ГЕНЕРАТОР СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСОВ ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОГРАММИРУЕМОЙ ВРЕМЕННОЙ ФОРМОЙ
|
РЕФЕРАТ 3
Введение 4
1 Управляемые линии задержки 11
1.1. Линии задержки с ручным управлением 15
1.2. Линии задержки с электронным управлением 16
2 Суммирование импульсов противоположных полярностей 18
2.1. Расчёт многозвенного сумматора 19
2.2. Проектирование и изготовление многозвенного сумматора 25
2.3. Экспериментальное исследование характеристик сумматора 28
3 Макет генератора импульсов 30
3.1. Схема формирования запускающего импульса 30
3.2. Схема накачки диода 31
3.3. Экспериментальное исследование макета генератора 32
4 Разработка схемы генератора с цифровым управлением 37
4.1. Цифровые линии задержки 41
4.2. I2C протокол 42
4.3. Управление напряжением питания 43
5 Экспериментальное исследование генератора с цифровым управлением 45
5.1. Генератор запускающего импульса 46
5.2. Регулировка питания 48
5.3. Управление линиями задержки 50
5.4. Излучение импульсов 54
Заключение 57
Список использованных источников и литературы 59
Приложение 1 60
Приложение 2 64
Приложение 3 73
Введение 4
1 Управляемые линии задержки 11
1.1. Линии задержки с ручным управлением 15
1.2. Линии задержки с электронным управлением 16
2 Суммирование импульсов противоположных полярностей 18
2.1. Расчёт многозвенного сумматора 19
2.2. Проектирование и изготовление многозвенного сумматора 25
2.3. Экспериментальное исследование характеристик сумматора 28
3 Макет генератора импульсов 30
3.1. Схема формирования запускающего импульса 30
3.2. Схема накачки диода 31
3.3. Экспериментальное исследование макета генератора 32
4 Разработка схемы генератора с цифровым управлением 37
4.1. Цифровые линии задержки 41
4.2. I2C протокол 42
4.3. Управление напряжением питания 43
5 Экспериментальное исследование генератора с цифровым управлением 45
5.1. Генератор запускающего импульса 46
5.2. Регулировка питания 48
5.3. Управление линиями задержки 50
5.4. Излучение импульсов 54
Заключение 57
Список использованных источников и литературы 59
Приложение 1 60
Приложение 2 64
Приложение 3 73
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].
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. Достичь такого функционала генераторов возможно, если формировать итоговый биполярный импульс суммированием отдельно сгенерированных монополярных импульсов, время начала генерации которых можно было бы контролировать при помощи, к примеру, программируемых электронных линий задержки. Такие генераторы могут применяться для обнаружения объектов с нелинейными свойствами таких, как приёмники, электросхемы и накопители памяти. В данном случае важен вид излученного импульса, в котором наблюдается преобладание одного из временных лепестков. Нелинейность объекта оценивается по разнице откликов на зондирующие импульсы отрицательной и положительной полярности. Кроме того, при помощи подобных устройств возможно кодирование информации путём управления последовательностью импульсов, для которых было бы установлено соответствие между логическим значением и полярностью импульса.
Разумеется, рассуждая о применении электромагнитных волн, нельзя игнорировать вопрос излучения этих волн в среду. Одним из типов устройств излучения электромагнитных волн являются набирающие всё большую популярность фазированные антенные решётки (ФАР). В настоящее время имеется интерес к ФАР, каждый антенный элемент которых имел бы свой собственный генератор. Для реализации этой идеи перспективным вариантом является использование упомянутых программируемых линий задержки в предлагаемой схеме, представленной на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема импульсной ФАР
В схеме имеется источник запускающего воздействия, или триггер. Цифровой импульс с выхода триггера поступает на программируемые электронные линии задержки. В зависимости от определённой комбинации времён задержки, генераторы СШП импульсов запускаются в разные моменты времени, благодаря чему обеспечивается управление лучом ФАР.
Для изучения технических решений, необходимых для создания распределительно-управляющего устройства подобной импульсной ФАР, в настоящей работе исследуется разработанный генератор
сверхширокополосных импульсов излучения с программируемой временной формой. Разработанный генератор по своей сути представляет собой участок ФАР, выделенный на рисунке 1 пунктиром и представленный справа в более подробном виде.
