ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1 Способы генерации наносекундных электрических импульсов в силовой электронике 6
1.1 Лавинные 5-диоды и их характеристики 8
1.1.1 Структура 5-диода и способы его изготовления 8
1.1.2 Статические характеристики 5-диода 12
1.1.3 Динамические характеристики 5-диода 13
1.2 Формирователи и релаксаторы на лавинном 5-диоде 17
Глава 2 Основные принципы сверхширокополосной локации 20
2.1 Понятие сверхширокополосной локации 20
2.2 Сведения об антеннах СШП излучения и их видах 22
2.3 Уравнение дальности для СШП сигналов 27
2.4 Передающие СШП антенны и их параметры 28
2.5 Передающие комбинированные СШП антенны 32
Глава 3 Исследование передающего модуля 35
3.1 Исследование 5-диодов 35
3.2 Генератор на лавинном 5-диоде (описание схемы, форма импульсов) 40
3.3 Проектирование СШП антенн 42
3.4 Идея построения объемного изображения 52
3.5 Результаты полевых испытаний 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 61
ПРИЛОЖЕНИЕ А Отчет о патентных исследованиях 63
Актуальность темы. Переход к использованию в радиолокации сверхширокополосных субнаносекундных импульсов позволяет качественно улучшить характеристики локаторов. Появляется возможность обнаружения малоразмерных целей и целей с малой эффективной отражающей поверхностью. Короткая пространственная протяженность сигналов позволяет определять формы объектов и материалы, из которых состоит объект. Частотная характеристика, полученная при обработке, позволяет идентифицировать отражающие объекты. Подобные локаторы имеют высокую помехоустойчивость к пассивным и активным помехам.
До недавнего времени развитие субнаносекундной локации сдерживалось отсутствием генераторов субнаносекундных импульсов высокой (свыше 1МВт) мощности, необходимых для работы локаторов на расстояниях более 1-10 км. Кроме того были недоступны устройства оцифровки сигналов со временем выборки менее 1 нс и разрядностью не менее 10, а для обработки огромного объема информации в реальном масштабе времени требовались суперкомпьютеры больших размеров, с большой стоимостью и энергопотреблением. На сегодняшний день большая часть перечисленных проблем решена.
В настоящей работе рассматривается решение проблемы разработки генератора субнаносекундных импульсов высокой мощности. В частности, проводится исследование характеристик передающего модуля сверхширокополосной локации на основе сверхбыстрого ключа - прибора, представляющего собой многослойную полупроводниковую структуру лавинного 5-диода, легированную примесями с глубокими уровнями.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование возможности использования лавинных 5-диодов и генераторов на их основе для сверхширокополосных радиолокационных систем ближней дальности.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
1. Исследование импульсных характеристик лавинных 5-диодов. Определение времени задержки и времени переключения 5-диодов при их работе на нагрузку 50 Ом.
2. Исследование выходных характеристик генераторов на лавинных 5-диодах.
3. Моделирование и изготовление сверхширокополосных антенн.
4. Сборка передающего модуля и проведение полевых испытаний.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Резкий рост импульсного напряжения на активной нагрузке при увеличении амплитуды запускающего импульса на лавинном 5-диоде в режиме обострения обусловлен увеличением количества токовых шнуров в активной области 5-диода при росте напряжения в режиме лавинного пробоя благодаря захвату носителей на глубоких уровнях.
2. Использование передатчика сверхширокополосных сигналов длительностью 2 нс, построенного на основе лавинного 5-диода со статическим напряжением переключения более 100 В, позволяет реализовать принцип моноимпульсной радиолокации и обнаруживать цели с размерами менее 60 см на расстоянии более 100 м.
Достоверность полученных результатов подтверждена расчетами на ЭВМ, использованием стандартных методик экспериментальных исследований и известных алгоритмов расчета электромагнитных характеристик объектов исследования. Достоверность теоретических положений подтверждена полученными
экспериментальными данными и не противоречит представленными в литературе результатами.
Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности их использования для построения систем сверхширокополосной моноимпульсной радиолокации. Такие системы обладают низким уровнем средней излучаемой мощности (обеспечивают скрытность работы локатора) и могут использоваться для обнаружения и распознавания объектов с относительно малыми размерами (единицы-десятки сантиметров) в условиях больших активных и пассивных помех (например, на фоне подстилающей поверхности).
Новизна научной работы:
1. Проведены комплексные исследования, подтвердившие возможность создания передающего (излучающего) модуля сверхширокополосного моноимпульсного локатора на основе лавинного 5-диода.
2. Показана принципиальная возможность обнаружения цели с поперечными размерами менее 60 см на расстоянии более 100 м при посылке одиночного импульса длительностью 2 нс, сформированного переключающим лавинным 5-диодом.
3. Предложена и рассмотрена система получения объемного изображения контрастных объектов на основе разностно-дальномерного метода при использовании слабонаправленных антенн нескольких приемных каналов и одного передатчика сверхширокополосных импульсов повышенной мощности, построенного на основе лавинного 5-диода.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Диссертация изложена на 68 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 1таблицу и список использованных источников, включающий 27 наименования литературных источников.
В ходе выполнения работы были изучены способы генерации электрических наносекундных импульсов в силовой импульсной электронике, физические явления в структурах на основе арсенида галлия с глубокими примесными центрами. Рассмотрены способы изготовления структур, процессы, происходящие в них. Исследование статических и импульсных характеристик 5-диодов позволило установить, что резкий рост импульсного напряжения на активной нагрузке 50 Ом при увеличении амплитуды импульса запускающего напряжения на лавинном 5-диоде в режиме обострения обусловлен увеличением количества токовых шнуров в активной области 5-диода с ростом напряжения в режиме лавинного пробоя с захватом носителей на глубокие уровни.
Исследована возможность использования лавинных 5-диодов и генераторов на их основе для сверхширокополосных радиолокационных систем ближней дальности. Проведено моделирование и изготовление сверхширокополосных антенн; проведены сборка и испытания передающего модуля сверхширокополосной радиолокации.
Полученные результаты указывают на принципиальную возможность создания систем сверхширокополосной моноимпульсной радиолокации с использованием коммерчески доступных комплектующих. Такие системы обеспечивают скрытность зондирования местности и могут использоваться для обнаружения и распознавания объектов с малыми размерами в условиях больших пассивных и активных помех.
Для полевых испытаний изготовлена одноканальная система, включающая генератор, сверхширокополосные антенны и цифровой осциллограф. Показана принципиальная возможность моноимпульсного обнаружения цели с поперечными размерами 60 см на расстоянии более 100 м при использовании сверхширокополосных сигналов длительностью 2 нс, построенного на основе обострителя с переключающим лавинным 5-диодом.
Дальнейшая работа будет направлена на изготовление многоканальной системы, которая позволит определять местоположение объектов по координате и углу за счет использования нескольких приемных антенн, разнесенных в пространстве.
