диода должен быть много меньше прямого тока первого. Отсюда следует, что накачка прямого тока второго диода, производимая через резистор от конденсатора, не приводит к каким-либо существенным затратам энергии и не снижает заметным образом амплитуду первичного импульса.

D3 при протекании прямого тока D2 закрыт и открывается в обратном направлении, когда напряжение импульса превысит лавинное напряжение D3. Через D3 на выход проходит часть импульса, большая лавинного напряжения D3. Таким образом D3 отсекает медленные составляющие первичного импульса. В отсутствии шлейфа на выходе формируется однополярный импульс с примерно равными фронтом и спадом без медленных составляющих - падающий импульс. Длина шлейфа выбирается из условия равенства двойного времени задержки шлейфа и длительности падающего импульса по основанию. Тогда наличие шлейфа вызывает появление импульса противоположной полярности относительно падающего как раз по окончании падающего. D2 играет еще одну роль, кроме формирования спада импульса. D2 при появлении полуволны противоположной полярности уже полностью закрыт и отсекает выход от D1, без чего D1 открылся бы на этом этапе.

Требования, накладываемые на D3, состоят в следующем. D3 должен быть достаточно быстрым диодом, т.е. его лавинное напряжение должно иметь определенное значение в области наносекундных времен. D3 должен иметь достаточно малую собственную емкость C_э, чтобы отсутствовало прохождение медленных компонент сигнала через С_э при закрытом D3. В проверенных на практике устройствах в качестве D3 использовались импульсные кремниевые диоды типа КД510 и т. п. и переключательные диоды с pin-структурой типа КА507 и т.п. При амплитуде выходных импульсов 200-500 В и соответственно токах через D3 10-20 А при длительностях импульсов 4-10 нс указанные диоды устойчиво работали до частот повторения более 10 кГц.

В качестве шлейфа применяют коаксиальный кабель, дисперсия и затухание которого несущественны для получаемой длительности импульса. При длительности импульса более 4 нс применяют 50 или 75 Ом кабель с диаметром по изоляции более 2 мм.