imp_1_20120907

Отсюда следует, что для повышения энергии (амплитуды, мощности) импульса при ограничении на Q повышать U. В связи с этим в реальных схемах либо применяют в качестве S1 и S2 достаточно высоковольтные ключи, либо ис-

пользуют промежуточные повышающие трансформаторы. В схеме рис.1.3

насыщающийся дроссель может быть заменен насыщающимся трансформато-

ром фактически без всякого усложнения схемы, причем изоляция вторичной обмотки такого трансформатора до нескольких киловольт не представляет практической трудности, в то время как применение активных ключей на такие напряжения в настоящее время достаточно дорого.

Разнообразные схемы одноключевых формирователей, в том числе с до-

полнительными каскадами магнитных уплотнителей, позволяющих уменьшить требования к параметрам первичных ключей, рассмотрены в [23]. Там же при-

ведены расчетные формулы для магнитных элементов, даны расчеты и реко-

мендации по выбору промышленных диодов в качестве ДДРВ, представлены схемы с формированием импульсов с равными фронтом и срезом и двуполяр-

ных импульсов, близких по форме к одному периоду синусоиды.

1.2 Субнаносекундный обостритель

Диоды с задержкой лавинного пробоя (ДЗЛП), способные формировать субнаносекундные фронты тока как нельзя лучше сочетаются с наносекундны-

ми формирователями с ДДРВ. Начальное напряжение смещения ДЗЛП необя-

зательно должно быть стационарным, вполне достаточно, чтобы время нарас-

тания его превышало бы время ухода зарядов из перехода, т. е. было бы более десяти наносекунд. Тогда при импульсной запитке начального смещения нет необходимости в дополнительном источнике питания, достаточно воспользо-

ваться малой долей энергии процессов, протекающих в формирователе с ДДРВ. Особо ярко преимущество импульсного питания начального смещения проявляется при использовании последовательных ДЗЛП. В случае стационар-

11

ного смещения необходим делитель напряжения с током большим токов утечки ДЗЛП и индивидуальный подвод к каждому диоду в стопке ДЗЛП. В случае импульсного смещения деление напряжения смещения по диодам происходит через собственные емкости обратносмещаемых ДЗЛП, таким образом нет нуж-

ды в индивидуальных подводах. Разброс емкостей у диодов одного типа обыч-

но не превышает 5%, поэтому обычно нет необходимости в подборе диодов или каком-либо выравнивании напряжения смещения.

Конструктивно возможны два варианта соединения каскадов с ДДРВ и ДЗЛП – непосредственное и через промежуточный кабель. При прямом соеди-

нении диоды ДДРВ можно рассматривать как сосредоточенную емкость или короткую линию. Нагрузкой для формируемого на ДДРВ импульса в этом слу-

чае является лишь собственная емкость диодов ДЗЛП, а весь энергозапас со-

средоточен в емкости (линии) ДДРВ. В случае соединения через кабель (для простоты рассмотрим кабель, электрическая длина которого более половины длительности нарастания импульса ДДРВ), нагрузкой ДДРВ является волновое сопротивление кабеля, а энергозапас для ДЗЛП сосредоточен в основном в ка-

беле, и чаще всего он существенно больше энергозапаса при непосредственной стыковке. Последнее обстоятельство обуславливает то, что для получения од-

ной и той же амплитуды выходного импульса нужно иметь более мощные кас-

кады ДДРВ при стыковке через кабель. При этом получаем меньшую надеж-

ность всего устройства. Однако такое соединение оправдано, если ставится цель иметь возможность получать от одного генератора как наносекундные, так и субнаносекундные импульсы.

1.3.Параметры генераторов

Внастоящее время разработаны и изготавливаются генераторы однопо-

лярных импульсов для работы на нагрузку 50 Ом и низкоомную нагрузку. Па-

раметры 50 омных генераторов приведены в табл. 1.1.

12

Параметры генераторов для низкоомной нагрузки приведены в табл. 1.2.

уровням 0,1 и 0,9 задают длительность переднего и заднего фронтов.

Рис. 1.4. Форма импульса

13

РАЗДЕЛ 2 ИЗЛУЧАТЕЛИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОЛЕЙ

Излучатели электромагнитных полей с синусоидальной зависимостью ко-

лебаний от времени обычно называют антенной. Сохраним этот термин и для излучателей наносекнундных волн (НСВ).

В связи с тем, что теория и техника антенн НСВ являются достаточно но-

выми по сравнению с антеннами гармонических сигналов, возникает необхо-

димость в разработке новых требований и характеристик. Будем использовать слово “антенна” как термин, который характеризует конкретную техническую конструкцию без учета узла питания. Для антенн НСВ целесообразно сохра-

нить имеющееся разделение на электрические и пространственные характери-

стики, хотя, конечно, они связаны между собой. К электрическим характери-

стикам отнесем входное сопротивление, сопротивление излучения, сопротив-

ление потерь и КПД. К пространственным – диаграммы направленности, КНД,

коэффициент усиления и поляризационные характеристики. Прежде чем рас-

сматривать характеристики антенн НСВ, дадим их классификацию.

