Генератор – излучатель наносекундных импульсов для систем

Генератор – излучатель наносекундных импульсов для систем
видеоимпульсной подповерхностной радиолокации
А.С. Карауш, С.П. Лукьянов, Семенчук В.Е., Р.В. Потемин
Томский университет АСУ и радиоэлектроники
634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.
E-mail: ask@mibs.tsu.ru
Сибирский физико-технический институт при Томском госуниверситете
634050, г. Томск, пл. Ново-Соборная, 1
Проведены исследования для разработки и создания генератора-излучателя – принципиально новой
идеи построения излучающих модулей систем видеоимпульсной подповерхностной радиолокации.
Во многих отраслях народного хозяйства все большее практическое применение
находят видеоимпульсные системы
подповерхностной радиолокации (ВПРЛ),
предназначенные для дистанционного неразрушающего контроля и диагностики
полупроводящих диэлектрических сред, а также обнаружения и идентификации
малоразмерных малоконтрастных объектов искусственного и естественного происхождения
в них. Одним из основных звеньев таких систем является передающий тракт, определяющий
основные тактико-технические характеристики параметры ВПРЛ. К таким параметрам
можно отнести амплитуду, длительность и частоту повторения излучаемых видеоимпульсов.
В современных ВПРЛ в зависимости от назначения, амплитуда излучаемого импульса может
задаваться от нескольких десятков вольт до нескольких киловольт при их длительности от
0,1 до 5 нс и частоте повторения от 10 до 500 кГц. Обычно передающий тракт включает в
себя генератор видеоимпульсов [1], работающий эффективно на низкоомную нагрузку (от
единиц до нескольких десятков Ом), широкополосную антенну с высокоомным импендансом
(в полосе частот от 160 до 240 Ом) и согласующее широкополосное устройство,
выполняемое на коаксиальных или длинных линиях по типу трансформатора сопротивлений
с коэффициентом трансформации 1:4. Дополнительные потери энергии и искажение сигнала
происходят при канализации сигнала от генератора к антенне, поскольку реальный КПД
таких согласующих трансформаторов в рабочей полосе частот (от 500 МГц до 1,5 ГГц)
составляет от 40 до 70 процентов.
Обеспечение необходимой эффективности при заданных параметрах (амплитуде,
длительности, форме и частоте) является одной из основных проблем, возникающих при
проектировании передающего тракта ВПРЛ. Решение данной проблемы видится в создании
генератора-излучателя, представляющий собой генератор видеоимпульсов функционально и
конструктивно совмещенного с излучающей антенной. Такое решение возможно при
миниатюризации генератора видеоимпульсов и использовании низкоимпендансных антенн.
Используемые в настоящее время для задач подповехностной радиолокации антенны:
рупорные, биконические, дипольные, плоские и конусные спиральные антенны имеют
входной импенданс 140-240 Ом в рабочей полосе частот, что затрудняет согласование таких
антен с генератором.
В
работе
предлагается
вниманию
генератор-излучатель
наносекундных
видеоимпульсов, созданный на основе генератора видеоимпульсов [1] и дипольной антенны,
представляющей собой вырожденную симметричную микрополосковую линию. Для
согласования антенны с генератором был разработан трансформатор сопротивлений, в виде
симметричной микрополосковой секции с экспоненциальным профилем волнового
сопротивления по длине, рис.1. Длина секции определяется конструктивными размерами
антенны и необходимым согласованием. Если нет ограничений на длину перехода, то
возможно получить сколь угодно малое рассогласование в достаточно большой полосе
частот. Однако, на практике всегда желательно, чтобы длина секции была меньше, при
заданных перепаде волновых сопротивлений, полосе частот и допустимом рассогласовании.
Исследования показали, что использование экспоненциального трансформатора позволяет
получить лучшие результаты согласования, нежели при использовании трансформатора с
линейным изменением по длине волнового сопротивления. Экспоненциальный закон
изменения волнового сопротивления достигается изменением расстояния между полосками
или ширины полосков трансформатора и соответственно изменением погонной
индуктивности и емкости по его длине [2]:
 2l  L
Z 
Z B (l )  Z B1  Z B 2  exp 
 ln B1 
Z B2 
 2L
,
(1)
где Z B1 – входное сопротивление секции,
Z B2 – выходное сопротивление секции,
L – длина трансформатора сопротивлений.
Секция трансформатора сопроитвлений имеет АЧХ эквивалентную фильтру верхних
частот, при этом хорошее согласование достигается на всех частотах выше некоторой
граничной частоты.
На практике длина экспоненциального трансформатора определяется следующим
выражением:
L
Z
1
 ln B 2
b
Z B1
,
(2)
где длина L трансформатора должна быть тем больше, чем больше отношение ZB2/ZB1,
называемое коэффициентом трансформации и чем меньше параметр b, т.е. степень
изменения погонных параметров линии по ее длине. Если значение b невелико, то отражения
на согласующем трансформаторе не превышают допустимых значений и удается получить
режим близкий к режиму бегущей волны. Параметры b и Ксв связаны зависимостью:
b 
8
 max
 К СВ
,
(3)
где max – максимальная длина волны, на которой удается получить согласование.
Антенна как передающая, так и приемная для систем ВПРЛ представляет собой два
ортогонально расположенных диполя Герца. Такая конструкция антенны объясняется
использованием векторных свойств излученнх и отраженных сигналов.
Согласующее устройство располагается в центре антенны на пересечении диполей.
Этим объясняется конструкция согласующего устройства в виде раскрывающегося
равностороннего четырехлистника, где каждый лепесток представлен микрополоском с
варьирующейся шириной. В центре конструкции излучателя размещен стержень в основании
своем имеющий квадрат и выполненный из диэлектрического материала с =3,6 для
получения малого входного волнового сопротивления излучателя. Входное волновое
сопротивление этого излучателя составляет 25 Ом. Выходное волновое сопротивление – 180
Ом. Характер изменения волнового сопротивления по длине согласующего устройства
показан на рис.1. Длина согласующего устройства составляет 70 мм. При допустимом
КСВ=1,3 минимальная рабочая частота из расчета (3) составляет 280 МГц. Измеренная
зависимость КСВ от частоты для полученного согласующего устройства представлено на
рис.2.
Z
200
160
120
80
40
0
0
5
10
20
30
40
50
70 см
60
График изменения волнового сопротивления по длине согласующего
устройства
Рис.1.
КСВ
1.4
1.35
1.3
1.25
1.2
1.15
1.1
1.05
1
f, МГц
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
1500
Измеренная зависимость КСВ от частоты для согласующего устройства
Рис.2
Выводы:
Рассмотреное техническое и конструктивное решение генератора-излучателя
позволило повысить эффективность излучения энергии, расширить полосу частот и
улучшить форму излучаемого импульса.
Список литературы:
1. Карауш А.С., Потемин Р.В., Лукьянов С.П., Толбанов О.П. Генератор импульсов
наносекундной длительности на лавинных диодах. – Электронная промышленность,
1998, №1-2.
2. Сазонов Д.М. и др. Устройства СВЧ / Под ред. Д.М. Сазонова. – М.: Высш. школа, 1981.