Состояние вопроса
В патенте US 8174443 во второй вариации изобретения представлена схема, в которой от блока триггера через блок временной задержки к генераторам распространяется запускающее воздействие. Блок временной задержки выполнен в виде линзы Ротмана. Каждый генератор подключён к своей антенне. Управление лучом антенной решётки в данном изобретении происходит благодаря линзе Ротмана, в которой волна доходит до каждого выхода за различное время, зависящее от выбранного входа, что и даёт различные комбинации времён задержки. Однако использование линзы Ротмана имеет следующие особенности:
1) линза Ротмана является набором фиксированных времен задержки, что снижает возможности управления лучом антенной решётки;
2) разработка линзы Ротмана, как сложного СВЧ устройства, требует наличия компетенций у разработчика и предварительного электромагнитного анализа в 3D.
Наличие этих особенностей подталкивает к поиску более простых и гибких методов управления лучом антенной решётки. Перспективным вариантом является использование программируемых электронных линий временной задержки.
Цель исследований - создание полупроводникового генератора, способного создавать на выходе биполярные импульсы напряжения субнаносекундной длительности с возможностью управления их временной формой при помощи цифровых линий задержки.
Задачи исследований.
• Исследование методов генерации СШП импульсов напряжения.
• Исследование методов введения временной задержки в линии передачи.
• Разработка и создание генераторов СШП монополярных импульсов противоположных полярностей.
• Разработка и создание СШП сумматора мощности.
• Достижение стабильной формы биполярного импульса, полученного сложением монополярных импульсов.
Методы проведения исследования
Анализ публикаций по существующим методам генерации. Изготовление сумматора и сравнение с численным моделированием.
Экспериментальное исследование изготовленного генератора СШП импульсов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Комбинирование двух генераторов субнаносекундных
монополярных импульсов противоположных полярностей, подключенных ко входам СШП кольцевого сумматора, позволяет формировать биполярные импульсы с изменяемыми длительностью и последовательностью временных лепестков при внесении временной задержки запуска одного из генераторов.
2. Стабильность во времени формируемого монополярного импульса будет тем больше, чем круче будет крутизна фронтов импульсов всех цифровых элементов схемы, через которые к буферу накачки диода с накоплением заряда распространяется запускающее воздействие. Для получения стабильной формы биполярного импульса при суммировании монополярных импульсов длительностью на полувысоте 300±10 пс неопределенность времени формирования одного монополяра относительно времени формирования другого не должна превышать 20 пс.
Достоверность результатов:
Достоверность первого защищаемого положения подтверждается полученными осциллограммами выходных биполярных импульсов с разными длительностью и последовательностью временных лепестков, соответствующими разным внесённым временам задержки.
Достоверность второго защищаемого положения подтверждается результатами экспериментов (разделы 3.3 и 5.3) по суммированию монополярных импульсов при различающихся схемах запуска буферов накачки ДНЗ.
Научная новизна
1. Разработана схема генератора биполярных импульсов, позволяющая управлять длительностью и порядком следования положительного и отрицательного временных лепестков импульса.
2. Предложен метод управления лучом СШП антенной решётки.
Практическая значимость
Разработка и исследование генератора СШП биполярных импульсов с управляемыми длительностью и порядком следования временных лепестков открывает новые возможности для разработки конструкций СШП антенных решёток, в которых каждый антенный элемент имел бы свой идентичный другим генератор импульсов, а управление лучом антенной решётки основывалось на управлении временем запуска этих генераторов. Также управление порядком следования временных лепестков создаёт предпосылки для нелинейной локации и кодировки СШП связи.
Внедрение результатов работы
Создан генератор СШП биполярных импульсов с регулируемыми длительностью импульсов и порядком следования временных лепестков, применяющийся при научных исследованиях в ИСЭ СО РАН, г. Томск.
Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на следующих научных конференциях: ICECET - 2022 (Prague, Czech Republic, 2022); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, Россия, 2023).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 2 докладов и 1 тезиса докладов в трудах конференций
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации получены лично автором, либо при его прямом участии. Автором были проведены численные и натурные эксперименты и выполнен анализ полученных результатов, созданы программные алгоритмы и коды для разработанного генератора биполярных СШП импульсов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений и отчета по патентному поиску. Общий объем работы составляет 82 страницы, включая 43 рисунка, 13 формул, 1 таблицу, 10 использованных источников.
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].
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. Достичь такого функционала генераторов возможно, если формировать итоговый биполярный импульс суммированием отдельно сгенерированных монополярных импульсов, время начала генерации которых можно было бы контролировать при помощи, к примеру, программируемых электронных линий задержки. Такие генераторы могут применяться для обнаружения объектов с нелинейными свойствами таких, как приёмники, электросхемы и накопители памяти. В данном случае важен вид излученного импульса, в котором наблюдается преобладание одного из временных лепестков. Нелинейность объекта оценивается по разнице откликов на зондирующие импульсы отрицательной и положительной полярности. Кроме того, при помощи подобных устройств возможно кодирование информации путём управления последовательностью импульсов, для которых было бы установлено соответствие между логическим значением и полярностью импульса.
