новая папка 1 / 323618

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ СШП ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Часть II

Методы улучшения энергетических параметров СШП импульсов, формируемых генераторами на основе ДНЗ

Составители: Бобрешов А.М., Китаев Ю.И.,

Степкин В.А., Усков Г.К.

Воронеж 2014

Утверждено Научно-методическим советом физического факультета 16 апреля 2014 года, протокол № 4

Рецензент: кандидат физико-математических наук, доц. Ю.Э.Корчагин

Учебное пособие подготовлено на кафедре электроники физического факультета Воронежского государственного университета.

В учебном пособии рассмотрены основные особенности, структура и классификация формирователей импульсных сигналов субнаносекундной длительности, основные области применения. Методическое пособие подробно останавливается на физических процессах, протекающих во время генерации.

Рекомендуется для магистров и специалистов старших курсов д/о и в/о.

Для специальности 010801 – Радиофизика и электроника и направления магистратуры 010800 – Радиофизика.

2

3

Введение

Использование сверхкоротких импульсных сигналов расширяет функциональные возможности существующих радиоэлектронных систем, а также позволяет создавать принципиально новые системы, предназначенные для решения широкого круга научно-технических, военных и социальных проблем. В числе активно развивающихся в настоящее время научнотехнических направлений большое место занимают сверхширокополосная радиолокация и применение преднамеренных помех на основе использования сверхкоротких импульсов. Благодаря высокой проникающей способности сверхширокополосных сигналов создаются радары, предназначенные для локации скрытых объектов, в том числе биологических объектов за преградами или подземных объектов.

Сверхширокополосные сигналы обладают малой пространственной длительностью, сравнимой с размерами объектов или их частей, что позволяет повысить число определяемых при локации параметров, повысить точность их определения, а также получить радиоизображение цели. Применение таких сигналов в системах радиоэлектронного подавления определяется низкой средней мощностью излучения, требуемой для подавления радиоэлектронных систем, при больших достижимых амплитудах и высокой проникающей способности.

В настоящее время в качестве сигналов для сверхширокополосных радиосистем все чаще используются сверхкороткие импульсы (СКИ) субнаносекундной длительности. Наиболее важными параметрами генерируемого СКИ для приложений радиолокации и связи являются длительность импульсов, их частота повторения и амплитуда, которые определяются переходными процессами в схеме генератора и особенностями работы ключевого элемента.

4

1. Генерация СКИ с длительным накоплением заряда.

Увеличение амплитуды генерируемых сверхкоротких импульсов возможно при длительном накоплении заряда в активной области ДНЗ. Рассмотрим работу схемы формирования СКИ положительной полярности (рисунок 1 А), качественные временные диаграммы которой приведены на рисунке 2. От источника напряжения V1 через диод с накоплением заряда и индуктивность L1 протекает постоянный прямой ток (ток накачки) Iпр, за счет которого происходит накопление заряда в активной области диода. В течение некоторого времени (время накопления) после включения прямого тока Iпр в диоде устанавливается равновесное состояние величины накопленного заряда Qp, который определяется значением прямого тока Iпр и процессами рекомбинации (рисунок 2 а). В момент времени t1 на затвор транзистора VT приходит положительный импульс и открывает его. В этот момент времени начинает протекать обратный ток. После того, как этот ток сравняется с прямым током (момент времени t2) наступает процесс рассасывания заряда. На протяжении всего времени данного процесса через индуктивность L1 и диод протекает обратный ток, за счет чего происходит уменьшение концентрации носителей в активной области и паразитного заряда неосновных носителей в p+ и n+ областях, накопленного за счет токов утечки. В момент времени t3 происходит полное рассасывание заряда в активной области и восстановление обратного сопротивления диода, характеризуемое временем переключения. В результате накопленная в индуктивности энергия L1 переходит в нагрузку и формируется СКИ положительной полярности (рисунок 2 б).

Схема формирования СКИ отрицательной полярности приведена на рисунке 1 Б. Принцип ее работы аналогичен описанному выше принципу генерации положительных импульсов. На рисунке 3 приведена типовая

5

А

Б

Рисунок 1 Схемы генератора положительных (А) и отрицательных (Б) сверхкоротких импульсов с длительным накоплением заряда.

