Устройства генерирования сверхширокополосных излучений радиочастотного диапазона с генераторами возбуждения полупроводникового типа

Введение

В последнее время интенсивно развивается полупроводниковая техника генерирования электрических импульсов субнаносекундной длительности. Пиковая мощность компактных генераторов достигает сотен мегаватт. Частота непрерывного следования импульсов с такой мощностью составляет примерно 10³ имп/с.

Короткие электрические импульсы со ско­ростью изменения напряжения (1.. .2)х10¹⁵ В/с эффективны для возбуждения сверхширокопо­лосных (СТТТП) излучений.

Электрические импульсы субнаносе­кундной длительности, генерируемые полу­проводниковыми устройствами, могут быть устойчиво синхронизированы с точностью до значения случайного временн0го джиттера им­пульсов, что делает возможным создание син­хронных активных антенных решеток (СААР) с использованием этих устройств в качестве модуляторов.

Излучатели такого типа можно рассма­тривать в качестве источников подсветки в задачах радиочастотной локации различных объектов [1, 2], как средство мощного воз­действия при изучении стойкости различных объектов электронной техники к импульсному излучению и как средство подавления и пора­жения объектов в задачах радиоэлектронной борьбы [3-5].

Мощные полупроводниковые генераторы субнаносекундных импульсов

Успешные разработки мощных быстродей­ствующих полупроводниковых коммутаторов в России проводятся в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН (г. Санкт-Пе­тербург), Институте электрофизики Уральско­го отделения РАН (г. Екатеринбург), Нацио­нальном исследовательском Томском поли­техническом университете, Санкт-Петербург­ском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) [6-11].

Серия мощных генераторов импульсных напряжений (ГИН) суб- и наносекундной дли­тельности разработана в ЗАО «ПК ФИД-Тех­ника» (г. Санкт-Петербург) [12, 13] и доведена до уровня коммерческого продукта. В частно­сти, линейка ГИН покрывает диапазон частот следования импульсов 10³.10⁶ имп/с и ампли­туд 1.100 кВ. Длительность фронта импуль­сов ГИН достигает 50 пс, скорость изменения напряжения на согласованной электрической нагрузке - (1...2)х10¹⁵ В/с.

Характерная форма униполярных нано- секундных импульсов полупроводниковых ГИН представлена на интернет-сайте ЗАО «ПК ФИД-Техника» [12]. В качестве примера на рис. 1, а приведено фото генератора семейства ГИН-100 кВ, а также параметры импульса на­пряжения на его фидере (рис. 1, б).

Рассматриваемый ГИН (см. рис. 1) запи- тывается напряжением 300 В, запускается внешним импульсом с амплитудой 15 В, фрон­том 1 нс и длительностью примерно 100 нс. Пиковая мощность импульсов ГИН на нагруз­ке 50 Ом равна Р_ГИН « 200 МВт, а средняя, при частоте их следования 10³ имп/с, - примерно 50 Вт. При этом эффективность преобразова­ния первичной энергии в ГИН составляет 25 %. Удельная мощность генератора по сред­ней мощности на выходном фидере составля­ет 50.70 кг/кВт.

Стоит отметить успешный опыт созда­ния систем автоматической синхронизации импульсов таких генераторов, реализованный в активных антенных решетках излучателей. Например, в работе [14] описана 8-элементная синхронизированная активная антенная решетка (СААР) с амплитудой импульсов воз­буждения элемента 40 кВ.

Излучение СШП электромагнитных импульсов

Проблемам генерации и изучения СШП из­лучений посвящены монографии [15-19], в которых обобщены результаты примерно 20-летнего периода исследований.

Оценим амплитуду импульса E (В/м), излучаемого плоским однородно возбуждае­мым синхронным апертурным раскрывом по его оси, на расстоянии R в дальней зоне излу­чения. Поскольку E ~ R^-1, будем оценивать максимальное значение произведения ER , называемое электродинамическим потенциа­лом излучателя.

Введем следующие обозначения:

U_A - напряжение возбуждения раскрыва;

I_A - ток, возбуждаемый этим напряжением;

с - скорость распространения электромаг­нитной волны в свободном пространстве;

μ ₀ - диэлектрическая постоянная;

Z₀ - характеристическое сопротивление сво­бодного пространства;

Z₀ = μ₀c= 120π Ом;

S - площадь раскрыва.

