книги из ГПНТБ / Богатырев Ю.К. Импульсные устройства с нелинейными распределенными параметрами

ми, обладающими по возможности большим коэффи­ циентом перекрытия величины нелинейного пара­ метра.

Рассмотрим две экспериментально проверенные па­ раметрические реактивные системы, построенные на ос­ нове линий передач с дискретными параметрами {93, 94]. Первая предназначалась для сжатия (компрессии) импульсов и содержала две линейные связанные линии

Рис. 4.10. Эквивалентная схема связанных нелинейно-параметри­ ческих линий с компенсирующим наводки включением индуктив­ ностей.

(рис. 4.10) с компенсационным включением обмоток ин­ дуктивностей звеньев для устранения электромагнитной связи между линиями. Компенсация наводимых из линии в линию сигналов достигается тем, что каждая из ин­ дуктивностей звена разбивается на две равные части L и L* с противофазным включением обмоток в каж­ дой из этих частей. Таким образом, на выходе любого звена каждой из линий напряжение, наведенное из смежной линии, было близко к нулю. Для того чтобы условия компенсации не нарушались в процессе перемагничивания феррита индуктивностей, необходимо предварительно подбирать ферритовые сердечники с одинаковой статической (лучше динамической) ха­ рактеристикой намагничивания. Поскольку индуктив­ ности L и L* нелинейны, ток, протекающий по любой из линий, вызывал изменение величины индуктивности и в смежной линии.

210

На вход первой линии поступает преобразуемый импульс. Синхронно с ним во вторую линию посылает­ ся управляющий сигнал в виде перепада тока, кото­ рый создает скачкообразное изменение индуктивности первой линии, распространяющееся со скоростью уп­ равляющего сигнала. Исходный импульс взаимодейст­ вует со скачком параметра, в результате чего умень­ шает свою начальную длительность и увеличивает амплитуду. Взаимодействие может быть как попут­ ным, так и встречным, а режим работы схемы — как квазилинейным, так и существенно нелинейным. В та­ кой линии было получено уменьшение длительности импульса в 10 раз, а увеличение его амплитуды в 100 раз [95] *>.

Пример системы, в которой осуществляется пара­ метрическое расширение импульсов, описан в работе [99]. Система содержала также две связанные линии (рис. 4.11), звенья одной из которых имели нелиней­ ные конденсаторы (на основе сегнетокерамика типа ВК-7), изменяющие под действием управляющего на­

нию к преобразуемому сигналу система работала в ли­ нейном режиме, поэтому исходный импульс с началь­ ной длительностью ^ио~5-10-9 с и фронтом 10-9 с преобразовывался в линии в импульс аналогичной формы, растянутый во времени и пространстве в два раза.

Следует отметить, что в качестве распределенных систем с нелинейной управляемой погонной емкостью весьма перспективны, на наш взгляд, полосковые ли­ нии на основе сегнетоэлектрических пленок из титаната (или.цирконата) бария толщиной в единицы мик­ рон. Такие пленки имеют максимальную диэлектриче-

*> Экспериментальная проверка работы данной системы была проведена в микросекундном диапазоне длительностей импульсов.

стройка емкости линии может быть произведена за время приблизительно равное (1 ... 2) • 10-10 с. К недо-

L1

Рис. 4.11. Схема связанном линии с сегпеюьлекТричесКими кон­ денсаторами:

/ — вход управляющего сигнала; 2— преобразуемого.

статкам сегнетоэлектрпческих полосковых линий сле­ дует отнести высокую температурную чувствитель­ ность. Однако этот недостаток тем меньше, чем тонь­ ше сегнетоэлектрпческая пленка, и, кроме того, мо­ жет быть практически устранен помещением линии в термостабилизирующую среду.

Ключевые параметрические линии, как это будет показано ниже, по-видимому, более, чем реактивные, подходят для преобразования наносекундных видео­ импульсов (особенно однократных пли случайных) без искажения их формы. Ключевые линии должны удовлетворять ряду общих требований: а) обладать малой дисперсией и потерями во всем спектре частот преобразованного импульса; б) иметь малую инерци­ онность в управлении и, по-возможности, большее из­ менение величин параметров; в) быть линейными по отношению к преобразуемому импульсу; г) иметь до­

212

статочно малую амплитуду паразитных наводок, обу­ словленных управляющим сигналом.

Эти условия и ограничивают выбор параметриче­ ских систем, пригодных для линейного преобразова­ ния импульсов по длительности. В частности, при ис­ пользовании параметрических линий с нелинейными реактивными элементами L или С, вышеперечислен­ ные требования являются в значительной мере проти­ воречивыми. Так, первые два условия требуют от ре­ активных элементов сильной нелинейности и слабой дисперсии. Однако такие, например, нелинейные мате­ риалы, как ферриты и сегнетоэлектрики, обладают такими свойствами только на относительно низких частотах. Требование линейности системы относитель­ но преобразуемых импульсов приводит к необходимо­ сти использовать управляющие сигналы с амплитудой, значительно превосходящей амплитуду преобразуе­ мых импульсов. Поэтому влияние паразитных наводок возрастает и, следовательно, усложняются развязы­ вающие цепи. Все это ограничивает применение реак­ тивных параметрических линий для преобразований длительности импульсов без искажения формы. Ряд преимуществ в этом отношении имеют ключевые па­ раметрические линии с последовательной или одно­ временной коммутацией переключающих элементов. Возможности таких линий видны из простого примера.