6

Рисунок 2 Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы генератора, схема которого изображена на рисунке 3.5.

Рисунок 3 Осциллограмма СКИ отрицательной полярности на выходе генератора на основе ДНЗ.

7

осциллограмма формируемого импульса отрицательной полярности на выходе генератора на основе диодов с накоплением заряда.

В схемах на рисунке 1, варьируя параметры элементов L1 и С2 можно изменять длительность и форму импульсов на выходе. С ростом значения индуктивности происходит увеличение длительности СКИ на выходе. С уменьшением значения емкости С2 форма импульса на выходе генератора начинает меняться в сторону двуполярного. Типовые осциллограммы на выходе генератора для различных значений емкости С2 представлены на рисунке 4. Как видно из графиков, предложенный способ обладает рядом достоинств по сравнению с традиционными. К главному из них относятся простота управления длительностью формируемого импульса за счет изменения значения индуктивности. Меняя данный параметр, можно регулировать длительность импульсов на выходе в диапазоне от 250 пс до 2 нс. Кроме того, варьируя значением емкости С2 от 15пф до 10нф возможно задавать форму СКИ.

На рисунке 5 представлены зависимости амплитуды СКИ от прямого тока, накапливающего заряд, для различных напряжений V2 (1 - V2 = -10 В, 2 - V2 = - 50 В, 3 - V2 = -20 В). Результаты приведены для случая, когда длительность формируемых на выходе импульсов составляет 350 пс по уровню 0,5.

Из приведенных зависимостей видно, что при увеличении прямого тока до некоторого значения происходит существенный рост амплитуды сверхкороткого импульса на выходе. Однако при достижении некоторого тока рост амплитуды практически прекращается и дальнейшее увеличение тока накачки не приводит к увеличению СКИ на выходе генератора. Аналогичное поведение характерно и для других отрицательных напряжений источника V2, рассасывающих заряд.

Наблюдаемые закономерности могут быть объяснены следующим образом. С увеличением прямого тока накачки после переключения диода на

8

Рисунок 4 Осциллограммы формируемых импульсов для различных значений емкости С2.

Рисунок 5 Зависимости амплитуды формируемого СКИ от прямого, накапливающего заряд, тока для различных обратных напряжений (1 - V2 = -10 В, 2 - V2 = -15 В, 3 - V2 = -20 В)

9

работу диода влияют два механизма: увеличивается скорость рекомбинации заряда, накопленного в активной области, и создаются условия для накопления паразитного заряда в полупроводниковой структуре диода. Начиная с некоторой величины тока накачки такой заряд в p+ и n+ области не успевает полностью рассосаться до момента восстановления обратного сопротивления диода. Когда концентрация неосновных носителей в активной области диода становится равной нулю, происходит восстановление обратного сопротивления диода, сопровождаемое резким скачком тока. С увеличением прямого тока величина этого скачка уменьшается и далее происходит рассасывание паразитного заряда, что увеличивает время переключения ДНЗ и ограничивает амплитуду СКИ на выходе генератора.

Совместно с зависимостями амплитуд СКИ от величины прямого тока рассмотрим зависимости длительности формируемого импульса от величины прямого тока, приведенные на рисунке 6 (А – для амплитуды, Б – для длительности СКИ). Условно весь диапазон прямых токов можно разделить на три области. При малых значениях - амплитуда импульсов мала и растет с увеличением тока. Однако длительность импульсов до некоторой величины прямого тока (здесь это 50-60 мА) уменьшается. Это может быть объяснено влиянием нелинейной зависимости емкости диода. Затем, с увеличением тока примерно до 100мА амплитуда продолжает расти, а длительность остается неизменной. После того как амплитуда достигает насыщения (начиная от 100мА) длительность импульса увеличивается с ростом прямого тока вследствие замедления процесса переключения из-за увеличения токов утечки и накопления паразитного заряда. Таким образом, подбором режима работы генератора можно производить модуляцию длительности формируемого СКИ при неизменной амплитуде. Эта особенность представленных схем формирования импульсов может быть использована при проектировании сверхширокополосных систем связи и радиолокации.

10