Введение 3
1. Особенности сверхширокополосных импульсов и их применение 5
2. Способы генерирования коротких импульсов напряжения 9
2.1. Виды ключей для формирования импульсов напряжения 9
2.2. Формирование биполярных импульсов 12
3. Суммирование импульсов противоположных полярностей 18
3.1. Расчёт многозвенного сумматора 19
3.2. Проектирование и изготовление многозвенного сумматора 25
3.3. Экспериментальное исследование характеристик сумматора 28
4. Макет генератора импульсов 30
4.1. Схема формирования меандра 30
4.2. Схема накачки диода 31
4.3. Экспериментальное исследование макета генератора 32
5. Разработка схемы генератора с цифровым управлением 37
5.1. Цифровые линии задержки 41
5.2. I2C протокол 42
5.3. Управление напряжением питания 43
Заключение 45
Список использованных источников и литературы 47
Сверхширокополосные (СШП) сигналы применяются в радиолокации и связи. СШП сигналы с большой временной базой обеспечивают скрытность и помехоустойчивость систем связи, а векторная модуляция позволяет передавать большие объемы информации [1]. Последовательности коротких СШП импульсов нано- или субнаносекундной длительности используются в импульсном радио, особенностью которого является высокая скрытность, так как засечь передачу информации представляется возможным только в случае знания заранее заданной псевдослучайной последовательности,
используемой для кодирования.
В радиолокации малая длительность СШП импульсов позволяет добиться высокого пространственного разрешения [2]: появляется
возможность видеть не просто неопознанную точку на радаре, а некоторую сигнатуру объекта, позволяющую решать задачу распознавания объектов [3]. СШП импульсы находят применение в подповерхностном зондировании [4] и в медицинской диагностике [5].
Для генерации СШП импульсов используются полупроводниковые приборы, основанные как на резком переходе из непроводящего состояния в проводящее - туннельные диоды, лавинные диоды и транзисторы, - так и на обратном переходе из проводящего состояния в непроводящее. Для последних характерны фронты субнаносекундной длительности при относительной простоте схемы включения. Известны схемы СШП генераторов на диодах с резким обратным восстановлением, разновидностью которых являются мощные дрейфовые диоды с резким обратным восстановлением (ДДРВ), используемые для получения высоковольтных импульсов при частоте повторения до сотен килогерц.
Для маломощных генераторов требуется высокая частота повторения СШП импульсов субнаносекундной длительности при использовании доступной элементной базы. Наиболее подходящими являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ), или step recovery diodes (SRD) в англоязычной терминологии. Целью настоящей работы является разработка и исследование схемы генератора СШП импульсов с высокой частотой повторения на доступном ДНЗ.
Стремление к формированию биполярного импульса обосновано тем, что полоса пропускания любой излучающей антенны ограничена снизу нижней частотой согласования, а спектр монополярного импульса богат низкочастотными составляющими. Следовательно, возбуждать антенны монополярными импульсами энергетически невыгодно. Более эффективным является возбуждение антенны биполярными импульсами: в случае равенства площадей положительной и отрицательной полуволн в спектре таких импульсов имеется минимум на нулевой частоте.
Существуют разные способы получения коротких биполярных импульсов, большинство из которых основано на отражении монополярного импульса от конца отрезка линии передачи, при этом не подразумевается управление длительностью и формой выходного импульса [6]. Однако в настоящее время требуются генераторы коротких импульсов с изменяемой формой - программируемым чередованием положительного и отрицательного временных лепестков и изменяемой длительностью. В настоящей работе рассматриваются результаты эксперимента по получению биполярных импульсов путем сложения монополярных импульсов двух отдельных генераторов, запускаемых с регулируемой задержкой с использованием разработанного семизвенного СШП кольцевого сумматора.
Проведенные согласно плану работ исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Исследованы способы генерации импульсов напряжения и схемы формирования биполярных импульсов, обосновано применение схемы сложения двух монополярных импульсов противоположной полярности.
2. Разработаны полупроводниковые генераторы монополярных импульсов субнаносекундной длительности положительной и отрицательной полярности. Средняя длительность на полувысоте составила 327 пс и 319 пс для импульсов отрицательной и положительной полярности соответственно. Достигнута частота повторения импульсов 30 МГц.
3. Рассчитан, разработан, изготовлен и экспериментально исследован семизвенный кольцевой сумматор с центральной частотой 2 ГГц и рабочей полосой частот 0,03-3,8 ГГц.
4. Создан действующий макет генератора с изменяемой временной формой биполярных импульсов. Путём сложения монополярных импульсов были получены биполярные импульсы различной длительности в пределах от 0,5 до 1,2 нс с джиттером не более 20 пс. Показана возможность управлять порядком следования положительного и отрицательного временных лепестков биполярного импульса.
5. Разработана принципиальная схема генератора с изменяемой временной формой выходных биполярных импульсов, как единого устройства с цифровым управлением. Выбраны доступные электронные комплектующие, разработана топология печатных плат, подготовлена документация для изготовления печатных плат.
Проведенные исследования показали, что метод генерации биполярных импульсов путем сложения монополярных импульсов двух генераторов работоспособен и может быть применен при создании генераторов импульсов для таких применений как системы ближней радиолокации, зондирование объектов и сред, а также для перспективных средств связи.
По результатам работы опубликованы следующие материалы:
1. Лысых П. М. Исследование схемы запуска генератора коротких сверхширокополосных импульсов // Сборник трудов 18-й Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов, г. Томск, 5-7 мая 2021. - Томск: ООО «СТТ». - 2021. - С. 73-78.
2. Лысых П. М., Балзовский Е. В. Формирование биполярного СШП импульса путем совмещения монополярных импульсов отдельных генераторов // Сборник трудов IX Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-2021», Томск, 20-22 октября 2021 г. - С. 129-132
3. Balzovsky E. V., Lysykh P. M., Investigation of the effect of the summation of monopolar pulses of individual generators for a bipolar UWB pulse formation // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - V. 2140. - P. 012008. DOI: 10.1088/1742-6596/2140/1/012008