Если все ключи замыкаются в один и тот же мо­ мент времени, то для линии с переключением емкостей (рис. 4.5,а) длительность преобразованного импульса

Преимущество ключевых линий перед реактивными заключается еще в том, что, во-первых, ключевые ли­ нии— линёйные системы, во-вторых, для управления ключами требуются сигналы относительно малой амп­ литуды (а это облегчает задачу подавления паразит­ ных наводок в цепи преобразуемого импульса) и,

213

в-третьих, при использовании достаточно быстродейст­ вующих ключей можно осуществить параметрическое преобразование длительности наносекундных импуль­ сов в диапазоне 10-8... 10~9 с и менее.

В практической реализации таких систем центр тя­ жести лежит на ключевых устройствах. Они должны обладать малым порядка 10~9... 10 -10 с) временем коммутации, низким внутренним сопротивлением, иметь линейные характеристики вплоть до самых уров­ ней преобразуемого сигнала и, кроме того, обладать малыми паразитными параметрами.

Из всех известных нам и экспериментально прове­ ренных к настоящему времени ключевых элементов (электровакуумных, газоразрядных, полупроводнико­ вых и других коммутаторов) наиболее подходящими, с точки зрения вышеперечисленных требований, явля­ ются, по-видимому, высокочастотные транзисторы, ра­ ботающие в ключевом режиме.

Одним из примеров параметрической линии с тран­ зисторными ключами является система, принципиаль­ ная схема которой приведена на рис. 4.12. Работа схе­ мы была проверена экспериментально [95] при следую­

Рис. 4.12. Схема параметрической линии с транзисторными клю­ чами.

214

нии происходило параметрическое расширение исход­ ного импульса, который поступал на вход (клеммы 1—2) линии. Управляющий сигнал (амплитудой по­ рядка 10 В) подавался одновременно на все транзи­ сторные ключи (клеммы 2—5), когда преобразуемый сигнал уже полностью находился внутри линии и за­

линии уменьшалась с щ «8,1-109 с-1 до У2~3,5-109с-1.

пропускания системы и наводками из цепи управле­ ния. Наводки были обусловлены током, проходящим через емкость коллектор — база. Этот ток и ограни­ чивает минимально допустимую амплитуду входного сигнала. Для уменьшения искажений необходимо либо снижать амплитуду управляющего сигнала, либо ис­ пользовать схемы компенсации. Однако уменьшение амплитуды управляющего сигнала приводит к сущест­ венному возрастанию времени переключения транзи­ сторов. Поэтому, уменьшая амплитуду управляющего сигнала, необходимо использовать более быстродей­ ствующие транзисторы.

В схемах компенсации напряжение соответствую­ щей формы и полярности и компенсирующее наводки может подаваться в систему распределенным образом, т. е. во все узловые точки ключевой линии, где возни­ кает напряжение наводки, или (применительно к реак­ тивным линиям) сосредоточенным образом, только на выходе системы. Но из-за значительного усложнения системы метод компенсации может быть использован, по-видимому, только в схемах преобразования началь­ ного наносекундного диапазона длительностей.

215

Из возможных способов уменьшения искажении, обусловленных управляющим сигналом, можно отме­ тить способ, который состоит: а) в применении клю­ чей, коммутирующих такими сигналами, частотный спектр которых лежит вне частотного спектра преоб­ разуемых импульсов (например, использование в ка­ честве управляющих импульсов модулированных СВЧ сигналов); это позволит без особых трудностей от­ фильтровать сигнал наводки; б) в применении ключей,

Рис. 4.13. Схема спиральной параметрической линии с транзистор­ ными ключами.

управляемых сигналами, не вызывающими электро­ магнитных наводок в цепи преобразования (например, использование в качестве управляющих импульсных световых сигналов, а в качестве ключей — фотодиодов или фототрподов)

Как пример параметрического компрессора импуль­ сов наносскундной длительности рассмотрим другую ключевую систему, эквивалентная схема которой при­ ведена на рис. 4.13 [95]. Она представляет собой спи­ ральную линию, намотанную на ферритовых стержнях в три провода. Поверх первичной спирали проложены полиэтиленовая изоляционная пленка и затем вторич­ ная секционированная обмотка. Каждая секция вто­ ричной обмотки могла коммутироваться на землю че­ рез полупроводниковый триод, включенный по схеме с общим эмиттером. Погонной емкостью линии служи­ ла емкость между первичной и вторичной обмотками.

216

5

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ В ВОЛНОВЫХ НЕЛИНЕЙНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ

Одним из новых видов импульсных устройств вол­ нового типа являются параметрические генераторы им­ пульсных колебаний, построенные на основе волновых

типа является резонансная система, выполненная в ви­ де отрезка (или кольца) линии с нелинейными реак­ тивными элементами, в которой происходит преобра­ зование энергии волны гармонической накачки в энер­ гию импульсных колебаний.

Для параметрического генератора импульсов ха­ рактерны специфические особенности *): во-первых, резонатор генератора должен обладать спектром соб­ ственных частот, близким к эквидистантному — при этом взаимодействует наибольшее число мод. Во-вто­ рых, фазовые соотношения между возбужденной вол­ ной импульсных колебаний и волной накачки долж­ ны быть такими, чтобы поле генерируемых колебаний (импульса) имело максимальное значение в реактив­ ном элементе при уменьшении величины реактивности во времени иод действием поля волны накачки, и близ­ ко к нулю при увеличении реактивного параметра. В этом случае условия синхронизации фаз между мо­ дами оптимальны, поэтому изменение поля носит им­ пульсный характер. Кроме того, изменение реактив­ ного параметра вдоль длины резонатора должно быть неоднородным по фазе, чтобы обеспечить эффектив­ ную перекачку энергии из волны накачки.

*> По сравнению, например, с одночастотными параметриче­ скими генераторами [87, 88].

219