Затем, следуя [20], запишем:

Напряжение U_A определим из баланса энергии импульса генератора возбуждения U_g, потерь в фидере и энергии, доставляемой к излучающему раскрыву:

Здесь η - характеристика омических по­терь в фидере (если нет потерь - η = I);

Z_g - входной импеданс антенно-фидер­ной системы (АФС);

Z_A - выходной импеданс АФС;

4ηΖ₀ Z_a /(Z₀ + Z_a )² - эффективность транспортировки энергии от ГИН к раскрыву (КПД фидерный).

При возбуждении апертурного раскрыва импульсом с крутизной 10¹⁵ В/с и апертуре раскрыва 0,3х0,3 м (волновой импеданс рас­крыва ≈180 Ом) потенциал излучателя составляет ER ≈ 0,4 МВ.

Поставим в соответствие потенциалу ER эффективную пиковую мощность излу­чателя - эквивалентную пиковую мощность изотропного излучения. Плотность потока энергии излучения на удалении R от раскры- ва по его оси n = E² / Z₀ (Вт/м²). Тогда

где Ку(м) - коэффициент усиления АФС по пиковой мощности;

Ку(м) = P_эф /Р_ГИН .

Таким образом, при ER ≈ 0,4 МВ эффек­тивная пиковая мощность излучения состав­ляет Р_эф ≈ 5 ГВт. При скважности последова­тельности импульсов (0,5...1,0)х10⁷ эффек­тивная средняя мощность этого излучения на­ходится в диапазоне 0,5...1,0 кВт. По эффек­тивным параметрам излучения вычисляются локальные значения параметров в заданной точке наблюдения.

Коэффициент усиления АФС по пиковой мощности

а по энергии -

Ку(э)=Ку(м) х (τ_изл  /τ_ГИН).

Здесь Z_g = 50 Ом;

U_g = 100 кВ;

х_изл, х_гин - характерные длительности импульсов излучения и возбуждения, опреде­ляющие их энергию.

Уточнение и дополнение параметров из­лучения проведем, используя расчетную мо­дель, в которой раскрыв представлен сово­купностью однонаправленных излучающих элементов Гюйгенса [20], возбуждаемых из точки на оси раскрыва, вследствие чего рас­крыв возбуждается несинхронно и неодно­родно. Модель верифицирована на примерах аналитических решений, удовлетворяет тео­реме взаимности и не противоречит принципу сохранения энергии при ее преобразовании. Модель удовлетворительно описывает излуче­ние экспериментального макета с апертурной антенной на основе расходящегося TEM-ру­пора (апертура 0,3х0,3 м), возбуждаемой од­ним из генераторов, разработанных ЗАО «ПК ФИД-Техника» (рис. 2).

Очевидно, что при больших углах откло­нения от оси реальной антенны параметры ее излучения хуже воспроизводятся в рамках мо­дели плоского раскрыва.

Модуль СШП излучателя

На основе расчетной модели оценим предель­ные параметры СААР с генераторами возбуж­дения типа ГИН-100 кВ. Импульс электриче­ской энергии с амплитудой напряжения ≈100 кВ и эффективной длительностью ≈0,5 нс можно ввести в АФС, не прибегая к специальным ме­рам по обеспечению электрической прочно­сти системы (масло, газ под давлением и т. п.). Это упрощает конструкцию излучателя и его эксплуатацию.

При заданной площади апертуры СААР мощность излучателя будет тем больше, чем больше синхронная мощность возбуждения ан­тенны или, что тоже, чем больше генераторов, размещенных в пределах этой апертуры. Каж­дый генератор должен быть нагружен на свою АФС, согласованную как с генератором, так и с пространством распространения излуче­ния. Согласование было реализовано в пассив­ной антенной решетке из четырех связанных TEM-рупоров в формате 2х2. Каждый рупор имеет входной импеданс 200 Ом и выходной 280...300 Ом. Параллельное соединение вхо­да рупоров с фидером ГИН осуществляется с использованием 4 гибких двухпроводных вол­новых линий с импедансом 200 Ом.