2.1. Классификация антенн

Общепринятой является классификация антенн по типу излучающего эле-

мента [28]. Выделяют три класса антенн: 1) антенны с линейными токами (ли-

нейные антенны); 2) поверхностные (апертурные) антенны; 3) антенны поверх-

ностных волн. К линейным относят такие антенны, у которых токи протекают по элементам, имеющим поперечные размеры значительно меньше продоль-

ных и значительно меньше длины волны. Класс линейных антенн разделяют на два вида: проволочные (вибраторные) и щелевые. По конструктивным особен-

ностям среди них выделяют симметричные и несимметричные антенны.

15

У поверхностных антенн излучение происходит с некоторой поверхности,

которую иногда называют раскрывом или апертурой. К апертурным относят рупорные, линзовые и зеркальные антенны.

Антенны поверхностных волн при синусоидальной зависимости токов от времени излучают за счет бегущей вдоль антенны электромагнитной волны в направлении ее распространения. Поэтому выделение антенн поверхностных волн в отдельный класс не соответствует разделению по типу излучающего элемента, так как наличие бегущей волны зависит от типа возбуждения, а не от типа излучающего элемента. С учетом этого следует оставить два класса ан-

тенн с непрерывным распределением тока.

Каждая антенна может использоваться отдельно, либо множество одно-

типных антенн объединяются в антенные решетки. Именно этот тип антенн следует выделить в отдельный класс, так как излучающий элемент имеет суще-

ственное отличие в виде дискретного распределения излучателей.

Имеет место также разделение антенн по их размерам в сравнении с дли-

ной излучаемой волны. Такое разделение выделяет элементарные излучатели:

электрический диполь Герца, магнитный диполь и элементарную излучающую площадку – элемент Гюйгенса. В случае наносекундных волн понятие длины волны отсутствует. Его можно заменить аналогичным по смыслу понятием пространственной длительности импульса, которая связана с обычной дли-

тельностью импульса соотношением

Таким образом, в классификации антенн НСВ следует остановиться на трех классах антенн: линейные, поверхностные и антенные решетки. В каждом из классов может быть деление на три вида.

16

2.2. Электрические характеристики

2.2.1. ВХОДНОЕ СОПРТИВЛЕНИЕ

Для антенн гармонических сигналов входное сопротивление определяют как отношение комплексных напряжения и тока:

Величина z A также является комплексной. Особенностью этого опреде-

ления является то, что напряжение и ток измеряются на одной фиксированной

частоте. При изменении частоты величина z A изменяется, т.е. входное сопро-

тивление является функцией частоты z A z . Становится ясным, что в таком виде определение входного сопротивления не подходит для антенн НСВ.

Поскольку в антеннах НСВ главными являются временные зависимости, то целесообразно входное сопротивление определить в виде отношения

Отсюда вытекает способ расчета RA t . Величина входного сопротивления z

измеряется как можно чаще в требуемом частотном диапазоне, а затем произ-

водится вычисление интеграла по формуле (2.4).

Кроме того, можно производить измерения тока и напряжения во времен-

ной области с последующим расчетом входного сопротивления. Таким обра-

зом, входное сопротивление антенн НСВ определяется не только конструкцией

17

антенны, но и временной зависимостью возбуждающего сигнала. Для практи-

ческого использования более удобно среднее сопротивление, определяемое че-

рез усредненные значения тока и напряжения за время импульса:

где 0, – временной интервал существования сигнала.

Для антенн СВЧ непосредственное измерение токов и напряжений за-

труднено и для оценки входного сопротивления антенн используют понятие коэффициента отражения [29]

частоты и является комплексной. Значение p определяют как отношение ам-

плитуд поля или напряжений отраженной и падающей волн:

В качестве величины z0 в технике измерений принято использовать два значе-

ния: z0 является чисто активным сопротивлением 50 или 75 Ом.

На практике очень часто вместо коэффициента отражения используют ко-

эффициент бегущей волны (КБВ)

18

либо обратную ему величину – коэффициент стоячей волны (КСВ)

тельной и может быть определена как отношение амплитуд отраженного и па-

дающего импульсов поля или напряжения

Определения величин КБВ и КСВ при этом не изменяются.

Величина коэффициента отражения для наносекундных волн может быть определена и из энергетических соображений. В частности, может быть взято

непосредственно, а для определения величины pHC требуется интегрирование по времени. Однако величина pHC дает более полную информацию о свойствах антенны так как формы Eпад и Eотр могут значительно отличаться.

2.2.2. СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Для антенн гармонических сигналов сопротивление излучения определяют как коэффициент, связывающий мощность излучения антенны с квадратом действующего значения тока в точке питания:

S

19

Для произвольной зависимости полей от времени существует понятие мгно-

Используя его, можно ввести понятие среднего значения вектора Пойнтинга за время длительности импульса в точке р:

Если теперь его проинтегрировать по поверхности s, окружающей антенну, то получим среднее значение излучаемой мощности

При таком подходе величина R CP не зависит от времени и является некоторым

средним за время излучения импульса.

Если в выражении (2.18) не проводить интегрирование, то можно получить мгновенное значение сопротивления излучения:

где t2 запаздывает на время распространения поля от точки питания до точки на поверхности сферы.

По работе [30], величина P может быть вычислена иначе:

S

где поверхность s совпадает с поверхностью антенны. И тогда отношение P к

квадрату тока в данной точке p будет мгновенным сопротивлением излучения в

этой точке:

20