Разумеется, рассуждая о применении электромагнитных волн, нельзя игнорировать вопрос излучения этих волн в среду. Одним из типов устройств излучения электромагнитных волн являются набирающие всё большую популярность фазированные антенные решётки (ФАР). В настоящее время имеется интерес к ФАР, каждый антенный элемент которых имел бы свой собственный генератор. Для реализации этой идеи перспективным вариантом является использование упомянутых программируемых линий задержки в предлагаемой схеме, представленной на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема импульсной ФАР
В схеме имеется источник запускающего воздействия, или триггер. Цифровой импульс с выхода триггера поступает на программируемые электронные линии задержки. В зависимости от определённой комбинации времён задержки, генераторы СШП импульсов запускаются в разные моменты времени, благодаря чему обеспечивается управление лучом ФАР.
Для изучения технических решений, необходимых для создания распределительно-управляющего устройства подобной импульсной ФАР, в настоящей работе исследуется разработанный генератор
сверхширокополосных импульсов излучения с программируемой временной формой. Разработанный генератор по своей сути представляет собой участок ФАР, выделенный на рисунке 1 пунктиром и представленный справа в более подробном виде.
Состояние вопроса
В патенте US 8174443 во второй вариации изобретения представлена схема, в которой от блока триггера через блок временной задержки к генераторам распространяется запускающее воздействие. Блок временной задержки выполнен в виде линзы Ротмана. Каждый генератор подключён к своей антенне. Управление лучом антенной решётки в данном изобретении происходит благодаря линзе Ротмана, в которой волна доходит до каждого выхода за различное время, зависящее от выбранного входа, что и даёт различные комбинации времён задержки. Однако использование линзы Ротмана имеет следующие особенности:
1) линза Ротмана является набором фиксированных времен задержки, что снижает возможности управления лучом антенной решётки;
2) разработка линзы Ротмана, как сложного СВЧ устройства, требует наличия компетенций у разработчика и предварительного электромагнитного анализа в 3D.
Наличие этих особенностей подталкивает к поиску более простых и гибких методов управления лучом антенной решётки. Перспективным вариантом является использование программируемых электронных линий временной задержки.
Цель исследований - создание полупроводникового генератора, способного создавать на выходе биполярные импульсы напряжения субнаносекундной длительности с возможностью управления их временной формой при помощи цифровых линий задержки.
Задачи исследований.
• Исследование методов генерации СШП импульсов напряжения.
• Исследование методов введения временной задержки в линии передачи.
• Разработка и создание генераторов СШП монополярных импульсов противоположных полярностей.
• Разработка и создание СШП сумматора мощности.
• Достижение стабильной формы биполярного импульса, полученного сложением монополярных импульсов.
Методы проведения исследования
Анализ публикаций по существующим методам генерации. Изготовление сумматора и сравнение с численным моделированием.
Экспериментальное исследование изготовленного генератора СШП импульсов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Комбинирование двух генераторов субнаносекундных
монополярных импульсов противоположных полярностей, подключенных ко входам СШП кольцевого сумматора, позволяет формировать биполярные импульсы с изменяемыми длительностью и последовательностью временных лепестков при внесении временной задержки запуска одного из генераторов.
2. Стабильность во времени формируемого монополярного импульса будет тем больше, чем круче будет крутизна фронтов импульсов всех цифровых элементов схемы, через которые к буферу накачки диода с накоплением заряда распространяется запускающее воздействие. Для получения стабильной формы биполярного импульса при суммировании монополярных импульсов длительностью на полувысоте 300±10 пс неопределенность времени формирования одного монополяра относительно времени формирования другого не должна превышать 20 пс.
Достоверность результатов:
Достоверность первого защищаемого положения подтверждается полученными осциллограммами выходных биполярных импульсов с разными длительностью и последовательностью временных лепестков, соответствующими разным внесённым временам задержки.
Достоверность второго защищаемого положения подтверждается результатами экспериментов (разделы 3.3 и 5.3) по суммированию монополярных импульсов при различающихся схемах запуска буферов накачки ДНЗ.
Научная новизна
1. Разработана схема генератора биполярных импульсов, позволяющая управлять длительностью и порядком следования положительного и отрицательного временных лепестков импульса.
2. Предложен метод управления лучом СШП антенной решётки.