Время появления мощных импульсов на­пряжения на выходном фидере ГИН имеет слу­чайный разброс - джиттер. Он связан с неста­бильностью времени последовательного многоступенчатого процесса формирования вы­ходного субнаносекундного импульса при пол­ной длительности этого процесса Т_форм ≈ 100 нс.

Джиттер импульсов одного ГИН как слу­чайный процесс характеризуется временем среднеквадратического отклонения σ₁. При совместной работе N однотипных генерато­ров джиттер генерируемых ими импульсов уменьшается в соответствии с законом боль­ших чисел 

Несинхронность выходных импульсов генераторов обусловлена не только джиттером, но и сравнительно медленным процессом из­менения длительности формирования импуль­сов Т_форм в генераторах однотипных, но не одинаковых. И если джиттер как случайный процесс нельзя исключить, то систематиче­скую погрешность времени Т_форм можно ми­нимизировать системой автоматической ста­билизации среднего значения Т_форм при периодической коррекции времени внешнего запуска каждого из генераторов.

При цифровой регистрации импульсов ГИН-100 кВ, следующих с частотой 10³ имп/с в течение -10 с, фиксируется σ₁ ≈ 20 пс. По­скольку все импульсы попадают в интервал времени ±3σ₁ ≈ 60 пс, то при фронте импуль­са генератора ≈100 пс джиттер необходимо учитывать при оценке параметров СААР.

Рассмотрим элемент СААР (модуль) с апертурой антенны 0,3х0,3 м и тремя ГИН воз­буждения, размещенными в пределах этой апертуры (габариты ГИН-100 кВ позволяют это сделать). Оценим параметры излучения такого модуля с учетом несинхронности и неоднород­ности возбуждения раскрыва антенны, переход­ных свойств АФС элемента модуля, а также джиттера импульса генераторов (вероятный раз­брос ограничим интервалом ±2σ). Результат расчета параметров, усредненных по 200 им­пульсам излучения, представлен на рис. 3.

Электродинамический потенциал модуля ER ≈ 0,52 МВ (≈5,2 кВ/м в 100 м от модуля по оси его излучения). Соответствующее значение эффективной пиковой мощности импульса из­лучения составляет ≈9 ГВт, а эффективной энер­гии импульса - 1,15 Дж. Эта энергия сосредото­чена в частотном интервале 1,6.4 ГГц с характерной плотностью ≈ 0,2 мДж/МГц. При частоте следования импульсов 10³ имп/с сред­няя эффективная мощность излучения состав­ляет ≈1,1 кВт, а спектральная плотность сред­ней мощности - 0,2 Вт/МГц. АФС модуля характеризуется коэффициентом усиления Ку(м)≈17,8 по пиковой мощности и Ку(э) ≈ 8 - по энергии.

На рис. 4 представлены расчетные дан­ные, характеризующие диаграмму направлен­ности антенны (ДНА) модуля.

Полный угол расходимости излучения модуля по плотности энергии импульса состав­ляет ≈18°. Энергетический коэффициент на­правленного действия антенны модуля D_Э = 34. В соответствии с приведенными дан­ными, энергетическая эффективность АФС с апертурой антенны 0,3х0,3 м, возбуждаемой заданным униполярным импульсом, составля­ет пример 24 % (Ку(э)/О_Э).

Ширина ДНА по пиковой мощности из­лучения (линия 2) несколько меньше, чем по плотности энергии (линия 1). Важно отметить, что при увеличении угла отклонения от оси излучателя ширина частотного спектра из­лучения (линия 3) сокращается в результате сдвига высокочастотной границы излучения в сторону низких частот. Ширина ДНА по это­му параметру и среднему значению плотности частотного спектра (линия 4), примерно вдвое меньше, чем ширина ДНА по энергии и мощ­ности импульса излучения.

Одна из особенностей СШП излучения направленной антенны заключается в том, что энергия излучения в пределах главного лепест­ка ДНА заметно меньше, чем для синусоидального сигнала [21]. Энергетическая эффектив­ность главного лепестка ДНА рассматри­ваемого модуля составляет примерно 15 % (см. линию 5 на рис. 4). Однако это не означает, что поток энергии СШП излучения в целом не может быть компрессирован в физическом простран­стве. Это возможно при увеличении площади апертуры антенны (Ку ~ S). При этом отно­сительная доля энергии СШП излучения, со­средоточенная в главном лепестке ДНА, по-прежнему относительно мала.

Синхронная активная антенная решетка СШП излучателей

Оценим параметры излучения СААР на при­мере решетки с размерностью 6х6 элементов. В качестве элемента решетки используем мо­дуль с апертурой 0,3х0,3 м, описанный выше.

Полагая решетку синхронной с точно­стью до джиттера каждого активного элемента, получим значение электродинамического по­тенциала излучателя на уровне 19 МВ (-2 кВ/м на расстоянии 10 км от излучателя). Соответ­ствующее значение эффективной пиковой мощ­ности излучателя будет равно Р_пик ≈ 12 ТВт.

Эффективная энергия импульса излуче­ния решетки ε_эф ≈ 15 кДж при эффективной длительности импульса τ_эф = ε_эф  / P_пик ≈ 130 пс. При частоте следования этих импульсов, рав­ной 10³ имп/с, эффективная средняя мощность излучения составит 1,5 МВт.

Распределение энергии импульса в ча­стотной области в основном соответствует ее распределению в единичном модуле. При этом максимальное значение эффективной плотно­сти энергетического спектра излучения соста­вит примерно 0,4 Дж/МГц в частотном интер­вале 1,5...3,5 ГГц (см. рис. 3, б).

При апертуре решетки 1,8х1,8 м коэффи­циент усиления ее АФС по пиковой мощности равен Ку(м) ≈ 640, а по энергии -Ку(э) ≈ 280. Ширина главного лепестка ДНА равна ≈3°, а его энергетическая эффективность составляет примерно 6 % при заданной (приведенной) форме импульса возбуждения. Последнее мож­но объяснить тем, что главный лепесток ДНА формируется высокочастотной частью импуль­са излучения, а доля энергии этой части от полной энергии СШП импульса относительно мала.

Технологические параметры антенной решетки определяются в основном удельными параметрами генератора возбуждения. Масса 108 генераторов составляет ≈380 кг. При этом удельная эффективная мощность излучения по среднему ее значению составит примерно 0,25 кг/кВт (380 кг/1,5 МВт).

Пиковая синхронная мощность возбуж­дения антенны с учетом джиттера генераторов равна примерно 18,4 ГВт, а средняя при часто­те следования импульсов 10³ имп/с - 5,4 кВт. При этом средняя мощность электропита­ния всех генераторов возбуждения составит 20...25 кВт.

Режим работы генераторов следующий: единицы минут без охлаждения (на теплоем­кости конструкции) или длительно - при ох­лаждении мощных переключающих элементов в схеме генератора.

Заключение

Развитие техники генерирования мощных СШП излучений обусловлено практическим интересом к использованию таких сигналов, в ее основе быстрый прогресс в создании мощных полупроводниковых устройств, ге­нерирующих импульсы с фронтами субнаносекундной длительности. Привлекательность полупроводниковой техники заключается в ее компактности, надежности, возможности генерирования мощных импульсов с высокой частотой их следования при возможности обе­спечения устойчивой синхронизации импуль­сов субнаносекундной длительности в преде­лах случайного временного джиттера.

Предельное значение электродинамиче­ского потенциала СААР, создаваемой на ос­нове рассмотренной технологии, находится в диапазоне 5.6 МВ на 1 м² ее апертуры. Соот­ветствующее значение эффективной пиковой мощности излучения составляет около 1 ТВт. Мощность излучения СААР пропорциональна квадрату числа ее элементов.

С использованием рассмотренной тех­нологии могут быть созданы синхронизи­рованные излучатели с пиковой мощностью возбуждения антенны в десятки гигаватт, эф­фективной пиковой мощностью излучения в десятки тераватт при эффективной средней мощности излучения мегаваттного уровня и энергопотреблении модуляторов в десятки ки­ловатт. Характерная ширина частотного спек­тра таких излучений в пределах главного ле­пестка ДНА составляет 3...5 ГГц.