Практическая значимость
Разработка и исследование генератора СШП биполярных импульсов с управляемыми длительностью и порядком следования временных лепестков открывает новые возможности для разработки конструкций СШП антенных решёток, в которых каждый антенный элемент имел бы свой идентичный другим генератор импульсов, а управление лучом антенной решётки основывалось на управлении временем запуска этих генераторов. Также управление порядком следования временных лепестков создаёт предпосылки для нелинейной локации и кодировки СШП связи.
Внедрение результатов работы
Создан генератор СШП биполярных импульсов с регулируемыми длительностью импульсов и порядком следования временных лепестков, применяющийся при научных исследованиях в ИСЭ СО РАН, г. Томск.
Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на следующих научных конференциях: ICECET - 2022 (Prague, Czech Republic, 2022); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, Россия, 2023).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 2 докладов и 1 тезиса докладов в трудах конференций
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации получены лично автором, либо при его прямом участии. Автором были проведены численные и натурные эксперименты и выполнен анализ полученных результатов, созданы программные алгоритмы и коды для разработанного генератора биполярных СШП импульсов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений и отчета по патентному поиску. Общий объем работы составляет 82 страницы, включая 43 рисунка, 13 формул, 1 таблицу, 10 использованных источников.
Для создания генератора биполярных СШП импульсов с изменяемой временной формой была разработана топология печатных плат, изготовлены печатные платы, смонтированы компоненты, проведено тестирование и калибровка узлов генератора, написан код управления, получены формы импульсов, принятых после излучения.
Написан код микроконтроллера платы (приложение 2) и программный интерфейс управления (приложение 1). Проведено тестирование и отладка программы управления генераторами. Написанный интерфейс позволяет управлять напряжением питания формирователей монополярных импульсов и временем появления положительного и отрицательного импульсов на выходах.
Производен монтаж компонентов на изготовленные платы. Последующие эксперименты показали работоспособность написанного кода и всех компонентов. Получены выходные монополярные импульсы положительной и отрицательной полярности с программируемым сдвигом 0.. .10230 пс с шагом 10 пс.
Было выявлено, что импульсы на выходе примененных конвертеров ЭСЛ-ТТЛ логики имеют слишком пологий фронт (~2,5 нс), являющийся причиной джиттера выходных импульсов. Для достижения стабильной формы импульсов необходимо снизить величину джиттера. С этой целью предлагается сократить длительность фронта запускающих импульсов, чего можно достичь заменой ЭСЛ-ТТЛ конвертеров на более скоростные элементы. Также возможно применение обостряющих RLC-цепей и использование симметрирующих трансформаторов вместо цифровых конвертеров логики.
Полная сборка генератора показала качественную работу по всем пунктам, кроме проблемы джиттера, методы разрешения которой на момент эксперимента с излучением импульсов остаются неопробованными. По итогам разрешения данной проблемы можно будет утверждать, что разработанный генератор представляет собой совокупность технических решений, необходимых для распределительно-управляющего устройства ФАР, о которой говорилось во введении к диссертации
Написан код микроконтроллера платы (приложение 2) и программный интерфейс управления (приложение 1). Проведено тестирование и отладка программы управления генераторами. Написанный интерфейс позволяет управлять напряжением питания формирователей монополярных импульсов и временем появления положительного и отрицательного импульсов на выходах.
Производен монтаж компонентов на изготовленные платы. Последующие эксперименты показали работоспособность написанного кода и всех компонентов. Получены выходные монополярные импульсы положительной и отрицательной полярности с программируемым сдвигом 0.. .10230 пс с шагом 10 пс.
Было выявлено, что импульсы на выходе примененных конвертеров ЭСЛ-ТТЛ логики имеют слишком пологий фронт (~2,5 нс), являющийся причиной джиттера выходных импульсов. Для достижения стабильной формы импульсов необходимо снизить величину джиттера. С этой целью предлагается сократить длительность фронта запускающих импульсов, чего можно достичь заменой ЭСЛ-ТТЛ конвертеров на более скоростные элементы. Также возможно применение обостряющих RLC-цепей и использование симметрирующих трансформаторов вместо цифровых конвертеров логики.
Полная сборка генератора показала качественную работу по всем пунктам, кроме проблемы джиттера, методы разрешения которой на момент эксперимента с излучением импульсов остаются неопробованными. По итогам разрешения данной проблемы можно будет утверждать, что разработанный генератор представляет собой совокупность технических решений, необходимых для распределительно-управляющего устройства ФАР, о которой говорилось во введении к диссертации
